AC Heating: Faktory ovlivňující účinnost tepelných čerpadel

Základní rozdělení

Podobně jako je tomu u všech mechanických zařízení, tak i provoz tepelného čerpadla je ovlivněn řadou faktorů, způsobujících odchylku skutečných provozních stavů od těch teoretických, daných fyzikálními výpočty. Nejjednodušší rozdělení těchto faktorů může být následující:

• Vlastní – jsou zapříčiněny nedokonalostí ve vlastní technologii tepelného čerpadla (výparník, kompresor, expanzní ventil)
• Vnější – složitě odhadnutelné vlivy venkovního prostředí, kterým nelze předejít (teplota, vlhkost a znečištění vzduchu)
• Nahodilé – způsobené např. chybným dimenzováním otopné soustavy

Jak fungují tepelná čerpadla vzduch–voda?

Pro popis vlastních faktorů, které ovlivňují provoz tepelného čerpadla, je třeba uvést obecný schématický nákres chladivového cyklu tepelného čerpadla:

Obr. 1. Princip tepelného čerpadla

Koloběh chladiva v tepelném čerpadle

Proces začíná nasátím par chladiva v bodě (1). Kompresor stlačuje a kompresním teplem zahřívá páry do bodu (2). Během procesu stlačování chladiva v kompresoru dochází k tepelným ztrátám i ziskům způsobených např. přestupem tepla z chladiva do pístů kompresoru nebo naopak ziskem odpadního teplaz pohonu kompresoru. V následujícím grafu skutečného oběhu je odchylka křivky 1-2 od křivky konstantní entropie (s = konst.) způsobena právě těmito ztrátami a zisky.

Přehřáté páry vstupují do kondenzátoru (tepelný výměník pro přestup tepla z chladiva do topného média). Postupující páry se ochlazují a kondenzují na kapalinu při kondenzační teplotě T_C. U skutečného oběhu dochází v závěru kondenzace k podchlazení kapalného chladiva (3). K podchlazení dochází účelně kvůli správné funkci expanzního ventilu. Podchlazení zajišťuje přítok kapalného chladiva, čímž se stabilizuje funkce expanzního ventilu, minimalizuje se kavitace a prodlužuje se jeho životnost. Z tohoto pohledu je výhodnější používat přesný elektronicky řízený expanzní ventil (EEV).

Tlak kapalného chladiva je po průchodu škrticím orgánem (EEV) prudce snížen (4). Dochází k varu a prudkému vypařování chladiva při teplotě TE. Výparné teplo je přiváděno přes teplosměnnou plochu výparníku z chlazeného prostoru. Expanzní ventil zajišťuje nezbytné přehřátí par chladiva v bodě (1). Kompresor totiž nesmí nasávat páry s podílem kapaliny, mohlo by dojít k jeho trvalému poškození.

Zobrazení chladivového okruhu v P-h diagramu

Přenesením principiálního schématu do P-h diagramu a zobrazení termodynamického cyklu můžeme porovnat rozdíly mezi ideálním tzv. Rankinovým cyklem a skutečným oběhem:

Obr. 2. Ideální Rankinův oběh (vlevo) a reálný oběh (vpravo)

Obrázek představuje závislost tlaku na entalpii (tzv. P-h diagram) chladivového okruhu. Entalpie vyjadřuje tepelnou energii, uloženou v jednotkovém množství látky. Křivka syté páry ohraničuje oblast, kde chladivo přechází ze stavu kapaliny na přehřátou páru. Podstatné jsou především křivky konstantních teplot, podle kterých je možné určit teploty chladiva v procesu ohřevu a chlazení. Tvar okruhu zůstává vždy zachován, mění se pouze jeho plocha, tedy umístění bodů 1-2-3-4.

Určení topného faktoru

Když známe provozní vlastnosti tepelného čerpadla, můžeme si nyní vyjádřit topný faktor COP udávající efektivitu provozu tepelného čerpadla v režimu topení a koeficient EER pro režim chlazení:

kde

Q₂₃

… energie předaná topnému médiu v kondenzátoru

Q₄₁

… energie přijatá z okolního prostředí do chladiva ve výparníku

P₁₂

… energie dodaná do okruhu kompresorem

Shrnutí vlivů ovlivňujících topný faktor tepelného čerpadla

Z takto stanovených předpokladů pak můžeme určit všechny parametry ovlivňující topný faktor tepelného čerpadla:

Teplota kondenzace chladiva

xCC

Čím bude vyšší požadovaná teplota kondenzace T_C, tím bude větší hodnota energie dodané kompresorem P₁₂ a tedy bude i nižší COP. Teplota kondenzace je dána požadovanou teplotou topného média pro otopnou soustavu (radiátorová tělesa, podlahové vytápění, VZT, TUV).

V případě tepelných čerpadel AC-Heating Convert AW je výstupní teplota topné vody závislá na venkovní teplotě. Pokud tedy dojde k nárůstu venkovní teploty, sníží se výkon a hlavně příkon tepelného čerpadla, které pak pracuje s výrazně lepším COP. Díky řídicímu systému xCC je možné výkon tepelného čerpadla upravovat i ručně, např. podle zadaného časového plánu, podle venkovní teploty nebo upravovat celkový výkon od 15 do 100 %. Tyto parametry mají podstatný vliv na průměrný roční topný faktor.

Teplota odpařování

Čím vyšší bude teplota vypařování T_E, tím méně energie P₁₂ bude třeba dodat kompresorem na dosažení konstantní kondenzační teploty. COP bude tedy vyšší. Množství energie získané z okolního prostředí při vypařování chladiva závisí tedy i na vhodném dimenzování výparníku.

I zde řídicí systém xCC zajišťuje optimalizaci: části topného systému, které mají akumulační schopnost (např. TUV, bazén) lze nahřívat přes den, kdy je vyšší venkovní teplota, a tím i vyšší účinnost tepelného čerpadla.

Znečištění výparníku

V případě námrazy na výparníku tepelného čerpadla vzduch/voda nemůže chladivo přijmout takové množství energie (bude se zkracovat vzdálenost 4-1 i vzdálenost 2-3), čímž dojde opět k poklesu COP. Při provozu tepelného čerpadla během topné sezóny dochází vždy ke vzniku námrazy. Zvyšující se četnost namrzání výparníku je způsobená i vyšší vlhkostí vzduchu, případně jeho větším znečištěním.

Tepelná čerpadla Convert AW jsou vybavena automatickým řízením odtávání, díky kterému se odmrazení výparníku odehraje řádově v jednotkách minut. Rovněž dochází k redukci tvorby námrazy při předimenzovaném výparníku: tepelná čerpadla vybavená invertorem a regulací xCC umožňují pracovat s nižším výkonem v období, kdy se venkovní teplota pohybuje kolem hodnoty 0 °C. Je to logické: Výparník je pak velmi předimenzován = nižší teplotní skluz = nižší náchylnost k tvorbě námrazy = méně časté odtávání = vyšší účinnost.

Závěr

Na účinnost tepelného čerpadla má vliv hodně faktorů. Zásadním faktorem je kvalita použitých komponentů a dostatečné dimenzování, to je jasné. Důležité je však také, aby regulační systém tepelného čerpadla zajistil optimální využití technologie, a tím maximalizoval účinnost provozu. Toto je možné v momentu, kdy jsou algoritmy ideálně vyladěny a navíc je uživatel schopen správně nastavovat veškeré parametry. Uživatel není ale obvykle odborník: Proto je také velice důležité i uživatelské rozhraní, pomocí kterého se tepelné čerpadlo ovládá.