Janitza.cz

Janitza Electronics se zabývá vývojem a výrobou energeticky úsporných systémů. Je výrobcem digitálních měřidel, systémů SEMS, univerzálních multimetrů, regulátorů jalového výkonu, systémů pro řízení spotřeby, ¼ hodinového maxima a dalších přístrojů nejvyšší kvality.

KBH.cz

Společnost KBH vyrábí, dodává a instaluje komponenty pro kompenzaci jalového výkonu. Zákazníky jsou elektromontážní firmy, výrobci rozvaděčů, projektanti, velkoobchody a velkoodběratelé elektrické energie. Společnost nabízí kvalitní komponenty a služby za velice příznivé ceny.

11. října 2008, Autor: varner
Nezařazené články

Vytápěcí systém s tepelným čerpadlem - základní principy

V souvislostech sledovaných v cyklu článků o tepelných čerpadlech (TČ) pod pojmem vytápěcí systém (VS) rozumíme:
• zdroj tepla – u VS s TČ vesměs bivalentní (ČE 2/2003)
• otopnou soustavu – u VS s TČ vždy „nízkoteplotní“ (ČE 6/2002)
• rozvody topného média, případně rozvody média – nositele nízkopotenciálního tepla
• další potřebné příslušenství
• řídicí systém
Poznámka: Pro snazší orientaci jsou pojmy podrobně popsané v předchozích článcích o TČ doplněny odkazem na příslušné číslo časopisu ČESKÁ ENERGETIKA (ČE).

Po tomto vysvětlení je třeba zdůraznit, že: vytápěcí systém s tepelným čerpadlem ≠ vytápěcí systém s klasickým zdrojem tepla (tj. kotlem na pevná, kapalná nebo plynná paliva, nebo elektrokotlem).
Pokud se projektant, dodavatel TČ nebo celého vytápěcího systému, případně investor a provozovatel domnívá, že předchozí nerovnost je rovností, dopustí se řady chyb, které následně povedou jednak k provozním těžkostem, jednak k horšímu energetickému efektu vytápěcího systému s TČ.

Odlišnost vytápěcích systémů

Oba vytápěcí systémy se liší celou řadou jednotlivostí, zejména:
1. odlišností klasického zdroje a TČ
2. způsobem dimenzování zdroje a provozním režimem systému
3. teplotní úrovní a průtočným množstvím topného média
4. zapojením (koncepcí) systému
5. řízením systému
6. potřebným příslušenstvím a náplní topného média v systému

Odlišnost TČ a klasického zdroje tepla

TČ potřebuje pro svůj provoz dva energetické zdroje
- hnací, zpravidla elektrickou energii;
- nízkopotenciální teplo; zajištění zdroje nízkopotenciálního tepla (NPT) představuje vždy určitý technický problém (ČE 6/2002).
Parametry TČ – topný výkon a topný faktor – nejsou konstantními hodnotami, jsou výrazně závislé na vnějších podmínkách, teplotě zdroje nízkopotenciálního tepla (NPT) a teplotě topného média (ČE 6/2002 – obr. 11 a 12).
Zatímco teplotu NPT nemůžeme ovlivnit, teplotu topného média se snažíme ovlivnit tak, aby byla co nejnižší (a energeticky nejvýhodnější):
- volbou otopné soustavy; např. podlahové vytápění umožňuje pracovat s nižší teplotou než velkoplošná radiátorová otopná soustava;
- zapojením vytápěcího systému, které znemožňuje degradaci teplotní úrovně topného média.
Teplotní úroveň topného média je shora ohraničena
Ohraničení je dáno použitou pracovní látkou (chladivem) se kterou TČ pracuje a důvody pevnostními i energetickými. Maximální teplota u standardních TČ pro vytápění bývá 50 až 55 °C. Maximální teplota nesmí být překročena.
Naproti tomu u klasického zdroje je ohraničení opačné. Aby nedocházelo k nežádoucí kondenzaci vlhkosti ve spalinách a následné korozi zařízení, musí tyto zdroje pracovat alespoň s určitou minimální teplotou. Minimální teplota by neměla být podkročena.

Dimenzování zdroje a provozní režim vytápěcího systému

Klasický zdroj ve vytápěcím systému má v převážné části otopného období (většinou i při vnější výpočtové teplotě) dostatečnou výkonovou i teplotní rezervu. Zdroj je zpravidla vždy do jisté míry „předimenzován“ (např. i tím, že výkon zdroje se volí jako „nejblíže vyšší k vypočtenému“). To obvykle platí i pro otopnou soustavu.
Pod pojmem výkonová rezerva rozumíme přebytek výkonu zdroje oproti potřebnému topnému výkonu, ekvivalentnímu aktuální tepelné ztrátě vytápěného prostoru. Pod pojmem teplotní rezerva rozumíme technicky možné a proveditelné navýšení teploty topného média nad teplotu, při které otopná soustava kryje aktuální tepelné ztráty.
Má-li zdroj dostatečnou výkonovou i teplotní rezervu, můžeme volit provozní režim vytápěcího systému s teplotními útlumy, tj. s určitým poklesem teploty ve vytápěném prostoru např. v noci, nebo v době nepřítomnosti lidí ve vytápěném prostoru. Takový provozní režim přináší určitou (malou, řádově v procentech) úsporu energie pro vytápění. Výkonová rezerva zajišťuje, že po aktivaci vytápění se do vytápěného prostoru může dodat větší množství tepla než odpovídá aktuální tepelné ztrátě a které je potřebné pro ohřátí „vychladlých“ stavebních konstrukcí. Teplotní rezerva zajišťuje, že i otopná soustava může potřebné větší množství tepla do vytápěného prostoru dodat. Obě tyto rezervy vedou ke zkrácení doby „zátopu“.
Aby bylo TČ ve vytápěcím systému optimálně využito, používá se vesměs tzv. bivalentní zapojení zdroje (ČE 2/2003 – obr. 2). Bivalentní zapojení způsobuje, že samotné TČ nemá v období nejnáročnějším na vytápění žádnou, nebo má jen malou výkonovou a teplotní rezervu. Dá se také říci, že TČ je ve vytápěcím systému záměrně „poddimenzováno“. Z toho důvodu je nutné provozovat vytápěcí systém s TČ bez teplotních útlumů. Přesto takový provozní režim přináší – díky TČ – významnou (velkou, řádově v desítkách procent a zpravidla více než 50 %) úsporu energie pro vytápění. Pokud by se přesto útlum volil a pro urychlení „zátopu“ by se využíval přiřazený bivalentní zdroj (např. elektrokotel), úspora energie by se snížila.

Teplotní úroveň a průtočné množství topného média

Aby se eliminovala nevýhoda nižší teploty topného média pro návrh otopné soustavy, vytápěcí systém s TČ pracuje s menším pracovním rozdílem teplot topného média. To zajistí vyšší střední teplotu média a zvýhodňuje dimenzování otopné soustavy. Pro přenesení určitého topného výkonu se při menším pracovním rozdílu teplot musí použít větší průtok média. Oproti vytápěcímu systému s klasickým zdrojem bývá průtok zpravidla více než dvojnásobný. K tomu se musí přihlédnout při návrhu cirkulačních čerpadel, rozvodů i otopné soustavy.
Důležitost těchto skutečností je patrná z tabulky 1, ke které stačí uvést jen stručně: Pokud budeme převádět určitý tepelný výkon při polovičním pracovním rozdílu teplot média ve stejném systému rozvodů, zvýší se potřebný příkon 8 krát !!! (A2 oproti A1). Pokud budeme převádět určitý tepelný výkon při polovičním pracovním rozdílu teplot v upraveném systému se stejnou tlakovou ztrátou, zvýší se potřebný příkon jen 2 krát !!! (B oproti A1). Z údajů je zřejmé, že vytápěcí systémy s nízkoteplotními otopnými soustavami budou mít obvykle vyšší energetické nároky na dopravu topného média, než klasické systémy pracující s vyššími teplotami média a většími pracovními rozdíly teplot.
Průtok topného média ve vytápěcím systému se většinou volí tak, aby při jmenovitých pracovních podmínkách bylo ohřátí média v TČ 5K. Jen při nízkých teplotách topného média (podlahové vytápění) můžeme připustit ohřátí poněkud větší. Za jmenovité se zpravidla volí pracovní podmínky a parametry TČ při teplotě okolí 0 °C a odpovídající teplotě topného média, u TČ „země-voda“ a „voda-voda“ navíc při střední teplotě NPT v otopném období a voleném průtoku nositele NPT na primární straně TČ.
Při návrhu otopné soustavy je třeba zohlednit i to, že po přiřazení bivalentního zdroje se ohřátí média – pracovní rozdíl teplot – zvětší v poměru celkového výkonu zdroje a jmenovitého výkonu TČ. To je patrné z diagramu na obr. 1, který vychází z diagramů popisujících energetické relace ve vytápěcím systému (ČE 2/2003). Při konstantním průtoku topného média tepelným čerpadlem, respektive bivalentním zdrojem, platí diagram nejen pro energetické, ale i teplotní relace. Pokud je bivalentní teplota odlišná od jmenovité teploty okolí (0 °C), není jmenovité ohřátí média úměrné potřebnému topnému výkonu, ale je úměrné faktickému topnému výkonu TČ při jmenovité teplotě okolí. Určující bod proto neleží na křivce vnějších teplot, ale na křivce charakterizující poměrný topný výkon TČ.


Tabulka 1 Vliv parametrů systému rozvodů na energetickou náročnost dopravy topného média

Zapojení (koncepce) vytápěcího systému s TČ

Ve vytápěcím systému tvoří TČ (a celý bivalentní zdroj) zdroj tepla a otopná soustava (OS) tvoří odběr tepla. Zapojení vytápěcího systému musí splňovat dva základní požadavky:
Průtok topného média tepelným čerpadlem musí být konstantní:
-
z důvodů energetických – při dané teplotě topného média vracejícího se z otopné soustavy snižování průtoku způsobuje zvyšování výstupní teploty z TČ a snižování topného faktoru;
- z důvodů funkčních – případné snížení průtoku je provázeno zvětšením ohřátí topného média v TČ, respektive zvýšením výstupní teploty topného média (obr. 2). Zejména při vyšších teplotách by při snížení průtoku mohlo dojít k překročení přípustné mezní výstupní teploty a k „provoznímu“ odstavení TČ. Při náhlém snížení průtoku, kdy na zvýšení teploty není schopno s dostatečnou rychlostí reagovat teplotní čidlo sledující tuto teplotu (a následně řídicí systém), zareaguje mnohem rychlejší tlakové čidlo (tzv. vysokotlaký presostat ve výtlaku kompresoru TČ) a dojde k „poruchovému“ odstavení TČ. „Poruchové“ odstavení následně vyžaduje ruční deblokaci („manuální RESET“), což z pohledu uživatele není žádoucí a nevzbuzuje důvěru. Protože mnohá TČ nejsou vybavena „provozní“ blokací od výstupní teploty, může u nich snížení průtoku způsobovat jen nežádoucí „poruchové“ odstavení.

Obr. 1 Potřeba tepla pro vytápění. Pracovní rozdíl teplot topného média ve vytápěcím systému s tepelným čerpadlem Obr. 2 Vliv průtoku topného média na teplotu média na výstupu z tepelného čerpadla

Průtok topného média otopnou soustavou může být proměnný:
- buď plynule – např. při regulaci průtoku jednotlivými částmi (otopnými tělesy) termostatickými regulačními ventily;
- nebo skokově – např. při zónování otopného systému se samostatnými cirkulačními čerpadly a samostatným provozem jednotlivých zón (např. podlaží).

Hydraulické zapojení vytápěcího systému se proto musí navrhnout tak, aby vyhovovalo oběma požadavkům.
Základní a nejčastěji používané hydraulické zapojení vytápěcího systému, splňující tyto podmínky, je schématicky znázorněno na obr. 3 a). Okruh je rozdělen na dvě samostatné větve, v jedné větvi je tepelné čerpadlo (zdroj), ve druhé větvi je otopná soustava (odběr). Do každé větve je vřazeno cirkulační čerpadlo, zajišťující průtok ve větvi. Obě větve jsou propojeny tzv. termohydraulickým rozdělovačem (THR), který je v tomto případě zapojen „čtyřtrubkově“. Při shodném průtoku v obou větvích je průtok rozdělovačem nulový. Při rozdílném průtoku se disproporce v průtoku vyrovnávají průtokem rozdělovačem. Zapojení podle tohoto schématu můžeme označit za vytápěcí systém s termohydraulickým rozdělovačem. Místo THR se v řadě případů musí použít stejně zapojená akumulační nádrž (AN). Důvody budou vysvětleny při popisu řízení vytápěcího systému s TČ.
Na tomto místě můžeme poznamenat, že zapojení s THR se používá i ve vytápěcích systémech s klasickým zdrojem tepla. Takové zapojení je schématicky znázorněno na obr. 3 b). Větev na straně zdroje může být doplněna termostatickým trojcestným ventilem, který zajistí, že teplota média ve zdroji nepoklesne pod mezní minimální hodnotu. Větev na straně odběru může být doplněna trojcestným směšovacím ventilem, který např. při podlahovém vytápění zajišťuje potřebnou (nižší) teplotu topného média pro otopnou soustavu.
Z porovnání obr. 3 a) a b) vyplývá i rozdílná funkce THR v obou zapojeních. Zatímco v zapojení podle obr. 3 a) THR zajišťuje hydraulickou „nezávislost“ větví po obou stranách, v zapojení podle obr. 3 b) THR zajišťuje teplotní „nezávislost“ větví po obou stranách. Jen zdůrazněme, že použití trojcestných ventilů (ať už směšovacích nebo rozdělovacích) po obou stranách THR je ve vytápěcích systémech s TČ zcela nežádoucí.

Chybná zapojení vytápěcího systému s TČ

Přes zásadní odlišnost obou sledovaných vytápěcích systémů se někteří realizátoři domnívají, že „to co je dobré pro klasický zdroj, musí být dobré i pro TČ“. „Návyky“ z klasických vytápěcích systémů, ale i z vytápěcích systémů, kde klasický zdroj spolupracuje se solárními kolektory, vedou k chybným řešením. Ukazuje se, že specifikovat zásady „správných“ řešení mnohdy nestačí. Proto může být poučné popsat a okomentovat skutečně realizovaná „chybná“ řešení.
Na obr. 4 jsou znázorněna tři používaná zapojení, jejichž aplikace ve vytápěcích systémech s TČ je chybná. Ve všech těchto zapojeních se teplo produkuje na vyšší teplotní úrovni (a u TČ proto energeticky náročněji) než potřebuje otopná soustava a pro otopnou soustavu se degraduje na nižší teplotní úroveň.

a) Zapojení vytápěcího systému, ve kterém klasický zdroj spolupracuje se solárními kolektory (SK). Vzhledem k použití SK musí být v systému použita akumulační nádrž (AN), ve které se akumuluje teplo ze SK v době, kdy výkon SK je větší než potřebný topný výkon. Protože SK nepracují přímo s topným médiem, ale převáděcí (nemrznoucí) teplonosnou kapalinou, uskutečňuje se převod mezi oběma médii ve výměníku tepla (VT).
Takové zapojení bylo realizováno i s TČ a to z toho důvodu, že realizátor pokládal TČ i SK za zcela analogické zdroje pro „nízkoteplotní“ vytápění. Takový předpoklad je zcela chybný. TČ pracuje přímo s topným médiem, vřazený výměník (VT) je nadbytečný, jeho činnost je provázena nežádoucí degradací teplotní úrovně topného média.
b) Zapojení vytápěcího systému, běžně používané pro podlahové vytápění, např. s kotlem na zemní plyn. Jak bylo již řečeno (obr. 3 b), potřebná „nízká“ teplota pro otopnou soustavu se zajišťuje trojcestným směšovacím ventilem. Teplota pro otopnou soustavu bývá zpravidla proměnná, řízena ekvitermně, tj. v závislosti na venkovní teplotě. Naproti tomu zdroj pracuje se stálou (vyšší než minimálně přípustnou) teplotou.
Použití takového zapojení ve vytápěcím systému s TČ je opět provázeno nežádoucí degradací teplotní úrovně topného média. Přitom požadovanou teplotní úroveň pro otopnou soustavu může zajistit přímo TČ, bez jakéhokoliv směšování. Řízením TČ se může zajistit i ekvitermní regulace teploty topného média.
c) Zapojení v podstatě shodné jako podle bodu b) s tím, že potřebná „nízká“ teplota pro otopnou soustavu se zajišťuje tzv. směšovacím rozdělovačem. Směšování se zajišťuje na vstupu do cirkulačního čerpadla (které je součástí rozdělovače) tak, že přívod „teplého“ média je řízen termostatickým regulačním ventilem v závislosti na vstupní teplotě média do rozdělovače. Rozdíl mezi oběma řešeními spočívá v tom, že zatím co v realizaci ad b) se po správném nastavení provozu TČ může funkce směšovacího ventilu zcela potlačit, v zapojení ad c) se musí termostatický ventil demontovat a propojení cirkulačního čerpadla s výstupním rozdělovačem zaslepit.

Poznámka: Směšování a tedy degradaci teplotní úrovně topného média můžeme připustit pouze u tzv. dvouteplotních vytápěcích systémů, kdy část otopné soustavy pracuje s „vyšší“ teplotou topného média (např. s velkoplošnými radiátory) a část objektu s teplotou „nižší“ (např. s podlahovým vytápěním).
Za chybné je třeba pokládat i zapojení vytápěcího systému s TČ bez THR (respektive AN).

Obr. 3 Základní rozdíly v zapojení vytápěcích systémů s tepelným čerpadlem a klasickým zdrojem tepla Obr. 4 Zapojení používaná ve vytápěcích systémech s klasickým zdrojem tepla, jejichž aplikace ve vytápěcích systémech s tepelným čerpadlem je chybná

Řízení vytápěcího systému s TČ

Řízení vytápěcího systému s TČ je další specifickou, přitom rozsáhlou problematikou, která zpětnovazebně ovlivňuje i principy zapojení systému. Proto jí a navazujícím otázkám bude věnována pozornost v následujícím samostatném článku.

Ing. Luděk Klazar

Sdílet

Komentáře

Najdete nás na Facebooku
Odběr novinek
Server CESKAENERGETIKA.cz
Česká Energetika s.r.o. a Česká energetická asociace provozují portál www.ceskaenergetika.cz, vydávají dva časopiy z oblasti energetiky a OZE, pořádají na tato témata semináře a konference pro laickou i odbornou veřejnost.
Důležité odkazy
Spolupracujeme
Najdete nás také na
Portál www.ceskaenergetika.cz © 2011 pohání redakční systém MultiCMS. Grafické zpracování Cossi Design.