Home

Můj koníček - tepelné čerpadlo                                                  

1.     Má původní profese je výzkum v oblasti chemického inženýrství a detailní sledování funkce tepelného čerpadla Carrier 15 KW se stalo mým koníčkem. Tepelné čerpadlo Carrier od dodavatele AC Heating Plzeň http://www.ac-heating.cz/ (Fig.1) bylo nainstalováno 1.12.2008 a  nahradilo 15 let starou elektrickou akumulační kotelnu na noční proud s objemem vody 2,4 m3.

Obr. 1

2.     Ve dvoupodlažním dvojdomku o půdorysné otápěné ploše 130,7 m2, vytápěném prostoru 585 m3 a celkovém obestavěném prostoru 1458 m3 máme podlahové vytápění v celkem 18 místnostech. Objekt není podsklepen a má 2 nevytápěná zádveří, 2 nevytápěné spíže, 2 nevytápěné garáže po stranách domu a nevytápěnou půdu. Složení pláště objektu je zevnitř dutinová cihla 24 cm, pěnový polystyren 5 cm a z vnějšku plná cihla 15 cm plus omítky. Vypočtená tepelná ztráta objektu je 14,8 KW při -12 oC, skutečnou tepelnou ztrátu odhaduji na cca 11-12 KW. Požadovaná teplota objektu se nastavuje na jednom společném teplotním čidle v hale přízemí. Na stejném místě se měří teplota rtuťovým teploměrem s přesností na 0,1 oC.

3.     Trubky s chladivem R-410a z tepelného čerpadla prochází stěnou garáže do tzv. „hydroboxu“ (600x600x210 mm), který obsahuje deskový tepelný výměník Alfa Laval, oběhové čerpadlo a část elektroniky. Okruh vratné vody do tepelného výměníku obsahuje filtr Honeywell 80 mikronů, redukční ventil pro napouštění vody do systému, manometr, pojistný ventil, expanzomat o objemu 12 litrů a ultrazvukový průtokoměr a kalorimetr CF Echo 2  https://www.itron.com/PublishedContent/F31773-CF-ECHO-II_EN_10_09.pdf https://www.itron.com/  

4.     V elektrické části se měří spotřeba proudu jednofázovým elektroměrem a elektrický proud klešťovým ampérmetrem. Dále se topným kabelem otápí vanička odvádějící rozmraženou vodu z výparníku do odpadu.

5.     Měření dat se provádí jednou denně, a to většinou ráno před nebo po přerušení dodávky proudu (7,15 – 8,15 hod). Výsledky měření různých veličin jsou dále uvedeny v závislosti na čase nebo na venkovní teplotě.

6.     V obr. 2 jsou znázorněny vstupní a výstupní teploty vody z tepelného čerpadla v závislosti na venkovní teplotě. Z obrázku je patrné, že při venkovních teplotách nižších než -5 oC se významně snižují výstupní teploty z výměníku Alfa Laval. Výkon tepelného čerpadla za daných teplot již není dostatečný. Přesto jsme zatím do okruhu nenainstalovali přídavný elektrický přímotop.

Obr. 2

7.     Množství dodaného tepla vypočítává kalorimetr Echo 2 z průtoku vody oběhovým čerpadlem a rozdílu teplot na vstupu a výstupu výměníku tepla. Z obr. 3 je zřejmé, že dodané množství tepla se významně snižuje při nejnižších venkovních teplotách. Množství dodaného tepla je o cca 2 KW nižší než hodnota uváděná v projekčních podkladech AC Heating (žlutá čára). Obdobný tvar závislosti vykazuje i příkon elektrického proudu do tepelného čerpadla. Při nejnižších teplotách se ani nevyužije maximální možný příkon tepelného čerpadla KWe = 20 A*230 V = 4,6 KW. Zřejmě je to dáno tím, že přiváděný vzduch již nedokáže vypařit potřebné množství kapalného chladiva. Obě závislosti mají značný rozptyl zejména při vyšších venkovních teplotách. Hlavním důvodem jsou různé požadavky systému na dodávku tepla. Ta záleží na tom, zda v porovnání s venkovní teplotou a tepelnou ztrátou je dům přetopen nebo naopak vyžaduje větší dodávku tepla. Například při měření okamžité hodnoty kolem deváté hodiny ráno (tj. po skončení hodinové přestávky ve vytápění 7,15 – 8,15 hodin) dojde ke snížení vnitřní teploty v objektu a ten má vyšší potřebu tepla.

Obr. 3

8.     Naměřené okamžité hodnoty příkonu tepla a spotřeby elektrického proudu uvedené v obr.3 mají vysoký rozptyl a nedávají celkový obrázek o funkci tepelného čerpadla. Proto je v obr. 4 znázorněn průměrný tepelný příkon tepelného čerpadla za 24 hodin vypočtený z rozdílu hodnot GJ naměřených kalorimetrem. Z obrázku 4 je patrné, že rozptyl naměřených dat se snížil a že průměrný tepelný výkon tepelného čerpadla se při nejvyšších teplotách blíží asymptoticky nule.  

Obr. 4

9.     V obrázku 5 je znázorněna denní spotřeba elektrického proudu v závislosti na venkovní teplotě. Maximální hodnota spotřeby elektrického proudu činí cca 90 KWh za den.

Obr. 5

10.  V obrázku 6 je znázorněn topný faktor TF - poměr tepelného výkonu a elektrického příkonu jednotlivých měření. Z obrázku je patrné, že i při nejnižších venkovních teplotách má TF hodnotu kolem 2 a je tedy výhodné tepelné čerpadlo využívat.

Obr. 6

11.  V obrázku 7 je znázorněna průměrná hodnota COP, která se získá jako poměr množství tepla dodaného za období 24 hodin a množství spotřebované elektrické energie za stejnou dobu. Průměrné hodnoty COP jsou vyšší než okamžité hodnoty jednotlivých měření tepelného faktoru TF, protože hodnoty TF se obvykle vztahují k rannímu odečtu, kdy venkovní teploty jsou nižší než je průměrná denní teplota.

Obr. 7

12.  V obrázku 8 je znázorněna časová závislost okamžitých hodnot tepelného faktoru TF a vnitřní a vnější teploty za topné období 2009-2010. Na začátku topného období byla nastavena požadovaná vnitřní teplota na 22 oC, ale po prvních větších mrazech byla (od prosince 2009) zvýšena na 23 oC. Důvodem pro to byl fakt, že se tak lépe udržuje  průměrná teplota 22 oC v domě. V průběhu zimy byla nejméně dvě období s velmi nízkými venkovními teplotami až -15 oC (kolem 20.12.2009 a 27.1.2010). Z obrázku je patrné, že měřená teplota v domě poklesla až na 20 oC. V současné době vodní okruh neobsahuje přídavné přímotopné elektrické těleso a tak jsme vybrané místnosti temperovali v případě potřeby pomocí 3 lokálních elektrických radiátorů s příkonem celkem 6 KW. Nevýhodou sazby D56d pro tepelná čerpadla je blokování připojení tepelného čerpadla po dobu 2 hodin ve dne (ztráta 8,3% výkonu). Z obrázku 8 je také patrné, že průběh topného faktoru TF sleduje průběh venkovní teploty. Minimální hodnota topného faktoru prakticky neklesá pod hodnotu TF=2.

Obr. 8

13.  Topná sezóna 2009-2010 trvala celkem 257 dnů, konkrétně od 27.9.2009 do 11.6.2010. Celkem se spotřebovalo 8,949 MWh elektrického proudu a vytvořilo 96,68 GJ tepla. Vypočtená hodnota integrálního topného faktoru (Coefficient of Performance) COP=96,68/8,949/3,6=3,001. Na obr. 9 jsou znázorněny závislosti  venkovní teploty a COP integral na čase.

Obr. 9

14.  Závěrečné poznámky. Tepelné čerpadlo představuje poměrně značnou investici a ta by se měla vrátit z úspor ve spotřebované elektrické energie. Proto jsem podrobněji sledoval funkci a energetickou účinnost tepelného čerpadla zejména na začátku prvního topného období 2008-2009. To mi umožnilo například sledovat jak klesá topný faktor při postupné ztrátě chladiva.  K úplné ztrátě chladiva došlo po 39 dnech od instalace. Důvodem byla špatná kvalita odlitku ventilového kusu. Ke druhé ztrátě chladiva došlo 127 dnů po instalaci, tentokráte důvodem byla netěsnost připojení měděné trubky k bloku výměníku. Ke třetí závadě došlo 653 dnů po instalaci. Týkala se malé netěsnosti vodního okruhu v místě, kde výstup vody z horní části výměníku Alfa Laval je napojen na potrubí oběhového čerpadla. Oprava byla provedena výměnou výměníku Alfa Laval. Všechny tři opravy byly provedeny okamžitě po jejich nahlášení.

15.  Náklady na topení 2010/2011