Innost tepelného čerpadla, princip činnosti a reálná účinnost
Při výběru tepelného čerpadla pro vytápění nebo zařízení pro zásobování teplou vodou je důležitou charakteristikou jeho účinnost. Tato hodnota závisí na různých faktorech, včetně teploty ohřevu, typu zařízení a jeho provozních podmínek.
Moderní klimatizační zařízení je poměrně drahé, totéž lze říci o jeho instalaci a uvedení do provozu. To znamená, že tepelné čerpadlo musí efektivně šetřit energii, což umožňuje úplnou autonomii systémů vytápění a zásobování teplou vodou bez připojení plynových nebo elektrických kotlů.
Typy tepelných čerpadel
Všechna tepelná čerpadla fungují na stejném principu – odebírají tepelnou energii z jednoho tělesa a předávají ji jinému. Výběrem média, ze kterého se teplo odebírá, se rozlišují hlavní typy čerpadel:
- Pozemní nebo geotermální.
- Vzduch.
- Voda.
Médiem, které přenáší užitečné teplo do místností, je nejčastěji voda nebo vzduch. Na základě toho je navržen další typ klasifikace zařízení, který uvádí, odkud a kam se energie přenáší:
- vzduch-vzduch nebo vzduch-voda;
- voda-voda nebo voda-vzduch;
- půda-vzduch nebo půda-voda.
Princip činnosti tepelného čerpadla
Hlavní vlastností tepelného čerpadla je, že nevyrábí energii, kterou generují kotle nebo jiná klasická topná zařízení. Jeho úkolem je odebírat teplo z jednoho a předávat ho druhému. Proto je účinnost tepelných čerpadel vyšší než 100 %, protože vyrábí více energie, než jeho součásti přímo spotřebují. To znamená, že vynaložením 1 kW elektřiny na práci můžete získat výrazně více energie, ale ve formě tepla.
Je důležité pochopit, že zákon zachování energie není porušen, protože tepelná čerpadla nejsou uzavřené systémy. Čerpají energii z vnějšího prostředí a předávají ji do jiného. Moderní výrobci používají originální návrhy s vlastními nebo vypůjčenými řešeními a každá značka zařízení má své výhody a nevýhody.
Jak závisí účinnost na teplotě?
Podle obecně uznávaných norem by pro zajištění pohodlného prostředí v místnostech a dodávky teplé vody měla být teplota chladicí kapaliny v rozmezí 50-55 stupňů Celsia. U vytápěných podlah je toto číslo o něco nižší a činí 30-35 stupňů Celsia.
Během chladného období má voda v systému teplotu asi 5 stupňů. K jejímu ohřevu bude potřeba určité množství energie v závislosti na konečné teplotě, na kterou je potřeba vodu ohřát. Účinnost čerpadla bude záviset na rozdílu teplot.
Podle vypracovaných tabulek je možné určit účinnost tepelných čerpadel při ohřevu vody o 50 stupňů. Čím vyšší je teplota chladicí kapaliny, tím nižší je účinnost, takže pro ohřev vody o 30 stupňů je třeba údaj z tabulky vynásobit 1,5.
Tepelné čerpadlo země-vzduch nebo země-voda
V reálných měřeních se účinnost tepelného čerpadla, které odebírá energii ze země, pohybuje v závislosti na provedení od 400 do 800 %. Ještě vyšších rychlostí lze dosáhnout, pokud je povrch půdy zahříván slunečními paprsky a místo hlubokých vrtů je na něm geotermální pole. Účinnost tepelných čerpadel, která čerpají energii ze studní, závisí na vzdálenosti mezi nimi. V tomto případě může být rozdíl od 50 do 100 % jmenovitých hodnot.
Hlavním rysem geotermálního čerpadla je, že pracuje ve stacionárním prostředí. Pokud se špatně spočítá výkon, počet vrtů, plocha nebo hloubka geotermálního pole, nastanou problémy. Pokud zem zamrzne, aniž by bylo možné získat potřebné množství energie, účinnost zařízení nevyhnutelně klesne pod 100 % a jeho provoz se stane nerentabilním. Je důležité pochopit, že odebíráním tepla ze země přispívá tepelné čerpadlo k jeho zamrzání, s tím je třeba počítat ve výpočtech.
Tepelná čerpadla voda-vzduch nebo voda-voda
Tento typ tepelného čerpadla má průměrnou účinnost 400 % a je přímo závislá na teplotě vody, ze které se odebírá energie. V zimě to může být 1 stupeň Celsia a účinnost nepřesahuje 200 % a v létě, kdy se voda ohřeje až na 20 stupňů, může toto číslo dosáhnout 1000 %.
Jenže v létě se tepelná čerpadla prakticky nepoužívají, takže takto vysoká účinnost je většinou formalita. Jedním z rysů designu voda-voda nebo voda-vzduch je, že jakákoli vodní plocha se pomalu ohřívá a stejně pomalu ochlazuje. To znamená, že na podzim, kdy voda akumuluje teplo, bude účinnost vyšší než na jaře, kdy se energie postupně rozptýlí.
Účinnost tepelného čerpadla vzduch-voda nebo vzduch-vzduch
V tomto zařízení je účinnost přímo závislá na teplotě vzduchu, ze kterého se odebírá energie. Nejlepší výrobci zároveň vyvinuli a implementovali zařízení, která pracují při velmi nízkých teplotách venkovního vzduchu. Dnes se nabízí provedení umožňující ohřev bazénu, který při venkovní teplotě vzduchu -15 stupňů Celsia produkuje účinnost 230 %. Cenová tepelná čerpadla poskytují efektivní účinnost již od teploty 5 stupňů při nižších teplotách je jejich použití nerentabilní.
Princip činnosti čerpadel, která odebírají teplo ze vzduchu, je podobný vodním tepelným čerpadlům. To znamená, že závislost účinnosti na okolní teplotě je u nich podobná a lze je vidět na speciálním grafu.
Účinnost tepelných čerpadel v chladném počasí
Často se říká, že když venkovní teplota klesne pod 0 stupňů, účinnost jakéhokoli tepelného čerpadla prudce klesne. To je pravda jen částečně, hodně záleží na typu zařízení a prostředí, kde se teplo shromažďuje:
- Půdní čerpadla poháněná studnami jsou stejně účinná v kteroukoli roční dobu.
- Vodní čerpadla snižují účinnost koncem zimy a začátkem jara, kdy se voda v nádržích ochlazuje.
- Vzduchová čerpadla jsou účinná při teplotách nad 5 stupňů, ale jsou k dispozici konstrukce, které nabízejí zisky i při nízkých teplotách, ale nepřesahují 230 %.
Skutečná účinnost zařízení
Již dlouho je známo, že výrobci záměrně nadhodnocují účinnost svých tepelných čerpadel, přičemž skutečný údaj může být až 1,5krát nižší, než je deklarováno, i když se to často nestává. Je to dáno tím, že i přes společné principy se použitá zařízení mohou velmi lišit. Nabízí se jedno nebo dvouokruhová provedení, různé kompresory a chladicí kapaliny atd.
Aplikovaným ukazatelem tepelného čerpadla je jeho výkon, který určuje množství užitečné energie, která se předá nosiči za jednotku času. Ve většině případů není účinnost výkonnějších modelů o moc, ale vyšší. Například výkonnější vzduchové čerpadlo při nízkých teplotách vzduchu produkuje účinnost 200 %, zatímco méně výkonné vykazuje pouze 150 %. Výkonnější zařízení bude zároveň stát mnohem více, což je také třeba vzít v úvahu při návrhu.
V tomto článku se podíváme na praktické využití vzduchových a geotermálních tepelných čerpadel na našem prvním testovacím místě – domě v Leningradské oblasti.
[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column width=”1/2″][vc_column_text text_larger=”ne”]
Charakteristika domu vytápěného tepelným čerpadlem
Tento dům je vytápěn dvěma tepelnými čerpadly: vzduchovým a geotermálním. Má tři podlaží, celková plocha je 220 metrů čtverečních. Základy jsou z cihel (jedna a půl cihly 40 cm), stěny jsou zatepleny 200 mm a střecha 300 mm. To znamená, že je provedena dobrá izolace a tepelné ztráty jsou minimální. A je třeba poznamenat, že izolaci je třeba věnovat maximální pozornost, protože minimální tepelné ztráty umožňují dosáhnout dobrého COP (koeficientu přeměny energie). Čím je to dáno? Protože při malých tepelných ztrátách nemusíme v topném systému udržovat vysokou teplotu. Čím vyšší je teplota v topném systému, tím nižší je COP.
[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column width=”1/2″ offset=”vc_col-xs-12″ mobile_bg_img_hidden=”ne” tablet_bg_img_hidden=”ne” woodmart_parallax=”0″ woodmart_sticky_column=”false” parallax_scroll=”ne” mobile_reset_margin=”ne” tablet_reset_margin=”ne”][vc_column_text text_larger=”ne”]Tepelné čerpadlo vzduch-voda
Toto tepelné čerpadlo produkuje v průměru 5-6 kW tepla při spotřebě 1,5-2 kW. Tento ukazatel není stabilní, protože výkon závisí na venkovní teplotě, takže mluvíme o průměrných hodnotách. Vlhkost také výrazně ovlivňuje tento ukazatel. Při vysoké vlhkosti vzduchové tepelné čerpadlo rychle zamrzá, což vyvolává velké množství odmrazování a snižuje účinnost.
[/vc_column_text][/vc_column][vc_column width=»1/2″ offset=»vc_col-xs-12″ mobile_bg_img_hidden=»ne» tablet_bg_img_hidden=»ne» woodmart_parallax=»0″ woodmart_sticky_column=»false» parallax_scroll=”ne” mobile_reset_margin=”ne” tablet_reset_margin=”ne”][vc_column_text text_larger=”ne”]
Dvě možnosti topného systému pro tepelné čerpadlo vzduch-voda
Existují dva typy instalací tepelných čerpadel vzduch-voda, o kterých bych rád hovořil.
Typ 1: Freon na vstupu a výstupu tepelného čerpadla
Typ 2: voda nebo glykol na vstupu a výstupu tepelného čerpadla.
Podívejme se, jestli existují nějaké významné rozdíly mezi těmito dvěma variantami?
Ano, samozřejmě že existuje!
Kompresorové jednotky vzduchových tepelných čerpadel mohou mít uvnitř jednotky instalovaný výměník tepla, jako je tomu v našem domě, a také mohou mít výměník tepla instalovaný samostatně, uvnitř domu. V tomto případě se systém nepřevádí na glykol, používá se pouze voda. Výměník tepla je instalován uvnitř domu, aby systém v zimních mrazech „nezamrzl“. Výhodami našeho typu jsou mobilita a autonomie. V našem příkladu je nalitý glykol, nemrznoucí směs a výměník tepla umístěn uvnitř kompresorové jednotky, což umožňuje rychlý servis, provedení nějakých změn nebo výměnu něčeho v zařízení. Mimochodem, za 6 let práce jsem to ještě nemusel dělat :).
Ve srovnání s druhým typem – při použití freonu budete muset systém kompletně demontovat, vypustit freon, snížit tlak a provést další povinné práce, což je ekvivalent nové instalace. Tento proces je mnohem delší a je srovnatelný s novou instalací.
můžete použít vodu
jako chladicí kapalina
obtížnost demontáže mobility
o něco dražší tankování
čistý topný systém
Po pohledu na tuto tabulku vás možná napadne otázka: „O kolik dražší je naplnění topného systému glykolem nebo nemrznoucí směsí?
Cena samozřejmě závisí na objemu systému a počítá se individuálně pro každý dům. V našem případě se jedná o 50-100 rublů za litr náplně systému. Je však nutné vzít v úvahu, že v tomto případě budou čerpadla mazána, topný systém bude vždy čistý, což má pozitivní vliv na životnost systému jako celku. Používáme běžnou nemrznoucí směs do automobilů a systém funguje perfektně, žádné stížnosti.
Ale stojí za zmínku malé mínus, pokud půjdeme do detailů – tepelná kapacita vody je větší než u glykolu, to znamená, že účinnost přenosu je u vody větší. V průměru je to 15 %, což je nevýznamný ukazatel, který lze zanedbat.
Průtok v topném systému tepelným čerpadlem
Konkrétně v našem domě je přibližný průtok 0,36 metru krychlového neboli 360 litrů za hodinu, tj. 6 litrů za minutu. Ale opět, s výhledem do budoucna, pokud mluvíme o účinnosti tepelných čerpadel, měli bychom se snažit o zvýšení průtoku. Protože v tomto případě bude teplotní rozdíl mezi přívodem a vratnou vodou nižší. Nízký teplotní rozdíl snižuje zatížení kompresoru, což zvyšuje účinnost tepelného čerpadla. Proto byste měli vždy dosáhnout maximálního objemu čerpané kapaliny. Dále bych rád poznamenal, že je žádoucí zvyšovat objem čerpané vody nikoli kvůli rychlosti, ale kvůli objemu, tj. zvětšení průřezu potrubí. Je třeba vzít v úvahu, že při vysoké rychlosti chladiva v systému začíná nepříjemný efekt „pískání“ potrubí.
Jaký výkon tepelného čerpadla vzduch/voda je potřeba k vytápění domu?
Zpočátku jsme k vytápění používali pouze vzduchové tepelné čerpadlo. Fungovalo dva roky, prováděly se na něm různé testy pro naše vlastní podmínky, přeprogramovával se regulátor a dělaly se další práce. Ale v mrazech to nestačilo, protože při nízkých teplotách (pod -8 stupňů) v té době dávalo asi 3 kW, což na dům o rozloze 220 metrů čtverečních nestačí.
Paralelně s tepelným čerpadlem vzduch je zapojen elektrický kotel o výkonu 5 kW, který je řízen regulátorem. Zapíná se během odmrazování, ohřívá systém v případě potřeby a je nezbytným zařízením pro zajištění provozu.
[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_media_grid element_width=”6″ grid_id=”vc_gid:1578936028564-d6981de1-9b0b-0″ include=”3776,3777″][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text text_larger=”ne”]Regulátor tepelného čerpadla vzduch-voda a zařízení pro vytápění
Tato fotografie ukazuje celkový pohled. Jak vidíte, všechna patra jsou zde zásobována teplem. Každé patro má své vlastní samostatné kolektory a každé patro je vybaveno vlastním oběhovým čerpadlem.
V současné době kontroly máme při venkovní teplotě -2 stupně následující ukazatele: delta 15 stupňů, oběh 6 litrů za hodinu, spotřeba 1,7 kW. Ukazuje se, že COP je asi 3, což je velmi dobrý výsledek. Nyní je však teplota příliš vysoká, obvykle je teplota vytápění okolo 30-35 stupňů, protože dům je dobře izolovaný a v podlahách stačí teplota 27-30 stupňů, aby teplota v domě byla v průměru 24-25 stupňů.
Tepelné čerpadlo v místnostech s mnoha okny a vysokými tepelnými ztrátami
V našem domě je takovou místností zimní zahrada. Ta je také kompletně vytápěna tepelnými čerpadly. Jak již bylo zmíněno, každé patro má svůj vlastní kolektor.
Jak vidíte na fotografii, zde je na rozdělovači napájen vodní fan coil. Rozdíl je v tom, že je to voda, nikoli freon. Provozní doba a úroveň teploty se programují pomocí dálkového ovladače. A vzhledem k tomu, že je tak nadměrně dimenzovaný, stačí teplota 30 stupňů k udržení 20-27 stupňů v zimní zahradě po celou zimu.
Geotermální tepelné čerpadlo
Na úplném začátku se říkalo, že máme v domě nainstalovány dva typy tepelných čerpadel: vzduchové a geotermální. Jak k tomu došlo? Je to velmi jednoduché. Dva roky po instalaci vzduchového tepelného čerpadla jsme se rozhodli zásobovat dům vodou, vyvrtali jsme studnu. Ukázalo se, že je neobvykle štědrá, vody je hodně, je čistá a teplá, +8-9 stupňů po celý rok. Na základě toho se objevil nápad vyrobit geotermální tepelné čerpadlo, které bude dům vytápět.
Nyní, při teplotách do +5 stupňů, používáme vzduchové tepelné čerpadlo a když přijde chladné počasí, začneme používat geotermální tepelné čerpadlo. Ukazuje se, že první se používá čtyři měsíce v roce a druhé pět měsíců v roce. Pracují harmonicky, bez vysokého zatížení každého čerpadla, dům je dobře a stabilně vytápěn bez pomoci elektrického kotle.
Jaké jsou nevýhody geotermálního tepelného čerpadla?
Geotermální tepelné čerpadlo má jednu významnou nevýhodu – instalaci a vysoké celkové náklady. Mezi výhody však patří účinnost, která je v průměru za sezónu rozhodně dvakrát vyšší ve srovnání se vzduchovým čerpadlem.
Naše geotermální čerpadlo má konverzní koeficient (COP) 3,6-3,8, berouc v úvahu stoupání vody z 26 metrů, zatímco průměrný roční COP pro vzduchové čerpadlo je asi 2. Ale při teplotě +5-10 stupňů produkuje vzduchové čerpadlo koeficient asi 3,5-4, což z něj činí velmi efektivní použití v takových podmínkách.
Vlastnosti instalace geotermálního tepelného čerpadla
Konkrétně máme nastavené časové zpoždění pro spuštění tepelného čerpadla, aby voda mohla protékat výměníkem tepla, jinak by mohla zamrznout. Navíc je nainstalován frekvenční měnič pro plynulý start geotermálního čerpadla na 42 Hz.
Tepelné čerpadlo a baterie
Mnoho zákazníků si klade otázku: je nutné instalovat tepelné čerpadlo, pokud jsou v domě, který je špatně izolovaný, radiátory?
Teoreticky je možné v takových domech instalovat tepelné čerpadlo, ale nedoporučuje se to. Teplota přívodní vody v takových topných systémech je zpravidla okolo 60 stupňů Celsia, ale pro tepelné čerpadlo je to neefektivní režim, protože v tomto případě se výrazně snižuje COP. Optimální teplota pro čerpadlo je 40–45 stupňů. Pokud ji dokážete snížit ještě více, tím lépe.
Účinnost tepelného čerpadla je přímo úměrná odebírané teplotě: čím chladněji je venku, tím chladnější je nízkopotenciální teplotní zdroj, čím výše topíme, tím nižší bude konverzní faktor tepelného čerpadla. Fyziku sice neoklamete, ale klienta můžete oklamat tím, že mu budete za jakýchkoli podmínek sdělovat nerealisticky vysoké hodnoty COP.
Regulátor geotermálního tepelného čerpadla
Už jsme říkali, že po vyvrtání vrtu se objevil nápad na výrobu geotermálního tepelného čerpadla. Ale máte jen jeden vrt, říkáte si. Koneckonců, do něj nemůžete vypustit vodu z tepelného čerpadla, protože vrt může zamrznout. To je pravda, ale máme štěstí, protože přímo před domem teče malý potok. Ukazuje se, že voda přitéká o teplotě +8-9 stupňů a my ji vypouštíme do potoka s teplotou vody +6-7 stupňů.
Je zde dvoustupňový rozdíl kvůli velkému průtoku, protože čerpadlo, které je ve studni, je velmi výkonné. Samozřejmě můžete odčerpat více vody, ale také musíte dům něčím zásobovat a do jedné studny nemůžete umístit dvě čerpadla. Studna je hluboká, ale stále je nutné vodu zvedat, takže v tomto případě je práce poněkud na úkor převodního faktoru, ale v konečném důsledku stále získáme efektivní a ekonomický systém.
Takové čerpadlo spotřebuje 42 kW při 3,3 Hz a vyrobí 12 kW tepla. S přihlédnutím k stoupání vody je topný koeficient přibližně 3,3-3,7.
Toto čerpadlo bylo spuštěno v říjnu, na vytápění domu o rozloze 220 metrů čtverečních se spotřebuje 600 wattů za hodinu. Při nákladech na kW rovných 5 rublům je spotřeba za den 70 rublů, respektive 2000 rublů za měsíc. Ale když jsou mrazy, jak již ukázaly zkušenosti z minulých let, v nejtužších mrazech může takové čerpadlo spotřebovat až 4000 rublů za měsíc. Na základě těchto údajů si každý může vypočítat, jaké úspory to pro jeho dům ušetří.
Závěr: Je tepelné čerpadlo efektivní?
Dnes jsme se vám pokusili co nejpodrobněji popsat strukturu tepelných čerpadel a jejich účinnost. Je na vás, jak potřebná tato technologie je, ale my jsme se již rozhodli.
Kupte si tepelné čerpadlo
Jakožto velcí fanoušci tepelných čerpadel nabízíme jistě montážní služby na klíč pro vzduchová a geotermální tepelná čerpadla. Samozřejmě není možné uvést přesné ceny a podmínky pro každý objekt, proto zde uvádíme ceny přibližné.
[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][woodmart_products post_type=»ids» items_per_page=»3″ orderby=»rand» columns=»3″ sale_countdown=»0″ stock_progress_bar=»0″ highlighted_products=»0″ products_bordered_grid=”0″ lazy_loading=”yes” include=”3511, 3732, 3725″][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_separator]