Energetická analýza provozu tepelného čerpadla se sálavými topnými systémy

V současnosti, kdy dochází k neustálému růstu cen energií a zároveň se klade důraz na snižování závislosti na primárních energetických zdrojích, jako je například zemní plyn, představují tepelná čerpadla vhodnou alternativu zdroje tepla a chladu využívající energii z okolního prostředí, tedy obnovitelný zdroj energie (OZE).

Vzhledem k těmto skutečnostem je příspěvek zaměřen na hodnocení efektivnosti tepelného čerpadla v kombinaci s nízkoteplotními velkoplošnými sálavými topnými systémy v režimu vytápění, přičemž hodnocení probíhá prostřednictvím výkonnostního faktoru SPF (Seasonal Performance Factor).

Experimentální měření bylo realizováno na soustavě velkoplošných nízkoteplotních sálavých předávacích systémů napojených na tepelné čerpadlo, které sloužilo jako zdroj tepla a chladu. Měření probíhala ve třech samostatných místnostech – v první byl instalován systém podlahového vytápění, ve druhé stropní a ve třetí stěnový sálavý systém. Tyto prostory jsou součástí laboratoře umístěné v budově Fakulty stavební STU na Trnávce v Bratislavě.

Ve všech místnostech byly použity tzv. suché systémy. Roznášecí vrstvu u podlahového vytápění tvořily desky BRIO, zatímco u stropního a stěnového systému byly použity sádrokartonové desky. Každý systém byl vybaven vlastním měřičem tepla umístěným u rozdělovače. Sběr dat, regulace činnosti tepelného čerpadla a rozvodná podružná skříň elektrického rozvaděče byly soustředěny v samostatné technické místnosti.

Použité tepelné čerpadlo typu vzduch/voda o jmenovitém výkonu 6 kW bylo instalováno na střeše objektu přibližně pět metrů od technické místnosti. Spotřeba elektrické energie byla monitorována certifikovaným impulsním elektroměrem typu LE-01d MID od společnosti Firn elektro, s. r. o. Během celého měřeného období byl aktivován automatický režim regulace tepelného čerpadla, který využíval ekvitermní křivku pro výpočet požadované přívodní teploty teplonosné látky.

Je třeba dodat, že objekt, ve kterém měření probíhala, nebyl zateplený a v sousedních vnitřních prostorách nebylo aktivní vytápění. Teplota vzduchu v těchto prostorách se během sledovaného období pohybovala přibližně mezi 7 až 9 °C, což zvyšovalo tepelné nároky na provoz nízkoteplotních velkoplošných sálavých systémů.

Tepelné čerpadlo

Tepelné čerpadlo, které tvoří součást systému se sálavými topnými prvky, bylo pro účely experimentálních měření navrženo jako zařízení typu vzduch/voda od společnosti NIBE, konkrétně model F2040-6 (obr. 1). Jedná se o inverterově řízenou jednotku, jejíž pracovní rozsah se pohybuje od -20 °C do +43 °C, přičemž maximální výstupní teplota teplonosné látky dosahuje 58 °C.

V letním období lze TČ využít i k chlazení prostřednictvím reverzního chodu zařízení. Na obr. 1 je znázorněno tepelné čerpadlo NIBE F2040-6 spolu s jednotlivými komponenty, jako jsou: EP1 – výparník, CM – kompresor a EP2 – kondenzátor.
V tab. 1 jsou uvedeny technické parametry tepelného čerpadla NIBE F2040-6, jako například rozsah výkonu, provozní napětí a další charakteristické údaje zařízení.

Tepelné čerpadlo F2040-6 je vybaveno více čidly, včetně venkovního čidla teploty vzduchu, čidla teploty na výtlaku kompresoru, čidla teploty výparníku, čidla přívodní teploty teplonosné látky za kondenzátorem, čidla teploty vratného potrubí, čidla teploty za kondenzátorem a vysokotlakého čidla.

Tab. 1 Technické údaje NIBE F2040-6 [6]

rozsah výkonu A7/W35 [kW] podle EN 14511	1,5 – 7
rozsah výkonu A7/W45 [kW] podle EN 14511	1,2 – 4,6
SCOP průměrné klimatické pásmo 35/55 °C podle EN 14825	4,8 / 3,46
provozní napětí	230 V / 50 Hz
kompresor	dvojitý rotační

PROVOZ TEPELNÉHO ČERPADLA SE SÁLAVÝMI SYSTÉMY – EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ V REŽIMU VYTÁPĚNÍ

Experimentální měření se uskutečnilo v laboratorních podmínkách Stavební fakulty STU v Bratislavě na Trnávce, v období od 5. do 15. ledna 2024. Cílem měření bylo hodnotit efektivnost tepelného čerpadla v kombinaci s nízkoteplotními velkoplošnými sálavými systémy v režimu vytápění.

Spotřeba elektrické energie tepelným čerpadlem byla sledována prostřednictvím impulsního elektroměru LE-01d MID od společnosti Firn elektro, s. r. o., zatímco dodaná tepelná energie do jednotlivých sálavých systémů byla měřena samostatně pro každý systém pomocí ultrazvukových měřičů tepla ULTRATEHEAT/ULTRACOLD T330. Kromě toho byla monitorována i teplota venkovního vzduchu pomocí čidla teploty umístěného přímo na tepelném čerpadle.

Na základě naměřených údajů byla vypočtena hodnota SPF (Seasonal Performance Factor), která vyjadřuje efektivnost tepelného čerpadla. Tato experimentální hodnota byla následně porovnána s COP, který udává výrobce.

Charakteristika sálavých topných systémů

Pro účely měření byl sledován provoz sálavých systémů ve spojitosti s tepelným čerpadlem v režimu vytápění. Monitorována byla spotřeba tepelné energie jednotlivých sálavých systémů – podlahového, stropního a stěnového –, přičemž každý systém byl umístěn v samostatné místnosti. Všechny místnosti měly stejné dispoziční řešení, identickou podlahovou plochu a orientaci na východ.

V první kancelářské místnosti byl instalován suchý velkoplošný sálavý podlahový systém Siccus, sestávající ze dvou okruhů s roztečí trubek 150 mm, použitými troubami Comfort Pipe PLUS Φ 14 × 2,0 mm a sálavou plochou 15 m². Druhá místnost obsahovala systém velkoplošného suchého sálavého stropu Uponor Renovis, s trubkou Uponor PE-Xa Φ 9,9 × 1,1 mm a osmi panely Uponor Renovis 2000 × 625 mm, s celkovou sálavou plochou 10 m². Ve třetí místnosti byl nainstalován velkoplošný stěnový sálavý systém Uponor Renovis se stejným typem trubky a osmi panely stejných rozměrů, s celkovou sálavou plochou 10 m² (obr. 2).

Teplota vody v potrubí sálavých systémů a venkovní teplota vzduchu

Experimentální měření bylo spuštěno 5. ledna 2024 ve 12:00 hodin. Prostřednictvím řídicí jednotky tepelného čerpadla SMO S40 byla nastavena ekvitermní křivka číslo 5, při které mělo tepelné čerpadlo zajistit při venkovní teplotě -11 °C přívod teplonosné pracovní látky do potrubí o teplotě 38 °C. Počáteční návrhový teplotní spád činil 38/33 °C.

Následně, ve středu 10. ledna 2024 v 9:00 hod., byla zvolena ekvitermní křivka číslo 7, při které mělo tepelné čerpadlo zajistit při stejné venkovní teplotě -11 °C přívod teplonosné látky o teplotě 45 °C. Od tohoto okamžiku návrhový teplotní spád činil 45/40 °C (obr. 3).

Na obr. 3 je zobrazen průběh venkovní teploty vzduchu na primární ose grafu. Během sledovaného období dosahovala průměrná venkovní teplota vzduchu hodnotu -0,67 °C. Na stejném grafu je zároveň vyznačen průběh teploty teplonosné pracovní látky v přívodním a vratném potrubí. Z grafu je zřejmé, že ekvitermní regulace adekvátně reagovala na změny venkovní teploty – při poklesu teploty vzduchu tepelné čerpadlo ve spolupráci s řídicí jednotkou systému zvýšilo teplotu teplonosné látky v přívodním potrubí a zároveň při stoupající venkovní teplotě vzduchu ji snížilo.

Na obr. 3 je graf svislou čarou rozdělen na dvě období. První období trvalo od 5. ledna 2024 ve 12:00 hodin do 10. ledna 2024 v 9:00 hodin, během kterého byla v řídicí jednotce systému nastavena ekvitermní křivka č. j. 5. Průměrná teplota teplonosné pracovní látky v tomto období dosáhla hodnoty 31,27 °C. Druhé období trvalo od 10. ledna 2024 v 9:00 hodin do 15. ledna 2024 ve 12:00 hodin, kdy byla zvolena křivka č. j. 7, přičemž průměrná teplota teplonosné látky činila 37,77 °C. Za celé měřené období byla průměrná teplota teplonosné pracovní látky 34,61 °C.

Na sekundární ose grafu je znázorněn průběh vypočteného výkonového čísla SPF tepelného čerpadla. Je zřejmé, že při kladných hodnotách venkovní teploty bylo SPF vyšší, zatímco při záporných hodnotách venkovního vzduchu výkonové číslo klesalo.

Spotřeba elektrické energie tepelným čerpadlem a spotřeba tepelné energie sálavými systémy

Z výsledků experimentálního měření v období od 5. do 15. ledna 2024 byly vytvořeny grafické výstupy, zobrazené na obr. 4. Na primární ose grafu je znázorněn průběh spotřeby tepelné energie jednotlivými nízkoteplotními velkoplošnými sálavými systémy – podlahovým, stropním a stěnovým. Modrá křivka představuje spotřebu stěnového sálavého systému, oranžová křivka stropního systému a šedá křivka podlahového systému.

Na sekundární ose grafu je zobrazena spotřeba elektrické energie tepelným čerpadlem během celého sledovaného období. Celkově spotřeboval stěnový sálavý systém 211 kWh, stropní systém 240 kWh a podlahový systém 223 kWh, což dohromady představuje 674 kWh tepelné energie dodané do nízkoteplotních velkoplošných sálavých systémů. Tepelné čerpadlo přitom spotřebovalo 243 kWh elektrické energie.

Na obr. 4 jsou zřetelné i změny v průběhu spotřeby elektrické energie tepelným čerpadlem během měřeného období. Tyto změny nastaly důsledkem ekvitermní regulace teploty teplonosné látky v přívodním potrubí, která reagovala na kolísání venkovní teploty vzduchu. Při poklesu venkovní teploty se křivka spotřeby elektrické energie stává strmější. Kromě toho jsou na grafu viditelné změny způsobené změnou nastavení ekvitermní křivky z čísla 5 na číslo 7, která byla provedena 10. ledna 2024 v 9:00 hodin.

Výpočet výkonového čísla tepelného čerpadla

K určení efektivnosti tepelného čerpadla bylo třeba znát údaje o spotřebované tepelné energii třemi velkoplošnými sálavými systémy a o spotřebované elektrické energii samotného tepelného čerpadla (viz podkapitolu 3.3).

Výkonnost tepelného čerpadla během celého ročního období se označuje jako sezónní výkonnostní faktor (SPF – Seasonal Performance Factor). SPF je definován jako poměr množství tepla dodaného tepelným čerpadlem během celého ročního období a celkového množství spotřebované pohonné energie kompresoru a dalších přídavných zařízení oběhu [5]. Tento vztah je vyjádřen následovně:

(-) (3.1)
Energetická účinnost systémů založených na termodynamickém chladicím oběhovém cyklu (jako jsou chladicí a klimatizační zařízení či tepelná čerpadla) se hodnotí pomocí tzv. výkonového čísla COP (z anglického Coefficient of Performance). Pro kompresorové tepelné čerpadlo lze tento ukazatel vyjádřit následovně [5]:

(-) (3.2)
Z obr. 5 lze odečíst hodnotu výkonového čísla COP, kterou deklaruje výrobce, společnost NIBE, s. r. o.

Hodnotu výkonového čísla COP lze určit z obr. 5 jako průsečík mezi příslušnou teplotou venkovního vzduchu a křivkou představující teplotu teplonosné pracovní látky v přívodním potrubí. Během sledovaného období byla průměrná venkovní teplota -0,67 °C, přičemž průměrná teplota teplonosné látky dosáhla 34,61 °C. Odpovídající hodnota COP, odečtená z křivky pro teplotu teplonosné látky přibližně 35 °C, je 2,6 (obr. 4).

Na základě vztahu (3.1) jsme pro každý den měřeného období samostatně vypočítali výkonové číslo SPF. Na obr. 6 jsou vidět pro přehlednost údaje vypočtených hodnot SPF od 7. 1. 2024 do 15. 1. 2024 a průměrné hodnoty venkovní teploty vzduchu pro jednotlivé dny měřeného období. Zelenou křivkou jsou znázorněny na grafu obr. 6 hodnoty COP deklarované výrobcem při teplotě vody v trubkách 35 °C a červenou křivkou při teplotě 45 °C.

Pro období od pátku 5. ledna 2024 ve 12:00 do středy 10. ledna 2024 do 9:00, kdy byla ekvitermní křivka nastavena na hodnotu 5, byla hodnota SPF 2,89. V období od středy 10. ledna 2024 v 9:00 do pondělí 15. ledna 2024 do 12:00, při nastavení ekvitermní křivky na hodnotu 7, byla hodnota SPF 2,7. Za celé měřené období činila průměrná hodnota SPF 2,77.

Z těchto údajů vyplývá, že deklarovaná hodnota COP 2,6 výrobcem je v souladu s vypočtenou hodnotou SPF 2,77, přičemž ji dokonce mírně převyšuje. Vypočtené hodnoty SPF jsou uvedeny v tab. 2. V tabulce jsou zároveň znázorněny hodnoty COP: 2,3 pro teplotu teplonosné látky 45 °C při venkovní teplotě -0,67 °C a 2,6 pro teplotu teplonosné látky 35 °C při téže venkovní teplotě.

ZÁVĚR

Využívání obnovitelných zdrojů energie, konkrétně venkovního vzduchu prostřednictvím tepelného čerpadla, v kombinaci s velkoplošnými nízkoteplotními sálavými systémy představuje efektivní alternativu k tradičním fosilním palivům, jako je například zemní plyn. Tento přístup zároveň přispívá ke snížení emisí skleníkových plynů a umožňuje využívat obnovitelné zdroje energie k zajištění komfortní teploty v interiéru.

Z analýzy vyplývá, že tepelné čerpadlo, které slouží jako zdroj tepla i chladu, je optimální kombinovat s nízkoteplotními velkoplošnými sálavými systémy. Vypočtené hodnoty SPF se přitom shodují s deklarovanými hodnotami COP od výrobce. Další výhodou je spolehlivý provoz těchto systémů v režimu vytápění – tepelné čerpadlo ve spojení s ekvitermní regulací SMO 20 pružně reaguje na změny venkovní teploty a zajišťuje dodávku požadované teploty teplonosné látky do systému.

Na základě naměřených údajů o spotřebě elektrické energie a vypočtených hodnot SPF lze konstatovat, že tepelné čerpadlo představuje efektivní alternativu zdroje tepla a chladu využívající energii okolního prostředí a je vhodné je kombinovat s nízkoteplotními velkoplošnými sálavými systémy. V budoucnu by bylo prospěšné opakovat měření během delšího období a nejen v režimu vytápění, ale i při chlazení, aby se ověřilo, zda budou hodnoty SPF příznivé i během letních měsíců.

Poděkování
Tento výzkum podpořila Slovenská agentura pro výzkum a vývoj na základě smlouvy č. j. APVV-21-0144. Děkujeme společnostem NIBE, s. r. o., UPONOR, s. r. o., PAVJAN, s. r. o., EPITREND, s. r. o., SAMDO, s. r. o., a společnosti FLEXIM, s. r. o., za podporu.

Literatura
[1] STN EN 15316 4-2 Vykurovacie sústavy v budovách. Metóda výpočtu energetických požiadaviek systému a účinnosti systému. Časť 4-2: Priestorové systémy výroby tepla, systémy tepelného čerpadla. 2017.
[2] STN EN 378-1 Chladiace systémy a tepelné čerpadlá. Požiadavky na bezpečnosť a ochranu životného prostredia. Časť 1: Základné požiadavky, definície, klasifikácia a kritériá výberu. 2019.
[3] STN EN 14825 Klimatizačné jednotky, jednotky na chladenie kvapalín a tepelné čerpadlá s elektricky poháňanými kompresormi na vykurovanie a chladenie. Skúšanie a hodnotenie pri podmienkach čiastočnej záťaže a výpočet sezónnej účinnosti, 2014.
[4] STN EN 15450 Vykurovacie systémy v budovách. Navrhovanie vykurovacích systémov
s tepelnými čerpadlami, 2007.
[5] PETRÁŠ D. A KOLEKTÍV, Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy, 1. vyd. Bratislava: JAGA GROUP, s. r. o., 2009. ISBN 978-80-8076-075-5.
[6] Podklady firmy NIBE – zdroj www.nibe.sk

Autoři
Ing. Martin Šimko, PhD.; prof. Ing. Dušan Petráš, PhD.; Mgr. Daniel Szabó; Ing. Martin Sokol, PhD.; Ing. Lukáš Živner, PhD. – autoři působí na Stavební fakultě STU Bratislava, na Katedře TZB.

Článek byl přednesen na konferenci a následně publikován ve stejnojmenném sborníku Vykurovanie 2024 pořádaném SSTP. Tento článek byl aktualizován, upraven a rozšířen na základě textu publikovaného 6. 5. 2024 na webu TZB-info.

Článek vyšel v časopisu TZB 4/2025.