Struktura

Topení

Topení

„Inteligentní topení“ si můžeme představovat různě, hlavní myšlenkou takového systému je úspora energií a ekonomičnost vytápění. V médiích se setkáváme s pojmy netradiční zdroje tepla nebo vytápění obnovitelnými zdroji tepla apod.

Za netradiční zdroje vytápění můžeme označit ty zdroje, které nepatří k tradičně používaným, např. kolektory pro využití sluneční energie, tepelná čerpadla, zdroje využívající vodní či větrnou energii. K obnovitelným zdrojům tepla řadíme ty, které se po využití energie člověkem samy obnovují přirozeným koloběhem přírody. Jsou to opět sluneční energie, teplo získávané z přírody – vody, vzduchu, např. tepelnými čerpadly apod.

Tepelná čerpadla

Tepelná čerpadla (dále jen TČ) patří k moderním a ekologickým zdrojům tepla. nevylučují žádné nečistoty a pro vlastní provoz mají nízkou spotřebu elektrické energie. To jsou hlavní výhody jako zdroje tepla pro ohřev vody nebo vzduchu.

Princip funkce tepelného čerpadla

je strojní zařízení, které pracuje na principu chladicího systému. Odebírá teplo z jednoho prostředí a předává jej prostředí jinému. To znamená, že TČ odnímá teplo jinému zdroji tepla (nízkopotenciální teplo). Tím může být vzduch, zemský masiv, řeka, rybník, odpadní teplo atd. Pro svou činnost potřebuje část elektrické energie pro provoz kompresoru. Princip práce znázorňuje schéma funkce:

Princip tepelného čerpadla

Obr. 1Princip funkce tepelného čerpadla

 

Každé TČ má čtyři základní částí:

  • výparník

  • kompresor

  • kondenzátor

  • expanzní ventil

Při pracovní činnosti dochází v těchto částech ke čtyřem fyzikálním dějům:

  • odpařování

  • komprese

  • kondenzace

  • expanze

Teplo z okolního prostředí je předáváno ve výparníku do teplonosné látky, kterou je nejčastěji chladicí kapalina. Teplonosná látka je stlačena v kompresoru na vyšší pracovní tlak a tím stoupá i jeho teplota. V kondenzátoru se teplota z teplonosné látky (chladicí kapalina) přenese do vody používané pro vytápění nebo ohřev. Teplonosná látka přichází do expanzního ventilu, kde se roztahuje a je opět schopna přijímat teplo z okolního prostředí. Tento cyklus se neustále opakuje. V tomto systému teplonosná látka mění své skupenství. *Na straně kompresoru je ve stavu *plynném a na straně expanzního ventilu ve stavu* kapalném.*

Jak funguje tepelné čerpadlo, princip tepelného čerpadla

Obr. 2: Koloběh TP

Tepelné čerpadlo dokáže ohřát vodu na 55 °C (v závislosti na typu, v některých případech až na 65 °C). S touto vodou je možné vytápět, připravovat teplou užitkovou vodu nebo ohřívat vodu v bazénu obr. 3. Volbou teploty primárního zdroje a výstupní teploty je pak ovlivněn topný faktor TČ.

Topný faktor “charakterizuje” účinnost tepelného čerpadla. Je-li například topný faktor tepelného čerpadla ε = 3, dostaneme na každou spotřebovanou 1 kWh elektrické energie 3 kWh energie tepelné. Důležité je to, že topný faktor s klesající teplotou nízkopotenciálního zdroje také klesá. Proto je nutné zjistit u výrobce TČ informaci, při jaké venkovní teplotě (nebo teplotních podmínkách primárního okruhu) je topný faktor uváděn. To platí zejména pro tepelná čerpadla, kdy zdrojem nízkopotenciálního tepla je vzduch.

Obr.3: Celkový pohled na systém s TČ

Pravidlem je, že výkon TČ se navrhuje pro krytí 50 až 70 % tepelných ztrát objektu, stanovených pro nejnižší výpočtovou teplotu. Je to z toho důvodu, že nejrychlejší návratnost investic dosáhneme, poběží-li tepelné čerpadlo na svůj jmenovitý výkon po co nejdelší dobu. Součástí soustav s tepelnými čerpadly musí být doplňkový zdroj tepla, který při nižších venkovních teplotách dodává potřebné množství energie (nejnižší výpočtová teplota je cca 5-10 dní v roce). 

 

Graf 1:  Podíl tepelné ztráty objektu/výkon TČ 

 

Graf 2: Příklad ročního podílu energie vyrobené TČ při dimenzování jeho výkonu na 50% tepelné ztráty objektu

Druhy tepelných čerpadel

Podle toho, z jakého zdroje se nízkopotenciální teplo čerpá a kam se přenáší, rozdělujeme tepelná čerpadla na:

  • vzduch-vzduch; energie se odebírá přímo z venkovního vzduchu a předává se vzduchu, kterým se objekt vytápí. Topný faktor klesá se snižující teplotou venkovního vzduchu. Instalace předpokládá teplovzdušné větrání a vytápění.

  • vzduch-voda; energie se odebírá ze vzduchu a předává se do vodního okruhu, kterým se (pomocí otopných těles, podlahového vytápění nebo výměníkem voda-vzduch) objekt vytápí. Topný faktor klesá se snižující teplotou venkovního vzduchu.

  • voda-voda; nízkopotenciální energie se může podle možností odebírat z několika zdrojů. Jsou to například:

    • zemský masiv (předpokladem jsou vrtné práce nebo uložení registrů do země, hloubka vrtů nebo délka registru záleží na potřebném výkonu tepelného čerpadla). Topný faktor je celoročně prakticky konstantní.

    • čerpání spodní vody ze studně (čerpací), odebírání tepla čerpané vodě a navracení ochlazené vody zpět do druhé studny (vsakovací) tak, aby nebyl narušen režim spodních vod. Topný faktor je celoročně přibližně konstantní (lehce se mění se změnou teploty spodní vody).

    • řeka nebo rybník (předpokladem je uložení výměníků pod hladinu). U obou zdrojů je potřeba provést energetickou bilanci, aby nedošlo k podchlazení zdroje tepla. V případě použití odděleného primárního okruhu (do TČ není čerpána přímo voda ze zdroje tepla) je podmínkou použití biologicky šetrné nemrznoucí směsy v primárním okruhu.

Příklady systémů TČ

Tepelné čerpadlo země - voda (suchý vrt, horizontální zemní výměník) Předběžné dimenzování suchých vrtů podle průměrných hodnot: cz = 1,9 kJ/kgK, ρz = 2 200 kg/m3, λz = 1,7 W/mK, Δt = 10 K ==> 55 W/m Měrné tepelné toky odčerpávané z 1 m vrtu: hornina s velkým výskytem spodních vod 100 W/m pevná hornina s vysokou tepelnou vodivostí 80 W/m normální pevná hornina, průměr 55 W/m vrt v suchých nánosech, nízká tepelná vodivost 30 W/m Měrné tepelné toky pro horizontální zemní výměníky: v suchých a nesoudržných půdách 10 až 15 W/m2 ve vlhkých, soudržných půdách 15 až 20 W/m2 ve velmi vlhkých, soudržných půdách 20 až 25 W/m2 v půdách pod hladinou spodní vody nebo značně vlhkých 25 až 30 W/m2 v půdách s pohybem spodní vody 30 až 40 W/m2.

Tepelné čerpadlo voda - voda (systém 2 studní - čerpací, vsakovací) Požadavky na instalaci: dostatečná kvalita vody, vzdálenost studní minimálně 15 m a vydatnost čerpací studny (ta se ověřuje čerpací zkouškou, při jejímž trvání nesmí klesnout hladina spodní vody).

Tepelné čerpadlo vzduch - voda (venkovní, vnitřní provedení výměníku) Požadavky na instalaci: prostor pro umístění venkovního, případně vnitřního výměníku tepla.

zavřít okno

Obr. 4: Základní zapojení s akumulačním zásobníkem 

 

Zapojení primárního okruhu je závislé na zvoleném typu tepelného čerpadla. Akumulační zásobník slouží pro hydraulické oddělení otopné soustavy od tepelného čerpadla. To umožňuje provozovat tepelné čerpadlo při stálých podmínkách. Je tak zabráněno častému spínání (cca více než 3x za hod. - může se lišit typ od typu) tepelného čerpadla. Velikost akumulační nádoby je závislá na celkovém objemu vody v otopné soustavě, akumulačních schopnostech objektu a její optimální objem je otázkou projektového návrhu. Obecné zapojení pro vytápění a přípravu TUV, jak jej doporučují někteří výrobci, řízení okruhů pomocí dvou oběhových čerpadel (alternativně pomocí trojcestného ventilu). Ve schématu na obr. A1 je za oběhovým čerpadlem sekundárního okruhu tepelného čerpadla instalován uzavírací ventil (TV) aby nedocházelo k protékání teplonosné látky i při vypnutém tepelném (i oběhovém) čerpadle. Jeho ovládání musí být sladěno s provozem tepelného čerpadla, aby nedošlo k jeho sepnutí při ještě uzavřeném TV. Ve schématu na Obr. A2 je akumulační nádoba zapojena jako hydraulický zkrat. Tím odpadá nutnost použití TV. Dochází však při zátopu k mírnému “dopravnímu” zpoždění.

Tyto systémy se nejčastěji používají v rodinných domech, obytných budovách - pro vytápění a přípravu TUV. Centrální akumulační nádoba umožňuje bezproblémové připojení dalších zdrojů tepla (solární soustava, krbová kamna ap.).

 

Zdroje

Obrázky

 

Logolink