Praxe však ukazuje něco jiného. Stejně jako u elektrických tepelných čerpadel rozhoduje o výsledném provozu především kvalita návrhu celého systému. Rozdíl mezi dobře a špatně navrženou instalací může být výrazně větší než rozdíl mezi jednotlivými výrobci tepelných čerpadel.

Tento článek se proto nezaměřuje na samotné zařízení, ale na základní zásady návrhu systémů s absorpčními tepelnými čerpadly, které mají největší vliv na dosaženou účinnost v reálném provozu.

Návrh zdroje tepla

Nejdůležitější rozhodnutí vzniká již na začátku projektu. Jaký výkon tepelného čerpadla instalovat?

Intuitivní odpověď se zdá jednoduchá: tepelné čerpadlo bymělo pokrýt v idealně 100 % tepelné ztráty budovy. Přestože stejné fyzikální zákonitosti platí pro malé i velké instalace, nemusí tento přístup u větších komerčních a průmyslových objektů vést vždy k optimálnímu výsledku.

Potřeba tepla během roku

Tepelná ztráta budovy je definována při výpočtové venkovní teplotě (např. -15°C). Ta však nastává pouze několik desítek hodin za rok jak je patrné z grafu níže. 

Model potřeby tepla pro vytápěná u středně teplotní aplikace v průměrných klimatických podmínkách

Po většinu topné sezóny jsou venkovní teploty výrazně vyšší a budova vyžaduje pouze část svého maximálního výkonu. Zjednodušeně lze říci, že:

• nejvyšší tepelná ztráta nastává pouze v několika nejchladnějších dnech roku,
• většina energie se spotřebuje při venkovních teplotách kolem 0 až +7 °C,
• zdroj proto pracuje většinu času v částečném zatížení.

S poklesem venkovní teploty a současným růstem požadované výstupní teploty navíc klesá výkon i faktor využití plynu tepelného čerpadla. Pro období nejnižších venkovních teplot je proto výhodné využít kondenzační kotel jako špičkový zdroj. Ten disponuje stabilním výkonem, vysokou účinností a nižšími pořizovacími náklady ve srovnání s tepelným čerpadlem.  

Doporučený výkon tepelného čerpadla

Dlouhodobé zkušenosti ukazují, že optimální výkon plynových tepelných čerpadel se zpravidla pohybuje mezi 40 až 60 % tepelné ztráty objektu při výpočtové teplotě. Tento princip lze demonstrovat na grafu průběhu potřeby tepla během roku.

Model potřeby tepla budovy - podíl tepla dodaný tepelným čerpadlem a bivalentním zdrojem

Hybridní řešení přináší několik výhod:

• vysoké roční využití tepelného čerpadla,
• nižší investiční náklady,
• možnost využití levnějšího špičkového zdroje.

Další role kondenzačního kotle

Výkon, který je potřeba pouze během nejchladnějších dnů roku, je vhodné pokrýt kondenzačním kotlem.

Kotle mají v takovém systému několik funkcí:

• kryjí výkonové špičky,
• zajišťují záložní provoz,
• umožňují odstavení tepelného čerpadla při servisu,
• mohou pokrývat vysokoteplotní spotřebiče.

Správně navržený systém proto nevyužívá kotel jako hlavní zdroj tepla, ale jako doplněk tepelného čerpadla.

Doporučená koncepce systému

Plynová tepelná čerpadla stejně jako ta elektrická dosahují nejlepších výsledků při nízkých a středních teplotách otopné vody.

Z tohoto důvodu je vhodné systém navrhovat tak, aby byla tepelná čerpadla využívána právě tam, kde pracují nejefektivněji.

Dvoutrubková soustava

Nejjednodušším a nejčastějším řešením je klasická dvoutrubková soustava. Základem efektivního fungování dvoutrubkového systému je situace, kdy všechny okruhy vytápění pracují na stejné nízko nebo středně teplotní hladině.

Schéma dvoutrubkového zapojení hybridní sestavy Robur

Kaskáda zdrojů je připojen k rozdělovači a sběrači přes akumulační nádrž, která současně plní funkci hydraulického oddělovače. Typické použití:

• podlahové vytápění,
• velkoplošná otopná tělesa.

Výhodou je jednoduchost systému a možnost provozu s nízkou teplotou otopné vody. Právě zde dosahují absorpční tepelná čerpadla nejvyšších hodnot GUE.

Čtyřtrubková soustava

U větších objektů se často setkáváme s kombinací systémů, které pracují v různých teplotních hladinách. Například:

• vytápění budovy,
• vzduchotechnické jednotky,
• příprava teplé vody.

V takovém případě bývá výhodné oddělit nízkoteplotní a vysokoteplotní část systému. Tepelné čerpadlo pak pokrývá spotřebiče s nižší požadovanou teplotou, zatímco kotel zajišťuje vysokoteplotní aplikace.

Důvodem pro oddělení vysokoteplotní větve může být již dlouhodobý požadavek nad teplotu kolem 50 °C. Přestože si s touto teplotou plynová tepelná čerpadla technicky bez problémů poradí, jejich dlouhodobý provoz při vysoké výstupní teplotě vede ke snížení faktoru využití plynu a zhoršení ekonomiky provozu.

Pokud je spotřeba vysokoteplotních systémů významná, bývá vhodným řešením použití předehřevu tepelným čerpadlem a následného dohřevu kondenzačním kotlem, například pomocí vloženého výměníku v akumulační nádrži.

Další hydraulická schémata a projekční podklady

Konkrétní hydraulické zapojení vždy závisí na charakteru projektu. ROBUR nabízí širokou paletu projekčních podkladů a doporučených zapojení pro:

• vytápění,
• přípravu teplé vody,
• kombinace se solárními systémy,
• kombinace s fotovoltaikou,
• systémy země/voda.

Podrobné varianty zapojení jsou součástí projekčního manuálu a technické dokumentace dostupné na našem webu. Návrh konkrétního systému je rovněž možné konzultovat s našimi technickými specialisty.

Zásady regulace

Správná regulace má na výslednou účinnost často větší vliv než samotný zdroj tepla. Stejné tepelné čerpadlo může při špatném řízení dosahovat výrazně horších výsledků než při správně navržené regulaci.

Cílem regulace není pouze dosažení požadovaného komfortu, ale také minimalizace počtu startů a provoz při co nejnižší možné výstupní teplotě.

Ekvitermní řízení

Nejdůležitějším pravidlem je vyrábět pouze tak teplou vodu, jakou systém skutečně potřebuje. Každé zbytečné zvýšení požadované teploty vede ke snížení účinnosti tepelného čerpadla. Z tohoto důvodu je vhodné využívat ekvitermní řízení přímo na straně zdroje tepla. Čím nižší je požadovaná teplota vody, tím lepších výsledků tepelné čerpadlo dosahuje.

Systém by měl být navržen tak, aby zdroj tepla vyráběl vodu o teplotě odpovídající skutečné potřebě soustavy a směšovací ventily sloužily pouze k jemné regulaci jednotlivých větví.

Dlouhé provozní cykly

Každý start zdroje představuje určitou energetickou ztrátu.

Proto je žádoucí, aby tepelné čerpadlo pracovalo:

• co nejdéle,
• s co nejmenším počtem startů,
• bez prudkých změn výkonu.

Plynulý provoz zvyšuje nejen účinnost, ale i životnost systému.

Nejčastější chyby při návrhu

Nevhodné směšování okruhů

Zbytečné směšování vede ke ztrátě účinnosti a zvyšování požadavků na zdroj tepla.

Neoddělení vysokoteplotních spotřebičů

Trvalý provoz tepelného čerpadla na vysoké teplotě snižuje faktor využití plynu a zhoršuje ekonomiku provozu.

Časté spínání zdroje

Krátké a časté provozní cykly zvyšují spotřebu energie a zhoršuje provozní parametry.

Shrnutí

Správně navržený systém umožňuje, aby tepelné čerpadlo dodalo většinu roční potřeby tepla budovy a současně pracovalo převážnou část roku v oblasti s nejvyšší účinnosti. To umožňuje dosahovat očekávaných výsledků v reálném provozu.

Právě proto je vhodné věnovat návrhu systému stejnou pozornost jako výběru samotné technologie.

V následujícím článku se podíváme na to, jakých výsledků dosahují plynová tepelná čerpadla v reálném provozu a jak se katalogové hodnoty liší od dlouhodobě měřených parametrů skutečných instalací.