Většina realizovaných systémů se jeví z hlediska provozu jako optimální, ale při podrobném zkoumání je možné nalézt dalšího zlepšení. Jedna z možností optimalizace je z pohledu řízení systému, při kterém může být využito regulace na základě ekonomiky provozu. Tepelná čerpadla jsou instalována téměř výhradně jako bivalentního zdroje doplněné primárním zdrojem schopným dodávat požadovaný výkon za každých okolností. Toto spojení však není vždy vhodně ošetřeno. Jsou kladeny vyšší nároky na regulaci, protože je nutné zajistit optimální spolupráci obou technologii. Je vhodné, aby regulace zahrnovala i aktuální cenu energii pro bivalentní a primární zdroj. Toto řízení je již dnes známé u hybridních systémů, které jsou v kompaktním provedení. V praxi však při rekonstrukcích, ale i nových instalacích, doplňujících teplenou soustavu tepelným čerpadlem je toto řízení opomíjeno, či je neznámé.

Účinnost tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo je ve většině případů navrhováno jako bivalentní zdroje energie, neboť nedokáže pokrývat odběrové špičky. Účinnost tepelného čerpadla je proměnlivá v závislosti na podmínkách. Podmínkami je míněna teplota média z kterého čerpáme obnovitelnou složku, ať už je to vzduch, voda, země, atd. Další podmínkou je teplota nebo výkon, který chceme vyprodukovat. Tyto podmínky jsou udávány výrobcem v určitém formátu – například u tepelného čerpadla vzduch voda jako A7W50, kde A je vzduch (air) o teplotě 7 °C a W je výstupní teplota vody (water) o teplotě 50 °C. Tímto je naznačeno, že právě tyto podmínky zásadně ovlivňují účinnost tepelného čerpadla.

Účinnost je důležitým ekologickým, ale i ekonomickým faktorem. Většina investorů slyší především na druhé zmíněné, na ekonomický faktor. Cílem je proto využívat tepelné čerpadlo co nejvíce. Ale pozor, tento pohled využívat co nejvíce, nemusí být správným rozhodnutím. Je třeba uvědomit si, co ovlivňuje efektivitu a finanční úspory. Nepochybně je to právě účinnost, která přímo ovlivňuje efektivitu a nepřímo finanční úspory. Dalším faktorem je však i vztah ke druhému zdroji tepla, který se podílí na splnění požadovaného tepelného výkonu. Tento zdroj tepla pracuje také s určitou účinností a vstupním médiem, které ovlivňují výslednou jednotkovou cenu tepla.

Případová studie

Pro studii optimalizace provozu tepelného čerpadla, bylo zvoleno plynové tepelné čerpadlo vzduch voda. Toto čerpadlo bylo monitorováno na reálné stavbě. Tepelné čerpadlo bylo umístěno na hotelu International v Brně, kde slouží pro předehřev teplé vody pro hotel a také jako částečný záložní zdroj tepla. Tepelné čerpadlo je jako bivalentní zdroj, který je navržen pro pokrytí cca 60 % potřeby tepelné energie pro ohřev teplé vody. Jako druhý zdroj energie je využito tepla z centrálního zásobování Brna.

Tepelné čerpadlo je v současné době řízeno na konstantní teplotu 60 °C. V příspěvku bude řešeno jak vhodně pracovat s nastavením tepelného čerpadla, aby dosahovalo nižších provozních nákladů na výrobu tepla. Monitorováním tepelného čerpadla byla zjištěna průměrná účinnost 138 %.

V této aplikaci nelze využít tepelné čerpadlo, jako jediný zdroj tepla, neboť jím nelze dosáhnout takových teplot topné vody pro plný ohřev TV. Z tohoto důvodu bylo tepelné čerpadlo využito jako předehřev a CZT dohřívá TV do požadovaných parametrů. CZT vstupuje s teplotou vody 70 °C v letním období a 80 °C v zimním období (dle podkladů Tepláren Brno). Tyto vstupní parametry jsou nositelem velkého výkonu, který dokáže pokrýt odběrové špičky hotelu.

V případové studii je primárním médiem pro tepelné čerpadlo plyn. Ten je uvažován za 1,43 kč/kWh. Při účinnosti tepelného čerpadla 100 % je pak cena za vyrobené teplo plynovým tepelným čerpadlem 1,43 kč/kWh. Druhým zdrojem je teplo z centrálního zásobování tepla, které je účtováno zákazníkovi za 580 kč/GJ tj. 2,089 kč/kWh (ceny jsou uvedeny bez DPH).

Teplá voda je předehřívána tepelným čerpadlem, kde vstupní teplota je 10 °C. Teplá voda je pak dohřívána pomocí tepla z centrálního zásobování tepla na teplotu 55 °C.˝

Nalezení vhodného nastavení

V této části je prováděna analýza parametrů ovlivňujících účinnost tepelného čerpadla a nalezení vhodného nastavení. Obr. 2 ukazuje, jak se při různých středních teplotách topné vody mění podíl na výrobě TV. Při takovém to zobrazení se může zdát, že nejvýhodnější je, aby se tepelné čerpadlo podílelo na výrobě na 100 %, neboť jeho účinnost je vyšší, respektive cena na 1 kWh vyrobeného tepla nižší nežli při využívání CZT.

Pro získání správného rozhodnutí je však třeba hodnotit systém komplexněji nežli jmenovitými účinnostmi nebo jednotkovou cenu tepla. Na obr. 3 je zobrazeno, jak se mění hodnoty účinností při různých teplotách venkovního vzduchu. Tento graf je potvrzením konstatování, že účinnost tepelného čerpadla je závislá na venkovních teplotách vzduchu a také na teplotě topné vody vyprodukované tepelným čerpadlem. Z tohoto grafu je možné vyčíst, jak může být výhodné měnit parametry tepelného čerpadla tak aby bylo dosaženo nejvyšší účinnosti. Avšak pouze pohled z hlediska účinností by nebyl dostačujícím hodnotícím parametrem. Pro každého uživatele je prioritní hodnocení z pohledu ceny vyrobeného tepla. Pokud budu využívat požadavku na nejvyšší účinnost, pak je zákonité zvýšení podílu CZT na výrobě tepla, které však je dražším zdrojem a výsledný efekt zvýšení účinnosti tepelného čerpadla se stane negativním, neboť jednotková cena tepla bude zvýšena. Proto je třeba naleznout vhodného kompromisu mezi účinností a podílem na výrobě. Nejvhodnější je právě hodnotit z pohledu toho co nejvíce zajímá uživatele, a to z pohledu ceny vyrobeného tepla.

Na obr. 4 je vidět jak se bude měnit jednotková cena tepla na výrobu TV. Na této výrobě tepla se bude podílet tepelné čerpadlo. Tento podíl byl již zobrazen v obr. 3 v závislosti na střední teplotě topné vody vyrobené tepelným čerpadlem. Dále se bude podílet CZT jakožto dohřev TV na požadovanou teplotu pro spotřebu. Z Obr. 3 se jeví jako nejvhodnější řízení tepelného čerpadla na střední teplotu topné vody 45 °C produkované tepelným čerpadlem. Avšak pro teploty nad 5 °C venkovního vzduchu je vhodnější řídit tepelné čerpadlo na jeho plný výkon, neboť účinnost bude dosahovat vyšších hodnot. Proto by bylo vhodné adaptabilní řízení tepelného čerpadla, které by dokázalo reagovat na změny teploty venkovního vzduchu a měnit parametry topné vody. Toto adaptabilní řízení může být dosaženo vhodným naprogramování řídícího softwaru.

Na obr. 5 byla vybrána kombinace řídicích parametrů tepelného čerpadla, které reprezentuje adaptovaná křivka střední teploty topné vody Tw. Tato křivka ve výsledku zvyšuje úsporu, která vzniká instalací tepelného čerpadla. Hodnotu úspory je třeba určit za celý rok. Proto bylo nutné určit četnost určité teploty v rámci dne. Jak víme, například teplota -15 °C panuje pouze několik dnů v roce a pokud bychom úsporu vztáhli k jakékoliv teplotě třeba i průměrné bez započítání vlivu času nebylo by hodnocení relevantní. Jak vidíme na obr. 6. nejčastější teploty vyskytující se v České republice jsou v rozmezí 5,5 až 10 °C. Tyto teploty budou pro hodnocení nejautoritativnější, jelikož i menší odchylka bude v časově delší působnosti.

Z celkového zhodnocení byla vypočtena úspora 10 625 Kč pro adaptovanou křivku pro roční využití na ohřev TV a průměrné denní potřeby tepla 4GJ na ohřev studené vody z 10 na 55 °C pro potřeby hotelu.

Závěr

Cílem příspěvku bylo poukázat na možnost optimalizace provozu tepelného čerpadla. Tohoto zlepšení je možné dosáhnout regulací na základě ekonomiky provoz. Řízení může být řešeno pomocí nadřazeného systému, který v mnoha případech umožňuje softwarové úpravy. Pomocí vhodně upraveného programu řízení, je možno měnit parametry výstupní teploty dle nejvhodnějších podmínek.

Na ukázkové studii bylo poukázáno na úsporu 10 625 Kč za rok při využití optimalizované regulace. Nutno konstatovat, že při platbě za teplo pro tento systém není úspora tak závratná, avšak tohoto principu může být využito i při jiných instalacích. Cílem dalšího zkoumání je nalezení vhodného algoritmu pro zápis do řídícího softwaru a hledání instalací, které by vykazovaly větší úspory.

Poděkování

Tento příspěvek byl napsán s podporou v rámci projektu FAST-J-14-2527 ze specifického výzkumu Fakulty stavební v rámci aktivit Regionálního centra AdMaS.

Literatura

[1] ARCADIS PROJECT MANAGMENT, s.r.o., Klimatologické údaje 2012
[2] ROBUR. Installation, user and maintenance manual: air-water gas absorption heat pump PRO platform
[3] The REHVA European HVAC Journal: Innovative HVAC system solutions in high performing buildings. Beşiktaş/Istanbul, Turkey: TEKNIK SEKTÖR YAYINCILIGI A.Ş, 2014, roč. 2014, č. 6. ISSN 1307-3729.

Ing. Petr Komínek
doc. Ing. Jiří Hirš, CSc.
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební