Jak je to s výkonem a účinností TČ?
Motto: topný faktor tepelného čerpadla nemá zdaleka tak velký význam, jak se mu často přisuzuje
Jak je to s výkonem tepelného čerpadla?
Výkon tepelného čerpadla je často určován „nominálním tepelným výkonem“. Je to výkon zařízení při přesně stanovených teplotách primární a sekundární strany, tedy např. vypařovací teploty a kondenzační teploty, anebo venkovní teploty a teploty topné vody. Primární stranou se označuje medium, které odebírá nízkopotenciální teplo většinou z přírodních zdrojů a sekundární stranou nazýváme to medium, do kterého se teplo ze systému předá. Výkon tepelného čerpadla není konstantní veličina a mění se s pracovními podmínkami stroje. Nejpodstatnější pro celkový topný výkon zařízení je nominální chladící výkon kompresoru, který je závislý na výkonu elektromotoru a konstrukci kompresoru a na teplotách teplonosných medií primární a sekundární strany. Zatímco u tepelných čerpadel země/voda-voda zůstává teplota primární strany téměř konstantní, tak u tepelného čerpadla vzduch-voda se teplota na primární straně může v průběhu topné sezony měnit až o 35°C . To znamená, že tepelné čerpadlo o výkonu 12kW při venkovní teplotě +5°C a teplotě topné vody +45°C má při teplotách venkovní -10°C a topné vodě +50°C výkon pouze 7,4kW ale elektrický příkon kompresoru je téměř konstantní. Teplota primární strany je v drtivé většině případů neměnná a na uživateli nezávislá. Jinak je to však s teplotou sekundární strany. Teplota topné vody je tedy NEJDŮLEŽITĚJŠÍM faktorem pro celkový výkon a účinnost zařízení. To je důvod, proč zvolit pro otop podlahové, stěnové anebo velkoplošné radiátorové topení, neboť jedině za předpokladu velkoplošného systému s dostatečným výkonem je možno nastavit topnou vodu na nízkou teplotu.
Jak je to s topným faktorem (účinností) tepelného čerpadla?
S problematikou proměnného výkonu tepelného čerpadla souvisí další veličina, která je přímo závislá na poměru výkonu ku příkonu a která nám hodně napoví o efektivitě topení tepelným čerpadlem a tou je topný faktor neboli COP. Topný faktor patří mezi bezrozměrné veličiny, je tedy vyjádřen číslem. Nejčastěji se hodnota topného faktoru pohybuje v intervalu 2 až 5. Hodnota topného faktoru závisí na vstupní a výstupní teplotě, typu kompresoru, a dalších okolnostech. Ve většině případů je topný faktor udáván jako teoretický, reálný, tzv. meziroční topný faktor bývá nižší a pohybuje se v intervalu COP 2 až 3,5. Vzhledem k tomu, že pro provoz tepelného čerpadla je zajímavý pouze meziroční topný faktor, tak pro tepelná čerpadla vzduch-voda je důležité znát informaci o průměrné venkovní teplotě topného období v místě provozu tepelného čerpadla. Například standardní otopné období v Praze je podle údajů dlouhodobého průměru venkovních teplot v Praze-Karlově charakterizováno 224 dnů vytápění, průměrnou teplotou ve dnech vytápění 4,6 °C.
Proč je teoretický a reálný topný faktor tak rozdílný? Do hodnoty reálného topného faktoru je totiž nutno kalkulovat i veškerou ostatní elektrickou energii potřebnou na provoz tepelného čerpadla a nikoli jen spotřebu energie k pohonu kompresoru.
Ostatními spotřebiteli elektrické energie v systému tepelného čerpadla jsou:
- Motory ventilátorů ( čerpadle vzduch voda) 80 až 300 W
- Oběhová čerpadla primární a sekundární strany 30 až 150 W
- Odtávání výparníku tepelného čerpadla vzduch-voda 200 až 1000 W na jedno odtání
- Příkon elektroniky 10 až 300 W
- Výhřev oleje kompresoru 30 až 100 W
- Cívky pro elektricky ovládané ventily 5 až 30 W
Pravda o topném faktoru!
Pokud má např. tepelné čerpadlo topný faktor 3, znamená to, že dokáže vyprodukovat 3 x více tepla, než kolik je třeba dodat elektrické energie pro jeho provoz. V praxi platí, že čím je vyšší topný faktor, tím je vyšší i účinnost tepelného čerpadla (jde o lineární závislost). Obdobná úměra neplatí pro schopnost tepelného čerpadla uspořit energii. Úspora energie neroste úměrně s topným faktorem, nejedná se o lineární závislost. Roste-li topný faktor, úspora se zvyšuje stále pomaleji (hyperbolická závislost).
Většina lidí ale bohužel i montážních firem, které tepelná čerpadla montují a nabízejí, neznají přesnou podstatu topného faktoru. Lidé, kteří vstřebali definici topného faktoru (jako poměru vyprodukovaného množství tepla a vynaložené "hnací" energie), se domnívá, že:
- úspora energie zajišťovaná tepelným čerpadlem je úměrná jeho topnému faktoru. Proto se pídí po tepelných čerpadlech s co největším topným faktorem. Mají za to, že zvýšení topného faktoru např. o 50 % zvýší i úsporu energie (ale i úsporu provozních nákladů) o 50 %;
- uvádí-li dodavatel TČ rozsah topného faktoru např. od 3 do 5, právě v jejich případě bude TČ pracovat s maximálním uváděným topným faktorem 5. Při jakých okrajových podmínkách (které tento topný faktor podmiňují) ale bude jejich TČ pracovat, je příliš nezajímá;
- topný faktor TČ je totéž co topný faktor vytápěcího systému. Že vytápěcí systém má i další příkony, je opět nezajímá.
Jak již bylo řečeno COP je přibližně parabolickou funkcí. Pokud tedy vytvoříme graf, tak vypadá takto:
Z grafu je jednoznačně patrné, že největší úspora, tedy 50% je pro COP2. Rozdíl mezi teoretickým COP 10 a COP 3,5 je pouze 18%! A tedy i úspora. Co z této skutečnosti vyplývá?
- Topný faktor tepelného čerpadla nemá zdaleka tak velký význam, jak se mu často přisuzuje
- Zvyšování topného faktoru nad COP 3,5 je plýtvání penězi
- Pro vytápění je nejvhodnější tepelné čerpadlo vzduch-voda. Vhodný poměr Cena/COP
- Používat raději levnější tepelné čerpadlo s nižším COP než předražené hi-tech systémy .
Dá se říci, že zásadní úsporu ve spotřebě energie pro "výrobu" tepla v desítkách a zpravidla více než 60 % docílíme už "jen" použitím spolehlivého TČ. Další "vylepšování" vytápěcího systému může navýšit úsporu v podstatě už jen v jednotkách %. Veškeré snahy o zvyšování topného faktoru o desetiny až celou jednotku (např. rekonstrukcí otopné soustavy na "nízkoteplotnější", snížením teploty bivalence případně až k použití monovalentního řešení, zvětšováním kolektorů u TČ "země-voda" apod.) musí být proto vždy ekonomicky posouzeny. Ekonomicky efektivní bude jen takové opatření zvyšující topný faktor, kde zvýšené investiční náklady budou uhrazeny zvětšenou úsporou energie a především úsporou nákladů při únosné návratnosti. Vzhledem ke skutečnosti, že z fyzikálního hlediska nelze vyrobit funkční tepelné čerpadlo, které by mělo meziroční topný faktor menší než COP 2, pak pro tepelné čerpadlo je rozhodující jednoduchá konstrukce a spolehlivá funkčnost za přiměřenou cenu. Jak nám praví staré přísloví:“ V jednoduchosti je krása“