Význam „atestačních“ měření tepelných čerpadel „vzduch-voda“ – 1. část

Článek popisuje energetický efekt TČ při určitých zkušebních podmínkách a dokazuje, že prokázání parametrů ve zkušebně výrobce  je důležité i proto, že seriózní výrobce chce mít jistotu, že nákladným měřením v akreditované zkušebně se tyto parametry skutečně prokáží.

Úvod

Vývoj tepelných čerpadel (TČ) a zejména TČ „vzduch-voda“ je dnes zcela nemyslitelný bez zkušebny. Všechny konstrukční úpravy, které mají za cíl především zlepšení energetických parametrů a jsou navrženy nejprve na základě teoretických výpočtů, a jsou proto vždy zatíženy větší či menší chybou, se musí následně ověřit prakticky měřením. Široká problematika měření a zkoušení TČ byla již podrobně sledována [L6]. Zde jen zdůrazněme, že zkušebna musí zajistit dostatečně přesnou stabilizaci zkušebních podmínek, která je podmínkou opakovatelnosti měření a umožňuje určení parametrů TČ za „atestačních“ podmínek stanovených normou, v současné době ČSN EN 14511 [L1]. To je důležité proto, aby parametry uváděné v technické dokumentaci byly objektivní a v souladu s evropskou legislativou a výrobce měl jistotu, že zákazníkovi dává pravdivé údaje. Předpokladem marketingové úspěšnosti každého nového výrobku určeného nejen pro náš, ale zejména zahraniční trh, je pak ověření těchto parametrů v akreditované, mezinárodně uznávané zkušebně. Parametry nového TČ „vzduch-voda“ firmy PZP – AWX 08 Performance, které jsou v článku sledovány, byly ověřeny v renomované zkušebně WPZ ve švýcarském Buchsu [L3]. Jiní čeští výrobci svá TČ v této zkušebně neověřují.

Parametry TČ

Parametry TČ se normativně [L1, L2] udávají v závislosti na určujících (atestačních) pracovních teplotách. Pro TČ „vzduch-voda“ se většinou zapisují ve tvaru např. A2/W35, kde A2 značí teplotu média, které je zdrojem nízkopotenciálního tepla, tj. vzduchu (Air) 2 °C a W35 značí teplotu ohřívaného média, tj. otopné vody (Water) 35 °C. Obecně je známo, že energetický efekt TČ se posuzuje topným faktorem. Topný faktor je proto nejdůležitějším parametrem a hlavním ukazatelem kvality TČ. Protože TF i další parametry se stanovují pro různé zkušební podmínky, vzájemné porovnávání TČ se zjednodušeně vesměs provádí při parametrech A2/W35, na které jsou vztaženy i různé dotační tituly u nás i v zahraničí. Hodnoty TF při zkušebních podmínkách A2/W35 jsou pro lepší orientaci ve všech dalších grafech zvýrazněny.

TF je funkcí většího množství argumentů, ale za určitých předem stanovených podmínek (normativně stanoveného průtoku otopné vody a relativní vlhkosti vzduchu) je v podstatě funkcí jen dvou argumentů a to teploty vzduchu a teploty otopné vody, tj. je dvouparametrickou funkcí. Dvouparametrická charakteristika TF, respektive TČ zpracovaná standardním způsobem, ale není příliš názorná. Jeden z autorů tohoto článku již před časem prokázal [L7, L8], že charakteristika TČ se dá jednoduše a s velkou přesností vyjádřit závislostí TF-Dt, tj. jednoparametrickou závislostí TF na rozdílu dvou určujících teplot (Dt). Závislost je dána funkcí TF = fce(Dt) = fce(Wx – Ay), kde Wx je teplota ohřívané otopné vody (např. W35 = 35 °C) a Ay je teplota vzduchu (např. A2 = 2 °C). Při podmínkách A2/W35 je tedy Dt = 33 K. Funkce je polynomická, většinou plně postačuje polynom druhého stupně.

V tabulce na obr. 1 jsou vyneseny zkušební podmínky měření podle normy ČSN EN 14511-2 [L1], doplněné o podmínky, které vyžaduje Evropská asociace tepelných čerpadel EHPA [L2] a k jednotlivým zkušebním podmínkám jsou vypočteny příslušné hodnoty Dt.

V diagramu na obr. 2 jsou v souřadnicích TF-Dt vyneseny výsledky měření TF sledovaného TČ jednak ve zkušebně PZP, jednak ve zkušebně WPZ [L3]. Změřenými hodnotami jsou proloženy závislosti TF -Dt. Dodejme, že v PZP proběhla měření při třinácti zkušebních podmínkách, ve WPZ při devíti zkušebních podmínkách, které jsou ve WPZ pokládány za standardní.

Obr. 2 • Grafické znázornění dvou závislostí TF-Dt, odvozených z hodnot měřených ve zkušebně PZP a WPZ

Aniž bychom nyní výsledky podrobněji analyzovali, z obr. 2 jsou zřejmé dvě důležité skutečnosti:

• Výsledky měření PZP a WPZ se liší jen nepatrně a co je rovněž významné, výsledky WPZ jsou vesměs lepší než PZP. To je pro výrobce důležité proto, že mu měření ve vlastní zkušebně dává jistotu, že finančně nákladné měření v renomované zkušebně nedá horší výsledky.
• Změřené hodnoty sledují logicky závislost TF-Dt.

Obr. 3 • Grafické znázornění závislosti odchylek hodnot TF změřených a vypočtených ze závislosti TF-Dt

Abychom zdokumentovali přesnost závislosti TF-Dt, je na obr. 3 vynesena odpovídající závislost odchylek hodnot změřených a vypočtených ze závislosti TF-Dt opět jako funkce Dt.

Přesto, že jen dvě hodnoty z devíti měřených (vztaženo na počet měření WPZ) mají odchylku větší než 5 % a odchylky by proto mohly být pokládány za únosné, je třeba poukázat na skutečnosti, jejichž respektování výrazně zvyšuje přesnost závislosti TF-Dt.

Analýza závislosti TF-Dt

V tabulce na obr. 1 se zkušebními podmínkami měření podle normy ČSN EN 14511 a podmínek EHPA, doplněné odpovídajícími hodnotami Dt, jsou barevně vyznačeny dvě pracovní oblasti zkušebních podmínek. Červeně jsou vyznačeny zkušební podmínky, během nichž za provozu TČ na výparníku prakticky nevzniká námraza (stavy A „bez námrazy“). Modře jsou vyznačeny zkušební podmínky, během nichž námraza vzniká (stavy B „s námrazou“) a námraza z výparníku se musí periodicky odtávat. Odtávání samozřejmě snižuje energetický efekt TČ. Přihlédneme-li k těmto skutečnostem, které během reálného provozu významně ovlivňují TF, musíme závislost TF-Dt sledovat v obou těchto oblastech samostatně.

Obr. 4 • Grafické znázornění závislostí TF-Dt, odvozených z hodnot měřených ve zkušebně PZP a WPZ a zpracovaných samostatně pro pracovní oblasti „bez námrazy“ a „s námrazou“

Na obr. 4 jsou změřené TF rozděleny do těchto dvou pracovních oblastí (vyjma jednoho měření – zvýrazněného žlutými šipkami, které bude komentováno dále) a v každé oblasti vyjádřeny samostatnou závislostí TF-Dt. I pouze vizuálně je zcela zřejmé, že tímto rozdělením se výrazně zvětšila přesnost závislosti TF-Dt. To je dokresleno na obr. 5, ve kterém je opět vynesena odpovídající závislost odchylek hodnot změřených a vypočtených ze závislosti TF-Dt podobně jako na obr. 3.

V závislosti TF-Dt „bez námrazy“ nebylo sledováno měření za podmínek A20/W55 – zvýrazněné žlutými šipkami. Toto měření se vymyká z logického průběhu TF-Dt „bez námrazy“ a jeho respektování by závislost TF-Dt nežádoucím způsobem deformovalo. Tato skutečnost, zjištěná při měření PZP, byla potvrzena i měřením WPZ, není tedy způsobena případnou nepřesností měření! Je způsobena tím, že při optimalizaci komponentů, náplně chladiva a provozních režimů bylo voleno řešení, které za tohoto stavu, který leží prakticky na okraji pracovní oblasti použitého kompresoru [L9, L10], nezajišťuje zcela optimální parametry, ale v převážné části pracovní oblasti – jak je patrné z ostatních zkušebních podmínek – optimum zajišťuje. Bez podrobného komentáře dodejme, že odchylky znázorněné na obr. 5, vesměs menší než 1 %, jsou mnohem menší, než přesnost měření, která se udává hodnotou cca 2 % až 4 %. Závislost TF-Dt daná vztahem TF = A + B·Dt + C·Dt² tedy v obou pracovních oblastech definuje jednoduše a s vysokou přesností TF jediným argumentem Dt!

Obr. 5 • Grafické znázornění závislosti odchylek hodnot TF změřených a vypočtených ze závislosti TF-Dt, zpracovaných pro dvě pracovní oblasti

Porovnání měření PZP a WPZ

Obr. 6 • Grafické znázornění závislosti absolutního rozdílu hodnot TF změřených ve zkušebně PZP a WPZ na rozdílu teplot. Rozdíl DTF = TF(WPZ) – TF(PZP)

Vraťme se nyní podrobněji k porovnání výsledků měření v obou zkušebnách. Bylo již řečeno, že výsledky měření PZP a WPZ se liší jen nepatrně. To je dokumentováno na obr. 6, ve kterém jsou vyčísleny absolutní rozdíly DTF = TF(WPZ) – TF(PZP) mezi TF změřenými ve WPZ a PZP. Maximální rozdíl hodnot DTF a to „ve prospěch PZP“ je v řádu jedné desetiny.

Obr. 7 • Grafické znázornění závislosti relativního rozdílu hodnot TF změřených ve zkušebně PZP a WPZ. Rozdíl DTF = 100*(TF WPZ – TF PZP)/TF WPZ

Na obr. 7 je pak tento rozdíl DTF vyjádřen relativně. Je zřejmé, že tento rozdíl je kromě jednoho z devíti měření menší než 3 %, a to vesměs „ve prospěch“ PZP. Jediné měření má rozdíl větší než 6 %, a to opět „ve prospěch PZP“. Je třeba si uvědomit, že tento největší rozdíl platí pro zkušební podmínky A-7/W55, které leží prakticky na okraji pracovní oblasti použitého kompresoru, kdy TF nabývá nejmenších hodnot.

Uvědomíme-li si, že relativní chyba či odchylka měření určité veličiny při stejné chybě absolutní je tím větší, čím menší je při dané technice měření daná veličina, je zdůvodnění zřejmé. Porovnejme měření A7/W35, kdy TF = cca 4,7 a měření A-7/W55, kdy TF = cca 2. Ačkoliv v obou případech je absolutní rozdíl DTF shodný, tedy cca 0,13, relativní rozdíl je v prvém případě menší než 3 %, ve druhém větší než 6 %. Přitom samo měření je zatíženo tím větší chybou, čím menší je při dané technice měření měřená veličina.

Z tohoto porovnání se dá usoudit, že výsledky získané ve zkušebně výrobce mají souměřitelnou důvěryhodnost jako výsledky získané v bezesporu jedné z nejprestižnějších zkušeben WPZ Buchs.

Porovnání výsledků měření TČ PZP s TČ jiných výrobců

Porovnání bylo provedeno podle posledních oficiálně prezentovaných výsledků WPZ [L3] dostupných v době zpracování článku (říjen 2012). Z výsledků měření 39 různých TČ „vzduch-voda“ podle metodiky EN 14511 bylo vybráno 9 TČ stejné koncepce jako sledované TČ, tj. TČ v provedení „venkovní kompakt“. Porovnání je zpracováno pro zkušební podmínky „s námrazou“, které jsou v otopném období nejdůležitější. Porovnání je zpracováno na obr. 8 v souřadnicích závislosti TF-Dt, ale jen formou spojnice naměřených hodnot. Oproti předchozím zobrazovaným závislostem TF-Dt, které pracovaly s hodnotami TF uváděnými s přesností na dvě desetinná místa, je zobrazení na tomto obrázku poněkud zkresleno, protože hodnoty v prezentovaných výsledcích [L3] jsou uváděny s přesností na jedno desetinné místo.

Z obr. 8 je zřejmé, že sledované TČ představuje špičku mezi TČ této koncepce.

Obr. 8• Porovnání TF tepelných čerpadel „vzduch-voda“ v provedení „venkovní kompakt“, závislosti zpracovány v souřadnicích závislost TF-Dt formou spojnice naměřených hodnot

Několik poznámek k topnému faktoru

V zájmu objektivity je třeba uvést, že hodnoty TF získané „atestačním“ měřením představují v reálném provozu nedosažitelné optimum. To vyplývá zejména z následujících skutečností:

• Změřený TF zahrnuje příkony potřebné pro provoz „uvnitř“ vlastního TČ, tedy kromě příkonu kompresoru i příkon ventilátoru, příkon řídicího systému a příkon cirkulačního čerpadla zajišťujícího průtok kondenzátorem. Nezahrnuje ale příkony „vně“ TČ, tedy příkony zajišťující cirkulaci otopné vody ve vytápěcím systému nebo výměníku pro ohřev TV případně dalších výměnících, např. pro ohřev bazénové vody. Tyto příkony snižují TF relativně tím více, s čím nižším TF dané TČ pracuje.
• TF je měřen za normativně stanovených podmínek pro průtok otopné vody a relativní vlhkost vzduchu. Změna těchto podmínek vede ke změně TF. Např. nižší než normativní vlhkost vzduchu vede k poklesu TF a to z toho důvodu, že přestup tepla na výparníku se snižuje a autoregulace chladicího okruhu způsobí pokles vypařovací teploty se všemi nepříznivými důsledky z toho plynoucími. Protože normativně určená relativní vlhkost je stanovena poměrně vysoko, např. 84 % při A2/W35, při reálné vlhkosti v našich podmínkách cca 70 %, kterou je možno za těchto podmínek očekávat [L4], bude TF menší.
• U TČ sledované koncepce, tj. „venkovní kompakt“, která jsou pro úsporu místa potřebného pro instalaci vesměs konstruována se svislým výparníkem, ovlivňuje parametry, a tedy i TF, umístění TČ ve vztahu ke směru větru. Při nevhodné orientaci může vítr, tedy přirozené proudění vzduchu, výrazně negativně ovlivnit TF, protože omezí nucené proudění vzduchu výparníkem zajišťované ventilátorem.
• Příprava TV v akumulačním zásobníku je spojena v čase se značnými tepelnými ztrátami. V objektech s nízkoteplotní otopnou soustavou probíhá ohřev při TF podstatně nižších než vytápění. Příprava TV tedy snižuje TF celého vytápěcího systému. A to tím více, čím větší je podíl potřeby tepla pro přípravu TV na celkové potřebě tepla. Negativní vliv přípravy TV na TF se projeví zejména v „málo“ či nízkoenergetických objektech.
  Problematika přípravy TV je i jinak složitá. Energetický efekt závisí i na tom, zda se teplota TV udržuje stále na „pohotovostní“ hodnotě, nebo zda se ohřev zajišťuje až po vybití akumulátoru.
• Otopná soustava ovlivňuje TF jednak přímo (závislostí TF-Dt), jednak nepřímo tím, že při vyšší teplotě otopné vody se „vnitřní“ parametry TČ, tj. teplota vypařovací a kondenzační, posunou na hranici pracovní oblasti po­užitého kompresoru [L9, L10] při vyšší teplotě vzduchu, tj. při vyšší teplotě bivalence. TČ je pak odstaveno a v činnost vchází bivalentní zdroj, vesměs elektrokotel s TF=1. To opět snižuje TF celého vytápěcího systému, protože bivalentní zdroj bude v provozu delší dobu. Samozřejmě to plně platí i o přípravě TV.
• Optimální energetický efekt TČ pro vytápění se zajišťuje ekvitermní regulací teploty otopné vody. Některé způsoby této regulace mohou být rovněž provázeny zhoršováním TF.

Dále je třeba uvést následující:

Výrobci většinou nabízejí TČ v typové řadě. Přesto, že se vesměs snaží typovou řadu konstruovat „výpočtově“ i „geometricky“ úměrně zpravidla topnému výkonu, nikdy se ale nepodaří určující parametry jednotlivých komponent sladit tak, aby úměra platila naprosto dokonale. Přesto, že u seriózních výrobců lze očekávat závislost TF-Dt v celé řadě podobnou, nikdy nebude zcela shodná. „Atestační“ měření provedená v akreditované zkušebně platí tedy jen pro ověřovaný typ TČ, ne pro celou typovou řadu daného výrobce.

Znovu zdůraznit je třeba i následující skutečnost: Není neobvyklé, respektive spíše je obvyklé, že se předpokládá, že úspora energie je úměrná topnému faktoru. Tak tomu není a tento předpoklad výrazně zkresluje význam topného faktoru. Snadno se dá odvodit [L10], že relace mezi úsporou energie ÚE a TF je dána následujícím vztahem: ÚE [%] = 100–100/TF. Z tohoto vztahu vyplývá, že např. zvýšením TF = 3 o 50 %, tj. na TF = 4,5, se ÚE (3) = 66,6 % zvýší na ÚE(4,5) = 77,7 %, tj. jen o 11,1 % a tedy nikoliv o 50 %.

Obdobně platí: V diagramu na obr. 8 při podmínkách A2/W35 největší TF je TFmax = 3,8 s ÚEmax = 73,7 %. Nejmenší TF je TFmin = 3,1 s ÚEmin = 67,6 %. Poměr TFmax/TFmin = 1,23 říká, že největší TF je o 23 % vyšší než TF nejmenší. Přesto je dosažená úspora energie jen o DÚE = ÚEmax – ÚEmin = 6 % vyšší.

Obr. 9 •Závislosti ÚE-Dt odvozené ze závislostí TF-Dt pro oblast „s námrazou“ pro obě sledovaná měření. Závislosti ÚE-Dt odvozené ze závislostí TF-Dt s TF sníženým o DTF = 0,5. Orientační pokles DÚE reálné ÚE oproti optimální ÚE, odpovídající změřeným TF

Podobně, jak se dá znázornit závislost TF-Dt, se může znázornit i závislost ÚE-Dt. Pro sledované TČ a měření v obou zkušebnách je tato závislost pro oblast „s námrazou“ zobrazena na obr. 9. Do diagramu jsou vyneseny pro obě zkušebny:

• závislosti ÚE-Dt odpovídající „optimálním“ závislostem TF-Dt odvozeným ze změřených TF;
• závislosti ÚE-Dt odpovídající „reálným“ závislostem TF-Dt odvozeným ze změřených TF snížených o určitou hodnotu, v tomto případě o volenou DTF = 0,5, která zohledňuje snížení TF ve smyslu dříve uvedeného (viz následující poznámka);
• závislosti DÚE, které vyčíslují informativní snížení ÚE v reálu oproti „atestačnímu“ optimu.

Poznámka:

Vyčíslit přesně reálné snížení TF zohledňující všechny skutečnosti a) až f) specifikované v úvodu předchozího odstavce přesahuje možnosti tohoto článku. Pro znázornění významu tohoto snížení byla v obr. 9 volena hodnota DTF = 0,5.

Podle tohoto diagramu si může každý učinit orientační představu, jaká úspora se dá reálně dosáhnout při daných provozních podmínkách, tj. teplotě otopné vody (ekvitermně řízené) a teplotě vzduchu a to se sledovaným TČ se špičkovými parametry. Z diagramu je rovněž zřejmé, že i když nová TČ mohou být schopna zajistit vyšší teplotu otopné vody, jejich energetický efekt bude vždy výrazně vyšší v nízkoteplotních otopných soustavách.

Stále platí, že o úspoře energie při vytápění TČ nerozhoduje jen vlastní TČ, ale především řešení celého vytápěcího systému.

Úspora energie dosažená tepelnými čerpadly, jejichž parametry uváděné v průvodní technické dokumentaci nejsou ověřeny v akreditované zkušebně, a přesto jsou tato TČ mnohdy oceněna na různých výstavách, může být proto ještě menší. Neseriózní výrobci, vědomi si toho, že prokázat v dokumentaci deklarovaný TF za provozu u zákazníka není jednoduše možné, neuvádějí proto do průvodní dokumentace zcela objektivní údaje. To bylo prokázáno měřením TČ různých výrobců v nezávislých zkušebnách. V posledním takovém případě, kterým se důrazně zabývala i Asociace pro využití tepelných čerpadel, byl tepelnému čerpadlu s deklarovaným TFd = 3,8 a s ÚEd = 73,7 % při A2/W35 ve dvou různých zkušebnách naměřen skutečný TFn = 2,78 a TFn = 2,73 s ÚEn = cca 63,7 %. Poměr TFn/TFd = ~0,72 znamená, že TF naměřený je o cca 28 % nižší než deklarovaný. Přes tento relativně velký pokles TF bude, s přihlédnutím k tomu, co bylo řečeno o relaci TF a ÚE, pokles v úspoře energie mírnější a to o DÚE = ÚEd – ÚEn = 10 %. I tak se jedná o klamání zákazníků.

Dokončení příště

---

Poznámka redaktora

Zejména pro zákazníky by podobný graf, jako na obr. 9, zpracovaný pro každé nabízené TČ, mohl být zásadní pomůckou. Závislost ÚE-Dt pochopitelnou formou, mnohem pochopitelnější a jednoznačnější než samotný topný faktor ukazuje, k jakým úsporám energie se mohou zákazníci instalací TČ právě ve svých otopných soustavách, ve svých konkrétních podmínkách, dostat. Ještě zajímavější se pak jeví závislost roční úspory energie na rozdílu teplot RÚE-Dt, o které bude pojednáno ve druhém dílu článku. Pravdivé údaje lze však zpracovat pouze na základě přesných měření v akreditovaných laboratořích.

Povinné uvádění těchto údajů by bylo i plně v souladu s aktuálně schváleným zákonem č. 318/2012 Sb., kterým se změnil zákon č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů, kde se v § 6 Účinnost užití energie zdrojů a rozvodů energie, v odstavci 3) uvádí, „Dodavatel kotlů a kamen na biomasu, solárních fotovoltaických a solárních tepelných systémů, mělkých geotermálních systémů a tepelných čerpadel (dále jen „vybraná zařízení vyrábějící energii z obnovitelných zdrojů“) je povinen uvést pravdivé, nezkreslené a úplné informace o předpokládaných přínosech a ročních provozních nákladech těchto zařízení a jejich energetickou účinnost v technické dokumentaci nebo návodu na použití.“ V zákoně se tedy nehovoří jen o účinnosti, za kterou u tepelných čerpadel můžeme považovat topný faktor, případně roční topný faktor označovaný SPF, ale i o předpokládaných přínosech a ročních provozních nákladech, které lze vyjádřit závislostí ÚE-Dt, případně RÚE-Dt. S touto závislostí pak může pracovat i projektant a dokumentovat zákazníkovi, jak se mu vyplatí investovat nejen do kvalitního tepelného čerpadla, ale i do teplotně vhodnější otopné soustavy.