Kdy je otopná soustava vhodná pro instalaci tepelného čerpadla

Autor článku upozorňuje na vztah mezi stávajícími otopnými soustavami a instalací tepelných čerpadel. Jedná se o vztah mezi teplotou, tlakovými poměry potřebnými pro vytápění a technickými parametry tepelných čerpadel. Dále vysvětluje, že není možné nahradit stávající zdroj tepla tepelným čerpadlem bez prověření těchto vazeb. Pokud se nerespektují naznačené postupy při návrhu tepelného čerpadla, může to vést k značné nespokojenosti vlastníka spojené s investováním několika stovek tisíc korun do instalace tepelného čerpadla nebo velkým zklamáním při obdržení vyúčtování za odebranou elektrickou energii.

Recenzent: Petr Vacek

Úvod

již řadu let jsou do objektů osazována tepelná čerpadla pro vytápění a ohřev vody. Předmětem tohoto článku není technicky posuzovat jednotlivé typy, jejich výkonnost či schémata zapojení ani komplexní technická řešení.
Kromě kladných referencí a dobrého ohlasu investorů/vlastníků v praxi existují také mnohé nejasnosti a někdy i bezradnost z „nepovedených“ realizací.
Z hlediska topného faktoru je tepelné čerpadlo efektivní, zejména v kombinaci s elektrickým pohonem kompresorů, když je elektřina vyráběna z obnovitelných zdrojů (solární energie apod.). Při rozhodování o instalaci v novostavbě je situace podstatně jednodušší, jelikož již v návrhu zdroje s tepelným čerpadlem lze otopnou soustavu vhodně přizpůsobit.

Při rozhodování o instalaci tepelného čerpadla do již provozované otopné soustavy se však nevyhneme úvodnímu procesu, kterým musí být analýza kompatibility výstupních a vstupních parametrůbtepelného čerpadla a otopné soustavy.
Obzvlášť se pečlivé analýze nemůžeme vyhnout tehdy, pokud je stávající otopná soustava v budově, která byla dodatečně zateplena a dřívější tepelné ztráty po zateplení klesly podle stupně zateplení na 60 % původních ztrát, ev. i na 40 %.

Není snad třeba vysvětlovat, že po zateplení se z ekonomických důvodů nevyplácí stávající otopnou soustavu demontovat a navrhovat novou, která by odpovídala sníženým tepelným ztrátám zatepleného objektu!
Není absolutně žádoucí, aby byl výběr výkonu tepelného čerpadla postaven na výkonu bývalé kotelny. Neplatí tedy vztah, že pokud byla původní kotelna realizována například na výkon 50 kW, taknautomaticky rozhodneme o výkonu tepelného čerpadla také 50 kW. Výkon nového zdroje musíme stanovit na základě stupně zateplení budovy!

To je důvod k vypracování analýzy a přepočtu stávající otopné soustavy – nové parametry otopné soustavy musí být v souladu s výsledky PENB, tj. musíme navrhnout nejen odpovídající teplotní, ale i hydraulické vlastnosti vč. posouzení, zda a v jaké míře lze zachovat stávající prvky pro seřízení soustavy po zateplení.
Nejde jen o seřízení termoregulačních ventilů těles, ale i o seřizování přípojek stoupaček atd.

Po zateplení je otopná soustava bez odborného výpočtu velmi často pouze tzv. „převedena“ na jakýsi zvolený nižší teplotní spád s velkým podílem hydraulického škrcení včetně nežádoucí nedynamické stabilizace diferenčního tlaku pro soustavu.

Vlastnosti otopné soustavy

Jak víme, stávající otopné soustavy byly navrhovány na teplotní spády s teplotou na přívodu 90 °C a zpátečce 70 °C, tj. spád 20 °C. Také z hlediska snižování nákladů na rozvody tepla byl volen teplotní spád 92,5/67,5. Podle pravidel vytápění byla a je obvyklá výpočtová teplota v místnostech 20 °C s různými odchylkami při jiném účelu využití místností. Uvedené hodnoty uvádím ve zkráceně formě například 90/70/20 °C.

Později, když se ukázaly nejen rezervy ve výkonech instalovaných těles, ale i v tom, že není plně využíván i jejich předpokládaný výkon, který má krýt i tepelné ztráty větráním, nastal ve zdrojích pokles teplotních parametrů na hodnoty 80/60/20 °C. Tím se částečně snížilo přetápění budov, ale při nedostatku termoregulační techniky (termostatické hlavice apod.) se teplota v bytech často regulovala například otevřenými okny. Po zavedení „termostatizace“ nastaly problémy s hydraulickým řešením soustav, které velmi často hlučely atd.

V současné době s přívlastkem globálního oteplování a environmentální problematiky je značnou prioritou efektivnost využití jakýchkoliv energií, tedy i při vytápění, a to je důvod, proč je nutné (dle mého názoru povinné) se zabývat podrobněji sdílením tepla, které má být distribuováno fyzikálně správně, řekl bych „akorát“. Regulace výhradně škrcením, bohužel, vyžaduje také větší množství čerpací práce = elektrické energie, což není vzhledem k výše uvedenému žádoucí.

Jiným a citlivějším regulačním prvkem je teplota otopné vody, kterou lze docílit zkvalitnění regulace. Zajisté není třeba vysvětlovat, že čím vyšší je teplota otopné vody, vykazuje i těleso vyšší výkon a naopak. Také platí, že různé tvary konstrukce těles mají laboratorně určené teplotní exponenty, označované písmenem „n“.
Pro článková tělesa je tento exponent n = (1,3–1,33). Desková tělesa mají tedy poněkud vyšší exponent a podlahové plochy například n = 1,0. Podrobněji bývají exponenty uváděny v technických listech výrobců. Exponent „n“ charakterizuje výkon otopné plochy.

Poměrný výkon tělesa označený písmenem „Ø“ pro jiné teplotní spády oproti 90/70/20 °C lze vypočítat na základě exponentu „n“ a podle teploty mezi tělesem a vnitřním vzdchem, kde je těleso umístěno. Zde jen připomenu, že se současná tělesa měří při teplotním spádu 75/60/20 °C, proto je nutné dávat pozor při přepočtu poměrného výkonu tělesa, tj. zda bylo původně těleso navrženo na teplotní spád 90/70/20 °C anebo již na 75/60/20 °C. Výpočty v uvedeném grafu jsou provedeny podle vzorce v [%];

Kde je
∆Tx – teplotní rozdíl mezi tělesem a vzduchem v místnosti (20 °C) pro zvolený teplotní spád, například 80/60/20 °C;
∆Tn – teplotní rozdíl pro srovnávací těleso při spádu 90/70/20 °C.

Ke grafu 1 patří tab. 1, která ztotožňuje číslo na ose „x“ s teplotním spádem, a to z důvodu lepší přehlednosti a čitelnosti grafu, kde Tp znamená teplotu na přívodu do tělesa a Tz teplotu vratné vody z tělesa. Ve všech případech je uvažována teplota vzduchu 20 °C.

Z grafu vidíme, že se stejně velké těleso může výkonem podle teplotního spádu přesunout z výkonu 100 % na výkon 40,2 % při
n = 1,3. Při n = 1,0 to může být až na 30,6 %.

Zde je třeba upozornit, že přepočtem soustavy dospějeme k jinému fyzikálně správnému teplotnímu spádu. Ve skutečných analýzách a přepočtech nedoporučuji používat libovolně zvolené teplotní spády, které dokumentuje graf, aby bylo patrné, jak se mění výkony těles v závislosti na teplotách otopné vody. Uvedený graf proto není závazný. Při projektování musí být vždy proveden výpočet, jelikož teplotní spád může silně ovlivnit hydraulické řešení otopné soustavy.

V návaznosti na výše uvedené je dobré si připomenout a s pomocí grafu 2 dokumentovat souvislosti mezi teplotním spádem a vlivem na průtok otopné vody, který má výrazný vliv na zvyšování hydraulického odporu a z toho vyplývající dopady na seřizovací armatury otopné soustavy. Na ose „x“ je uveden teplotní spád a na svislé ose „y“ je uvedena násobnost, kterou se mění hydraulický odpor při změně teplotního spádu.
I v tomto případě je třeba upozornit, že v potrubí může existovat i laminární, přechodové či turbulentní proudění, které může v konkrétním případě mírně posunout křivku násobnosti hydraulického odporu.

V grafu 2 vycházím z teplotního spádu 20 °C na ose „x“, což býval, a stále ještě je klasickým teplotním spádem (například 90/70/20 °C).

Nyní sledujeme dolní křivku. Pro jakýkoliv průtok je na ose „y“ zobrazeno č. „1“ a to znamená výchozí hodnotu jako 100 % = > „1“. Když při stejném výkonu snížíme teplotní spád na ose „x“ na 10 C, musíme zvýšit průtok vody.

Nyní se podívejme na horní křivku, která představuje změnu hydraulických odporů v závislosti na zvýšeném průtoku, což je pro 10 °C na ose „x“ již 4násobek odporu oproti teplotnímu spádu 20 °C.

Pokud bychom snížili teplotní spád na 5 °C, zvýší se průtok (spodní křivka) na 4násobek, ale odpor vzroste až na 16násobek.

Pokud jsme dříve při (Tp – Tz) = 20 °C potřebovali diferenční tlak například 10 kPa, pro teplotní spád 5 °C budeme potřebovat diferenční tlak cca 10 kPa × 16 = 160 kPa. Běžná čerpadla končí někde kolem 100–120 kPa. To je na pováženou tam, kde se v potrubí používají vyšší rychlosti proudění (třeba i přes 1 m·s^–1).

Na tomto příkladu vidíme, že se jakákoliv libovůle (i tzv. odborný odhad) nevyplácí!

Vlastnosti tepelných čerpadel vs. otopná soustava

Nebudu posuzovat různé parametry tepelných čerpadel, vycházím z toho, že bývají konstruována z nějakých technických důvodů na teplotní spád kolem 5 °C.
Když se potom podíváme na různé a značně vyšší teplotní spády v otopných soustavách, jak vyplývá z výše uvedeného, stává se propojení otopné soustavy a tepelného čerpadla (dále jen TČ) z hydraulických důvodů nekompatibilní. Uvedu úvahu:

Jestliže bude na výstupu TČ teplota třeba 55 °C, potom se má při teplotním spádu TČ ve výši 5 °C vracet voda o teplotě 50 °C. Pokud bude původní teplotní spád na tělesech otopné soustavy poměrně nízký, třeba 55/40/20 °C, bude se vracet voda o teplotě 40 °C.
Problém je v tom, že se očekává teplota vratné vody pro TČ ve výši 50 °C, ale ze soustavy se vrací 40 °C, to je o 10 °C méně oproti TČ.
Rozpor nastává v tom, že soustava má teplotní spád 15 °C, ale TČ jen 5 °C, což je 3× menší spád. V TČ je vlastně 3× větší průtok oproti otopné soustavě.

Například pro otopnou soustavu o výkonu 10 kW při spádu 55/45/20 °C budeme potřebovat průtok 573,23 kg·h^–1, potom při teplotním spádu 5 °C z TČ budeme potřebovat průtok 1719,69 kg·h^–1,
tj. v poměru teplotních spádů 15/5 = 3 × více vody. Jde tedy o dva hydraulicky odlišné okruhy.

Jiné proporce s průtoky vody a dimenzováním potrubí nastanou mezi otopnou soustavou a TČ při velkých výkonech otopné soustavy, které jsou konstruovány na teplotní spád 20 °C či dokonce 25 °C(90/70/20 °C či 80/60/20 °C, anebo 75/60/20 °C). Při poměru spádů 25/5 jde již o 5násobek průtoku a až 25násobek hydraulických odporů.

Pokud by byla otopná soustava od počátku dimenzována na teplotní spád 5 °C, což se týká zejména velmi dobře zateplených budov s malými tepelnými ztrátami, potom bude vše OK. Tedy ani dimenzování celku (TČ + soustava) nebude mimořádně investičně a provozně náročné. Efektivita TČ se při nižších potenciálech teplot navíc zvyšuje.

Pokud nebude mít TČ výstupní teplotu alespoň na úrovni požadované vstupní teploty do otopné soustavy, nebude moci TČ zajistit plný výkon, i když bude mít požadovaný štítkový výkon. Předávání tepla do otopné soustavy je závislé na její konstrukci z hlediska výkonu tak, že velikost otopné plochy a hydraulické řešení musí odpovídat teplotním parametrům TČ.

Při nižší výstupní teplotě vody z TČ oproti stávající otopné soustavě nelze řádně vytápět až do oblastní venkovní výpočtové teploty, ale jen do určité venkovní teploty – bivalentního bodu.
To znamená, že v případě pod hodnotou bivalentního bodu musí být zajištěno dotápění pomocí jiného zdroje, například elektrického přímotopu integrovaného do TČ. Lze také použít akumulační nádrž, která pomůže i v době teplot nad bivalentní bod. Akumulační nádrž umožňuje navázat okruh TČ na otopnou soustavu, a ještě může akumulovat z přebytku výkonu teplo na dobu, kdy je venkovní teplota pod bivalentním teplotním bodem. Někteří výrobci již uvádějí, že jsou jejich TČ schopna vytápět i do nízkých venkovních teplot do –10 °C či dokonce ještě níže.

Je známo, že TČ mohou mít v dnešní době na výstupu i podstatně vyšší teplotu, což je určitá výhoda z hlediska potřeb pro vytápění i dodatečně zateplených budov.
Tento článek měl za úkol popsat vzájemné vztahy mezi TČ a otopnou soustavou, do které by mělo TČ dodávat energii jako zdroj. Nejde tedy o návod k projektování. Doporučuji ověřit si detaily přímo u výrobců či dodavatelů, aby byly použity technicky správné porovnávané hodnoty, příp. prostudovat některé příslušné odborné články k tématice tepelných čerpadel.

Závěr a doporučení

Pokud není vyřešena teplotní a hydraulická kompatibilita parametrů TČ a otopné soustavy, nemůže v praxi platit rovnice VÝKON TČ = VÝKON OS, platit bude jen podle štítkových hodnot.

V zásadě doporučuji:
1) Určitě je žádoucí před instalací TČ posoudit tepelně-technické vlastnosti budovy a nejdříve se pokusit o snížení tepelných ztrát, aby bylo možné instalovanou otopnou soustavu provozovat na nejnižších možných teplotních parametrech. Dobrým zateplením se původní otopné soustavy stávají předimenzovanými, a mohou být provozovány na nízké teplotní úrovni, a proto mohou být vhodné i pro instalaci zdroje sestaveného z TČ.
2) Vždy je třeba předem vypracovat analýzu a energetickou bilanci stávající otopné soustavy, zejména po zateplení a dát odpověď, zda lze zajistit kompatibilitu parametrů TČ a otopné soustavy, která bude odpovídat potřebám podle PENB, ať již na původní stav či na stav po zateplení.

Recenzent: Ing. Petr Vacek, samostatný projektant, Praha; člen redakční rady Topenářství instalace

---

When Is a Heating System Suitable for Heat Pump Installation

The author of the article draws attention to the relationship between existing heating systems and the installation of heat pumps. This is the relationship between the temperature, pressure conditions required for heating and the technical parameters of heat pumps. The author further explains that it isn't possible to replace the existing heat source with a heat pump without checking these relationships.
If the indicated procedures are not followed when designing a heat pump, this can lead to great dissatisfaction of the owner/investor associated with investing several hundred thousand in the installation of the heat pump or great disappointment when receiving a bill for the consumed electricity.

Keywords: heating system, heat pump, installation, design, parameters, analysis, compatibility, EPC, heat loss, insulation, thermal gradient, dimensioning, hydraulic resistance, flow.