Porovnání výpočtových metod pro bilancování tepelných čerpadel vzduch-voda

Odhad efektivity provozu tepelného čerpadla a stanovení informativní hodnoty roční spotřeby elektrické energie je důležitou informací při rozhodování o tom, zda použít tepelné čerpadlo pro vytápění bytového domu a přípravu teplé vody.

Autoři článku předkládají podrobnou analýzu tří výpočtových metod pro stanovení bilancí provozu tepelného čerpadla. Výsledky analýzy dokládají vhodné použití intervalové metody výpočtu s měsíčním rozlišením venkovních teplot.

Recenzent: Jiří Matějček

Úvod

Bilancování provozu konkrétního tepelného čerpadla v konkrétním projektovaném domě s navrženou otopnou soustavou při znalosti předpokládaných klimatických podmínek umožňuje dopředu přibližně stanovit roční spotřebu elektrické energie pro vytápění a přípravu teplé vody, včetně záložního zdroje (zpravidla elektrokotle). Takový výpočet může sloužit pro úřední hodnocení domu (průkaz energetické náročnosti budovy) nebo především pro budoucího investora jako podklad k ekonomickému rozhodování (provozní spotřeba versus investice).

Pro bilancování provozu tepelného čerpadla je k dispozici evropská norma v českém překladu ČSN EN 15316-4-2 [1] a její zjednodušení v podobě TNI 73 0351 [2]. Obě normové publikace představují tzv. intervalovou metodu, která je založena na bilancování potřeb tepla a provozu tepelného čerpadla v tzv. teplotních intervalech. Teplotní intervaly poskytují informaci o době trvání teplot během roku (četnost teplot) a mohou mít hrubé roční rozlišení a jemnější měsíční rozlišení. Principu intervalové metody a souvisejícím analýzám byl věnován samostatný článek [3] a v současnosti je dispozici bilanční nástroj BilanceTC [4]. Pro bilancování provozu tepelného čerpadla jsou potřeba v první řadě podrobné charakteristiky, zvlášť pokud se jedná o tepelná čerpadla vzduch-voda pracující v širokém rozsahu teplot na výparníku (celoroční provoz od –15 °C do +30 °C) a na kondenzátoru (ekvitermní regulace, příprava teplé vody). Dalším vstupním údajem jsou roční potřeba tepla na vytápění a přípravu teplé vody (roční intervalová metoda) nebo potřeby tepla v měsíčním rozlišení (měsíční intervalová metoda).

Intervalová metoda pracuje s určitým zjednodušením bilance. Při využívání ročních teplotních intervalů se nerozlišuje, zda se daná teplota venkovního vzduchu vyskytuje v otopném období nebo mimo otopné období. Pro zjednodušení se uvažuje, že teploty nižší než 13 °C se uvažují jako otopná sezona, zatímco teploty vyšší než 13 °C jako letní období. U měsíčního rozlišení hranice 13 °C také rozlišuje, zda se vytápí nebo ne, nicméně zpřesňuje se propojení měsíčních teplot se zadanou měsíční potřebou tepla na vytápění. Podobně u přípravy teplé vody, která mívá během roku proměnlivý průběh, je rozdělení potřeby tepla do intervalů dáno pouze dobou jejich trvání, což v ročním rozlišení může také zkreslovat. Zde vzniká první otázka, jak taková nepřesnost ovlivňuje výsledek bilancování provozu tepelného čerpadla, zejména jeho spotřeby elektrické energie, resp. jak se mezi sebou liší bilance v ročním rozlišení a měsíčním rozlišení.

Jako problematická se může zdát i skutečnost, že rozpočítávání potřeby tepla na vytápění pro výpočet v intervalech je samozřejmě na základě tzv. hodinostupňů, které vycházejí ze střední teploty venkovního vzduchu a doby trvání intervalu. V reálném provozu budovy však může jedna teplota venkovního vzduchu reprezentovat dva zcela odlišné stavy z pohledu potřeby tepla, např. 5 °C v noci provázené zvýšenou potřebou tepla na vytápění a 5 °C během slunečného dne, kdy solární zisky okny výrazně omezí odpovídající potřebu tepla na vytápění. Druhou otázkou je tedy, zda taková omezená vypovídací schopnost teploty venkovního vzduchu o potřebě tepla na vytápění má na výpočet vliv a nevykazuje oproti nějaké ještě podrobnější metodě výraznou chybu.

Potřeba tepla v bytovém domě

Aby bylo možné odpovědět na uvedené otázky, byla provedena analýza celkem tří výpočtových postupů, vycházejících v podstatě z jednoho principu: roční intervalová metoda, měsíční intervalová metoda a podrobná hodinová metoda. Hodinová metoda má v podstatě stejnou strukturu výpočtu, jakou mají intervalové metody, viz norma TNI 73 0351 [2], nicméně každá ­hodina je sama intervalem (doba trvání 1 hodina s danou teplotou venkovního vzduchu). K tomu bylo potřeba získat hodinové údaje o realistické potřebě tepla budovy na vytápění a na přípravu teplé vody.

V simulačním prostředí TRNSYS byl pro účely analýzy postaven matematický model potřeby tepla bytového domu, na základě reálného bytového domu se známou měsíční potřebou tepla na vytápění a přípravu teplé vody v letech 2014 až 2016. Bytový dům je po rekonstrukci (2011), obálka domu je zateplena na doporučené hodnoty součinitelů prostupu tepla, okna jsou nová. Pro simulační výpočet byly uvažovány klimatické údaje odpovídající jednotlivým rokům v dané lokalitě. Bylo provedeno porovnání měsíčních hodnot modelované potřeby tepla na vytápění a hodnot měřených na výměníkové stanici, viz obr. 1.

Z grafu jsou patrné odchylky zejména v zimním období. To je velmi pravděpodobně dáno rozdílem v zahrnutí větrání domu v modelu (konstantní intenzita větrání 0,3 h^–1) a v reálném provozu, ve kterém lze předpokládat výrazně sníženou intenzitu větrání okny v zimním období. Nicméně celková roční potřeba tepla na vytápění stanovené modelem se v jednotlivých uvažovaných letech neliší o více než 10 % od měřených hodnot na výměníkové stanici. Pro další analýzu nebyly nicméně důležité konkrétní přesné hodnoty potřeby tepla, ale použitelnost modelu pro výpočet hodinových hodnot potřeby tepla na vytápění při zadaných podmínkách konstrukce budovy, jejího provozu a klimatických podmínkách.

Pro použití tepelného čerpadla v budově při stávajících otopných tělesech (navržených na nezateplený stav, tepelná ztráta 116 kW) by bylo nutné jít v matematickém modelu na ještě lepší izolační standard a především na snížení potřeby tepla na větrání větrací jednotkou se zpětným získáváním tepla. Celková tepelná ztráta domu blížícího se pasivnímu standardu je potom 56 kW, což nakonec umožňuje snížit teplotu otopné vody z hodnot 80/60 °C na 55/45 °C a využít stávající otopná tělesa pro vytápění v soustavě s tepelným čerpadlem. Pro tuto variantu byly simulací v TRNSYS získány hodinové údaje o potřebném výkonu pro vytápění (tepelný příkon budovy) s uvažováním klimatických podmínek reálného roku 2016.

Na obr. 2 je názorně na výsledcích simulace ukázán vliv slunečního ozáření na tepelný příkon budovy. V modelovaném standardu bytového domu sluneční ozáření výrazně ovlivňuje potřebný tepelný příkon budovy v zimním období (březen). Při vyšších úrovních slunečního ozáření klesá přes den tepelný příkon budovy až na nulové hodnoty, zatímco v nočních hodinách zase narůstá. Jak již bylo zmíněno v úvodu, je patrné, že stejná venkovní teplota může odpovídat velice odlišnému tepelnému příkonu budovy a není proto ve vztahu k energetické náročnosti na vytápění jediným a zásadním parametrem.

Pro bilancování přípravy teplé vody byly hodinové údaje pro bytový dům určeny z typického denního odběrového profilu. Reálná potřeba tepla na přípravu teplé vody v bytovém domě se projevuje dvěma hlavními charakteristikami: denní profil s ranní a večerní špičkou a roční profil s výrazným poklesem potřeby tepla v letním období vlivem dovolených a výrazně vyšší teploty studené vody na vstupu do přípravy teplé vody z vodovodního řadu. Zatímco denní profil je převzatý z normového profilu (viz obr. 3) [5], průběh měsíční potřeby byl odvozen z reálně měřených měsíčních údajů (viz obr. 4).

Analýza metod

Pro stanovení bilance provozu tepelného čerpadla byly vytvořeny tři výpočtové aplikace:

• hodinový výpočet s hodinovými údaji o venkovní teplotě a potřebě tepla;
• výpočet intervalovou metodou s teplotními intervaly v měsíčním rozlišení a zadáním potřeby tepla v měsíčním rozlišení;
• výpočet intervalovou metodou s teplotními intervaly v ročním rozlišení a zadáním roční potřeby tepla.

Pro všechny typy výpočtu bylo zvoleno stejné tepelné čerpadlo bez regulace tepelného výkonu s akumulačním zásobníkem. Jeho podrobné charakteristiky, tzn. závislosti topného výkonu a topného faktoru na venkovní teplotě a teplotě na výstupu z kondenzátoru byly převzaty z podkladů výrobce. Jmenovitý tepelný výkon při podmínkách A7/W35 je 56 kW, topný faktor je 3,1. Tepelný výkon tepelného čerpadla byl navržen především s ohledem na přípravu teplé vody.

Tab. 1 ukazuje souhrnné roční výsledky bilance provozu tepelného čerpadla stanovené různými přístupy. Všechny výpočty vycházejí ze stejné celkové potřeby tepla na vytápění a přípravu teplé vody Q_p,c, která je kryta jak dodávkou z tepelného čerpadla Q_TC, tak záložního zdroje (elektrokotle) Q_ZZ. Je patrné, že jak v režimu přípravy teplé vody, tak v režimu vytápění, je výsledkem hodinového výpočtu nejvyšší potřeba elektrické energie celého systému EE_sys, zatímco výpočet s ročními teplotními intervaly dává hodnoty nejnižší. Nicméně poměrné odchylky výsledků jednotlivých metod jsou v řádově procentech. Výsledek spotřeby elektrické energie stanovený intervalovou metodou s ročními intervaly je pouze o 4 % nižší než u hodinové metody.

Použití měsíčních intervalů snižuje rozdíl na 2 %. Podobně shodné jsou výsledky sezonního topného faktoru SPF a roční doby provozu tepelného čerpadla t_p. Porovnání měsíčních hodnot spotřeby elektrické energie stanovených hodinovou metodou a intervalovou metodou s měsíčním rozlišením je uvedeno na obr. 5. Obě metody se shodují nejen v celkových ročních výsledcích, ale i v průběhu roku.

Závěr

Bilancování provozu tepelných čerpadel za konkrétních podmínek nasazení umožňuje již v projekční fázi odhadnout efektivitu provozu a spotřebu elektrické energie. Z výsledků analýzy je patrné, že pro běžné aplikace (tepelné čerpadlo bez regulace výkonu, bez regulační interakce s FV systémem) není ­potřeba příliš detailního výpočtového postupu z pohledu časového kroku. Výsledky jsou velice podobné u všech třech způsobů hodnocení. Lze proto jednoznačně doporučit intervalovou metodu s mě­síčním rozlišením, která na jednu stranu vyžaduje měsíční informace o potřebách tepla (dostupné z úředního hodnocení budovy), avšak na druhou stranu zase poskytuje měsíční spotřeby elektrické energie.

Odkazy

1. ČSN EN 15316-4-2 Energetická náročnost budov – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 4–2: Výroba tepla pro vytápění, Tepelná čerpadla, Modul M3-8-2, M8-8-2, ÚNMZ 2017.
2. TNI 73 0351 Energetické hodnocení soustav s tepelnými čerpadly – Zjednodušený výpočtový postup, ÚNMZ 2014.
3. MATUŠKA, T., ŠOUREK, B.: Výpočet ročního provozu tepelného čerpadla intervalovou metodou podle normy TNI 73 0351, Topenářství instalace. 2014, roč. 48, 2014, č. 7, s. 42–48, 2014. ISSN 1211-0906.
4. MATUŠKA, T.: BilanceTC – Zjednodušená bilance soustavy s tepelným čerpadlem, Software, ČVUT v Praze 2017. Dostupné na: http://users.fs.cvut .cz/tomas.matuska/?page_id=161.
5. ČSN EN 12831-3 Energetická náročnost budov – Výpočet tepelného výkonu – Část 3: Tepelný výkon pro soustavy přípravy teplé vody a charakteristika potřeb, Modul M8-2, M8-3, ÚNMZ 2019.

---

Calculations Methods Comparison for Air-to-Water Heat Pumps Assessment

Estimating the efficiency of heat pump operation and determining the informative value of annual electricity consumption is important information when deciding whether to use a heat pump for heating and hot water preparation in apartment building.
The authors present a detailed analysis of three calculations methods for determining the evaluation of heat pump operation.
The results of the analysis demonstrate the appropriate use of the interval calculation method with monthly outdoor temperature distinguish.

Keywords: heat pump, operation efficiency, mathematical model, method analysis.