Teplo z domovního vodovodu pro tepelné čerpadlo – 1. část
Autor ve svém článku řeší modelové použití tepelného čerpadla v panelovém domě k přípravě
teplé vody. Provádí nás celým návrhem. V závěru řeší i případné vytápění, vše s využitím
tepla ze studené vody přiváděné do objektu.
Příspěvek zazněl na Školení topenářů 2018 v Plzni.
Recenzent: Richard Valoušek
Snaha ušetřit provozní náklady za energii pro bytový dům vede k různým nápadům, jak toho dosáhnout. Jedním z nápadů, je použít jako zdroje tepla vodu z domovního vodovodu. Na první pohled se to zdá jako jednoduché řešení. Zdrojem tepla bude pitná voda o prakticky celoroční teplotě 10 °C. Z této úvahy vyplyne návrh řešení: použít tepelné čerpadlo voda-voda. Tepelná čerpadla pracující s takovými teplotními parametry dosahují poměrně vysokou hodnotu COP 4–5, a tak se očekává velká úspora a krátká doba návratnosti.
Zjednodušený návrh předpokládaného zapojení
Skutečnost však bude trochu jiná. V případě připojení tepelného čerpadla ke zdroji pitné vody, z důvodu ochrany zdroje pitné vody, musíme tepelné čerpadlo oddělit vložením dalšího výměníku. Tím vznikne nový okruh, který musí mít minimální vodní objem, který požaduje tepelné čerpadlo. Obdobně to bude na druhé straně tepelného čerpadla. Zjednodušené schéma zapojení s vloženým okruhem je na obr. 2.
Teplota vody ve vodovodním řadu
Pro navrhování a projektování přípravy teplé vody platí v ČR norma ČSN 06 0320. V této normě se vychází z předpokládané teploty studené vody 10 °C. Ve sdělení Komise EU v rámci provádění nařízení Komise EU č 814/2013; Brusel, 2014) je definovaná teplota vody na vstupu 10 °C jako neměnná.
Norma ČSN 06 0320 oddí 8.1 má zmínku o nutné korekci informativních údajů pro případné jiné teploty. Jedna věc je vstupní údaj pro teoretický výpočet a druhá věc je skutečná teplota vody, která ovlivní návrh řešení. Vstupní teplota vody do tepelného čerpadla nám značně ovlivní topný faktor, provozní a investiční náklady. Pro návrh řešení s uvažovanou vstupní teplotou studené vody pro tepelné čerpadlo 10 °C a výstupní teplotou 7 °C na primární straně tepelného čerpadla s přípravou teplé vody na teplotu 55 °C bude pro uvažovaný typ tepelného čerpadla topný faktor 3,56.
Pro jistotu provedeme kontrolu teploty studené vody v průběhu roku. Z podkladů Pražských vodáren a.s. je patrné, že teplota studené vody ve vodovodním řadu v průběhu roku kolísá a uvažovat s teplotou vody 10 °C lze pouze v malé části roku. Průměrná teplota studené vody, podle grafu na obr. 3, je 8,7 °C. V určité době však teplota klesá až k 6 °C. To je pro nás návrhová teplota.
Tato informace nám změní návrh hodnoty teploty vstupní vody pro tepelné čerpadlo. Při minimálním teplotním spádu 3 °K a přímé použití studené vody bez nemrznoucí směsi hrozí zamrznutí tepelného čerpadla. Proto připojení tepelného čerpadla musí být provedeno přes vložený okruh. Hlavním důvodem je zabránění případnému průsaku freonu z okruhu tepelného čerpadla do vodovodního řadu. Pro výstupní teplotu otopné vody z tepelného čerpadla 60 °C bude tlak chladiva na výstupu z kompresoru obvykle vyšší nežli tlak ve vodovodním řadu. Například v případě použití chladiva R134A se jedná o tlak chladiva na výstupu z kompresoru v hodnotě 1,682 MPa.
Použití nemrznoucí směsi je druhým důvodem oddělení vodovodu od tepelného čerpadla samostatným okruhem s deskovým výměníkem, čerpadlem, expanzí a pojistným ventilem. Nemrznoucí směs pro vložený okruh musíme vytvořit z etanolu – čistého lihu určeného pro potravinářství.
Proto musíme navrhnout objem vloženého okruhu tak, aby vyhovoval požadavku na minimální vodní objem pro tepelné čerpadlo. V případě, že je vodní objem vloženého okruhu malý, doplníme jej o akumulační nádobu. Nutno připomenout, že litr čistého lihu stojí cca 485 Kč. Návrh řešení se nám začíná komplikovat a prodražovat.
Volba velikosti akumulace při nerovnoměrném odběru teplé vody
Při stanovení velikosti akumulátoru pro okruh přípravy teplé vody bude nutné vycházet z odběrového diagramu teplé vody.
Pro případ použití tepelného čerpadla pro vytápění budeme vycházet z průběhu tepelné ztráty objektu v ekvitermní závislosti. V případě návrhu velikosti tepelného čerpadla na plné pokrytí topné sezony a docílení maximální hodnoty COP se bez určité akumulace neobejdeme.
V tab. 2 jsou uvedeny údaje o potřebě tepla v průběhu topné sezony a přebytek tepla pro případné uložení, chceme-li udržet tepelné čerpadlo v chodu s maximální účinností. V tabulce je uveden počet hodin trvání venkovní teploty. Nejedná se o celkový počet hodin topné sezony. Tabulka slouží pro rychlou orientaci v problému při návrhu.
Nejspíš cena akumulátoru nám přibrzdí snahu docílit maximální účinnost tepelného čerpadla.
Položme si otázku, kolik vlastně uspoříme? Při porovnání provozu 100% versus 50% výkonu pro provozní teploty 1/–3/05/55 °C to bude cca 1377 kWh·a–1. Při ceně akumulátoru 48 000 Kč, sazbě 4 Kč·kWh–1 bude prostá doba návratnosti 8,7 roku. Pro nižší tarif za elektřinu se prostá doba návratnosti prodlouží a naopak. Porovnání teoreticky dosažitelných úspor je uvedeno v tab. 3.
Takže zpět k volbě teplotního spádu. Na straně vodovodu zvolíme například teplotní spád 6/3 °C a na straně tepelného čerpadla –3/+1 °C. V následujícím kroku zjistíme potřebu teplé vody na příkladu bytového domu.
Vstupní údaje pro výpočet
Jedna sekce bytového domu s 8 NP o 24 bytových jednotkách má 64 obyvatel. Výpočtová teplota studené vody pro celoroční provoz 6 °C.
Budeme vycházet z průměrné republikové spotřeby teplé vody 48 l·osoba–1·den–1.
Studená voda = 55 l·osoba–1·den–1. Celková průměrná spotřeba je tedy 103 l·osoba–1·den–1.
Celkem TV + SV = 64 obyvatel x 103 l·den–1 = 6 592 l·den–1·sekce.
Toto množství vody budeme mít teoreticky k dispozici za celý den, ze kterého můžeme získat teplo pro tepelné čerpadlo. Je potřeba si uvědomit, že se nejedná o pravidelný přítok, resp. odběr, což je patrné z tab. 4.
Bez určité akumulace na primární straně i na sekundární straně tepelného čerpadla, nebudeme schopni na plno využít teplo z vodovodní přípojky a zároveň efektivně udržet v provozu tepelné čerpadlo.
Na straně studené vody máme k dispozici teplotní rozdíl pouze 3 °K. Potom je teoreticky denní limit získaného tepla z vodovodu Q = 6 592 x 3 x 1,163 = 22 999 W·den–1. Což je příliš málo. Pro zvýšení tepelné bilance by bylo nutno zapojit všech 5 sekcí panelového domu dohromady. Potom by bylo teoreticky k dispozici 115 kW·den–1, ze kterých musíme také pokrýt tepelné ztráty celého zařízení. Velkým problémem budou vodovodní přípojky. Každá sekce má vlastní přípojku, a to by znamenalo změnit rozvody studené, teplé vody a cirkulace. Což je nereálné.
Upravené blokové schéma zapojení zdroje pro přípravu teplé vody
Pro zvolené tepelné čerpadlo o topném výkonu 26,3 kW (6/3 °C; 50/55 °C) je blokové schéma na obr. 4, které již zohledňuje požadavek na přímé oddělení tepelného čerpadla od vodovodní sítě, teploty studené vody, které můžeme využít, a potřebnou akumulaci pro řešení nerovnoměrného odběru teplé a studené vody. Při porovnání s předchozím uvažovaným zapojením se řešení více zkomplikovalo a cena investice se podstatně zvýšila.
Z tepelné bilance vyplývá, že tepelné čerpadlo o výkonu 26,3 kW ohřeje množství teplé vody z uvažovaných 10 °C na 55 °C: pouze M (26,3 x 860 / 45) = 502,6 l při spotřebě studené vody (6/3 °C) M = (26,3 x 860 / 3) = 7539 l. Což je větší potřeba vody než proteče vodovodní přípojkou pro jednu sekci (6592 l·den–1) a přitom ohřeje pouze cca 500 l z požadované spotřeby 3072 l·den–1·sekce bez pokrytí tepelné ztráty celého zařízení.
Tepelná bilance dokazuje, že bez dostatečně tvrdého zdroje tepla resp. velkého množství studené vody nebude efektivním řešením tato úspora energie.
Druhým problémem je výše investičního nákladu na toto řešení. Velkou položkou bude cena nerezových akumulačních nádob. Pro využití odběrových špiček teplé vody je potřeba značný průtok studené vody anebo větší objem akumulované vody.
Pro představu cena nerezového zásobníku 2000 l činí cca 125 000 Kč + kvalitní puretanová tepelná izolace cca 20 000 Kč. Pro hodinový provoz tepelného čerpadla bychom potřebovali čtyři takové zásobníky na primární straně tepelného čerpadla a další zásobníky na straně teplé vody. A to nemluvíme o tom, že pro studenější vodu budeme potřebovat pro namíchání teplé vody na požadovanou teplotu více teplé vody.
Dalším významnou položkou nákladu je použití etanolu v potřebném množství. Například pro objem vloženého okruhu 450 l s koncentrací 30% etanolu budeme potřebovat 150 l čistého lihu. Při ceně 485 Kč·l–1 to bude činit 72 750 Kč. Pro 15% koncentraci by byla cena samozřejmě poloviční.
Výpočtově pro 100 l teplé vody při vstupu SV = 10 °C a TV = 55 °C bude pro výslednou teplotu vody 30 °C potřeba 55,56 l SV a 44,44 l TV. Pro sníženou teplotu SV na 3 °C a TV = 55 °C to bude 48,08 l SV a 51,92 l TV. To znamená nárůst spotřeby teplé vody o více než 16 % a snížení spotřeby studené vody o více než 13 %. S omezeným množstvím studené vody, které máme k dispozici, ohřejeme ve výsledku méně teplé vody. Pokud bychom snížili teplotu teplé vody například na 50 °C, potom potřeba teplé vody stoupne o téměř 30 % a potřeba studené vody klesne o více, než 23 % v porovná s původním výpočtem.
Tudy cesta nevede.
Upravené blokové schéma zapo- jení zdroje pro vytápění (obr. 5)
Využít teplo z vodovodu pro vytápění objektu by bylo oproti řešení přípravy teplé vody o něco jednoduší.
Na straně teplé vody resp. otopné vody by mohla odpadnout potřebná akumulace. Problém však bude s tepelnou bilancí:
Tepelná ztráta nezateplené jedné sekce objektu Q = 80 kW . Te = –12 °C. Ti = 20°C. Infiltrace 0,5 l·h–1. Bez rekuperace.
Budeme-li dále uvažovat se spotřebou studené vody pro jednu sekci (SV = 6592 l·den–1) bude teoreticky k dispozici pouze množství tepla Q = 6592 · 3 x 1,163 = 22 999 W·den–1·sekce. To znamená, že pro plné pokrytí tepelných ztrát objektu musí být tepelná ztráta objektu menší než 23 kW při oblastní venkovní výpočtové teplotě vzduchu. Ovšem nebude-li zároveň předpokládaný odběr studené vody, nebude teplo. Vyhovující tepelná bilance tak může být jen, vzhledem k omezenému množství studené vody, u objektu s velmi malou tepelnou ztrátou.
Pokud budeme považovat problém s potřebami energií za vyřešený, potom je potřeba se zamyslet nad celkovým investičním nákladem na zdroj tepla. Pro případ dosažení doby návratnosti, která by měla být mnohem kratší než doba životnosti zařízení bychom naopak potřebovali, s ohledem na investici, úsporu co možná největší. Zkrátka vyrobil co možná nejvíce tepla.
Pro případ tepelné ztráty sekce objektu vyšší než 23 kW toto řešení nemá smysl. Opět nám schází dostatečné množství studené vody.
Řešení s dostatečným množstvím studené vody
Pro případ, že máme k dispozici potřebné množství studené vody, je v tab. 6 porovnání různých provozních režimů.
Z tab. 6 je patrný vliv teploty zdroje studené vody. Při skutečné teplotě studené vody v zimním období 6 °C musíme použít ve vloženém okruhu teploty 1/–3 °C. To nám podstatně sníží dosažitelnou úsporu.
POKRAČOVÁNÍ PŘÍŠTĚ
Heat for the Heat Pump from the Domestic Water Supply – Part 1
In his article the author describes the model use of heat pump for hot water preparation in a block of flats and guides us through the whole project. In the end, he also deals with heating possibility, all with the heat use from cold water supplied to the building.
Keywords: heat pump, drinking water, stainless steel heat exchanger, stainless steel heat accumulator