Vytápění, chlazení a příprava TV v rodinném domě pomocí tepelného čerpadla a fotovoltaické elektrárny
Příspěvek nahlíží na provoz tepelného čerpadla pro vytápění, chlazení a přípravu teplé vody v novostavbě rodinného domu v kombinaci s nově instalovanou fotovoltaickou elektrárnou. Jedná se o běžnou instalaci, jakých je po energetické krizi tisíce. V našem případě se zaměříme na zhodnocení jednoho celého roku provozu s důrazem na způsob chlazení RD pomocí tepelného čerpadla, jeho reálný chod. Z uvedených grafů a hodnot uvidíme změny v tepelném komfortu při vypnutém a zapnutém režimu chlazení v nejteplejších dnech a díky datům ze střídače FVE také měsíční bilance toků elektřiny, které prozradí, v jakém souladu je vlastní výroba elektřiny vůči spotřebě tepelného čerpadla.
Recenzent: Roman Vavřička
Popis objektu a technických zařízení
Novostavba rodinného domu z roku 2023 stojí v obci v těsné blízkosti Pelhřimova v nadmořské výšce cca 550 m n. m. Jedná se o jednopodlažní objekt (bungalov) o celkové vytápěné podlahové ploše cca 150 m2. Z projektu vytápění i z naměřených dat vychází tepelná ztráta objektu na cca 4,5 kW při výpočtové teplotě –15 °C.
Pro vytápění a chlazení je instalováno tepelné čerpadlo vzduch-voda Regulus RTC 13e, které zároveň zajišťuje přípravu teplé vody v zásobníkovém ohřívači Regulus RGC 170 o objemu 170 litrů. Tepelné čerpadlo je invertor a je přímo zapojeno do otopné soustavy, tzn. oběhové čerpadlo tepelného čerpadla je zároveň oběhovým čerpadlem otopné soustavy. Jako bivalentní zdroj slouží vnitřní hydraulická jednotka Regulus BOX RTC vybavená elektrokotlem o celkovém výkonu 12 kW s možností modulace výkonu po 2 kW. Ve vnitřní jednotce je dále již zmíněné společné oběhové čerpadlo pro tepelné čerpadlo a otopnou soustavu, přepínací ventil vytápění a ohřevu vody a regulátor Regulus IR BOX, který vše řídí a umožňuje vzdálenou zprávu. Regulátor funguje jako datalogger. Právě data z tohoto regulátoru jsou podkladem pro vyhodnocení provozu uvedeném v tomto příspěvku. V objektu je navrženo výhradně podlahové vytápění/chlazení. Schéma zapojení je na obr. 2.
Větrání je nucené se zpětným získáváním tepla prostřednictvím jednotky Regulus Sentinel Kinetic B. Na jaře roku 2024 byl objekt doplněn o fotovoltaickou elektrárnu o instalovaném výkonu 9,79 kWp s bateriovým úložištěm o kapacitě 10 kWh. Přebytky FVE jsou využity pro ohřev vody pomocí dodatečně instalovaného elektrického topného tělesa výkonu 3 kW do zásobníku Regulus RGC 170. V objektu žijí trvale 4 osoby. Schéma na obr. 2 neobsahuje dodatečně instalované elektrické topné těleso v zásobníku. Jeho přítomnost dokládá pohled do prostředí regulátoru (obr. 3), kde je vidět, že v momentu pořízení snímku, tj. 11. 3. 2025 v 17:12 je v zásobníkovém ohřívači teplota teplé vody 76,5 °C namísto nastavené teploty 45 °C.
Vyhodnocení provozu v roce 2024
Rozborem uložených dat v regulátoru provedeme analýzu provozu tepelného čerpadla. Popišme si podrobněji graf na obr. 4.
Na grafu vidíme sloupce, které reprezentují hodiny chodu tepelného čerpadla v jednotlivých dnech roku. Hodnoty se tedy pohybují od 0–24 h. Křivky ukazují průběhy venkovní a pokojové teploty ve °C. Jedná se o průměrné hodnoty za daných 24 h. Červené šipky ukazují na dny s nevyšší průměrnou venkovní teplotou. V těchto dnech je velmi patrný rozdíl průběhu vnitřní teploty se zapnutým a vypnutým chlazením. Z detailních dat, které máme (logováno v minutových intervalech), se můžeme dozvědět, že pokojová teplota byla na maximu 29. 6. 2025 přibližně v 20:00 kdy dosahovala hodnoty 26,5 °C a do konce dne prakticky neklesala. V režimu chlazení nikdy nepřekročila hodnotu 23,5 °C:
Venkovní teplota (zelená křivka) – ukazuje průběh roku, který začal v lednu výrazným ochlazením, a naopak relativně teplým únorem a březnem, kdy teploty v průměru neklesaly pod +5 °C. Začátkem dubna vidíme razantní oteplení v některých dnech až na květnové a červnové teploty. Ve druhé polovině strmý pád, který vyvrcholil dne 22. 4. 2024, kdy regulátor zaznamenal průměrnou venkovní teplotu +1,8 °C. Následoval návrat do teplejšího období a velmi teplé léto, kdy v průměru neevidujeme teploty nižší než +16 °C.
Vnitřní teplota (fialová křivka) – v režimu vytápění osciluje v úzkém pásmu kolem nastavené teploty +22 °C. V létě vidíme výraznější inklinaci k venkovní teplotě od druhé poloviny června do poloviny července, kdy nebylo aktivováno chlazení. Následně se interval naměřených teplot ustálí v těsném pásmu kolem nastavené teploty +23 °C.
Hodiny chodu tepelného čerpadla (šedivé sloupce) – jedná se o hodnotu času,
ve kterém pracovalo tepelné čerpadlo bez rozdílu účelu. V zimním období je vidno, že tepelné čerpadlo
disponuje nad-
bytkem výkonu, protože pouze ve dnech s průměrnou venkovní teplotou blízkou bodu mrazu, nebo pod ní zaznamenává
regulátor trvalý chod tepelného čerpadla. Z regulátoru (nikoli z grafu) můžeme vyčíst, že průměrné otáčky
kompresoru byly na úrovni 40 Hz. Tepelné čerpadlo můžeme tedy považovat za drobně předimenzované, ale
nikoli tak aby docházelo i tomto přímém zapojení k nebezpečnému cyklování (častým startům) zařízení. Průměrný
počet startů za celý rok (včetně přípravy teplé vody a chlazení) je dle statistiky 6 startů/den, a to
i se započítáním vyššího počtu startů v období s aktivním chlazením, kdy evidujeme v průměru 13 startů/den.
Celkem za minulý rok bylo tepelné čerpadlo v provozu 3325 hodin.
Hodiny chodu tepelného čerpadla pro přípravu teplé vody (růžové sloupce) – v celkovém sumáři pracovalo do teplé vody tepelné čerpadlo 443 hodin při cca 1–2 startech/den. Vliv zapojení přebytů FVE, a tedy absenci chodu tepelného čerpadla do přípravy teplé vody vidíme až v období od konce srpna do začátku listopadu.
Hodiny chodu tepelného čerpadla pro chlazení (modré sloupce) – je vidět, že funkce chlazení byla uživatelem aktivována až 21. 7. 2024. Máme tak možnost porovnat průběh teploty prostoru za velmi vysokých teplot se zapnutým chlazením a bez něj. Celkově za běželo tepelné čerpadlo v tomto manuálně zkráceném období do chlazení 157 hodin při 13 již zmíněných startech/den. Průměrná doba chodu do chlazení byla 3 h/den. Maximum evidujeme 13. 8. 2024, kdy tepelné čerpadlo chladilo celkem 8 hodin.
Bilance elektrické energie od FVE
Fotovoltaická elektrárna byla uvedena do provozu koncem dubna 2024. Její energetickou statistiku můžeme vidět přímo z aplikace střídače na obr. 5.
Z grafu je dobře patrné, že elektrárna pokrývala plně celé období léta včetně celého období, kdy bylo aktivní chlazení. Dokonce v srpnu a září střídač zaznamenal dodávku přebytků do sítě. Odběr energie v září reprezentovaný na grafu světle modrou zápornou hodnotou přisuzujeme razantnímu ochlazení kolem 13. 9. 2024, kdy v tento den zaznamenáváme průměrnou denní venkovní teplotu pouhých +5,8 °C a od této doby průměrná venkovní teplota nepřekročila +15 °C a velmi teplé léto okamžitě vystřídala topná sezona s nástupem zimy přibližně od 4. 11. 2024, kdy průměrná denní venkovní teplota až na výjimky nepřekročila +5 °C do konce sledovaného období, tedy do konce roku.
Závěr
Z výše uvedeného vyplývá, že pokud tepelné čerpadlo dokáže pracovat v režimu chlazení, není to vůbec žádný problém ani s běžným podlahovým systémem. V kombinaci s FVE lze provozovat systém chlazení plně bez odběru energie ze sítě. Z analýzy tohoto konkrétního domu můžeme vysledovat několik faktů o návrhu systému a doporučení pro vlastníka:
Tepelné čerpadlo s invertorem se dokáže dobře přizpůsobit potřebám domu. V tomto konkrétním případ nebyl
ani jednou zaznamenán požadavek na provoz bivalentního zdroje. Veškeré teplo a chlad bylo vyrobeno pouze
tepelným čerpadlem, nebo fotovoltaickou elektrárnou.
Z grafů není zřejmý efekt funkce „letního bypassu“ jednotku pro nucené větrání se zpětným získáváním tepla.
Objekt se z průběhu teploty prostoru jeví jako „těžký“, ale bylo by dobré ověřit, zda je tato funkce aktivní,
případně zda není v nočním období aktivován útlum větrání. Tato funkce by mohla pomoci ještě snížit potřebu
aktivního chlazení tepelným čerpadlem.
Po dožití zásobníkového ohřívače, případně pro příští obdobné aplikace by bylo vhodné pro zachycení sluneční energie instalovat vetší akumulační objem teplé vody. Více by se eliminovala ta 1 až 2 hodiny denního provozu tepelného čerpadla zejména přechodném období.
Více se asi nedá této instalaci vytknout, o čemž svědčí i spokojenost provozovatele. Obecně lze konstatovat, že obdobných aplikací bude patrně přibývat. Je dobré se každé jedné aplikaci takto zjednodušeně věnovat a provést rychlou analýzy provozu. K tomu je samozřejmě nutné mít relevantní data, tedy regulaci, která data zaznamenává, uchovává a nabízí podobným analýzám.
Recenzent: Ing. Roman Vavřička, Ph.D., Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní,
ČVUT v Praze
Heating, Cooling and Hot Water Preparation in a Family House Using a Heat Pump and Photovoltaic Power Plant
The article looks at the operation of a heat pump for heating, cooling and hot water preparation in
a new family house in combination with a newly installed photovoltaic power plant.
This is a common type of installation, of which there are thousands after the energy crisis.
In our case, we will focus on evaluating one full year of operation with an emphasis on the method of
cooling the family house using a heat pump and its real operation.
From the given graphs and values, we can see the changes in thermal comfort with the cooling mode turned
off and on in the hottest days.
Thanks to data from the PPP inverter, we can also find out the monthly balance of electricity flows, which will reveal how the own electricity production is in line with the heat pump's consumption.
Keywords: heat pump, heating, cooling, hot water preparation, photovoltaic power plant, operation, annual energy balance.