Stavíme tepelné čerpadlo

O tepelných čerpadlech již bylo popsáno mnoho papíru i www stránek. Je řada důvodů pro rozšíření jejich používání, jsou argumenty proti. Skutečností zůstává, že pro velké množství zájemců je tento sytém cenově nedostupný a nikdy si komerčně vyráběné zařízení nekoupí.

Jestliže nahlédneme pod kryty tepelného čerpadla, zjistíme, že tam "toho" moc není. Případný zájemce o vlastní stavbu se obvykle dozví jen obecný fyzikální princip. Tepelné čerpadlo ale není žádný zázrak a ani jeho vlastní stavba není nemožná a nemusí být drahá. Že je toto tvrzení oprávněné, je hlavním tématem tohoto příspěvku a lze jej velice jednoduše dokázat.

Loni na jaře jsem se rozhodl, že si tepelné čerpadlo postavím sám. Systém vzduch-voda jsem z důvodu nutné bivalence vyloučil a rozhodl jsem se pro systém země-voda s hlubokými vrty. Vrty byly zhotoveny na jaře a pak jsem začal se sháněním technických informací. U pracovníků různých servisů chlazení v okolí jsem neuspěl. Postupně se mi podařilo shromáždit tolik informací, že plně postačovaly pro praktický návrh všech okruhů. V červnu jsem koupil vše potřebné včetně kompresoru a začal se stavbou kostry. Celý systém byl postaven z nových dílů, právě takových, které jsou používány řadou renomovaných výrobců. Potřebný tepelný výkon byl stanoven ze spotřeby plynu pro vytápění v minulé zimě na 7,5 kW. Technické vybavení mého zařízení je poměrně nadstandardní.

Popíši zde moji konstrukci země-voda. Tepelné čerpadlo se skládá v podstatě ze tří okruhů.

Obr. 1 - Hadice jednoho zemního kolektoru

Obr. 2 - Rozdělovače pro připojení hadic

Zemní kolektor je zhotoven z polyetylénových hadic, které jsou vloženy do hlubokých vrtů 2x60 m a prostor kolem nich je vyplněn vhodnou tepelně vodivou plastickou směsí. Hadice jsou naplněny nemrznoucí kapalinou, použil jsem směs etylalkohol-voda. Nemrznoucí kapalina se obecně nazývá solanka, podržím se tohoto názvu. Solanky je v potrubí asi 300 l, z toho je 100 l 98%-ního lihu a přečerpává ji malé třírychlostní oběhové čerpadlo s nejvyšším příkonem pouhých 100 W. Hadice jsou zakončeny rozdělovači, které jsou sestavené z běžných topenářských dílů. Solanka pak prochází šikmým topenářským filtrem a vstupuje do primární strany deskového výměníku-výparníku. Její okamžitý průtok měří upravený vodoměr. Průtok kapaliny je asi 1.200 l za hodinu. Z důvodu změny objemu kapaliny s teplotou je okruh doplněn expanzní nádobou s membránou. Primární potrubí solanky je opatřeno tepelnou izolací, protože má nízkou teplotu a kondenzuje na něm vodní pára z ovzduší.

Druhým okruhem je okruh chladiva. Začneme-li u kompresoru (scroll), jeho výtlačné potrubí vede do deskového kondenzátoru. Z něj vytéká chladivo už jako kapalina do sběrače kapalného chladiva a dále přes filtrdehydrátor, průhledítko a elektromagnetický ventil do termostatického expanzního ventilu. Tryska ventilu rozprašuje kapalné chladivo do vstupního potrubí již zmíněného deskového výparníku. Zde se chladivo odpaří, silně podchladí pod teplotu solanky a podle druhé věty termodynamického zákona do něj přechází teplo z teplejší solanky. Takto ohřátý plyn, ale stále ještě studený, je sacím potrubím veden do kompresoru, kde se silně stlačí a zahřeje. Na výstupu kompresoru je tedy ohřátý plyn s teplotou vyšší, než je teplota otopné vody v sekundární straně kondenzátoru. Plyn zde zkapalní a předá své skupenské teplo vodě. Použité chladivo je R407c. Chladivový okruh byl zapojen jako okruh s vnitřní výměnou tepla, přídavný trubkový výměník je možné pomocí ventilů zařadit nebo vyřadit. Potrubí chladivového okruhu byla dimenzována s ohledem na optimální rychlosti proudění kapaliny a plynů. To je důležité zejména z důvodu správného vracení oleje do kompresoru.

Třetí, sekundární okruh, je připojen na otopnou soustavu vytápěného objektu. Deskovým výměníkem na sekundární straně - kondenzátorem - proudí voda otopné soustavy a odebírá teplo z horkého plynu vycházejícího z kompresoru. V sekundárním okruhu je zařazeno stejné oběhové čerpadlo, stejný šikmý filtr a upravený vodoměr.

Na vstupech i výstupech kapalin u obou výměníků jsou v jímkách uložena teploměrná digitální čidla. Stejná čidla jsou na sacím i výtlačném potrubí kompresoru. Čidla jsou připojena k měřicímu modulu s mikroprocesorem a dvouřádkovým LCD displejem, který je na pravé části panelu tepelného čerpadla. Impulzní výstupy z vodoměrů rovněž vedou k tomuto modulu. Na displeji se zobrazují teploty ve °C a průtoky kapalin v litrech za hodinu.

Na sací a výtlačné potrubí kompresoru jsou připojeny manometry, které jsou umístěny na levé části panelu a současně jsou zde připojeny vstupy kombinovaného presostatu. Vypínací tlaky jsou nastaveny na 2,5 MPa a 0,2 MPa. Vysokotlaký presostat by sepnul v případě zastavení pohybu otopné vody v kondenzátoru, kdyby se s teplotou zvýšil i kondenzační tlak. Pokud by došlo k přerušení toku solanky, poklesne teplota ve výparníku, s ní i sací tlak a sepne nízkotlaký presostat. Oba tyto stavy by byly vyhodnoceny jako poruchové a tepelné čerpadlo by se vypnulo. Na středním panelu jsou dvě červené kontrolky těchto stavů. Nové zapnutí je možné jen po zásahu obsluhy po odstranění závady. V běžném provozu jsou presostaty neaktivní. K poruše došlo jen jednou, a to při přerušení cívky elektromagnetického ventilu, kdy byla zastavena dodávka kapalného chladiva do výparníku a nízkotlaký presostat čerpadlo odstavil.

Obr. 3 - Sestava dílů před zahájením pájení potrubí chladivového okruhu

Obr. 4 - Hotové potrubí chladiva při tlakové zkoušce

Elektrická část tepelného čerpadla obsahuje běžné silové prvky, jističe a stykač kompresoru. Celé tepelné čerpadlo řídí buď vestavěný panelový digitální termostat, nebo signál z vnější jednotky, který ovládá otopný systém. Termostat má mimo jiné i funkci blokování zapnutí kompresoru v intervalech kratších než 10 minut a lze u něj nastavit i minimální dobu chodu kompresoru. Provoz je blokován také v době trvání vysokého tarifu. Celé ovládání je sestaveno jen s použitím několika relé, protože kromě teploty a popsaných havarijních stavů není co řídit. Vestavěná mikroprocesorová jednotka měla původně nejen měřit, ale také celý systém řídit, ale ukázalo se to jako zbytečné. Správný směr otáčení motoru kompresoru scroll hlídá kombinovaný detektor sledu a napětí fází, který nedovolí sepnutí stykače motoru při opačném sledu fází nebo při poklesu napětí kterékoli fáze pod 200 V.

Obr. 5 - První zkoušky ještě bez tepelných izolací. Kapající vodu, která kondenzuje na neizolovaném potrubí, zachycují hadříky. Místo měřicího modulu jsou připojeny digitální teploměry sestavené ze stavebnic.

Obr. 6 - Pohled dovnitř po odstranění krytů

Obr. 7 - Pohled na horní část a panel. LCD displej je zakryt notebookem.

Obr. 9 - Pohled na LCD displej

Na středním ovládacím panelu jsou servisní přepínače. Dovolují přepnout spouštění tepelného čerpadla zvenku nebo pomocí panelového termostatu. Také v případě vnějšího spouštění je v činnosti blokování zapínání v intervalu kratším než 10 minut. Každý prvek systému je také možné zapínat ručně. To je důležité například při oživování, odvzdušňování kapalinových okruhů a podobně. Tyto přepínače nemusejí být umístěny na panelu, pro obsluhu zařízení stačí hlavní vypínač a tlačítka termostatu. Nejde o komerční zařízení, a proto jsem přepínače umístil tam, kde mi to vyhovuje. Na panelu je umístěno i elektromechanické počítadlo provozních hodin.

Tepelné čerpadlo je k otopnému systému a k rozdělovačům primární strany připojeno pomocí ohebných 1" hadic. V sekundární straně je mezi přívodem chladné vody a vstupem kondenzátoru dočasně zařazen další deskový výměník. Je uchycený na stěně a tvoří kondenzátor zkušebního tepelného čerpadla vzduch-voda, které je umístěno venku. Jde o upravenou klimatizační jednotku typu O 32A slovenské výroby s pístovým kompresorem Aspera s max. příkonem asi 2,5 kW. Toto "tepelné čerpadlo" vlastně předehřívalo vratnou vodu z otopné soustavy pro tepelné čerpadlo země-voda. Bylo připojeno pouze pro ověření použitelnosti upravené jednotky. Takové jednoduché zařízení by se dalo stejným způsobem zařadit například do okruhu jiného zdroje tepla a mohlo by běžet v přechodných obdobích na jaře a na podzim. V době nízkých venkovních teplot může zajistit potřebu tepla stávající zdroj. Toto zařízení nemá reverzní ventil pro odtávání námrazy. Ale to je trochu jiné téma.

Tepelné čerpadlo běží perfektně už sedmý měsíc. Je připojeno na systém podlahového vytápění, instalovaného již v roce 1985 při stavbě RD. Mezi tepelné čerpadlo a systém je připojena vyrovnávací nádrž a teplotu vody reguluje směšovací ventil s ekvitermním regulátorem. Také tyto přístroje jsou vlastní konstrukce.

Všechny parametry tepelného čerpadla byly řádně proměřeny. Nebyla to jednoduchá práce, ale jejím výsledkem je celý soubor grafů. Pro ilustraci uvádím závislost výkonu na teplotě solanky při různých teplotách otopné vody.

Obr. 8 - Graf závislosti výkonu na teplotě solanky

Popsané tepelné čerpadlo nemá žádný bivalentní zdroj a pokrývá celou potřebu tepla a to i v letošních mrazech. U těchto typů čerpadel, tedy země-voda nebo voda-voda, postavených vlastními silami, je nesmysl je poddimenzovat a osazovat do nich elektrický přímotop. Rozdíly cen kompresorů vyšších výkonů ani výměníků nejsou totiž velké. Teplo z přímotopu v zimě je podstatně dražší než z tepelného čerpadla a vyšší náklady se velice rychle vrátí.

Bohužel během vlastní stavby jsem nepočítal s tím, že bych někdy nějaké informace publikoval. Proto nemám z průběhu prací dostatek fotodokumentace a některé fotografie nejsou příliš kvalitní. Ale snad to bude pro ilustraci stačit.

Pro představu uvádím některé orientační ceny hlavních dílů (ceny s DPH):

Kompresor scroll Copeland	20.000,-
Deskový výměník	8.000-12.000,-
Expanzní ventil	1.800,-
Sběrač kapalného chladiva	1.000,-
Elektromagnetický ventil	1.200,-
Chladivo, asi 3,5 kg	500,-/kg
Zemní kolektor	90.000,-

V této souvislosti chci upozornit na to, že náklady lze výrazně snížit použitím trubkových výměníků vlastní konstrukce a dalších dílů, které lze mnohdy velice levně získat z jiných zařízení. Pro tepelná čerpadla voda-voda lze výhodně použít i pístové kompresory, které jsou levnější a může to být například právě kompresor ze zmíněné klimatizační jednotky. Tepelné čerpadlo voda-voda s tímto kompresorem by dosahovalo při teplotě vody 8°C a teplotě na výstupu 40°C výkonu asi 10 kW. Ze zmíněné klimatizační jednotky lze získat celou řadu dalších použitelných dílů, jako je například expanzní ventil, presostaty, elektromagnetický ventil a sběrnou nádobu kapalného chladiva. V neposlední řadě je to i měděné potrubí a mnoho dílů elektroinstalace. V kompresoru je minerální olej, nelze použít chladivo R407c.

Konstrukce komerčně dodávaných tepelných čerpadel je podřízena dosažení minimálních výrobních nákladů. Na kompresorech nebývají žádné uzavírací ventily typu Rotalock, místo presostatů bývají osazeny pevně nastavené minipresostaty, někdy jen jeden. Deskové výměníky bývají mnohem menší a tedy levnější a výkon se dohání průtokem pomocí oběhových čerpadel s vyšším výkonem. Elektrické zapojení bývá rovněž velice jednoduché. Těchto omezení jsme při návrhu vlastního systému ušetřeni a proto volíme například deskové výměníky s vyšším počtem desek, které jsou sice dražší, ale snížíme tím tlakové ztráty a příkony oběhových čerpadel. Mírně předimenzovaný výměník nepředstavuje žádnou konstrukční ani funkční chybu, kromě nižších tlakových ztrát může mít díky vyššímu průtoku nižší teplotní spád, což má na činnost pozitivní vliv.

Vlastním tvůrčím schopnostem a fantazii se zde meze nekladou. Kdo nic nedělá, nic nepokazí, ale ničeho nedosáhne.