Zásobník pro přípravu teplé vody (bojler) s tepelným čerpadlem vzduch-voda. Část 2/2

Přečtěte si také Zásobník pro přípravu teplé vody (bojler) s tepelným čerpadlem vzduch-voda. Část 1/2 Přečíst článek

2. Potřeba tepla a její pokrytí

Analogicky jako u každého zásobníku pro ohřev vody vycházíme z předpokládané spotřeby teplé vody. Například u ZTČ pro domácnost lze očekávat spotřebu na úrovni 40 litrů teplé vody 50 °C za den na každou osobu, pokud se domácnost chová přiměřeně úsporně. Pokud má přitékající studená pitná voda teplotu 10 °C a pro 4 osoby potřebujeme 4krát 40 litrů vody s přibližnou hmotností 160 kg (4krát 40 litrů), pak pomocí následující rovnice spočteme potřebu tepla na její ohřev:

[1]

Spočtených 7,4 kWh nám však nestačí, neboť část tepla uniká přes plášť ZTČ a musí být ohřevem nahrazena. Podle údajů výrobců ZTČ s objemem okolo 250 litrů lze počítat s denní ztrátou tepla Q_Z orientačně 1,5 až 1,7 kWh/den. Celkem tedy v daném příkladu potřebujeme na dostatek teplé vody orientačně 9 kWh tepelné energie za den.

Pro topný faktor ZTČ se uvádí v podkladech výrobců poměrně široké rozmezí, především v závislosti teplotě přiváděného vzduchu a teplotě, na kterou má být ohřívána voda. Toto rozmezí se pohybuje cca od 1,5 až do 4. Uvažujme provozně velmi bezpečnou a jistou hodnotu topného faktoru 2,5 (ve skutečnosti může být větší). Topný faktor TF se učí jako podíl celkem vyprodukované tepelné energie Q_TČ k energii spotřebované na pohon tepelného čerpadla N_TČ :

Z toho vyplývá:

Z potřebných 9 kWh/den energie tedy elektrická energie na pohon tepelného čerpadla v ZTČ pokryje 3,6 kWh/den a zbývající tepelná energie Q_V = 5,4 kWh/den bude odebrána ze vzduchu.

1. Pokud ZTČ pracuje se vzduchem z místnosti, ve které je umístěno, pak zpětně využívá i teplo Q_Z, které uniká přes jeho plášť do okolí. V naší úvaze Q_Z = 1,6 kWh/den.
   V tomto případě musí být pro udržování tepelné rovnováhy do místnosti doplňováno méně tepelné energie, a to:
   
   
   
    
   
   Tato tepelná energie 3,8 kWh/den musí být do místnosti trvale doplňována prostupem z okolních stavebních konstrukcí, výměnou vzduchu s okolními prostory v budově, činností spotřebičů energie atd., aby se v ní zajistila přiměřená energetická rovnováha. Rovnováha zajistí, že v místnosti nepoklesne teplota vzduchu pod přípustnou teplotní provozní mez ZTČ. Ta je obvykle teplota vyšší než +5 °C. Případně může být požadována i teplota vyšší podle toho, k jakému účelu daná místnost s instalovaným ZTČ slouží.
2. Pokud ZTČ pracuje s venkovním vzduchem, pak musí být z venkovního vzduchu odebráno plné množství tepelné energie Q_V = 5,4 kWh/den. Teplo unikající pláštěm ZTČ ve výši Q_Z = 1,6 kWh/den ze ZTČ se pak stává součástí vytápění místnosti se ZTČ. Během otopné sezóny to může být žádoucí, mimo otopnou sezónu nežádoucí.

3. Teplota ohřívané vody

Jako maximální možná teplota ohřívané vody v ZTČ se uvádí až 65 °C v případě špičkových zařízení pracujících s přírodním chladivem R290. S ohledem na požadavek úsporného provozu, který je dán topným faktorem, na schopnostech tepelných čerpadel pracujících i s jinými chladivy, se teplota nastavuje obvykle v rozmezí 45 °C až 55 °C. Pokud integrované tepelné čerpadlo za konkrétních podmínek – teplota vzduchu a požadovaná teplota vody – není schopné nastavenou teplotu vody dosáhnout, teplotu musí zvýši vestavěný přímotopný elektrický prvek, topná tyč, spirála nebo jiný vhodný zdroj tepla.

Přečtěte si také PODCAST: Provozní zkušenosti se zásobníkem teplé vody s vestavěným tepelným čerpadlem (ZTČ) Přečíst článek

4. Tepelný výkon

Tepelný výkon v ZTČ je dán výkonem tepelného čerpadla za daných provozních podmínek a výkonem pomocného zdroje tepla, nejčastěji elektrické topné tyče. Výkon topné tyče, který je nezávislý na provozních podmínkách, se pohybuje podle typů ZTČ mezi cca 1200 až 1500 Watty. Uváděný maximální výkon tepelného čerpadla (ohřev vody na 45 °C, teplota vzduchu 20 °C) se pohybuje nejčastěji mezi 1300 až 1850 Watty. V dokumentacích k ZTČ se většinou i uvádí maximální příkon tepelného čerpadla, nejčastěji okolo 700 Watt. To umožňuje ZTČ připojit na běžný jednofázový okruh rozvodu elektrické energie s jističem 16 A (s vypínací charakteristikou B, případně C).

Dostupný tepelný výkon obvykle zajistí ohřátí ZTČ z teploty studené pitné vody 10 °C na 45 °C za 4 až 9 hodin. Velký rozdíl časů je dán především tím, jaký výkon může tepelné čerpadlo při ohřevu vody poskytnout. Záleží na objemu ZTČ, teplotě přiváděného vzduchu, požadované teplotě vody aj.

5. ZTČ a fotovoltaická elektrárna

Relativně malý příkon tepelného čerpadla v ZTČ do cca 700 Watt může být po velkou část roku pokryt fotovoltaickou elektrárnou na střeše domu i za méně příznivých klimatických podmínkách. A to bez nutnosti nabíjení a vybíjení baterie, které zkracuje životnost baterie. Pokud by bylo pro přípravu teplé vody použito tepelné čerpadlo dimenzované na vytápění, tak jeho příkon bude minimálně cca 2000 Watt, i v případě tepelného čerpadla s regulací výkonu. Aktuální výkon FVE pak nemusí být dostatečný a využití baterie pak bude častější. ZTČ se proto může stát zajímavým prvkem energetické soběstačnosti, protože teplou vodu domácnost potřebuje po celý rok, na rozdíl od vytápění.

Ve výše uvedeném příkladu bylo odvozeno, že denní potřeba elektrické energie pro činnost ZTČ může být 3,6 kWh/den. Pokud by tato potřeba trvala během roku přibližně 330 dnů, celková potřeba N_TČ,ROK by byla:

Obr. Příklad, orientační, výroby FVE ve Středočeském kraji, sklon střechy 30° k jihu, za měsíc z instalovaného výkonu 1 kWp

Mít zabezpečenou významnou část spotřeby fotovoltaicky vyráběné elektřiny bez jejího ukládání do baterie, tedy s tím, že baterie bude rezervována pro potřebu jiných spotřebičů, za úvahu a provozní analýzu stojí. Uvedený příklad pokrytí spotřeby ZTČ může být splněn po většinu dnů i v nejméně příznivém období listopad až leden s i s konstrukčně jednodušší, jednofázovou elektrárnou o výkonu cca 3 a více kWp.

6. Požadavky na místo instalace

Průtok vzduchu, se kterým pracuje tepelné čerpadlo v ZTČ, se pohybuje mezi cca 300 až 450 m³/hodina podle konkrétního výrobku, objemu ZTČ a výkonu tepelného čerpadla. S ohledem na toto proudění vzduchu předepisují výrobci pro ZTČ pracující jen se vzduchem v budově minimální objem místnosti. Pokud jde o místnost s dostatkem tepla, může být pro ZTČ s objemem 220 až 270 litrů požadován minimální objem místnosti orientačně 15 m³ a více. Pokud by šlo o nevyhřívanou místnost, minimální objem může být cca 50 m³ a více.

Pro orientační porovnání s větráním lze například uvést, že řízená větrací jednotka v rodinném domě s podlahovou plochou 150 m² dodržující minimální doporučenou intenzitu větrání 0,3 h⁻¹ pracuje s průtokem vzduchu cca 130 m³/hodina.

Obecně se ZTČ instalují v interiéru s teplotou vzduchu minimálně 10 °C. V případě ZTČ pracujícího s venkovním vzduchem se musí zohlednit maximální přípustná délka vzduchotechnických potrubí (určuje ji výkon ventilátoru a jeho spotřeba) a zajistit difúzně těsná tepelná izolace potrubí, aby na jeho povrchu nemohla kondenzovat vzdušná vlhkost, pokud by teplota povrchu potrubí klesla pod rosný bod v místnosti.

Při výběru místa je nutné posoudit i emise hluku. Udávaná hladina akustického výkonu ZTČ při maximálním výkonu tepelného čerpadla L_WA se pohybuje v rozmezí cca 50 až 58 dB(A). Tomu bude v místnosti odpovídat hladina akustického tlaku ve vzdálenosti dvou metrů od ZTČ minimálně 42 až 50 dB(A). S ohledem na hluk, obecně vzato, nejsou ZTČ určeny k instalaci v trvale užívaném obytném prostoru. V případě nutnosti lze provést doplňující, hluk snižující, opatření. Do vzduchotechnických potrubí lze vložit tlumiče, pokud to výkon ventilátorů umožní. ZTČ lze v místě instalace obložit hluk tlumícími akustickými panely. Panely však musí být mobilní tak, aby umožnily případné servisní práce.

7. Kondenzát

S provozem tepelného čerpadla vzduch-voda je spojena potřeba odvádět kondenzát do odpadního potrubí. Ať již jde o vzduch z interiéru budovy nebo vzduch venkovní, obsahuje určité množství vodních par, které se posuzuje prostřednictvím relativní vlhkosti vzduchu uváděné v procentech. Pokud teplota vzduchu klesá, vždy při průchodu tepelným čerpadlem, roste relativní vlhkost vzduchu. Protože nemůže být větší než 100 %, část vodních par nad 100 % zkondenzuje. To se projeví orosením až ojíněním výměníku (závisí na aktuální teplotě na výměníku), kterým vzduch v tepelném čerpadle prochází. Proto se provádí odtávání výměníku a vodní kondenzát takto vzniklý se musí spolehlivě odvést do odpadního potrubí. V závislosti na konkrétních podmínkách může jít až o nižší desítky litrů kondenzátu za den.

8. Souhrn

ZTČ je energeticky úspornější variantou výroby teplé vody ve srovnání se zásobníkem (bojlerem) vyhřívaným jen přímotopným elektrickým prvkem. Snížení spotřeby elektrické energie, respektive úspora nákladů na nákup energie pro ohřev vody v ZTČ závisí na konkrétních provozních podmínkách a skutečnosti, odkud tepelná energie získávaná ze vzduchu procházejícího ZTČ pochází.

V případě ZTČ pracujících jen s venkovním vzduchem jde ze 100 % o energii z obnovitelných zdrojů energie, která je zdarma. V takovém případě lze v praxi orientačně uvažovat se snížením nákladů na energii k ohřevu vody na polovinu až třetinu.

V případě ZTČ pracujících se vzduchem z vnitřku budovy však může část energie odbírané pro ohřev vody ze vzduchu pocházet z tepelné energie, kterou je budova vytápěna a tato část energie není zdarma. Tento fakt je nutné, podle konkrétního umístění ZTČ v budově a cirkulace vzduchu mezi ZTČ a prostory v budově analyzovat se zahrnutím ceny tepelné energie vyrobené zdrojem tepla pro vytápění. Tato ZTČ vzhledem k obvykle vyšší teplotě vzduchu však pracují s vyšším topným faktorem a celoročně, což může kompenzovat využití zaplacené tepelné energie z vytápění.

Zdroje

1. Podklady výrobců a dodavatelů dostupné přes https://www.tzb-info.cz/firmy/ohrivace-vody-s-tepelnym-cerpadlem
2. Internetové rešerše návodů k instalaci a přehledů technických údajů různých výrobců ZTČ