Přípravy teplé vody tepelným čerpadlem v různých klimatických oblastech

Příspěvek se zabývá vlivem klimatických podmínek na efektivitu provozu tepelných čerpadel vzduch–voda a země–voda v přípravě teplé vody. Byla provedena simulační analýza pro odběr teplé vody čtyřčlennou rodinnou v různých klimatických lokalitách v Evropě.

Překvapivým závěrem je, že tepelná čerpadla země–voda jsou pro přípravu teplé vody mírně efektivnější v teplejších oblastech, zatímco tepelná čerpadla vzduch–voda mírně efektivnější v klimaticky mírných a chladnějších lokalitách. Tepelná čerpadla se stále více využívají pro vytápění a přípravu teplé vody především v rodinných domech.

Zatímco efektivita tepelných čerpadel při nasazení v nízkoteplotních otopných soustavách je relativně vysoká – u tepelných čerpadel vzduch–voda dosahuje sezonních topných faktorů nad hodnotou 3,0 a u tepelných čerpadel země–voda i nad hodnotou 4,0 –, v případě přípravy teplé vody vlivem celoročně vysoké požadované teploty 50 až 55 °C (hygienické i praktické důvody) se sezonní topné faktory mohou pohybovat na relativně nízké úrovni.

Následující analýza ukazuje očekávatelné rozmezí efektivity provozu tepelných čerpadel vzduch–voda a země–voda pro přípravu teplé vody v různých klimatických oblastech Evropy.

Příprava teplé vody tepelným čerpadlem

Pro analýzu byl uvažován systém přípravy teplé vody (TV) tepelným čerpadlem (TC) v rodinném domě pro 4 osoby s celkovou spotřebou teplé vody 206 l/den při teplotě 45 °C (energeticky odpovídá 160 l/den při 55 °C). Pro analýzu byl uvažován podrobný profil odběru teplé vody s minutovým krokem založený na profilu M používaném pro zkoušení ohřívačů vody v rámci Nařízení o ekodesignu ohřívačů vody.

Simulační analýza byla provedena v nástroji TRNSYS s využitím klimatických údajů databáze Meteonorm pro celkem 358 lokalit v Evropě (obr. 2). Nejsevernější lokalita je Barentsburg v Norsku (GPS 78,1° N; 14,2° E), nejjižnější lokalitou je Funchal v Portugalsku (GPS 32,6° N; -16,9° W).

Podmínky provozu tepelných čerpadel závisí na lokalitě, jednak teplotou studené vody během roku, která se lokalitu od lokality liší, a v případě tepelných čerpadel vzduch–voda i přímo teplotou venkovního vzduchu (obr. 3).

Teploty klesají s rostoucí zeměpisnou šířkou a rostoucí nadmořskou výškou (výrazný pokles je zaznamenán pro alpské lokality okolo 48° severní šířky). Topný výkon a elektrický příkon tepelných čerpadel byly modelovány kvadratickými funkcemi získanými z výsledku laboratorních zkoušek.

V rámci simulace tepelných čerpadel byla uvažována některá provozní omezení (maximální a minimální provozní teplota kondenzátoru a výparníku, minimální doba mezi vypnutím a sepnutím tepelného čerpadla 10 min).

Simulační analýza

Potřeba tepla pro přípravu teplé vody se vlivem různé teploty studené vody v různých lokalitách liší. Potřeba tepla narůstá se zeměpisnou šířkou a nadmořskou výškou lokality. V horských oblastech na severu je dokonce dvojnásobná oproti lokalitám v jižní Evropě (obr. 4).

Od jihu na sever roste spotřeba elektrické energie celého systému s tepelným čerpadlem vzduch–voda, která zahrnuje spotřebu tepelného čerpadla, oběhového čerpadla a záložního ohřívače. Opět jsou to především horské oblasti, které z jasného trendu vybočují mezi 45° a 50° severní šířky (obr. 4).

Spotřeba elektrické energie je pro stejnou zeměpisnou šířku v horské oblasti zhruba 1,5násobná oproti nížině. Obr. 4 také ukazuje na roční tepelnou ztrátu zásobníku teplé vody, která se snižuje s rostoucí zeměpisnou šířkou.

Odráží to snižující se teplotu studené vody, která přitéká při odběru do zásobníku a ovlivňuje střední teplotu celého zásobníku, a tedy provozní podmínky tepelného čerpadla při ohřevu vody.

Obecně simulace tepelných čerpadel vzduch–voda a země–voda ukazují pro danou lokalitu podobné výsledky. Pro odlišení jsou proto na obr. 5-6 znázorněny grafy sezonního topného faktoru SPF pro oba typy tepelných čerpadel zvlášť.

Obr. 5 a 6 ukazují, že efektivita tepelného čerpadla vzduch–voda v uvažovaných lokalitách má charakter normálního rozložení s vrcholem na hodnotě SPF = 3,0, zatímco efektivita tepelného čerpadla země–voda vykazuje dva vrcholy, jeden okolo hodnoty 2,9 a druhý okolo 3,1.

Dále je možné z grafu vyčíst překvapivou souvislost, že tepelné čerpadlo země–voda vykazuje vyšší celoroční efektivitu než vzduch–voda v jižních oblastech, ale má mírně horší celoroční efektivitu v mírném a chladném pásmu.

Závěr

Efektivita tepelného čerpadla pro přípravu teplé vody je závislá na klimatických podmínkách nejen z důvodu přímého teplotního ovlivnění teploty na výparníku během roku, ale také vlivem různé teploty studené vody během roku v různých lokalitách.

U tepelných čerpadel se v rámci lokalit v Evropě efektivita přípravy teplé vody vyjádřená sezonním topným faktorem SPF pohybovala mezi 2,4 a 3,1 u tepelného čerpadla vzduch–voda a mezi 2,0 a 3,2 u tepelného čerpadla země–voda.

Z výsledku je zřejmé, že pro aplikaci celoroční přípravy teplé vody není mezi tepelnými čerpadly výrazný rozdíl, průměrné hodnoty SPF se pohybují okolo hodnoty 3,0. Zároveň jsou průměrné hodnoty v dobré korelaci s cílovými hodnotami uvedenými pro přípravu teplé vody v normě ČSN EN 15450.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2019.