Dynamika vytápěcího systému s tepelným čerpadlem jako zdrojem tepla (I)

Úvod

V současné době, kdy dochází k vyčerpání zásob primárních paliv je vhodné hledat nové alternativní způsoby výroby energie jak pro průmysl, tak např. i pro vytápění budov. Znečištění životního prostředí spalováním těchto paliv (např. uhlím) je dalším velmi dobrým důvodem. K využití se nabízejí obnovitelné zdroje energie, ke kterým patří také tepelné čerpadlo. Tepelné čerpadlo obvykle získává teplo ze zdroje tepla o nízké teplotě a převádí ho na vyšší teplotní úroveň využitelnou např. pro vytápění. Zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo může být voda, vzduch nebo země. Fyzikální základ tepelného čerpadla byl formulován již anglickým fyzikem Kelvinem. Tepelné čerpadlo bylo použito k vytápění budovy již v roce 1938 v Curychu. Tepelná čerpadla se velmi často používají v USA a Kanadě, kde slouží v zimním období k vytápění a v létě při využití jejich reverzního chodu k chlazení budov. V USA jsou oblíbenými zdroji především na středozápadě a východě "země" (ze dvou třetin jsou to zemní kolektory a z jedné třetiny zemní sondy), ale také "voda" zejména podzemní využívající geotermální energii. Jižní státy USA díky svému teplejšímu klimatu využívají zdroj tepla "vzduch". V posledních dvou desetiletích stoupá použití tepelných čerpadel i v Evropě příkladem může být Německo, Švédsko nebo i Polsko a v poslední době také Česká republika. Používání tepelným čerpadel je ekologické a i vzhledem k vyšším pořizovacím nákladům je jeho provoz z energetického hlediska značně ekonomický.

Měřící zařízení

K experimentu bylo použito stávající zařízení s tepelným čerpadlem země-voda se suchým zemním vrtem, které je realizováno na Ústavu techniky prostředí Ú12116 Fakulty strojní, ČVUT v Praze. Základem zařízení je 100 metrů hluboký vrt o průměru 140 mm umístěný na dvoře fakulty. Ve vrtu jsou umístěny dvě U-trubice PE28 x 2 vedoucí teplonosnou kapalinu. Tou je v tomto případě směs glykolů (30 %) s vodou. Vrt je vzdálen cca 5 metrů od budovy, v níž je umístěna laboratoř s tepelným čerpadlem a ostatními částmi soustavy. Na zařízení jsou napojeny dvě soustavy - otopná a chladící. Pro tento experiment je využito pouze otopné soustavy a tedy pouze čerpacího režimu tepelného čerpadla sloužícího pro vytápění otopné soustavy v zimním provozu. Otopná voda je akumulována do nádrže o objemu 0,5 m³, odkud je v případě potřeby odebírána a při nedostatečné výstupní teplotě může být dohřívána elektrickou patronou o výkonu 6 kW. Tato patrona může být tedy v případě potřeby uvedena do provozu a bivalentně připojena k tepelnému čerpadlu. Otopná soustava je napojená přes trojcestnou směšovací armaturu na akumulační nádrž. Sestává z 11 deskových otopných těles s nominálním teplotním spádem na soustavě 50/40 °C, čerpadla a expanzní nádoby. Pro dohřátí vody při případném vybití akumulační nádrže je na otopnou soustavu nainstalována již zmíněná dvoustupňová elektrická patrona. Celková ztráta vytápěných místností je 6,6 kW a při dlouhodobém zapnutí tepelného čerpadla je zcela hrazena z akumulační nádrže.

Zařízení je provozováno v čerpacím režimu (obr.1), tzn. jsou uzavřeny kohouty na obtocích (6) a propojkách do chladícího systému (7). Systém pracuje tak, že z vrtu (1.1) je tepelným čerpadlem (2) čerpáno teplo do vodního zásobníku tepla (3) a z něj pak dále do otopné soustavy (4). Na obr. 1 jsou zobrazeny také měřené veličiny.

Projektované parametry jednotlivých částí zařízení jsou následující:

Obr. 1 Schéma zařízení pracujícího v čerpacím režimu s naznačenými měřenými veličinami

Na tepelném čerpadle byly měřeny následující veličiny:

• průtok kondenzátorem tepelného čerpadla - m_k,
• průtok výparníkem tepelného čerpadla - m_v,
• teploty teplonosné látky na vstupu a výstupu z kondenzátoru tepelného čerpadla - t_k1 a t_k2,
• teploty teplonosné látky na vstupu a výstupu z výparníku tepelného čerpadla - t_v1 a t_v2,
• teploty teplonosné látky na vstupu a výstupu z akumulátoru - t_a1 a t_a2,
• spotřeba elektrické energie (příkon tepelného čerpadla - P_el).

Testovací místnost

Obr. 2 Schéma testovací místnosti s uvedenými měřenými veličinami

Proto, aby mohla být vyhodnocena dynamika vytápěcího systému ve spojení s tepelným čerpadlem, bylo zapotřebí najít vhodnou testovací místnost, ve které je prováděna vlastní část měření. Za testovací komoru byla zvolena místnost s parametry 4,1 x 4,65 m o výšce 3 m. Tato místnost se nachází v přízemí laboratoří Ústavu techniky prostředí a je nepodsklepená. Stěnami sousedí s ostatními vytápěnými prostory a není tedy přímo ovlivněna změnami venkovních klimatických podmínek. Podle materiálového složení stěn, lze tuto místnost klasifikovat jako místnost s převážně střední schopností akumulace tepla. Rozměry místnosti jsou 4,1 x 4,65 m a výška 3 m. Část jedné ze stěn je tvořena prosklenou plochou o velikosti 6,39 m². 1. patro laboratoří Ústavu techniky prostředí je tvořeno z části skleněnými stropy. Tyto prostory jsou v podstatné míře ovlivněny venkovním klimatem, zejména působením přímých solárních zisků.

Do této testovací místnosti je přiváděn vzduchotechnickým potrubím venkovní vzduch o průtoku V = 0,066 m³/s, nasávaný na střeše nad těmito laboratořemi, a tím je zde nahrazena tepelná ztráta. Intenzita výměny vzduchu v této místnosti je 0,24 1/h.

V této místnosti je umístěno jedno otopné těleso typ 11- INTEGRA 500x1200, které je navrženo na tepelnou ztrátu 419 W. Toto otopné těleso je součástí otopné soustavy vytápěné tepelným čerpadlem a slouží jako jediné z celé soustavy k proměřování prováděných dynamických změn. Testovací místnost s uvedenými měřenými veličinami je zobrazena na obr. 2.

V testovací místnosti s otopným tělesem napojeným na zdroj tepla tepelné čerpadlo byly měřeny následující veličiny

• průtok otopným tělesem - m_ot,
• teploty teplonosné látky na vstupu a výstupu z otopného tělesa - t_ot1 a t_ot2,
• výsledná teplota měřená kulovým teploměrem - t_g,
• teplota vzduchu v testovací místnosti měřená prostorovým teploměrem t_o2,
• teplota vzduchu v prostoru obklopujícím místnost měřená prostorovým teploměrem t_o1,
• rychlost proudění přiváděného venkovního vzduchu - v,
• teplota přiváděného venkovního vzduchu - t_ex,
• teplota vzduchu v místnosti nad testovací místností - t_o3.

Způsoby měření dynamiky

Měření dynamiky vytápěcího systému probíhalo po celou topnou sezónu 2004/2005. Pro popis dynamiky vytápěcího systému je třeba posoudit jeho chování v závislosti na různých provozních změnách. Zkoumá se zde v návaznosti na zdroj tepla dynamika jednoho otopného tělesa umístěného v testovací místnosti. Měření bylo provedeno za dvou různých provozních stavů:

1. provozní stav: tepelné čerpadlo vytápí pouze otopné těleso v testovací místnosti - ostatní otopná tělesa jsou uzavřena, poměr výkonu zdroje tepla a odběru tepla je 20,3

2. provozní stav: tepelné čerpadlo vytápí celou otopnou soustavu, měří se pouze jedno otopné těleso v testovací místnosti, poměr výkonu zdroje tepla a odběru tepla je 1,3.

Další dynamická měření realizovaná za výše zmíněných obou provozů byla:

1. měření zátopu otopného tělesa po spuštění tepelného čerpadla - měřen 1. typ skokové změny (měřeno ze studeného stavu zařízení)
2. měření chladnutí otopného tělesa po vypnutí tepelného čerpadla - zde jsou dvě možnosti:
   • je vypnuto oběhové čerpadlo, ke krytí tepelné ztráty ve vytápěném prostoru není použit naakumulovaný tepelný obsah vyrovnávacího akumulátoru,
   • oběhové čerpadlo je zapnuto, vyrovnávací akumulátor se vybíjí a hradí potřebu tepla ve vytápěném prostoru až do svého plného vybití,
3. k tepelnému čerpadlu je připnut bivalentní zdroj tepla - topná patrona dvěma způsoby:
   • tepelné čerpadlo je spuštěno současně s topnou patronou (ze studeného stavu zařízení),
   • topná patrona je připnuta k tepelnému čerpadlu během jeho provozu,
4. měření 2. typu skokové změny otopného tělesa, tj. ze studeného stavu celého zařízení s plně vybitým akumulátorem se zapne tepelné čerpadlo při vypnutém oběhovém čerpadlu (tj. není dodáváno teplo do otopné soustavy), akumulační nádoba se nabíjí. Po plném nabití akumulátoru se tepelné čerpadlo vypne a je zapnuto oběhové čerpadlo - je spuštěn odběr tepla do soustavy,
5. je měřeno chování systému během běžného provozu - tepelné čerpadlo je v chodu buď monovalentně (je jediné vytápěcí zařízení), nebo bivalentně s topnou patronou.