Modelování provozních stavů tepelného čerpadla
v konkrétním objektu
Jiří Pitron
1 ÚVOD
Tepelné čerpadlo (TČ), jakožto zdroj tepelné
energie je v současnosti velmi vyspělé zařízení,
díky kterému můžeme vytápět daný objekt s velmi
nízkými náklady. V případě porovnání například
s elektrickými přímotopy nebo plynovými kotly,
úspory na vytápění mohou být až třetinové nebo i
nižší. Velmi záleží na dimenzování tepelného
čerpadla pro daný objekt. Nevýhodou tepelného
čerpadla je vyšší pořizovací cena oproti výše
zmiňovaným tepelným zdrojům, avšak i přes tuto
skutečnost, lze pro většinu objektů navrhnout
přesně výkonově potřebné tepelné čerpadlo, na
které v závislosti s nižšími provozními náklady,
pohlížíme jako na vhodnou investici.
počet instalací tepelných čeroadel v ČR
V současnosti nejčastěji instalovaný typ tepelného
čerpadlo v České Republice je systém VZDUCHVODA, který zastupuje 54,4 % (přibližně 28814
z celkového počtu 53014 instalovaných tepelných
čerpadel). Díky současně nejvyšší poptávce o
tento typ tepelného čerpadla a využitím
laboratorního zařízení, byl vytvořen simulační
software pro modelování provozních stavů
tepelného čerpadla systému vzduch-voda.
2 TEPELNÉ ČERPADLO VZDUCH - VODA
Výhodou tohoto systému je nižší pořizovací cena,
neboť tyto jednotky nevyžadují žádné další zemní
vrty, kolektory a jiné větší stavební úpravy, z čehož
vyplývá, že i pořizovací náklady tohoto systému
jsou nižší.
Všeobecně tepelné čerpadlo může pracovat
v mnovalentním nebo bivalentním režimu,
přičemž u systému vzduch-voda se doporučuje
využít monovalentního systému, neboť výkon
tepelného čerpadla se velmi snižuje, vlivem
snižujících se venkovních teplot, které mohou
klesnou až k -15°C, viz. Obr. 2
6000
5500
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Vzduch-vzduch
Vzduch-voda
Země-voda
Voda-voda
2,7%
5,4%
37,6%
54,4%
Současný celkový podíl
instalací TČ v ČR
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
roky
Obr. 1 – Počet instalací tepelných čerpadel v ČR
tes aktuální venkovní teplota *°C+
te venkovní výpočtová teplota *°C+
3. MODELOVÁNÍ PROVOZNÍCH STAVŮ
V souvislosti s problematikou návrhů vhodných
tepelných čerpadel byl vytvořen software, který
znázorňuje chování tepelného čerpadla systému
vzduch/voda v konkrétním objektu pro patřičnou
simulaci energetických toků.
a ohřev TUV, dle vztahu
 , = 1 +  ∙
kde
z
ƍ
c
V2P
t1
t2
a) Vstupní data pro modelování:
1) Informace o daném objektu:
2) data pro ohřev teplé užitkové vody:
 Počet osob v objektu = 4 osoby
 Charakt. využití objektu = pracující
 Tepelná ztráta systému = 0,4
 Teplota výstupní vody = 60°C
b) V dalším kroku byly vypočteny potřeby tepla,
pro venkovní teploty, na vytápění, dle vztahu:
 , =

24 ∙  ∙  − 
∙
0 ∙ 
( −  )
(ℎ)
součinitel topného systému *-]
účinnost obsluhy (regulace obsluhy) *-]
účinnost rozvodu vytápění *-]
tepelná ztráta objektu *kW+
průměrná výpočtová teplota *°C+
c) Vypočtené potřeby tepla (vytápění, TUV)
v konkrétních teplotách (Obr.2) přiřadíme
k průměrným denním teplotám v příslušné
lokalitě – Brno (Obr.3).
d) V dalším kroku je zapotřebí do simulace
zahrnout tepelné čerpadlo, resp. výkon a
topný faktor TČ závislý právě na venkovní
teplotě. (Obr.4)
7
6
5
4
3
TČ
2
TF 1
0
14
12
10
8
6
4
2
-14-12-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Venkovní teplota *°C]
Obr. 2 – tepelný výkon a topný faktor TČ
350
potřeba tepla *kWh+
ε
ƞ0
ƞr
Qc
tis
koef. energetických ztrát systému *-]
3
měrná hmotnost vody *kg/m ]
měrná tepelná kapacita vody [J/kg.K]
3
celková potřeba teplé vody za 1 den *m ]
teplota studené vody *°C+
teplota ohřáté vody *°C+
0
kde
300
TUV
250
Vytápění
200
150
100
50
0
-12 -9
-6
-3
0
ℎ
3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
venkovní teplota *°C]
Obr. 3 – Výpočet potřeby tepla pro konkrétní objekt
Topný faktor
Lokalita = Brno
Typ, situace a konstrukce stavby
Tepelná ztráta objektu = 15kW
Průměrná vnitřní výpočt. teplota = 21°C
Definování součinitelů a účinností
topného systému = ε=0,75; ƞ= 0,9
Výkon TČ *kW+





 ∙  ∙ 2 ∙ 2 − 1
3600
350
TUV
Vytápění
potřeba tepla *kWh+
300
250
200
150
100
50
0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
dny v roce
1.8
1.9
1.10 1.11 1.12
14
7
12
6
10
5
8
4
6
3
4
TČ
TF
2
0
2
Topný faktor
Výkon TČ *kW+
Obr. 4 – Denní potřeby tepla během celého roku pro konkrétní objekt
1
0
-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Venkovní teplota *°C]
Obr.5 – Topný faktor a výkon TČ – Stiebel Eltron WPL 13E
350
BZ
TČ
příkon TČ
Množství energie *kWh+
300
250
200
150
100
50
0
1.1
1.2 1.3
1.4
1.5
1.6 1.7 1.8
dny v roce
1.9 1.10 1.11 1.12
Obr.6 – Množství tepelné energie vyrobené TČ / BZ , příkon TČ
V tomto modelu nastává situace, kdy při
nejnižších teplotách použité tepelné čerpadlo
nestačí během nízkých teplot v daném dni
vytopit daný objekt a dopomoci musí bivalentní
zdroj – nejčastěji el. topná spirála, která je
součástí TČ. Ovšem výhodou této simulace je
možná změna výkonové řady tepelného
čerpadla, což umožňuje porovnání těchto zdrojů
a patřičnou možnost výběru vhodné varianty,
kterou lze dále porovnat z investičního hlediska.
Díky zavedeným podmínkám (od a do jakých
teplot pracuje TČ) lze měnit provozní stavy tak,
že například pod hranici -5°C, kdy se dále snižuje
topný faktor, je možné odpojit TČ.
Dále lze sledovat jak se tento jev projeví na
sezonním topném faktoru, počtu provozních
hodin TČ, vyrobené tepelné energii a
v neposlední řadě také na finanční návratnosti
investice. Další výhodou jsou možnosti změny
jednak objektu, který chceme vytápět, počtem
osob, charakteristikou využití, ale především
také změnou typu tepelného čerpadla.
Pro přesnější simulaci byly zavedeny teploty
během tři po sobě jdoucích let pro konkrétní
lokalitu.
V další části vytvořeného softwaru byla
vytvořena simulace pro výpočet finanční
návratnosti v rámci porovnání provozních
nákladů s jinými zdroji tepelné energie.
Vyhodnocení simulace provozních stavů pro výše zmíněný objekt v dané lokalitě
2013
31744,67
31172,00
98,20%
572,67
01,80%
2911,98
3,17
11306,44
19865,55
62,58
61,47
POTŘEBNÉ MNOŽSTVÍ TEPLA
VYROBENO TČ
VYROBENO BZ
POČET HODIN TČ PROVOZU
SEZONNÍ TOPNÝ FAKTOR
PŘÍKON PRO TČ
ÚSPORA ENERGIE V kWh
ÚSPORA ENERGIE V %
ÚSPORA ENERGIE (vč. BZ) V %
2012
30768,18
28973,01
94,17%
1795,17
05,83%
2722,59
3,11
10203,15
18769,86
61,00
57,64
2011
30413,09
29518,30
97,06%
894,79
02,94%
2781,97
3,10
10925,37
18592,93
61,13
59,39
Tab. 1 – Zhodnocení simulace provoznívh stavů v jednotlivých letech
Ekonomické srovnání provozních nákladů
( DZ -dosavadní zdroj tepla) - porovnání
Výhřevnost paliva
Účinnost systému
celková potřeba tepla (GJ/r)
3
celkové množství paliva (m )
CENA ZA PALIVO /r (kč)
cena elektřiny – tepelné čerpadlo
poměr výroby ve VT a NT
CENA ZA TEPLO TČ+BZ (el.přím.)
UŠETŘENO V KČ
ZEMNÍ PLYN
33,5
95
2013
114,28
3590,91
60937,79
MJ/m3
%
2012
110,77
3480,45
59063,31
VT
VT
24586,81
2,5 Kč
10 %
25157,25
36350,99
33906,05
2011
109,49
3440,29
58381,67
NT
NT
2,1 Kč
90 %
24739,12
33642,56
Tab. 2 – Ekonomické srovnání provozních nákladů
600 000 Kč
500 000 Kč
400 000 Kč
Náklady
TČ+BZ
Náklady DZ
300 000 Kč
200 000 Kč
100 000 Kč
0 Kč
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
Graf. 1 – Ekonomiské srovnání provozních nákladů v čase
Download

Simulace tepelného čerpadla.pdf