PREDIMENZOVANIE TEPELNÝCH ČERPADIEL - časť 1

Skrytá hrozba alebo len ekonomický detail?

doc. Ing. Peter Tomlein, PhD., SZ CHKT, Šamorín

Abstrakt

Zvyk je železná košeľa. Pri dimenzovaní plynového kotla v minulosti sa výkon kotla vždy predimenzoval násobkom tepelných strát domu minimálne s tzv. koeficientom bezpečnosti 1,15 až 1,2. Príchodom kondenzačných kotlov s modulovaným výkonom sa dimenzovanie spresnilo. Tepelná strata domu sa uvádza v projekte vykurovania a predstavuje hraničný parameter, platný len pri najnižších vonkajších teplotách. V slovenských podmienkach je to v čase, kedy teplota vzduchu klesne pod zhruba –11 alebo –15 °C. Takéto obdobie však trvá zvyčajne maximálne pár týždňov. Bežne sa teploty v zimnej sezóne pohybujú okolo nuly. Ak kondenzačný kotol s modulačnou schopnosťou funguje mimo určeného rozsahu, dochádza k cyklovaniu. Cyklovanie kotla vyúsťuje do nadmernej spotreby paliva, skracovaniu životnosti kotla a k narušeniu tepelného komfortu v budove pri vyšších vonkajších teplotách.

Cyklovanie sa nepriaznivo ešte významnejšie prejavuje na tepelných čerpadlách, na ktorých navyše sa môže významne skrátiť životnosť najdrahšieho komponentu a to kompresora. Od výrobcov kompresorov je známe, že pri štarte kompresora môže byť kompresor nedostatočne mazaný a zaťažený vyšším prúdovým odberom, čím sa prehrieva a spotrebuje viac energie. To skracuje jeho životnosť. Výmena kompresora je drahá a vyžaduje si odborníkov s osvedčením. Tepelné čerpadlá do rodinných domov sú dimenzované na celoživotnú prevádzku bez výmeny náplní, komponentov na chladiacom okruhu. Výmena kompresora môže byť drahšia ako výmena agregátu alebo celého tepelného čerpadla. Príspevok uvádza cyklovanie on/off kompresorov a tiež kompresorov s modulovaným výkonom.

ÚVOD

Inštalované výkony dotovaných i nedotovaných tepelných čerpadiel rastú a je tak podozrenie na predimenzovávanie najmä tepelných čerpadiel vzduch/voda. K tomuto úsudku motivujú:

Zvyklosti projektantov pri dimenzovaní plynových kotlov
Záujem investorov zabezpečiť sa na najnižšie teploty vonku a vyššie teploty vnútorné
Kúpanie sa vo vani namiesto sprchovania
Dotačný systém = viac kW = viac dotačných peňazí
Neistota v navrhovaní výkonu TČ v rovnovážnom bode
Obmedzené možnosti používania hodinovej metódy
Voľby rovnovážneho bodu - rovnováhy výkonu TČ a potreby tepla pre danú budovu
Tepelná ochrana domu realizovaná dodatočne po inštalácii TČ
Neznalosť ekonomiky mono a bivalentného riešenia

Priemerný inštalovaný výkon dotovaných TČ podľa údajov SIEA vzrástol z cca 8,5 kW na 9,6 kW v roku 2020. V roku 2021 podľa SZ CHKT klesol priemerný výkon pri započítaní TČ vzduch/vzduch na 9,29 kW a naopak po odpočítaní bol stúpol na 11,35 kW. Priemerný výkon TČ podľa SZ CHKT bol 11,3 kW bez TČ vzduch/vzduch. Po zohľadnení HP vzduch/vzduch priemerný výkon klesne na 5,12 kW/ks. Priemerný výkon TČ v bytovom sektore by mal klesať. Počet rekonštrukcií môže naopak priemerný výkon TČ zvýšiť. Rast priemerného inštalovaného výkonu možno čiastočne pripísať početnejším inštaláciám v rekonštruovaných domoch, ktoré by mali byť najskôr tepelne ochránené, teda tam kde nebola zavedená plynofikácia, najmä v chladnejších oblastiach na severe Slovenska [7].

PREJAVY CYKLOVANIA PREDIMENZOVANÉHO KOMPRESORA

Napríklad v novostavbe 150 m2 s tepelnými stratami 6 kW namontujeme tepelné čerpadlo s výkonom 9 kW pri návrhovej teplote. Je nastavene na ekvitermiku a teplota vody do podlahového vykurovania je 25 stupňov, pri ktorej teplota vo vnútri domu bude 20 stupňov. Počet štartov kompresora pri vonkajšej teplote 10 oC za 24 hodín bude 120 krát (5x za hodinu). To je veľa, aj keď výrobcovia pripúšťajú štarty 2-3 x za hodinu. Pokiaľ kompresor TČ je s regulovaným výkonom potom platí, že približne 20 % výkonu kompresora pri najnižších otáčkach kompresor sa chová ako on/off kompresor, to znamená, že cykluje.

„Čím viac je kompresor predimenzovaný, tým väčší je teplotný rozsah cyklovania“.

„Teplotný rozsah cyklovania v prechodnom období sa môže zväčšiť

z 11-16 napr. na 6-16oC“

Najväčšia potreba tepla je síce pri pod nulových vonkajších teplotách, ale najdlhšie sa vykuruje pri vyšších nad nulových vonkajších teplotách. To znamená, že ak sa kompresor predimenzuje, cyklovať bude práve vtedy, kedy počet hodín prevádzky je najvyšší.

Ak kompresor zlyhá predčasne <15 rokov, najprv zvážte, prečo kompresor zlyhal. Nestačí len vymeniť kompresor, zrušiť poistku a/alebo použiť leukoplast, len aby sa dal znova spustiť. Je pravdepodobné, že k zlyhaniu dôjde znova, možno s horšími dôsledkami a určite so zbytočnými výdavkami. Nestačí, aby opravár vymenil nefunkčný kompresor – musí sa určiť a riešiť hlavná príčina krátkeho cyklu, aby sa predišlo budúcim a potenciálne vážnejším problémom [9].

2.1 Príčiny cyklovania kompresora okrem predimenzovania

Ak kompresor pracuje v zariadení, v ktorom sa požiadavky na výrobu tepla, chladu menia, nie je vhodná prevádzka bez regulácie výkonu. Ak nemá kompresor reguláciu výkonu, potom cykluje a to si vyžaduje zaradiť do okruhu tzv. akumulačnú nádobu, ktorá zabezpečí dostatočný čas prevádzky on/off kompresora. Čím viac kompresor cykluje, tým viac sa skracuje jeho životnosť. Rozbehový prúd sa na kompresoroch s veľkým rozbehovým momentom proti vysokému kondenzačnému tlaku redukuje mechanickým odľahčením štartu alebo riadeným elektrickým rozbehom. Tým sa znižuje prehrievanie elektrických vinutí. Problém ostáva s nedostatočným mazaním pri štarte. Príčiny cyklovania, opakovaných častých štartov kompresora okrem predimenzovania a dodatočne realizovanej tepelnej ochrany môžu byť:

kompresor bez ovládania výkonu podľa zaťaženia,
nízky prietok sekundárneho média cez kondenzátor,
nekondenzovateľné plyny v okruhu
nadmerné množstvo chladiva,
príliš vysoký výtlačný tlak.

Včasné zistenie, že kompresor má krátky cyklus prevádzky nie je ľahké. Ešte ťažšie môže byť, zistiť, čo je hlavnou príčinou. Krátke cyklovanie nastane, ak je kompresor predimenzovaný alebo mechanická porucha spôsobí predčasné ukončenie doby chodu. Ak sa nedosiahla nastavená hodnota, krátko nato sa kompresor reštartuje, čo si vyžaduje dlhší čas zapnutia kompresora na kompenzáciu strateného výkonu. Krátke cyklovanie je príznakom potenciálne širšieho spektra príčin. Krátke 10 minútové zapnutia a vypnutia, môžu trvať niekoľko dní, týždňov a mesiacov, kým si tento stav všimneme. Kompresor by nemal cyklovať častejšie ako 2 až 3 x za hodinu.

V mnohých tepelných čerpadlách sú kompresory na streche a tak neprechádzame okolo kompresorov a neregistrujeme krátke cyklovanie a hlučnosť kompresorov. Podobne je to, ak kompresory sú umiestnené na boku budovy. Naše uši nie sú trénované na identifikáciu takýchto vecí. S príchodom IoT internetu vecí (Internet of Things) je identifikácia kompresora s krátkym cyklom možná prostredníctvom monitorovania, riadenia a analýzy údajov v reálnom čase. Vzhľadom na náklady na ušetrenú energiu a potenciálne poškodenie kompresora sú tieto riešenia nákladovo efektívne.

2.2 Dôsledky cyklovania kompresora

Pokles hladiny oleja v kompresore: Ak kompresor cykluje, malé množstvo oleja, ktoré ho má udržiavať namazaný, sa vytláča ako zmes s chladivom do celého systému. Ak sa kompresor vypína a zapína príliš často, vzniká nerovnováha. Pri každom spustení kompresora sa olej odčerpá, ale bez dostatočnej doby chodu kompresora sa olej nevráti, aby kompresor premazal. Táto nerovnováha môže viesť k nedostatku oleja vo vnútri kompresora a ku poškodeniu ložísk.
Špinavý kondenzátor/automatický reset vysokého tlaku: Znečistený, alebo kvapalným chladivom zaplnený kondenzátor môže vážne obmedziť schopnosť systému odoberať z neho teplo, čo môže viesť k vypnutiu kompresora pri vysokom tlaku. Ak má kompresor automatický reset vysokého tlaku, môže to mať za následok krátke cykly kompresora.
Vysoký výstupný tlak z kondenzátora v dôsledku recirkulácie sekundárneho média: Ak je kondenzátor v obmedzenom priestore, kde napríklad vzduch alebo voda používaná na chladenie kondenzátora recirkuluje, teplota a tlak sa zvýšia, vysokotlakou ochranou sa vypne kompresor. Ak má kompresor automatický reset , môže nastať cyklovanie.
Tlakový alebo teplotný rozdiel je príliš malý: Ak je tlakový rozdiel regulátora tlaku nastavený príliš blízko, môže to spôsobiť skrátenie cyklu kompresora. Toto možno pozorovať počas normálneho chladenia, keď sa dosiahne nastavenie dolnej hranice nízkeho tlaku a kompresor sa vypne, kým tlak vo výparníku nestúpne nad hornú stranu nastavenia nízkeho tlaku. Následne kompresor pracuje dlhšie na dosiahnutie požadovanej teploty, čo vedie ku väčšej spotrebe energie.
Nedostatok prevádzkového časového oneskorenia: Aj keď je určite dôležité mať zavedený minimálny čas chodu kompresora pre správny výkon systému, rovnako dôležité je mať minimálny čas vypnutia formou prevádzkového časového oneskorenia. Toto môže byť častá príčina krátkeho cyklu.

2.3 Výrobcovia inverter kompresorov o cyklovaní

Ak vylúčime iné spôsoby regulácie výkonu kompresora, pri plynulej regulácii výkonu kompresoru zmenou otáčok elektromotoru je potrebný systém núteného mazania pri veľmi nízkych otáčkach. Bez olejového čerpadla je nutné udržať určitý počet otáčok, aby mazanie bolo spoľahlivé. Je vhodné rozlišovať:

kompresory rotačné bez tlakového mazania - bez olejového čerpadla
kompresory rotačné s mazacím čerpadlom - s núteným tlakovým mazaním

Ak sú inverter kompresory bez núteného mazania a tiež pretože motor kompresora musí byť aj pri výkonovej regulácii dostatočne chladený, čo sa zaisťuje nasávanými parami chladiva, je výkonový rozsah kompresora obvykle obmedzený na približne 20 % menovitých otáčok.

2.4 Prečo sa tepelné čerpadlá nemajú predimenzovávať

Cyklovanie kompresora

Aj kompresor s modulovaným (regulovaným) objemovým výkonom môže cyklovať, pretože otáčky elektrického motora kompresora sú regulované len v rozmedzí 20-100 %.

Na obrázku podľa normy STN EN 15450 je oblasť cyklovania kompresora znázornená červenou kružnicou. V prípade, že kompresor má regulovaný výkon, oblasť cyklovania sa od rovnovážneho bodu zmenšuje s dolnou hranicou, vzhľadom na regulačný rozsah otáčok pri najnižších výkonoch. Kompresor cykluje približne do 20 % výkonu.

Predimenzovanie výkonu tepelného čerpadla

Zväčšuje počet hodín cyklovania kompresora pri vyšších vonkajších teplotách. Zvýšený počet hodín cyklovania závisí aj od teplotného pásma. Pri správnom dimenzovaní v miernom pásme je to približne 15-17 % z celkového času na vykurovanie.

2.5 Predimenzované tepelné čerpadlo

Ak tepelné čerpadlo vzduch/voda predimenzujeme, tak vlastne z neho spravíme monovalentný zdroj tepla. Monovalentné TČ na jednej strane síce nebude využívať bivalentý zdroj tepla (elektroohrev) pri nižších vonkajších teplotách, ale na druhej strane bude cyklovať pri vyšších vonkajších teplotách, keďže jeho výkon bude predimenzovaný a schopnosť modulovať výkon kompresora začína približne od 20 % menovitého výkonu. Predimenzovanie môže nastať aj po po dodatočne realizovanej zvýšenej tepelnej ochrane domu.

To pri prevádzke tepelného čerpadla bude znamenať najmä to, že pokiaľ správne dimenzované tepelné čerpadlo by modulovalo svoj výkon od vonkajšej teploty 11oC tak predimenzované tepelné čerpadlo už od vonkajšej teploty 6oC. To znamená pomerne veľkú časť vykurovacieho obdobia, potencionálne až do 40 %, by tepelné zbytočne cyklovalo [7].

Účinnosti pri ostatných teplotách vykurovacej sezóny sú interpolované zo 4 testovaných bodov -7, 2, 7, 12 oC. Príkon jednotky pri každej teplote je vypočítaný z požadavky na výkon a z účinnosti pri danej teplote. Násobením príkonu a početnosti výskytu hodín je získana spotreba energie pri každej teplote podľa STN EN 14825 alebo v teplotných binoch 15316 4-2.

Viac informácií v časopise Správy 5/2023