Vyhodnocení chodu TČ po 2 topných sezónách

Před dvěma lety jsem si postavil jednoduché tepelné čerpadlo země-voda. Zpětně si říkám, že to byl trochu risk. Jako záložní řešení jsem tehdy používal topnou spirálu v akumulační nádrži jako elektrokotel. Začátkem ledna 2023 jsem tepelko spustil a od té doby topí…

Dneska bych možná spíše koupil nějaký Čínský monoblok. Zapojení je jednoduché a cena nízká. Ne vždy je nutné dát za tepelko čtvrt milionu. Kvalita a efektivita bude asi o něco nižší, ale to i pořizovací cena. Můj systém funguje, tak alespoň prozatím není potřeba hledat jiné řešení.

Jak jsem psal a říkal ve videu – určitě moje TČ nedosahuje parametrů světových výrobců. Je to prostě jednoduchý systém se „starším chladivem“. Nyní nastala druhá topná sezóna, ze které mám víc dat. Mám tedy poměrně přesně zmapovanou průměrnou venkovní teplotu a spotřebu elektrické energie. Letošní zima (2023/2024) nebyla přímo sibiřská, ale i tak jdou vidět změny teploty v kolektoru, efektivita topení atd.

 

Systém regulace topné vody

Tepelné čerpadlo nahřívá 1000 l akumulační nádrž. Z té je pomocí tří-cestného ventilu namíchána voda podle ekvitermní regulace do podlahového topení. Do celého domu jde stejná teplota vody. Ta se pohybuje podle grafu níže. Kromě ohřevu podlahy slouží topná voda ještě k předehřevu TUV přes nerezový výměník.

Dům má „papírově“ tepelné ztráty cca 8 kW (tato hodnota platí při venkovní teplotě -15 °C a vnitřní teplotě 21 °C). Na tepelných ztrátách se určitě velkou měrou podílejí garážová vrata, která např. proti standardním dveřím/oknům tolik netěsní a nemají tak velkou tepelnou izolaci. Dům je zateplen 20 cm šedým polystyrenem a střecha je izolovaná 32 cm vaty.

Tato ekvitermní křivka je odzkoušená přímo pro náš dům a s pomocí nastavení průtoků v jednotlivých okruzích podlahovky je docíleno teploty cca 22 °C ve všech místnostech (v ložnici a garáži je udržována mírně nižší teplota – řešeno nižším průtokem v okruhu). V případě, že je teplota v referenční místnosti (obývák) mimo limity, přichází ke slovu kompenzace, která dokáže zvýšit, nebo snížit ekvitermní křivku. Je to spíše jako ochrana proti přetopení, kdy je venku chladno, ale svítí slunce a dochází k nahřívání interiéru sluncem (typicky jaro/podzim). Teplota vody je vždy limitovaná v rozsahu 23,3 °C až 35 °C.

Průtoky v okruzích podlahovky můžu ještě měnit pomocí elektricky ovládaných hlavic. Tento princip regulace nyní nepoužívám – průtoky jsou stálé. Můžu ale volitelně zapínat/vypínat jednotlivé okruhy podlahovky – používám to jako „komfortní“ řešení, kde např. mohu uzavřít všechny okruhy topení kromě koupelny. Uměle zvýšit teplotu (režim konstantní teploty, který není regulován podle ekvitermní křivky) a třeba na podzim vytápět pouze koupelny, nebo topný žebřík.
Zároveň je v topném žebříku umístěna topná spirála. Žebřík je během standardního provozu nahříván vodou z podlahového topení (tedy relativně nízkou teplotou), ale při požadavku na nahřátí žebříku dojde k uzavření jedné hlavice, spuštění spirály na nastavený čas, čekání nastavený čas na vychladnutí žebříku a opět otevření vodního okruhu žebříku.

Další funkce topení jsou Noční režim (časový program) a Útlum, který po nastavenu dobu, nebo v požadovaný čas sníží teplotu topné vody o nastavenou teplotu. Pak je tu režim Force, který na požadovaný čas zvýší teplotu topné vody. Časový režim v podstatě nepoužíváme a teplota se udržuje konstantní – doporučuji pročíst si tento článek na tzb-info.

Funkce tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo může běžet v několika režimech. V manuálním režimu, kdy je možné ovládat jednotlivé části ručně. Tento režim slouží k ladění a jinak se běžně nepoužívá. V režimu chlazení, kdy se čerpadlo kolektoru používá jako oběhové pro pasivní chlazení podlahy a zároveň regenerace zemního kolektoru (tuto část nemám ještě v době psaní článku hotovou). A nakonec v režimu topení, kdy probíhá čerpání tepla ze zemního kolektoru do akumulační nádrže.
Ve všech režimech kromě manuálního funguje čerpadlo vnitřního okruhu i pro míchání obsahu akumulační nádrže – tento režim používám při nahřívání akumulační nádoby topnou spirálou z přetoků FVE která je umístěna cca uprostřed nádrže. Teplo od spirály jde pouze nahoru, takže když má nádrž v horní části třeba 60 °C, je v dolní části třeba 25 °C. Tento rozdíl dokáže oběhové čerpadlo tepelného čerpadla eliminovat a je možné do nádrže dostat více tepla.

Tímto se dostávám k hlavní části a to samotné regulaci TČ v režimu topení. Tepelné čerpadlo neumí regulovat výkon, veškerá regulace tedy probíhá v režimu ON-OFF. Přebytek výkonu zůstává v akumulační nádobě. Spuštění nastane, pokud teplota ve středu nádrže klesne pod požadovanou teplotu podlahového topení + 1 °C. Vypnutí nastane, pokud nádrž překročí 35 °C. Takhle jednoduchá je v principu regulace. Jsou tu ještě nějaké ochranné časy, ty ale nejsou nyní podstatné.

Náklady na topnou sezónu 2023/2024

Pokud je TČ v režimu stand-by, je jeho spotřeba 15 W. Před spuštěním kompresoru se spouští topný pásek kompresoru (ohřev oleje), který má cca 100 W. Po spuštění běží oběhové čerpadlo topení, oběhové čerpadlo zemního kolektoru a hlavně kompresor. Odběry čerpadel jsou víceméně konstantní a odebírají cca 300 W. Kompresor mění svůj odběr podle vstupní/výstupní teploty (tlaku) a jeho odběr začíná na cca 2 kW a končí na 2,6 kW (potom je nádrž nahřátá). V průběhu topného cyklu se samozřejmě mění všechny parametry jako je odběr el. energie, teplota ze zemního kolektoru, teplota topné vody, COP, …

Odběr tepelného čerpadla je v drtivé většině napájen z distribuční sítě. Pokud zároveň svítí slunce, je část energie dodávána z FVE. Pokud svítí hodně, je TČ odstaveno a nádrž nahřívám radši topnou spirálou za pomocí vytěžovače FVE. Tento ohřev samozřejmě není tak efektivní (= elektrokotel), ale šetřím tím TČ a hlavně naakumulované teplo v zemním kolektoru.

TČ jsem spustil na začátku října a topilo nepřetržitě do konce března, kdy už venkovní teploty a FVE stačí na provoz včetně topení. Celkově tedy „topná sezóna“ trvala 6 měsíců (183 dní).

Průměrné teplota za toto období byla 5,08 °C (měřeno každou minutu, tedy průměr z 263520 měření).

Spotřeba elektrické energie

Průměrný odběr TČ byl za toto období 9,04 kWh/den. Celková spotřeba za topnou sezónu byla 1720 kWh, tedy 1,7 MWh. Při ceně elektřiny 5 Kč/ kWh to vychází na nějakých 8,5 tisíce korun za komfortní topení na celou zimu (+ předehřev TUV).
Nejvyšší denní spotřeba tepelného čerpadla byla 25 kWh při venkovní teplotě -10 °C. Nejmenší 0,37 kWh, což odpovídá celému dni ve stand-by režimu.

Měsíc	Průměrná venkovní teplota	Spotřeba el. energie TČ
Říjen 2023	10,95 °C	58,27 kWh
Listopad 2023	4,36 °C	300,47 kWh
Prosinec 2023	2,12 °C	410,07 kWh
Leden 2024	-0,61 °C	485,93 kWh
Únor 2024	5,89 °C	304,05 kWh
Březen 2024	7,81 °C	161,61 kWh
Teplota průměr, spotřeba celkem	5,08 °C	1720 kWh

Teplota kapaliny v zemním kolektoru

Průběžně jsem sledoval i teplotu v zemním kolektoru. To je to místo odkud se teplo čerpá a je na něm přímo závislá celá účinnost TČ. Na začátku topné sezóny byla vratná voda z kolektoru okolo 15°C a COP vycházelo větší než 6. Teplota samozřejmě strmě klesala a v listopadu byla už okolo 10 °C a od prosince se ustálila na cca 5 °C. Teplota zůstala až do konce sezony cca stejná – v březnu šlo z kolektoru cca 4,8 °C.

Teplota se měnila nejenom v průběhu měsíců, ale i vždy v průběhu jednoho topného cyklu. Na začátku se začínalo s teplejší kapalinou, při vypnutí byla kapalina vychlazená. Během přestávky před dalším topením se kolektor „regeneroval“ a teplota se vrátila cca na původní hodnoty. Častější topení samozřejmě znemožnilo dokonalejší regeneraci a začínalo se s nižší teplotou – menším COP. Kolektor obecně funguje, ale možná se trochu projevuje přílišná hustota potrubí. Bohužel jsem se tehdy přizpůsoboval místním podmínkám.

COP

Na tepelném čerpadle měřím řadu hodnot, ze kterých jde vypočítat i aktuální COP. Měřím spotřebu elektrické energie elektroměrem (příkon) a výkon pomocí průtokoměru topné vody, a dvou teplotních čidel. Z rozdílu teplot a průtoku lze pomocí kalorimetrické rovnice vypočítat aktuální výkon tepelného čerpadla. Podíl těchto dvou hodnot výkon/příkon je hodnota COP.

S teplotou topné vody a teplotou v zemním kolektoru se přímo pojí parametr COP. Zatímco na začátku topné sezóny nebylo potřeba často nahřívat nádrž a kolektor byl z léta rozehřátý, bylo COP vysoké – překračovalo hodnoty 6. Postupem času klesaly venkovní teploty (bylo potřeba častější nahřívání) a teplota v zemním kolektoru klesala. Klesalo tedy i COP. Na konci topné sezóny bylo průměrné COP, tedy SCOP 3,62.

COP se měnilo podobně jako teploty vody – na začátku topného cyklu bylo vysoké, postupně klesalo. Po vypnutí TČ se obnovily teploty a tedy i COP stouplo. Běžně se začínalo topit s COP > 4, a TČ vypínalo s COP s hodnotami okolo 3,2. Zde má význam topení na nižší teplotu topné vody – COP zůstává o něco vyšší. Sice TČ musí častěji spínat, ale za cenu vyšší účinnosti.

 

Počet provozních hodin a počet startů

Kompresor za topnou sezónu „naběhal“ 595,73 motohodin při 573 startech. To průměrně vychází na 1,04 mth/start. Tato hodnota je úplně v pořádku a nemá žádný negativní vliv na životnost komponent.
Někdy mi přijde, že počet startů je strašák číslo 1. Člověk se nesmí držet extrémů, ale třeba i 4 starty za hodinu mohou být v pořádku. Ani samotný výrobce kompresoru nepřikazuje minimální počet startů za hodinu – kompresor startuje vždy bez protitlaku. Důležité je, aby se stihl olej vracet zpět do kompresoru (v malém chladivovém okruhu to není žádný problém). Takže důležitější parametr je spíše minimální doba běhu.
Samozřejmě ani já se nechci dostat k nějakým extrémním hodnotám. Proto mám v TČ zakomponované funkce, které hlídají minimální čas mezi starty a minimální dobu běhu. U průmyslových chlazení je běžně nastaven minimální počet startů na 4 za hodinu. Tomuto číslu se ani nepřibližuju a myslím si že rozumný počet je tak maximálně 3 starty/hodina. Přece jenom – start zatěžuje motor kompresoru, stykač, případně softstarter, ale i mechanické části, které během startu trpí většími vibracemi.

Ohledně počtu startů kompresoru TČ doporučuji třeba tento článek na tzb-info. V článku je popsán zajímavý případ, kdy mělo tepelné čerpadlo opravdu extrémní počet startů.

 

Závěr

Co se hlučnosti týče, tepelné čerpadlo je odhlučněné akustickými deskami a pokryto plechovými kryty vypálenými na plazmové řezačce (viz první fotka, na té však ještě chybí vrchní kryt). Dost dlouhou dobu jsme ho provozovali s protihlukovou izolací pouze opřenou o tepelko, případně bez zakryté horní strany. Hlučnost odkrytovaného zařízení je menší než pračka během ždímání. Pokud jsou zavřené dveře technické místnost, není tepelko téměř slyšet. Hlasitost ve videích vždy klame – chytne se to nejhlučnějšího zvuku.

Celkově jsem s během tepelného čerpadla spokojen. V létě je v plánu pasivní chlazení podlahou, bude tedy nutné do okruhu topení vřadit jeden malý výměník. Jinak je vše připraveno a zbytek je otázkou úpravy firmware. Výhodou je regenerace zemního kolektoru, takže účinnost v další topné sezóně by mohla být o něco vyšší. Otázkou samozřejmě zůstávají budoucí venkovní teploty. Zima s průměrnou teplotou okolo 5 °C není úplně vypovídající zima.
Výhodou je pokrytí alespoň části spotřeby TČ fotovoltaickou elektrárnou. To účet za topení ještě trochu sníží – v zimě, v období kdy je potřeba topit však slunce tolik nesvítí a člověk je kolikrát rád, že FVE pokryje alespoň část běžné spotřeby domu.