Stavba tepelného čerpadla

Hned z kraje říkám, že tohle není ani jednoduchý, ani levný… Před stavbou domu jsem se rozhodoval čím budu topit. S topení dřevem/uhlím jsem měl zkušenosti z mládí, kdy jsme museli jezdit do lesa tahat dříví atd. – to mě rozhodně nijak extra nebavilo. Dnes už na to pohlížím trochu jiným pohledem, ale protože nemám ani les, ani chuť se do toho znovu pouštět, tuhá paliva jsem tak nějak vyšachoval hned z kraje. Na jednu stranu, je to topení určitě levnější než elektřinou, nebo plynem. Na druhou stranu, stejně bych někde to dřevo musel koupit a člověk musí mít prostor na uskladnění a z obýváku si kotelnu dělat nechci.

Dům tedy (jako několik dalších v blízkém okolí) vznikl bez komínu. Existuje skupina lidí, kteří si teď klepou na čelo – komín je přece „srdce domu“. Dneska už nemusí být… Domy mají malou tepelnou ztrátu a všude nemusí být 25kW kotel na uhlí…

Z čistě technického hlediska jsem se rozhodl pro tepelné čerpadlo země/voda. Na zahradě zakopu vhodný zemní kolektor (registr) a uvnitř domu bude jednotka, která bude ze země čerpat teplo. Aby to nebylo málo, tepelné čerpadlo si sám vyrobím. Nemyslím namontuji, ale vyrobím.
Zde bych trošku potlačil ekonomickou a „pohodlnou“ stánku tohoto rozhodnutí. I když hotové tepelné čerpadlo většinou není levnější, jeho účinnost může být ve výsledku lepší a instalace je rozhodně jednodušší, než vše stavět od nuly. Mimo samotné topení mi šlo tedy i o zkoušku, jestli jsem schopný si TČ sám navrhnout a zkonstruovat. Je to spíše takové technologické demo. Jak já říkám – někdo investuje do vláčků, rybářských prutů a tuningu auta, já si postavím tepelné čerpadlo. Berte to tedy jako amatérskou stavbu tepelného čerpadla.

Po té, co jsem měl projekt a věděl přibližné tepelné ztráty domu jsem začínal pomalu zpracovávat projekt na tepelné čerpadlo. TZ domu mám vypočítané na cca 8 kW. Jedná se o tepelnou ztrátu domu při vnitřní teplotě 22 °C a venkovní teplotě -15 °C. Tyto teploty nepanují pořád, takže průměrná tepelná ztráta je nižší. Ale když by bylo venku -15 °C, tak bych musel trvale přitápět 8 kW topnou spirálou (nebo ekvivalentem), abych vyrovnal tepelné ztráty. Za den topení (venkovní teplota po celou dobu -15 °C) by to tedy vycházelo 24 * 8 = 192 kWh elektrické energie za den. Při současných cenách (rok 2023) okolo 6,5 Kč/kWh to není něco, co by člověk chtěl mít doma.

Na takovou tepelnou ztrátu by asi v pohodě vyhovělo obyčejné a levné tepelko vzduch/voda. Ale na druhou stranu, v tomto ohledu jsem takovej hračička a rád si věci poladím podle sebe. Už jen čistě ze zvědavosti. Výhoda zemního kolektoru je, že je možné pomocí něj v létě chladit a tím si ho zároveň „regenerovat“ na zimu. S cenou svépomocí bych se měl navíc dostat na cca cenu běžného tepelného čerpadla vzduch/voda. Když se nebude dařit, tak vedle domu umístím nějakou „vzduchovku“ 🙂

Výroba topení v domě začala instalací (odkazy na samostatné články)

• zemního kolektoru
• podlahového topení
• akumulační nádrže
• teplovodních solárních kolektorů

Dalším krokem je tedy výroba a zprovoznění tepelného čerpadla, abych mohl akumulační nádrž vytápět levněji než instalovanými topnými spirálami (elektrokotlem). Topné spirály ale zůstanou v provozu i nadále. Po nainstalování fotovoltaické elektrárny budou spolu s bojlerem „mařit“ přebytky elektřiny ze slunce. Budu je řídit tak, aby byly přetoky do sítě pokud možno nulové. To ale v nějakém dalším článku.

Dávno před stavbou jsem si pořídil knihu Stavíme tepelné čerpadlo od p. Žeravíka, která mi byla inspirací a pomocníkem při některých výpočtech. Dále jsem vycházel z několika chladících agregátů, tepelných čerpadel a klimatizací se kterými mám zkušenosti. Na jednu stranu by bylo dobré dosáhnout hi-tech parametrů světových výrobců, ale reálně chci dosáhnout nějakého rozumné poměru náklady/efektivita. Když bude parametr COP o něco nižší za cenu ušetření třeba 100 000 Kč, asi mě to nějak trápit nebude.

Rozhodl jsem se pro jednoduchý systém s kompresorem, kondenzátorem, expanzním ventilem a výparníkem. Alespoň v první verzi nebudou žádné mezi-výměníky na podchlazování/přehřívání chladiva. Samozřejmě, bude zde i několik dalších nutných komponent, ale celkově se bude jednat o jednoduché tepelné čerpadlo se dvěma nerezovými výměníky.

Kompresor

Původně jsem chtěl použít starší, použitý kompresor Copeland ZR61. Zde ale hrozí nebezpečí poškození (nevím na 100 % v jakém je stavu) a kontaminace vnitřku vlhkostí. Pokud by motor uvnitř shořel, bylo by nutné kromě výměny kompresoru řešit i zbytky spalin v chladivovém potrubí, výměna filtr-dehydrátoru atd. Rozhodl jsem se tedy jít cestou nových dílů.
Podle dimenzování TČ jsem koupil kompresor Copeland ZR48K3E. Jedná se o běžný scroll kompresor pro klimatizační jednotky s chladících výkonem cca 10 kW. Možná jsem měl spíše zvolit typ ZH, který je vhodnější pro tepelná čerpadla, ale zase vyžaduje použití mezivýměníku. To jsou další výpočty a další náklady navíc. Jako chladivo bude použito R407C, které na rozdíl od R410A neumožňuje vysokoteplotní provoz. Ten bych ale stejně nepoužíval, protože mám v celém domě podlahové topení, pro které stačí teplota vody do 35 °C. Z TČ ale stejně dostanu teploty okolo 40 až 50 °C, což je pro mě dostačující i pro předehřev TUV.

Z pohledu řízení se jedná o obyčejný 3f asynchronní motor s kotvou na krátko. Není zde umožněno řízení otáček frekvenčním měničem, takže pro spouštění je možné použít obyčejný stykač, nebo jako v mém případě soft-starter. Start je pak o něco „měkčí“. Startovací rampa je dlouhá asi 1 sekundu a startuji na 40 % výkonu.
Scroll kompresory Copeland (u jiných značek to bude podobné) mají vnitřní mechanické uspořádání takové, že se nikdy nerozbíhá do protitlaku. Uvnitř je navíc tlaková pojistka, která je ale pouze krajní řešení proti poškození chladivového okruhu. Případné nebezpečné navýšení tlaku by mělo být vždy hlídáno vhodně nastaveným presostatem (tlakovým spínačem).

Kvůli odtlumení hluku je kompresor umístěn na silentblocích (s kompresorem se dodávají originál) na kovové desce, která je přes další silentbloky spojena s tělem čerpadla. Další odtlumení vibrací je na potrubí – sání i výtlak je propojen přes vlnovcové trubky. V ideálním případě by mělo být tlumení ve dvou osách, nebo je možné z potrubí navinout jakoby spirálu, která vibrace „pohltí“. To je v domácích podmínkách docela problém. Zvlášť u potrubí sání, které má v mém případě průměr 22 mm.

Tepelné výměníky

Následoval nákup tepelných výměníků. Ty musí umožňovat provoz s chladivem, jehož tlaky běžně dosahují až 30 barů. Na internetu jsem našel web vymeniky-tepla.cz, kde jsem si našel vhodné výměníky a po konzultacích a po pomoci s výpočtem jsem dva kousky objednal. Jeden jako výparník (zima = výměník chladivo – zemní kolektor), jeden jako kondenzátor (teplo = výměník chladivo – topný okruh).
Oba výměníky se samozřejmě odlišují, protože jejich použití v tepelném čerpadle je odlišné. Oba musí zvládat vysokotlaký provoz, protože tlaky v chladivovém okruhu mohou dosahovat i 30 barů. Kondenzátor, tedy výměník kde dochází k přenosu tepla z chladiva do topné vody by měl být výkonově dimenzovaný o cca 30 % více než výparník.
Pokud se použije výparník s větším počtem desek (je „hlubší“), měl by být vybaven distributorem chladiva. Jedná se pouze o tvarové přizpůsobení jednotlivých desek, aby docházelo k rovnoměrnému zaplavení výměníku chladivem.

Ohledně tepelných výměníků i s ohledem na provoz v tepelných čerpadlech je na webu dost informací k prostudování. Doporučuji část Výměník pro tepelné čerpadlo.

Jako kondenzátor používám výměník SWEP B26Hx40. Jako výparník používám výměník SWEP B85Hx34. V reálném provozu je pak nutné oba výměníky zaizolovat tepelnou izolací. Na výparníku by jinak docházelo ke kondenzaci a z kondenzátoru by zbytečně unikalo teplo, které je potřeba přenést do topného okruhu. Na izolování se používají buď originální tepelné izolace, nebo je možné na výměníky nalepit např. nenasákavou tepelnou izolaci Armaflex. Ta se vyrábí jako desky se samolepící vrstvou.

Expanzní ventil

Další důležitý díl je expanzní ventil. Ten reguluje množství vstřikovaného chladiva do výparníku. Množství je potřeba regulovat tak, aby došlo k dokonalému odpaření veškerého kapalného chladiva a mírnému zvýšení teploty jeho par nad výparnou teplotu – přehřátí chladiva. To je důležité kvůli tomu, aby se nevracelo kapalné chladivo do sání kompresoru. Kapalné chladivo, stejně jako každá jiná kapalina je nestlačitelné, takže by mohlo dojít k poškození kompresoru.
I když je pravda že moderní kompresory mají vůči nasátí kapalného chladiva mechanické ochrany, je nežádoucí aby k tomu docházelo.
Pro zjednodušení návrhu a odlaďování jsem se rozhodl pro moderní elektronický expanzní ventil (EEV). Jeho cena je sice vyšší, ale je tu možnost jednoduchého přenastavení na řídící jednotce a větší regulační rozsah. Elektronika EEV měří teplotu a tlak, takže dokáže přímo vypočítat teplotu přehřátí a tu zobrazit na displeji. Navíc tu je možnost volitelných teplotních a tlakových ochran. U obyčejného expanzního ventilu je možné regulaci provádět otočením seřizovacího šroubu (jemná regulace), případně výměnou trysky (hrubá regulace), kterou lze provést pouze při vypuštěném systému. Navíc je nutné teplotu a tlak měřit externě a teplotu přehřátí je nutné vypočítat (pokud tedy člověk nemá chlaďařský servisní měřák).

Expanzní ventil používám typ Carel E2V**BSF00 s řídící jednotkou Carel EVD Evolution. Používám jednoduchou regulaci podle přehřátí chladiva, které mám nastavené na 8 K. S nastavením ventilu postupně hýbu, abych dosáhl co největší efektivity zařízení, ale aby nehrozilo poškození kompresoru kapalinovým rázem.

Ostatní díly

Nejdůležitější díly chladivového okruhu jsou doplněny drobnou „bižuterií“, která však zde má taky své místo. Patří do toho mimo jiné filtrdehydrátor, který slouží jako filtr a vysoušeč chladiva, průhledítko na kterém lze zkontrolovat průtok chladiva a jeho vlhkost, manometry, sběrač chladiva atd. Doplněno to je různými mosaznými a měděnými díly jako jsou potrubí, kolena, anti vibrační spojky, T-kusy, kapiláry, uzávěry apod. Důležitá je také tepelná izolace potrubí, která se provádí speciální nenasákavou samolepící izolací Armaflex. I když jsou moderní kompresory poměrně tiché, je potřeba myslet na protihlukovou izolaci.
V neposlední řadě se také jedná o samotnou kostru tepelného čerpadla, kterou jsem kvůli jednoduchosti postavil z Al profilů. Cena je sice vyšší, ale člověk si snadno sestaví přesný rozměr, který potřebuje i s různými konzolemi, zesíleními apod.

Všechny chladivové díly mají z výroby zašpuntované otvory. Ty se nesmí před montáží oddělávat. Většina komponent je z výroby natlakovaná suchým vzduchem, nebo dusíkem. Při dlouhodobém přístupu vzduchu by mohlo dojít k znehodnocení některých dílů – zvlhnutí, koroze, …

Dimenzování chladivových potrubí

Kompresor typu Copeland RZ neumožňuje regulaci otáček frekvenčním měničem. Lze ho regulovat pouze v režimu ON/OFF. Přečerpávané množství chladiva je tedy pevně definované a celý chladivový okruh se musí dimenzovat tak, aby chladivo stíhalo kolovat a nikde se „nehromadilo“. Nízké dimenze potrubí mohou způsobovat zbytečné zvyšování tlaku a tedy i namáhání kompresoru, naopak zbytečně velké dimenze potrubí způsobí pomalejší pohyb chladiva a tedy i oleje, která je jím unášen. Ten se pak může někde v systému hromadit místo toho, aby plnil svoji mazací funkci v kompresoru.
Z toho vyplívá, že průměry potrubí je třeba přizpůsobit doporučeným rychlostem proudění chladiva. V praxi existuje pouze několik průměrů, takže vypočítanému průměru se přiřadí potrubí nejbližší vyšší. V tomto ohledu mi hodně pomohla kniha Stavíme tepelné čerpadlo, kde jsou výpočty podrobně popsané.

Pro výtlak kompresoru (horké plyny o vysokém tlaku*) jsem použil potrubí průměru 16 mm, pro vedení kapalného chladiva průměr 12 mm (kapalina o vysokém tlaku) a pro sání par chladiva 22 mm (plyn o nízkém tlaku*). Těmto průměrům se přizpůsobily průměry hrdel průhledítka, expanzního ventilu, …

*Aktuální tlak v potrubí je závislý na části chladivového systému a na aktuálním provozním stavu. Po vypnutí kompresoru se tlak v celém systému stabilizuje podle aktuální teploty systému – při 20 °C to je cca 9 barů. Po zapnutí kompresoru tlak na sání klesne řádově k 2 – 5 barům, tlak na výtlaku stoupne podle kondenzační teploty k cca 20 barům (kondenzační teplota 40 °C).

Zemní registr a topná strana

Na chladivový okruh, který je tak nějak „uprostřed“ navazuje část topení a zemní registr ze kterého je čerpáno teplo do domu.

Topná strana obsahuje pouze jedno „kotlové“ oběhové čerpadlo, které čerpá vodu ze spodní části 1000l akumulační nádrže přes kondenzátor zpět do horní části nádrže. Jeho odběr je pouze cca 20 W při průtoku 1,3 m3/hod. Celé je to propojeno nerezovou vlnovcovou hadicí. Do okruhu je zařazen filtr a dva kulové kohouty, které umožňují odpojit TČ od topného okruhu. Expanzní nádoba není potřeba, ta je již součástí samotného topného okruhu.

Zemní registr se kromě samotných hadic zakopaných v zemi skládá z rozdělovače, kterým je možné jednotlivé smyčky přiškrtit, nebo uzavřít. Jsou zde i průtokoměry na kontrolu a „vyvážení“ celé soustavy, separátor vzduchu, několik odvzdušňovacích ventilů a pak samotný výparník (odtud se čerpá teplo) a čerpadlo. To jsem použil výkonnější, protože směs líh/voda je nutné čerpat mnohem delším potrubí a při nízké teplotě je kapalina mnohem hustší než voda.
Tepelné čerpadlo a rozdělovač je opět propojen nerezovou vlnovcovou hadicí a zaizolován. Hadice mají při provozu nízkou teplotu a srážela by se na nich vlhkost.

V okruhu zemního registru je ještě vsazený třícestný ventil, který bude sloužit k odklonění nemrznoucí kapaliny do výměníku rekuperace. V létě by se měl tímto způsobem ochlazovat dům a zemní registr regenerovat. Z tohoto důvodu je čerpadlo připojeno k frekvenčnímu měniči, který umožňuje snížit otáčky a tedy i průtok. V létě nebude potřeba průtok tak vysoký jako v zimě. Samozřejmě se tím sníží i spotřeba.

Stavba – mechanika

Stavbu jsem zahájil výrobou rámu. Ten je složen z hliníkových profilů a ocelové desky. Ta je z 2mm plechu, který je na několika místech vyztužen (profilován), aby udržel těžké komponenty – zejména kompresor. Deska je k rámu přišroubována přes pěnovou pásku, kvůli zamezení rezonancí.
Rozměry jsou kompromis mezi tím, aby se vše vešlo dovnitř, aby se tepelko vešlo do technické místnosti, aby tam šlo nastěhovat dveřmi a aby krycí plechy šly ustřihnout z jedné tabule plechu. Výška je tedy cca 1 m, a půdorysné rozměry jsou cca 60 x 60 cm.

Na zadní stranu jsem umístil oba výměníky pomocí svorníků. Výměníky je potřeba před montáží tepelně zaizolovat. Zvláště výparník, který by se za provozu rosil, nebo by omrzal. Na druhou stranu ještě se bude na výměníky pájet měděné potrubí, takže přední stranu jsem zatím ponechal bez izolace.

Dále je na spodní desce umístěn kompresor. I když má kompresor vlastní silentbloky, umístil jsem ho na kovovou „mezidesku“, která je na dalších silentblocích. Kompresor je tedy ještě více odtlumen. Dále je oblepen vrstvou tepelné (a zároveň i protihlukové) izolace. Kompresor není potřeba nějak externě chladit – je plně chlazen procházejícím chladivem. Na spodní část kompresoru jsem umístil 50 W topný pásek, který před startem vyhřívá olejovou náplň.

Dále jsem  rozmístil všechny ostatní komponenty, aby je šlo nějak logicky pospojovat k sobě. Elektricky to není problém, ale potrubí a hadice nelze ohýbat úplně volně.

U umístění jednotlivých komponent je potřeba myslet na případnou výměnu. Někdy může být nutné se dostat i „k tomu, co je úplně vzadu“. To jsem si sám ověřil po prvotním natlakování, když jsem zjistil, že jedno čerpadlo topného okruhu teče (dírka v těle čerpadla). Demontáž a zpětná montáž naštěstí nebyla zas takový problém.

Poslední částí před montáží chladivového okruhu bylo zapojení elektriky. Na jeden z profilů jsem osadil DIN lištu a zapojil jednotlivé komponenty. Celé řízení obstarává PLC Tecomat Foxtrot, elektronický expanzní ventil řídí modul Carel EDV evolution.

Stavba – elektro

Řízení TČ obstarává PLC Tecomat Foxtrot, který je zapojen jako slave pro řídící systém domu. Jsou tu tedy dvě PLC, které jsou navzájem propojené ethernetovým kabelem. PLC obstarává samostatné řízení, veškerá nastavení a vizualizace probíhá v nadřazeném systému. Program je tedy velice jednoduchý a obstarává pouze to nejnutnější.

TČ je osazeno softstartem na spínání kompresoru, frekvenčním měničem na řízení otáček čerpadla zemního kolektoru a několika stykači pro čerpadlo topení a topný pásek.

Před startem je kontrolováno, jestli není nějaká část systému v poruše (vypadnutý jistič, porucha EEV, porucha FM, tlak, …), dále je hlídán stav HDO a zpětná vazba blokování (ochrana proti cyklování). Pokud je požadavek na topení na ohřev vody, jsou spuštěna čerpadla a vyčkává se cca 40 sekund na ustálení průtoku. Poté je spuštěn kompresor. Start kompresoru zablokuje na 20 minut signál HDO (je to kvůli dodržení minimální doby běhu kompresoru). Po dosažení požadované teploty je nejprve odstaven kompresor a až několik sekund poté obě čerpadla.

Jakákoliv funkce (čerpadla, kompresor, topení, …) jde zapnout v manuálním režimu. Dále se loguje počet startů a počet provozních hodin jednotlivých komponent. V několik místech jsou měřeny teploty, které slouží k hlídání (odstavení v případě přehřátí) a je z nich vypočítávána diference teplot a výstupní výkon. Dále je měřen celkový odběr elektrické energie pomocí obyčejného elektroměru s S0 výstupem.

 

Stavba – chladivový okruh

Na samotné propojení chladivového okruhu jsem si netroufl. Jednotlivé komponenty jsou k sobě spájeny stříbrnou pájkou (pájení na tvrdo). Na to nemám ani vybavení, ani zkušenosti. Další věcí je vakuování a naplnění chladivem. Tam platí to samé.

Naštěstí mám známého chlaďaře, který mi podle mých požadavků jednotlivé komponenty k sobě spájel. Trubky (chlaďařské) je možné cca do průměru 16 mm ohýbat (záleží jakou máte ohýbačku). K většímu potrubí (22 mm) jsou třeba pájecí kolena. Existují i lisovací tvarovky, které je potřeba zalisovat speciálními kleštěmi. To ovšem málo kdo má. Je potřeba postupovat pečlivě, protože v systému je vysoký tlak (podle chladiva třeba 30 barů i více).
Potrubí je nutné pájet v inertní dusíkové atmosféře, jinak hrozí rychlá oxidace. Z vnější strany to není problém, ale struska uvnitř potrubí by mohla znečistit a zanést třeba expanzní ventil. Nerezové komponenty (výměníky) je potřeba pájet pájkou s tavidlem, která je výrazně dražší než obyčejná pájka.

Začalo se největší dimenzemi potrubí 22 mm – sání kompresoru. Vše se nejdřív nařezalo a složilo na nečisto. Když vše pasovalo a vědělo se, že se potrubí nebude plést jinému potrubí, vše se spájelo dohromady. Vývod na kompresoru je ventil rotalock, ke kterému je další část potrubí přišroubována převlečnou maticí. V tomto místě je možné potrubí rozdělat. Hned za kompresorem je ohebné potrubí/pružný díl, aby mohl kompresor dilatovat a aby se nepřenášelo příliš mnoho vibrací z kompresoru dále do systému.

Podobně to probíhalo u všech ostatních potrubí. Výtlak z kompresoru je 16 mm (je zde další pružný díl), kapalinové vedení je o průměru 12 mm.

Stavba – Naplnění chladivem

Po spájení celého potrubí přišlo na řadu vyvakuování a naplnění chladivem. V chladivovém okruhu nesmí být v žádném případě vlhkost, nebo jiné plyny kromě chladiva. I když na odstranění zbytkové vlhkosti slouží filtr-dehydrátor, je lepší, když je chladivo „suché“ už od začátku.

V první řadě se do systému nafoukal suchý dusík a trochu chladiva o tlaku cca 4 bary. Ten se tam nechal přes noc. Tento plyn rozředí zbytek vzduchu, který je v systému ze stavby. Dále se připojí vývěva a všechen plyn se vyčerpá pryč do prázdné tlakové láhve. Je potřeba dosáhnout co nejvyššího podtlaku a ten co nejdéle držet. Vakuování v mém případě probíhalo asi hodinu. Postup s plněním trochou chladiva a vakuováním lze provést několikrát dokola – aby se zbytky vzduchu co nejvíce rozředily.

Následuje plnění chladiva. Já jsem neměl TČ ještě připojeno ke kolektoru a k topení, takže nebylo možné kompresor spustit. Chladivo se tedy tlakovalo před i za kompresor, hlavně do sběrače chladiva. Mnou použité chladivo R407C se čerpá v kapalném stavu – tlaková láhev se připojí přes revizní přístroj k vyvakuovanému systému a kapalina se pustí dovnitř. Plní se na váhu, ne na tlak. Ten se mění podle aktuální teploty. V mém případě se do chladivového okruhu naplnilo cca 2,5 kg chladiva. Toto množství chladiva je podlimitní, takže se na TČ nemusí provádět roční kontroly. Ale na druhou stranu, nemám problém si obstarat detektor úniku chladiva a před začátkem sezóny ověřit těsnost chladivového okruhu.

Nakonec se provede test úniku chladiva. Všechny spoje se „očichají“ speciálním detektorem. To je pak vhodné provést ještě jednou za běhu kompresoru – na výtlaku kompresoru je daleko větší tlak než ve vypnutém stavu.

Připojení k zemnímu kolektoru a k topnému systému

Tepelné čerpadlo bylo natlakované, elektroinstalace dokončená, stačilo tedy umístit na finální místo a připojit k topnému okruhu, zemnímu kolektoru, k nadřazenému systému a napájení.

Na „obě strany“ je tepelko připojeno nerezovou vlnovcovou hadicí o průměru 26 mm. Je to stejná hadice, která je použita uvnitř. U systému vytápění jsem s připojením dalšího spotřebiče počítal – předem jsem připravil kulové kohouty do kterých jsem zašrouboval vsuvku a připojil hadici. Ta v tepelném čerpadle vede přímo na oběhové čerpadlo. Po instalaci a natlakování topné části jsem se setkal s problémem u obou čerpadel. Jedno mělo z výroby dírku v litinovém těle, druhé bylo nastříkáno silnou vrstvou barvy, takže těsnění nepřilnulo dobře k přírubám. Z obou čerpadel začala vytékat voda… Rozhodl jsem se tedy obě čerpadla vymontovat a nahradit jedním čerpadlem od Grundfosu. Konstrukce tepelka s demontáží jednotlivých dílů počítá, ale i tak – čerpadla jsou umístěna nejvíce vzadu za chladivovým okruhem. Demontáž ne nemožná, ale nic moc…

Zemní kolektor je připojen stejnou vlnovcovou hadicí k rozvaděči kolektoru. Opět tam jsou kulové ventily a hadice vede přímo do tepelka na čerpadlo a výměník. Zde žádné problémy nenastaly.

Napojení hadic až přímo do TČ není úplně elegantní, ale je to čerpadlo napasované přímo do mé technické místnosti. Nejedná se o univerzální zařízení. Takže taková customizace příliš nevadí. Ale hezčí by byly určitě příruby na vnější straně na napojení okruhů.

Elektrické napájení obstarává jeden kabel 5×2,5 připojený k 10 A jističi v domovním rozvaděči. Maximální odběr je cca 7 A ve fázi. Takovéto dimenzování je naprosto dostačující. Topné spirály přímo v TČ žádné nejsou – je to samostatná nezávislá část topení.

První start

Po kompletaci, připojení a natlakování systému se mohlo přistoupit k samotnému spuštění. Nejprve jsem nějakou dobu odvzdušňoval zemní kolektor, ve kterém se i po naplnění vyskytovaly bubliny. Ověřil jsem funkčnost všech komponent, detekce poruch a těsnost celého systému a nastavil jsem frekvenční měnič a řízení EEV. Vše samozřejmě nejprve v manuálním režimu. Následovalo první spuštění kompresoru. Okamžitě se změnily tlaky v chladivovém potrubí – tlak v sání klesl na hodnotu cca 2 bary, tlak na výtlaku na cca 12 barů. Teplota potrubí do topení okamžitě stoupnula o několik stupňů.

Vše v podstatě fungovalo na první pokus. Pouze jsem si chvíli „hrál“ s nastavováním přehřátí EEV. Následovalo napojení teplotních čidel a dodělání drobností do programu řízení. Ale to už se jedná o nějaké „kosmetické“ úpravy. Dále jsem pokračoval s tepelnými izolacemi potrubí a izolací proti hluku.

Provoz

Jak jsem již psal na začátku článku – TČ nedosahuje parametrů světových výrobců. Ale s tím jsem v podstatě ani nepočítal. Parametr COP se mění podle vytápěné teploty (ta se mění podle ekvitermní regulace s venkovní teplotou) a teplotou nemrznoucí kapaliny v zemním kolektoru.
Z teplot, průtoku a odběru elektrické energie vypočítávám COP, který se pohybuje od cca 4 do 3,25. Z dlouhodobého hlediska (asi 100 provozních hodin kompresoru) je COP 3,4. Výsledek to není zase tak špatný – z 1 kWh elektrické energie vygeneruji 3,4 kWh tepla.

Měřil jsem a stále doměřuji hodnoty tepelného čerpadla a snažím se o drobné optimalizace. Nicméně, do zařízení nelze příliš zasahovat – hlavní nastavení je na EEV.

Níže jsou grafy, které jsem vygeneroval z dat, které je možné z TČ a řídícího systému stáhnout.

Nejdůležitější graf z pohledu běžného uživatele bez jakýchkoliv technických věcí – reálná úspora elektřiny proti elektrokotli, se kterým jsme topili předtím. Graf znázorňuje odběr celé domácnosti od čtvrtka do středy další týden. Celý zobrazený týden kolovaly cca stejné teploty, spíše se ochlazovalo.
Čtvrtek (Thu) a pátek (Fri) se ze 100 % topilo elektrokotlem. V sobotu (Sat) jsem zkoušel první provoz čistě v manuálním režimu. V neděli (Sun) se tepelko spustilo na cca půl dne – chtěl jsem to mít pod kontrolou. Od pondělí (Mon + Tue) už se fungovalo v ostrém provozu. Středa (Wed) je nekompletní den, takže tento sloupec nemá v grafu význam.

Je zde znatelný pokles spotřeby. Každý den je cca 10 kWh spotřeba domácnosti bez topení (vaření, praní, svícení, …). Zbylá spotřeba je na topení – ve čtvrtek to vychází na cca 35 kWh, v pondělí na 15 kWh. Vnitřní teplota nastavena na 22 °C, venkovní pod bodem mrazu a klesala. Tou dobou jsem ještě neměl dodělanou funkcí hlídání HDO – je tedy vidět větší spotřeba ve vysokém tarifu (tmavší spodní část grafu).

 

Další graf znázorňuje venkovní teplotu vs. spotřebu tepelného čerpadla. Vnitřní teplota je stále držena na 22 °C. Venkovní teplota se měří jednou za minutu a průměrují se hodnoty vždy za 24 hodin. Jeden sloupec teplot i spotřeby je vždy od půlnoci do půlnoci
Každopádně, zejména na únorovém grafu (7. 2. 2023) jde vidět kopírování propadu venkovní teploty zvýšenou spotřebou topení – nízká teplota = větší spotřeba. Největší denní spotřeba v únoru byla 24,27 kWh, největší denní spotřeba v březnu byla 22,59 kWh. To bylo ale pouze jeden den, kdy se prudce ochladilo. Jiné dny je maximum do 20 kWh.

 

Na třetím grafu je dvoudenní provoz domu, kdy je průměrná venkovní teplota cca -2 °C. Není to záznam pouze z TČ, ale topení jako celku.

V horní části grafu je vývoj teploty v 1000 l akumulační nádrži. Jde vidět rozložení teploty – v dva metry vysoké nádrži není problém mezi horní a dolní částí dosáhnout rozdílu teplot přes 10 °C. Průměrná teplota je naznačena modrou křivkou.

Další část grafu zobrazuje venkovní teplotu a trend změny teploty v nádrži. Každou minutu je zaznamenána průměrná teplota v nádrži. Vyhodnocuje se aktuální náměr a náměr 5 minut starý. Ten se vynásobí 12 (60 minut / 5 minutový interval = 12) a zapíše do grafu. Hodnota je pouze přibližná, protože kvůli rozdílu teplot v nádrži nelze průměrnou teplotu definovat pouze jako průměr tří měřených teplot (měřím skoro dole, nad prostředkem nádrže a úplně nahoře). Ale pro představu to stačí.
Ze stejného důvodu je nárůst teploty při spuštěném TČ takový „špičatý“. Po spuštění se zahřívá místo nádrže, kde je čidlo teploty. Teplá voda ale postupně putuje směrem dolu k nádrži, kde není žádné čidlo. Proto hodnota přírůstku teploty klesne. Až se teplá voda dostane na spodní část nádrže, průměr hodnot opět stoupá.

Vnitřní teplota je na začátku ovlivněna slunným dnem (vyhřál se interiér) a absencí kompenzace teploty topné vody od vnitřního měření teploty. Tuto funkci jsem během tvorby grafu ještě neměl implementovanou.

Červená a černá křivka je požadovaná a skutečná teplota do podlahy. Je zde přímá závislost na venkovní teplotě + několik druhů útlumu (skoky v grafu). Na regulaci nepoužívám PID regulátor, ale vlastní algoritmus, který má omezený počet akčních zásahů do regulace – je to kvůli zjednodušení nastavení a zvýšení životnosti relé a 3cestného ventilu.

Zelený graf ukazuje elektrický příkon tepelného čerpadla. Na začátku je vždy vidět drobný zub, kdy se spínají pouze čerpadla a čeká se na start kompresoru. Se vzrůstající teplotou topné vody stoupá i příkon tepelného čerpadla – chladivo se hůře stlačuje, kompresor více tlakuje a tím pádem i má vyšší příkon. Všimněte si tvaru grafu příkonu TČ a spodní teploty nádrže, tedy vody, která jde do výměníku (4. křivka od shora – žlutá).

V dolní části je vidět signál HDO. Tepelné čerpadlo je blokováno tímto signálem. Ale je zde potřeba dodržet nějaké minimální doby běhu. TČ se tedy spustí pouze pokud je signál HDO přítomný a pokud už se spustí, je HDO signál 20 minut simulován. Odeznění signálu HDO na grafu 2x odstavilo tepelné čerpadlo z provozu (2. a 6. spuštění).

Poslední graf ukazuje záznam teplot přímo z tepelného čerpadla. Ještě před spuštěním samotného topení je nahřívána olejová náplň kompresoru (křivka Teplota kompresoru). Nahřívání začíná, pokud se teplota topné vody přiblíží požadavku topení. Pokud je požadavek do podlahy třeba 25 °C, start nahřívání začíná při teplotě topné vody 27 °C a start TČ při 26 °C. Nahřívání je omezeno maximální teplotou pláště kompresoru 35 °C. Proto je křivka nahřívání taková zubatá.

Po startu se teploty v jednotlivých částech TČ prudce změní…

První červená a druhá zelená křivka ukazuje teplotu topné vody. Zelená do a červená z TČ. To je ten rozdíl teplot, kterou tepelko vyrábí. To je to, oč tu běží. Rozdíl teplot je vykreslen na druhé křivce od spodu (zelené). Při spuštění tedy TČ ohřívá topnou vodu o 6,6 °C, na konci o 6,3 °C.

Třetí světle zelená a čtvrtá modrá křivka ukazuje teploty z/do zemního kolektoru. Kapalina z kolektoru má cca 6 °C a zpět 2,5 °C. To je ten rozdíl teplot ze kterého se čerpá „teplo zdarma“. Samotná diference je na třetí křivce od spodu (červená). Kapalina v kolektoru se ochlazuje na začátku o -3,3 °C a na konci o 2,8 °C.

Další dvě křivky (tmavě modrá a fialová) zobrazují teploty na sání a výtlaku kompresoru. Plynné chladivo o teplotě cca 1 °C je kompresorem stlačeno. Jeho teplota se stlačením zvýší na 63 °C (na začátku) až 86 °C. Teplotu výtlačného potrubí je možné zavést do poruchové signalizace. Při příliš vysoké teplotě je možné kompresor odstavit.

Příkon, tedy spotřeba elektrické energie (černá) se měří elektroměrem. Výstupní výkon (modrá) se vypočítává kalorimetrickou rovnicí z diference teploty topné vody, průtoku a typu ohřívaného média. Jednoduchým vydělením těchto dvou hodnot se vypočítá topný faktor, tedy COP (dolní žlutá křivka). Na začátku je COP = 4 a na konci COP = 3,1. Hodnoty závisí na konkrétních teplotách – bude se to tedy lišit s teplotou topné vody i teploty ze zemního kolektoru (začátek/konec topné sezóny).

Průměrný COP tohoto tepelného čerpadla (měření po dobu desítek hodin běhu kompresoru) je cca 3,4.