Pár výpočtů a měření k TČ zem-voda

Topení jsme původně počítali na zateplený dům a měl jsem velké obavy, že radiátory počítané na uhelný kotel (90/70°C) výkon z TČ nepřenesou. Samosřejmě není to tak, že by to z principu nefungovalo, ale že třeba ve velkých mrazech budeme muset přitápět v kamnech. Tepelnou ztrátu domu podstatně snížila výměna oken a trochu pomohl i polystyrén na stropech v nevytápěném technickém přízemí. To taky byla jediná izolace, kterou jsme zvládli udělat svépomocí, poměrně rychle za cenu polystyrénu a pěny. Tepelné ztráty jsem pro všechny varianty počítal, takže až na ty radiátory jsme věděli, do čeho jdeme. Nakonec jsme si řekli, že to první zimu zkusíme bez zateplení domu a uvidíme. Ono taky nainstalovat TČ na začátku listopadu, to je člověk rád že vůbec topí, to už se toho před zimou moc nezařídí.

Na zateplený dům s tepelnou ztrátou 8 KW byl také dimenzovaný vrt. Ten byl sice počítaný na 10 KW, ale jen proto, že nám připočítali další 2 KW na ohřev vody. Vodu tepelným čerpadlem neohříváme, i když bojler byl původně připojený na topení. Bylo by potřeba k bojleru tahat zvlášť trubky a starý bojler má také příliš malou plochu výměníku.

Dimenzování vrtu také nemůže být přesné. Pokud se v dané oblasti ještě nevrtalo, nikdo přesně neví, co se skrývá pod povrchem. I to, jestli vrt, nebo plošný zemní kolektor ještě vyhovuje, je relativní. Čím je zatížení větší, tím jsou teploty nižší a je i horší topný faktor. Jde o to, co ještě jsme schopni akceptovat.

Expanzka

Některé informace se skutečně shánějí těžko. Potřeboval jsem vědět, jakou velikost expanzky potřebuju pro primární okruh. Sháněl jsem informace o teplotní roztažnosti vody s gerofrostem (jsou v technickém listu) a snažil jsem se dopočítat, jakým tlakem je optimální expanzku natlakovat. Pro gerofrost v koncentraci 33% a rozdíl teplot -10 až +20 je dilatace 1:1,0126, pro 200 l je to rozdíl 2,5 l. V TČ je trubkový výměník, stejný jako v TČ voda-voda. Snese maximálně 1,5 baru, počítal s max. 1 barem. Zvolil jsem tlak v polovině tohoto rozsahu, tedy 0,5 baru. Aby epanzka fungovala od nuly, je potřeba z ní vzduch úplně vypustit.

Zvolil jsem expanzku 18 litrů, při rozdílu tlaku 0-1 bar by měla mít rozdíl objemu 9 litrů. Pro požadovaných 2,5 litru vychází rozdíl tlaku 0,28 baru. Jenže praxe byla nakonec úplně jiná. Manometr ukazuje nezávisle na teplotě stále stejný tlak a dokonce při nižší teplotě bylo možné pozorovat nárůst tlaku asi o 0,5 dílku. Možné vysvětlení? Teplotou se neroztahuje jen voda (gerofrost), ale i PEx trubky. Expanzka klidně stačila poloviční a možná ještě menší.

Důležité je uvědomit si, jak mají být jednotlivé prvky primárního okruhu řazené za sebou. Předpokládal jsem, že když se za čerpadlem vytvoří přetlak, bude před ním podtlak. Jenže tak to nefunguje. Záleží na tom, kde je připojená expanzka. Expanzka vyrovnává tlak v místě, kde je připojena a vyrovnává ho vzhledem k malému rozdílu objemu přesně. Takže jsem dal pořadí: expanzka, čerpadlo, výměník TČ. Čerpadlo je na tom teplejším konci a neobaluje se tolik ledem, jako trubky za TČ. Nehrozí ani, že by se při větším výkonu čerpadla na jeho vstupu snižoval tlak a že by vznikala kavitace. Ve výměníku TČ sice při max. výkonu čerpadla narůstá tlak až na 1 bar, ale s tím se počítá. Mám na obou koncích manometry a vidím, jaký tlakový rozdíl čerpadlo dělá.

Tlaková ztráta primárního okruhu

Je přece jen lepší si to spočítat, než to nějak odhadovat a pak se třeba divit. Takže v principu podobný výpočet, jako jsem uváděl v 1. části u mého TČ. Zase kvadratická závislost tlakové ztráty na průtoku, součet všech ztrát co tam jsou a proti tomu charakteristika námi zvoleného čerpadla. V tomto případě je čerpadlo řízené, z TČ dostává signál 1-10V a řídí se na konstantní teplotní spád na výměníku. Ten je z výroby nastavený na 5 stupňů a kdybychom si s tím dali tu práci a udělali výpočet, co mám v první části, ten teplotní spád by se dal optimalizovat a případně nastavit jiný. Ale přínos to nejspíš bude mít zanedbatelný.

Tlakovou ztrátu topného okruhu jsem nepočítal, ale vzhledem k tomu, že je to původně samotížný systém, je velmi malá. V TČ je teplotní spád nastavený na 3 stupně a oběhovka jde maximálně na polovinu výkonu.

Naměřené teploty

Dále jsou uvedeny teplotní průběhy jak jsem je nasnímal tak, že jsem je opisoval, když jsem šel náhodou okolo. K automatizovanému sběru dat jsem se zatím nedostal, proto je čára dost lomená. Opisoval jsem teploty ve vrtu, teploměry jsou v hloubkách 1, 32, 72 a 112 m, venkovní teplotu a teploty z tepelného čerpadla. SI a SO primární okruh, TI a TO topný okruh. Čas na ose X je v hodinách provozu, počátek je 1.11.2020 a konec 15.2. 2021.

Na obrázku je vidět teplota radiátorů a zpátečka ve vztahu k venkovní teplotě. Nejnižší venkovní teplota byla sice jen -12°C a to jen krátkodobě, ale radiátory při tom měly nejvíc 47°C, takže topení to zvládá dobře.

Na dalším obrázku jsou teploty SI a SO, tedy vstup a výstup primárního okruhu na TČ a teploty ve čtyřech hloubkách ve vrtu zase ve vztahu k venkovní teplotě. Bohužel, měření mi skončilo 15. února, bylo by zajímavé tam mít celou topnou sezónu.

Problém je ale s vrtem. Teploty ve vrtu hlavně ze začátku poměrně rychle klesaly, ale potom se to ustálilo. Na grafu je sice vidět, že teploty šly dolů celou zimu, ale bylo to dané klesající venkovní teplotou. Vrt se nepodchlazuje tak, že by se podchlazovala hornina v jeho širším okolí, ale má velký tepelný odpor. Proto teploty ve vrtu okamžitě reagují i na krátkodobá zvýšení venkovní teploty.

Zajímavé je, že teplota v hloubce 112 metrů téměř přesně sleduje teplotu na výstupu TČ. Jako by se voda ve vrtu ohřívala jen při cestě nahoru.

Na dalším obrázku je průběh teplot ve vrtu přes léto, od 10.5.21 do 18.9.21. Teploty se dostaly téměř na stejnou hodnotu, kde začínaly před prvním spuštěním topení. Ve 32 metrech byla teplota o stupeň nižší, v 72 m o 0,5 stupně a ve 112 m byl rozdíl pod 0,1 stupně. 24.8. bylo na půl dne spuštěno oběhové čerpadlo.

V průběhu zimy jsem také několikrát zkoušel měřit teplotní odezvu vrtu. Na půl dne se topení vypnulo, zatopili jsme v kamnech a sledoval jsem teploty ve vrtu.

Spodní část vrtu se rychle ohřívá, jako by tam byl pohyb podzemní vody. V horní části, kde je suchý jílovec, se teplota mění minimálně. Zatím co tyto změny teploty v hloubce 112 m probíhají velmi rychle v řádu hodin, zvýšení teploty z 8 stupňů na 10 trvalo 500 hodin a z 10 stupňů na 11 už asi 1200 hodin (50 dní).

Regulace

Tepelné čerpadlo je vybavené PID regulátorem, který se umístí do vybrané místnosti. Regulátor řídí výkon TČ pro zajištění konstantní teploty. Nezavádí se noční útlumy, ani týdenní a jiné programy pro snižování teploty. Pro radiátory je tenhle způsob regulace optimální. Regulační zásahy, jako třeba snížení teploty přes noc, vedou k tomu, že potom pro zpětné zvýšení teploty budou radiátory muset podstatně zvýšit teplotu, což sníží topný faktor a ve výsledku stoupne (a dost podstatně) spotřeba el. energie.

Funguje to takhle. Dům má tepelnou energii naakumulovanou ve stěnách a dalších stavebních materiálech, kterých je tam třeba i 50 tun. Pokud chceme na noc snížit teplotu třeba o 2 stupně, u dobře izolovaného domu se nám to nejspíš ani nepovede, nebo se k těm 2 stupňům rozdílu přiblížíme až k ránu. Průměrné snížení teploty za celou noc (počítejme 12 hodin) je pak jen 1 stupeň a průměr za 24 hodin půl stupně. Tedy při teplotě interiéru 22°C a venkovní 0°C ušetříme, počítáno za 24 hodin, asi 2,3% tepla. Pokud pro zvýšení teploty použijeme trojnásobek výkonu, budeme místnost na původní teplotu dohřívat 4 hodiny. V případě elektrokotle, nebo spalování čehokoliv by to nebyl problém a ty dvě procenta tepla bychom ušetřili i na spotřebě energie. Pokud máme v případě tepelného čerpadla zem-voda teplotu radiátorů 30°C (tedy teplota interiéru 22°C +8), odpovídá tomu topný faktor 4 a to se ještě u TČ Spirála BW13 pohybujeme na jeho minimálním výkonu, kde už jeho COP klesá. S menším TČ, nebo i s BW13, které poběží s optimálním výkonem někde okolo 30% a bude cyklicky vypínat, by byl COP cca 4,4. Pro trojnásobek výkonu musíme radiátory ohřát na 46 stupňů (těch 22 + 3x8) a topný faktor klesne na 3,24. Tedy zatím co spotřebujeme o 2,3% tepla méně, spotřeba el. energie za tuto dobu stoupne 1,22 krát proti COP 4 (1,36x proti COP 4,4). Regulace na konstantní teplotu je tedy nejúspornější.

Já to mám doma jinak. Tepelné čerpadlo zap/vyp je levnější, než TČ s řízením výkonu a tedy pokud běží, tak s plným výkonem. Jenže mám podlahové topení, které je na tohle mnohem lepší, než radiátory. Plný výkon TČ se neprojeví výrazným okamžitým nárůstem teploty, jako u radiátorů. Anhydrit v podlaze má velkou tepelnou kapacitu a proto se ohřívá pomalu. Pro podlahové topení sice není ztráta energie při nočním snižování teploty tak výrazná, ale nejspíš se tím nic neušetří. Velká tepelná kapacita podlahy neumožňuje rychlé změny teploty a ve výsledku se též topí přibližně na konstantní teplotu.

Odhlučnění

Byla to záhada. TČ připojené měkkýma hadicema běží potichu, v technickém přízemí je betonová podlaha přímo na zemi (před 40 lety se do podlahy polystyrén nedával) a přesto je hluk z topení trochu slyšet po celém domě. Nakonec byla příčina odhalena, hluk jde z oběhovky topného okruhu. Oběhovka visí téměř přímo na železných trubkách.

Přesto že jsou trubky na tuhých podpěrách a procházejí zdmi, vibrace se přes tato místa šíří. Ale přesně takhle fungují kovové "izolátory" na kterých visí rezonanční vysokofrekvenční vedení. Stejně jako u toho vedení, kde jsou body s nulovým napětím a v těchto místech nevadí ani zkrat, i v přenosu té akustické vlny se vytvoří místa s nulovou výchylkou a síla se přes ně přenáší jen ohybově.

Pro utlumení vibrací je potřeba zatlumit trubku něčím měkkým, co by energii pohltilo a ten tlumící úsek musí být vzhledem k délce zvukové vlny dostatečně dlouhý. Našel jsem v garáži kusy úhelníku a po tom, co jsem se neúspěšně snažil sehnat pružný karosářský tmel, přilepil jsem úhelníky k trubkám butylovým tmelem. Uvnitř má údajně zůstávat tekutý a jen na povrchu vytvoří pevnější slupku. Aby se tmel časem váhou železa neproležel, máznul jsem to na koncích ještě akrylem. Funguje to opravdu dobře. Tlumení jsem dal jak na začátky obou větví, tak i na jejich konce co nejblíž radiátorům. Kus železa jsem taky pověsil hned k oběhovce, na trubku je přitažený přes samovulkanizačni pásku.