Wiener Neudorf, dne 6.12.2003 Verze č.: B/00610c/05/02
Doplněk k tepelně technickému znaleckému posudku z 6.5.2002 o stupni využití tepelného čerpadla vzduch-vzduch výrobek „Nilan", typ VP 18 K tepelnému čerpadlu popsanému v mém znaleckém posudku z 6.5.2002, výrobek „Nilan", typ VP 18, jsou nyní k dispozici aktualizovaná naměřená data od TÜV Süddeutschland (Jižní Německo) (zkušební zpráva 064 WRG) v Mnichově, která se týkají výkonnostních čísel v závislosti na teplotě. Na základě těchto dat byl můj znalecký posudek z 6.5.2002 znovu přepracován, abychom došli k aktuální hodnotě stupně využití pro výpočet energetické charakteristiky ve smyslu zákona o podpoře bytové výstavby Dolního Rakouska. Zkouška TÜV Süddeutschland byla provedena pro 3 stupně ventilátoru, přičemž podle udělení zakázky pro mne měl být propočten stupeň využití pro stupně ventilátoru 1 a 2.
1. ZADANÁ DATA: Pro výpočet jsou k dispozici podle zkušební zprávy TÜV Süddeutschland následující data:
1
Výrobek tepelné čerpadlo: Typ:
NILAN VP18
Stupeň ventilátorů 1: Elektrický příkon (bez ventilátorů): při venkovní teplotě při venkovní teplotě při venkovní teplotě
-2,9°C: +3,9°C: +10,0°C:
461 W 478 W 540 W
Průtokové množství venkovního vzduchu: při venkovní teplotě -2,9°C: při venkovní teplotě +3,9°C: při venkovní teplotě +10,0°C: Pokojová teplota:
88 m 3/h 91 m 3/h 95 m 3/h
21 °C
Výkonnostní čísla tepelného čerpadla: při venkovní teplotě -2,9°C: 2,4 při venkovní teplotě +3,9°C: 2,1 při venkovní teplotě +10,0°C: 2,0 Elektrický účinný výkon přívodního ventilátoru 9,4 W (průměr). Stupeň ventilátorů 2: Elektrický. příkon (bez ventilátorů): při venkovní teplotě -3,1°C: při venkovní teplotě +3,9°C: při venkovní teplotě +10,1°C:
477 W 507 W 550 W
Průtokové množství venkovního vzduchu: při venkovní teplotě -3,1°C: 132 m 3/h při venkovní teplotě +3,9°C: 139 m 3/h při venkovní teplotě +10,1°C: 142 m 3/h Pokojová teplota: 21 °C
2
Výkonnostní čísla tepelného čerpadla: při venkovní teplotě -3,1°C: 3,1 při venkovní teplotě +3,9°C: 2,6 při venkovní teplotě +10,1°C: 2,6 Elektrický účinný výkon přívodního ventilátoru 14,2 W (průměr)
Při výpočtu se vycházelo z toho, že předmětným tepelným čerpadlem vzduch-vzduch bude pokryta pouze tepelná ztráta větráním. K pokrytí tepelné ztráty prostupem je k dispozici vlastní ústřední topení na teplou vodu. Pouze pro ta časová období v přechodné době, když tepelné čerpadlo přivádí do proudu přiváděného vzduchu více tepla, než je potřebné k pokrytí tepelné ztráty větráním, se vychází z toho, že ústřední topení na teplou vodu je tlumeno a nákladově příznivé přebytečné teplo přiváděné přívodnímu vzduchu se používá také k částečnému pokrytí tepelných ztrát prostupem. 2. VÝPOČET: Výkonnostní bilance tepelného čerpadla pro jakýkoliv okamžik se znázorní následovně: (1)
Pi +W-WV = P2 Pi ....... tepelný výkon odebraný proudu odpadního vzduchu W.........elektrický výkon přiváděný kompresoru tepelnému čerpadla W v.... ztráty tepelného čerpadla směrem ven P2 ........tepelný výkon přiváděný k proudu přiváděného vzduchu
Ukazatel výkonu tepelného čerpadla je definován jako poměr výkonu odevzdaného na kondensátoru k elektricky přiváděnému výkonu: (2)
ε = P2/W
Z toho vychází tepelný výkon odevzdaný v proudu přívodního vzduchu: (3)
P2=8-W
Lze vycházet z toho, že hodnoty pro ε uváděné výrobcem již obsahují ztráty tepelného čerpadla. Proto může být propočítán tepelný výkon odevzdaný v proudu přívodního vzduchu bezprostředně podle výše uvedené rovnice.Abychom obdrželi „celkový stupeň využití" ην.ges tepelného čerpadla (ve smyslu veličiny ην, která je označena v "Základech ke zjišťování elektrických charakteristik v modelu čerpání EH/KLASNEU+MH/MHAS-NEU v Dolním Rakousku" str.14 předposlední odstavec jako „stupeň využití") s ohledem na tepelný výkon zpětně získaný z proudu odpadního vzduchu, musí být tento výkon nejdříve porovnán s celkovým tepelným výkonem, který je potřebný, aby se ohřál venkovní vzduch o právě panující teplotě na požadovanou teplotu vnitřního vzduchu: 3
θι = 21°C : (4)
ην.ges = P2/[V.c.(θ1- θa)] = ε .W/[V.c.(θ1- θa)] V ..... průtokový proud venkovního vzduchu (m3/s) c ..... specifické teplo vzduchu (c = 1212 J/m3K) θ1 .... teplota vnitřního vzduchu θa ..... příslušná teplota venkovního vzduchu
Tento stupeň celkového využití není ovšem ještě identický se stupněm využití podle výše citovaného "Základu ke zjišťování energetických charakteristik", protože obsahuje také tepelný výkon W, který musí být přiveden ve formě elektrického výkonu do kompresoru tepelného čerpadla, stejně jako elektrický účinný výkon ventilátoru přiváděného vzduchu Wvent. Oba uvedené elektrické výkonnostní podíly musí být zaplaceny a nelze je proto přiřadit k tepelnému výkonu zpětně získanému z proudu odpadního vzduchu. Abychom nyní dostali skutečný stupeň využití, čistě vymezený na zpětně získaný a proto bezplatný tepelný výkon, musí být odečteny elektricky přiváděné podíly tepelného výkonu W a W vent od tepelného výkonu přiváděného k proudu přiváděného vzduchu. Takto se obdrží při použití rovnice (4) „očištěný stupeň využití " ην následovně: (5)
ην = (P2 - W - Wvent)/[V.c.(θ1- θa) ] = (ε.W - W - Wvent)/[V.c.( θ1- θa)]
Tepelné čerpadlo NILAN VP18 má dva kondensátory. Přes první kondensátor se připravuje v předem zapojeném zásobníku teplé vody teplá užitková voda. Druhý kondensátor slouží potom k ohřívání proudu přiváděného vzduchu. Pokud bereme pro průměrnou domácnost se 4 osobami denní spotřebu teplé vody 160 litů (55°C), potom se vypočte denní energetická potřeba pro ohřívání teplé užitkové vody z 10°C na 55°C následovně: (6)
Qww = 160 kg . 4,190 kJ/kgK . 45 K = 30168 kJ = 8,38 kWh
Pokud se tato energetická potřeba rozdělí početně rovnoměrně na 24 hodin během dne, potom se obdrží tepelný výkon potřebný pro přípravu teplé vody Pww = 0,349 kW nebo 349 W. Jak lze rozpoznat z druhého sloupce následujících tabulek, je tato hodnota stále menší než elektricky přiváděný výkon. To znamená, že výkon pro přípravu teplé vody je stále plně pokryt elektricky přiváděným výkonem. Tento elektricky přiváděný výkon se ale při propočtu "očištěného stupně využití" stejně odečítá. Výkon pro úpravu teplé vody se nemusí takto brát již dále v úvahu pro další výpočet podle rovnice (5), ve které se počítá nyní už s tepelným výkonem odebraným skutečně z proudu odpadního vzduchu a nikoliv s elektricky přiváděným výkonem. WeissFriedGutachtWP18neu
Strana 4
4
Kvůli stále narůstajícímu tepelnému rozdílu z důvodu klesající teploty venkovního vzduchu mezi kondensátorem tepelného čerpadla a přitékajícím studeném vnějším vzduchem odevzdává kondensátor stále větší tepelný výkon proudu vzduchu, proto je výkonnostní číslo ε tím větší, čím je nižší venkovní teplota. To vychází také z naměřených dat TÜV Süddeutschland. Na druhé straně je ale množství tepla potřebné k ohřívání proudu venkovního vzduchu tím větší, čím je nižší venkovní teplota. Z těchto dvou důvodů je závislý také stupeň využití ην na venkovní teplotě vzduchu. V následujících tabulkách jsou vypočteny hodnoty pro celkový stupeň využití ην.ges a pro očištěný stupeň využití ην podle výše uvedených vzorců pro teploty venkovního vzduchu od -12°C do +12°C ( to odpovídá přibližně teplotám během topné sezóny). Hodnoty pro průtokové množství venkovního vzduchu, elektrický příkon a výkonnostní čísla byly pro jednotlivé teploty lineárně interpolovány resp. extrapolovány z hodnot naměřených v TÜV Süddeutschland. Hodnoty nad 100% při celkovém stupni využití znamenají, že nadbytečný tepelný výkon nad 100 % (který zde samozřejmě obsahuje ještě elektricky přiváděný a proto placený výkon) může být v předmětném případě tepelného čerpadla NILAN VP18 použit k úpravě teplé vody v zásobníku, stejně jako k pokrytí tepelné ztráty prostupem. Abychom početně zachytili, jaký podíl tepelného výkonu dodávaného z tepelného čerpadla na proud přiváděného vzduchu skutečně zbývá k pokrytí ztrát prostupem místnosti, musí být nejdříve propočten „redukovaný stupeň celkového využití " ην.ges.red, u kterého je odečten výkon pro úpravu teplé vody: (7)
ην.ges.red = (ε.W - Pww)/[V.c.( θ1- θa)]
Podíl tohoto "redukovaného stupně celkového využití" přesahující 100% teče nyní do částečného pokrytí tepelné ztráty budovy prostupem. Pokud se vyjde z toho, že u dobře tepelně izolované stavby jsou tepelné ztráty prostupem a tepelné ztráty větráním přibližně stejně velké, potom lze rozeznat v následujících tabulkách ze sloupce "redukovaný stupeň celkového využití" ην.ges.red,, že u stupně ventilátoru 1 může být použito nadbytečné teplo až k maximální venkovní teplotě +8°C a u stupn ě ventilátoru 2 rovněž do +8°C ješt ě plně skutečně k pokrytí tepelných ztrát vzniklých prostupem a nemusí být větráno pryč - redukovaný stupeň celkového využití je potom <200%, nadbytečné teplo <100% tepelných ztrát větráním. Prvních 100 % se potom využije k pokrytí tepelných ztrát větráním, nadto přesahující nadměrné teplo o maximální hodnotě 100% tepelných ztrát větráním k pokrytí tepelných ztrát prostupem, které jsou brány s maximálně 100 % tepelných ztrát větráním, jak je znázorněno výše.
5
Je-li "redukovaný celkový stupeň využití" ην.ges.red, ovšem větší než 200 %, potom zbývá podle výše popsaného předpokladu o rozdělení tepelných ztrát prostupem a větráním více nadbytečného tepla, než může být použito k pokrytí tepelných ztrát prostupem. V praxi to znamená, že tepelné čerpadlo je v provozu jen časově omezeně k těmto časům v důsledku regulace a že nadbytečné teplo se odvětrává ven. "Redukovaný celkový stupeň využití" ην.ges.red, musí být "pokryt" pro další výpočet s 200 %. V těchto případech musí být potom "očištěný stupeň využití" ην propočten z pokrytých, tzn. na 200% korigovaných hodnot "redukovaného celkového stupně využití" ην.ges.red,korr. Úpravou rovnice (5) se obdrží při respektování rovnice (7): (8)
ην = (ε . W - Pww)/[V.c.(θ1- θa) ] = (W + Wvent - Pww)/[V.c.( θ1- θa)] = = ην.ges.red, · (W + Wvent - Pww)/[V.c.( θ1- θa)]
V případě "zakrývání" se potom nahradí první term (energetický stav) korigovaným "redukovaným celkovým stupněm využití" ην ,ges,red,korr.: (9)
ην=
ην ,ges,red,korr
(w + + Wvent - Pww)/[V.c.( θ1- θa)]
V následujících tabulkách je proto znázorněna pro venkovní teploty od -12°C do +12°C také veličina "redukovaný stupeň využití" ην.ges.red,. Hodnoty, u kterých se předpokládá "zakrývání" "redukovaného celkového stupně využití" na 200%, a "očištěný stupeň využití" ην byl propočten ze "zakrytého" redukovaného celkového stupně využití podle rovnice (9), jsou v tabulce znázorněny kurzívou.
6
Stupeň ventilátoru 1: Venkovní teplota
Elektr. výkon
(°C)
(W)
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
438 443 448 453 458 463 468 473 479 499 519 540 551
Množství Výkonnostní proud. vzduchu číslo 3 (rn /h) (-)
84,0 84,9 85,8 86,6 87,5 88,4 89,3 90,1 91,0 92,3 93,6 95,0 96,4
2,80 2,71 2,63 2,54 2,45 2,36 2,27 2,18 2,10 2,07 2,04 2,00 1.96
ην.ges
ην.ges.red
ην
(%)
(%)
(%)
131,41 135,49 140,65 146,17 152,36 159,63 168,27 178,91 193.14 221,60 258,45 306,98 369,73
94,02 96,10 98,99 101,83 104,98 108,64 112,99 118,36 126,13 146,73 173,26 200,00 200,00
83,47 84,43 86,05 87,43 88,90 90,62 92,65 95,21 99,36 112,53 129,46 143,04 127,63
Stupeň ventilátoru 2: Venkovní teplota <°C)
Elektr. výkon
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
441 449 457 465 473 480 488 497 506 520 535 550 565
(W)
Množství Výkonnostní proud. vzduchu číslo 3 (m /h) Í-)
123,0 125,0 127,0 129,0 131,0 133,0 135,0 137,0 139,0 140,0 141,0 142,0 143,0
3,74 3,60 3,46 3,32 3,18 3,04 2,89 2,74 2,60 2,60 2,60 2,60 2,60
ην.ges
ην.ges.red
ην
(%)
(%)
ί%)
120,70 123,90 127,52 131,66 136,42 141,69 147,76 155,39 165,37 191,23 225,41 271,93 339,03
95,16 97,15 99,38 101,89 104,77 107,80 111,20 115,57 121,50 141,87 168,85 200,00 200,00
87,74 88,76 89,91 91,20 92,67 94,17 95,65 97,61 100,59 116,35 137,19 159,99 147,98
7
K výpočtu průměrného stupně využití se musí pro všechny teploty vypočítat stupeň využití a určit průměr přes rozdělení četností teploty pro referenční pracoviště v Tattendorfu. Protože podle výše uvedeného výpočtu je venkovní teplota ve jmenovateli rovnice pro očištěný stupeň využití, není tudíž dán žádný lineární vztah mezi stupněm využití a venkovní teplotou, není aritmeticky přípustné vytvořit průměr již při venkovní teplotě a potom vypočítat stupeň využití pro průměrnou venkovní teplotu. Tento výsledek by se potom trochu odchyloval od skutečného výsledku, zjištěného váženým průměrem rozdělení četností teploty přes stupně využití. Abychom obdrželi pokud možno co nejpřesnější výsledek, bylo s ohledem na rozdělení četností teploty pro pracoviště Vídeň /Hohe Warte vygenerováno z Rakouského katalogu klimatických dat (viz příloha k mému znaleckému posudku z 2.7.2002) rozdělení četností teploty, které dává průměrnou hodnotu teploty cca 3,56°C, jak se udává dále ve výše citovaném Návodu k výpočtu energetických charakteristik pro referenční pracoviště v Tattendorfu. S tímto teplotním rozdělením byly porovnány v předchozí tabulce vypočtené očištěné stupně využití a z toho byl spočítán "průměrný očištěný stupeň využití" pro celou topnou sezónu:
8
Stupeň ventilátorů 1: Teplota Faktor venkovníh hodnocení o vzduchu (°C)
-12,0 -10,0 -8.0 -6,0 -4.0 -2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 Součty
0,1 0,3 0,6 1,2 1,9 2,6 3,1 3,5 3,7 3,6 3,4 3,2 2,8 30,0
Průměrná teplota během topné sezóny (°C)
Teplota venkovního vzduchu x faktor hodnocení -1.2 -3,0 -4,8 -7.2 -7.6 -5,2 0,0 7,0 14,8 21.6 27,2 32,0 33,6 107,2
3,573
Očištěný stupeň využití
83,47% 84,43% 86,05% 87,43% 88,90% 90,62% 92,65% 95,21% 99,36% 112,53% 129,46% 143,04% 127,63%
Očištěný stupeň využití x faktor hodnocení 8,35% 25,33% 51,63% 104,92% 168,91% 235,61% 287,22% 333,24% 367,63% 405,11% 440,16% 457,73% 357,36% 3243,19%
Průměrný očištěný stupeň využití po topnou sezónu
108,11%
9
Stupeň ventilátoru 2:
Teplota Faktor venkovníh hodnocení o vzduchu (°C)
12,0 -10,0 -8,0 6.0 -4,0 -2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 Součty:
Teplota venkovního vzduchu x faktor hodnocení
0.1 0,3 0,6 1,2 1,9 2,6 3,1 3,5 3,7 3.6 3,4 3,2 2,8
-1.2 -3,0 -4,8 -7,2 -7,6 -5,2 0,0 7,0 14,8 21,6 27,2 32,0 33,6
30,0
107,2
Průměrná teplota během topné sezóny (°C)
3,573
Očištěný stupeň využití
87,74% 88,76% 89,91% 91,20% 92.67% 94,17% 95,65% 97,61% 100,59% 116,35% 137,19% 159,99% 147,98%
Očištěný stupeň využití x faktor hodnocení 8.//% 26,63% 53,95% 109,44% 176,07% 244,84% 296,52% 341,64% 372,18% 418,86% 466,45% 511,97% 414,34% 3441,65%
Průměrný očištěný stupeň využití po topnou sezónu
114,72%
10
Zde zvolené rozdělení četností je již znázorněno graficky v mém posudku z 2.7.2002, jakož i v následujícím obrázku. Jak lze vyčíst z tohoto znaleckého posudku, souhlasí tvar v rámci mezních tolerancí s tvarem rozdělení četností teploty, který je znázorněn v příloze uvedeného znaleckého posudku z Rakouského katalogu klimatických dat pro pracoviště Vídeň/Hohe Warte.
Faktor hodnocení
Rozdělení četností teploty během topné sezóny
Teplota (°C)
11
Pro vážený průměr teploty se obdrží podle tabulky: 0a,mittl = 107,2 / 30,0 = 3,573°C Toto souhlasí s průměrnou teplotou podle Návodu pro výpočet energetických charakteristik pro referenční pracoviště v Tattendorfu (3,56°C). Pro průměrný očištěný stupeň využití se obdrží potom podle tabulky: Stupeň ventilátoru 1: Stupeň ventilátoru 2:
ην.mittl = 3243,19 / 30,0 = 108,11% ην.mittl = 3441,65 / 30,0 = 114,72%
4. SHRNUTÍ: Při použití naměřených hodnot z TÜV Süddeutschland (zkušební zpráva 064 WRG) byl propočten průměrný "očištěný stupeň využití" pro stupně ventilátoru 1 a 2 během období topné sezóny pro výše popsané tepelné čerpadlo NILAN VP18 a referenční pracoviště v Tattendorfu (podle dolnorakouského zákona o podpoře bytové výstavby). Je to onen podíl (v %) energie potřebné k ohřátí přiváděného proudu venkovního vzduchu na pokojovou teplotu, který může být zpětně získán tepelným čerpadlem z odpadního vzduchu a přiváděn do přiváděného vzduchu. U energie přiváděné k proudu přiváděného vzduchu bylo bráno v úvahu pouze teplo skutečně odebrané proudu odpadního vzduchu. Elektricky přiváděná energie, která byla přece rovněž přivedena k proudu přiváděného vzduchu (s odpočtením ztrát v samotném tepelném čerpadle), byla odečtena předem od celkové energie přiváděné k proudu přiváděného vzduchu a při výpočtu stupně využití nebyla započtena. Takto vypočtený "očištěný stupeň využití" zachycuje skutečně pouze zpětně získanou bezplatnou energii z proudu odpadního vzduchu. Ukázalo se, že ve velkých úsecích topné sezóny dodává tepelné čerpadlo více tepla, než je potřebné k ohřívání proudu přiváděného vzduchu. V těchto dobách nemůže ohřívat tepelné čerpadlo pouze proud přiváděného vzduchu, nýbrž pokrývá také částečně nebo celkově tepelné ztráty budovy prostupem. Pro výpočet byl vzat v úvahu předpoklad, že ztráty prostupem jsou přibližně stejně vysoké jako tepelné ztráty větráním. Pokud překračuje nadměrné teplo dodávané z tepelného čerpadla také tyto uvažované tepelné ztráty prostupem, potom nebylo bráno v úvahu pro toto období přesahující nadměrné teplo v rámci výpočtu "očištěného stupně využití", protože se vychází z předpokladu, že tepelné čerpadlo je v těchto časových obdobích dočasně odpojeno regulačním zařízením. Protože mezi očištěným stupněm využití a příslušnou venkovní teplotou neexistuje žádný lineární vztah, není aritmeticky přípustné vytvářet pro výpočet průměrného stupně využití nejdříve průměrnou venkovní teplotu a s ní potom počítat stupeň využití. Správněji musí být propočítán vážený průměr přes rozdělení četností teploty pro vypočtené stupně využití všech teplotních tříd. Ve výše uvedených výpočtech toto bylo provedeno, přičemž pro rozdělení četností teploty referenčního pracoviště v Tattendorfu byla vygenerována křivka rozdělení, která byla srovnána ve tvaru s tvarem rozdělení četností teploty pro pracoviště Vídeň/Hohe Warte (podle Rakouského katalogu klimatických dat) a tato křivka poskytuje jako vážený průměr teplot během topné sezony přibližně hodnotu 3,56°C, udávanou pro Tattendorf podle Návodu pro výpočet energetických charakteristik. Takto se obdrží průměrný očištěný stupeň využití v topné sezóně 108,11% pro stupeň ventilátoru 1 a 114,72% pro stupeň ventilátoru 2. Hodnota nad 100% znamená, že se odebere z proudu odpadního vzduchu tepelným čerpadlem v průměru více tepla během celé 12
topné sezóny o 8,11% (stupeň ventilátoru 1), resp. o 14,72% (stupeň ventilátoru 2) a toto teplo je opět přiváděno jako zpětně získané teplo k proudu přiváděného vzduchu (bez započteného elektricky přiváděného podílu energie), než je skutečně potřebné k ohřívání proudu venkovního vzduchu z venkovní teploty na vnitřní pokojovou teplotu. Tento bezplatný přebytek tepla odebraného z proudu odpadního vzduchu pokryje část tepelných ztrát prostupem. Dodatečně se přivádí tepelnému čerpadlu elektricky přiváděná energie rovněž ve formě tepla k proudu přiváděného vzduchu a přispívá tímto rovněž k částečnému pokrytí tepelných ztrát prostupem, jakož i k úplnému pokrytí výkonu potřebného pro přípravu teplé užitkové vody. Protože podle toho může být kompletní teplo potřebné k ohřívání proudu přívodního vzduchu odebíráno bez započítání elektricky přiváděné energie proudu odpadního vzduchu, jde z toho správně dosadit "stupeň využití tepelného čerpadla" ve smyslu dolnorakouského zákona o podpoře bytové výstavby pro výpočet energetické charakteristiky při použití kontrolovaného větrání bytu s tepelnými regulačními zařízeními s hodnotou ην - 100% Toto platí jak pro stupeň ventilátoru 1, tak i pro stupeň ventilátoru 2. Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch je takto v průměru během topné sezóny stejně kvalitní jako běžný výměník tepla s úplnou rekuperací tepla. S tímto předpokladem získáváme výhodu, protože tepelné čerpadlo dodává dodatečně teplo z proudu odpadního vzduchu k částečnému pokrytí tepelných ztrát prostupem a takto ještě dále snižuje náklady na topnou energii v systému ústředního topení s teplou vodou. S přátelskými pozdravy:
13
