ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá klimatizací a vytápěním obytných prostor. Cílem práce je shrnout poznatky o klimatizaci a vytápění na bázi tepelných čerpadel v podobě rešeršní studie. Hlavním zdrojem informací pro teoretickou část byly odborné internetové stránky. V práci jsou shrnuty základní poznatky o tepelných čerpadlech jak ve funkci vytápěcí, tak i klimatizační jednotky. Konkrétní systémy byly staženy z reklamních podkladů od výrobce nebo přímo z internetového obchodu.
KLÍČOVÁ SLOVA Tepelné čerpadlo, klimatizační jednotka, nízkopotenciální, chladivo, split, multisplit
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem předloženou bakalářskou práci zpracoval sám s konzultační pomocí vedoucího práce. Použité literární prameny jsou uvedeny v literárních odkazech.
V Brně dne :
Podpis:
Poděkování Rád bych poděkoval Ing. Miroslavu Holému, vedoucímu mé bakalářské práce, za připomínky a čas, který věnoval mé práci.
OBSAH
1. Úvod 2. Princip činnosti jednotek s tepelnými čerpadly 2.1 Termodynamika 2.1.1 První termodynamický zákon 2.1.2 Druhý termodynamický zákon 2.1.3 Obrácený Carnotův cyklus 2.1.4 Symbolická energetická rovnice obecného tepelného stroje 2.2 Popis funkce tepelného čerpadla 2.2.1 Tepelné čerpadlo jako klimatizace 2.2.1 Bivalentní zapojení tepelného čerpadla 2.3 Topný faktor 2.4 Ekologie a hospodárnost provozu 3 Přehled typů jednotek vhodných pro byty a rodinné domy 3.1 Tepelná čerpadla 3.1.1 Systém vzduch-voda 3.1.2 Systém země-voda 3.1.3 Systém voda-voda 3.2 Klimatizační jednotky 3.2.1 Vzduchové systémy 3.2.2 Vodní klimatizační systémy 3.2.3 Chladivové klimatizační systémy 4 Jednotky a systémy na našem trhu 4.1 IVT Optima vzduch-voda 4.2 MasterTherm Boxair 4.3 HOTJET AS s bočním ventilátorem 4.4 Zibro Clima S125 4.5 LG Art Cool 4.6 YORK 5 Závěr 6 Literatura
15 17 17 17 18 19 19 20 20 21 21 23 25 25 25 26 27 28 28 30 31 35 35 37 38 39 40 40 41 43
1. ÚVOD Česká republika podepsala Kjótský protokol, jehož náplní je přimět státy světa ke snížení emisí skleníkových plynů do ovzduší. Mezi významné zdroje těchto emisí patří spalování fosilních paliv, které se mimo jiné využívá k výrobě tepelné energie pro bydlení. Z těchto důvodů je kladen zvýšený důraz na využívání obnovitelných přírodních zdrojů energie pro tyto účely. Jedním z možných východisek je aplikace tepelných čerpadel pro celoroční vytápění, klimatizaci a přípravu teplé užitkové vody v každé domácnosti. Nerostné suroviny by měly být smysluplněji využívány, než jen spáleny za účelem výroby tepelné energie. Vhodně zvolené vytápění a klimatizace obytných prostor nabývá na důležitosti nejen díky nerostným surovinám, zvyšující se ceně elektrické energie, ale také díky komfortu bydlení.
strana
15
strana
16
2. PRINCIP ČINNOSTI JEDNOTEK S TEPELNÝMI ČERPADLY 2.1 Termodynamika Tepelné čerpadlo, ostatně jako všechny tepelné stroje, funguje dle známých termodynamických zákonů. Dále jsou stručně popsány jen ty, které pomohou objasnit činnost tepelného čerpadla. 2.1.1 První termodynamický zákon Holliday [1] uvádí, že první termodynamický zákon představuje ve fyzice formulaci zákona zachování energie (energie nevzniká ani nezaniká, pouze se jedna forma mění v druhou). Celkové množství energie izolované soustavy je konstantní: ΔU = Q – W. Vnitřní energie U systému vzroste, dodá-li mu okolí teplo Q a klesne, vykoná-li systém práci W. Neboli teplo lze měnit v práci a naopak. Pro ideální plyny si uvedeme dva speciální děje, jsou to izotermický a adiabatický děj. 2.1.1.1 Izotermický děj Při izotermickém ději se vnitřní energie plynu nemění, z 1. termodynamického zákona plyne Q = W. Teplo Q dodané plynu se zcela spotřebuje na práci W vykonanou plynem při zvětšování jeho objemu (W = p . ΔV) a při stlačení (vnější práce W) odevzdá plyn do okolí získanou energii ve formě tepla Q. Izotermický děj by měl probíhat nekonečně pomalu.
Obr. 1 P‐V diagram izotermického děje, (zdroj [2])
2.1.1.2 Adiabatický děj Při adiabatickém ději plyn koná práci W na úkor své vnitřní energie ΔU, nebo opačně práce W vykonaná na plynu způsobí zvýšení vnitřní energie ΔU plynu. Z 1. Termodynamického zákona plyne ΔU = -W. Aby plyn nestihl vyměnit žádné teplo s okolím, měl by adiabatický děj probíhat nekonečně rychle.
strana
17
Obr. 2 P‐V diagram adiabatického děje, (zdroj [3])
2.1.2 Druhý termodynamický zákon Podle Pavelka [4] je druhý termodynamický zákon úzce spjat s vlastnostmi vratných a nevratných dějů. Slovní formulace např.: Teplo nemůže samovolně přecházet z tělesa o teplotě nižší na těleso o teplotě vyšší (Clausius). Není možné sestrojit periodicky pracující stroj, který by nezpůsoboval nic jiného, než že by odebíral teplo ze zásobníku a konal tomuto teplu ekvivalentní práci (Kelvin-Planck). Není možné realizovat perpetum mobile druhého řádu. 2.1.2.1 Tepelné cykly 0
Clausiův integrál
znaménko = platí pro vratný cyklus znaménko < pro cyklus nevratný 2.1.2.2 Termodynamické děje s měrná entropie [J.kg-1K-1] q měrné teplo, které vyměňuje soustava s okolím znaménko = platí pro vratný děj znaménko > pro nevratný děj Kde
2.1.2.3 Termodynamické děje v tepelně izolované soustavě 0 princip vzrůstu entropie (princip vzrůstu entropie) znaménko = platí pro vratný adiabatický děj znaménko > pro nevratný adiabatický děj
strana
18
2.1.3 Obrácený Carnotův cyklus Jak uvádí ve skriptech Úvod do strojírenství [5], tepelný cyklus je souhrn po sobě následujících dějů, po jejichž vykonání se soustava dostane do výchozího stavu. Obrácený Carnotův cyklus popisuje oběh ideálního chladícího stroje. P
V Obr. 3 P‐V diagram obráceného Carnotova cyklu, (zdroj [5])
AB – vratná izotermická expanze (přívod tepla z chlazeného prostředí) BC – vratná adiabatická komprese CD – vratná izotermická komprese (odvod tepla do okolí) DA – vratná adiabatická expanze Plocha ABCD – dodávaná práce kompresoru do cyklu Energetický efekt cyklu není vyjadřován účinností, ale pro chladící stroje definujeme: ř é é ř í 1 í í á á ý
é
á ě é á
ř
í
á
1
2.1.4 Symbolická energetická rovnice obecného tepelného stroje E1 – E2 = Q – W sumární vstupní energie systému E1 E2 sumární výstupní energie systému Q teplo sdílené s okolím sign + značí přivedené teplo z okolí do systému sign – značí odvedené teplo ze systému do okolí W práce sdílená s okolím sign + značí odvedenou práci ze systému sign – značí přivedenou práci do systému
strana
19
2.2 Popis funkce tepelného čerpadla Tepelné čerpadlo čerpá nízkopotenciální teplo z okolí (kolektor, vrt, voda, vzduch) a předává ho do otopné soustavy nejlépe s nízkým teplotním spádem (podlahové či stěnové topení). Vysoké teplotní rozdíly na vstupu a výstupu snižují celkový topný faktor soustavy.
Obr. 4 Funkce TČ, (zdroj [6])
Primárního okruh (kolektor, vrt, voda, vzduch) po dobu chodu tepelného čerpadla odnímá nízkopotenciální tepelnou energii o teplotě 2 - 4°C a předává ji přes výparník ekologickému chladivu, které cirkuluje ve vnitřním okruhu tepelného čerpadla. Ve výparníku dojde ohřevem chladiva k jeho vypařování. Páry jsou nasávány kompresorem. Chladivo v plynném stavu je stlačeno a poté vpuštěno do kondenzátoru, zde odevzdá své skupenské teplo. Zkondenzované chladivo projde expanzní tryskou do výparníku, kde skupenské teplo (při nižším tlaku a teplotě) opět přijme a odpaří se. Cyklus se neustále opakuje. Samotný chod tepelného čerpadla je řízen elektronicky na základě požadavku venkovních podmínek. 2.2.1 Tepelné čerpadlo jako klimatizace Tepelné čerpadlo lze také reverzovat, a tudíž použít jako klimatizační jednotku. U systému, kde je zdrojem nízkopotenciálního tepla země (kolektor, vrt) je tato možnost velice výhodná, poněvadž dochází k rychlejší regeneraci zdroje. Hlavním zdrojem obnovitelné nízkopotenciální energie v horninách je sluneční záření. Podle Ryšky [7] činí podíl slunečního záření na akumulaci tepla v horninách 97 – 98 %. V topné sezóně dochází k vychlazování horninového masívu, které se však při dostatečných hloubkách vrtů/ploše kolektoru stabilizuje. Během přechodného období a zvláště v létě dochází k ukládání tepelné energie do horninového masívu slunečním zářením. Přičteme-li přebytečné teplo z objektu odvedené do vrtu/kolektoru díky klimatizaci, bude docházet k rychlejší tepelné regeneraci horninového masivu, což se projeví pozitivně na topném faktoru v zimním období.
strana
20
2.2.1 Bivalentní zapojení tepelného čerpadla Podle internetového serveru Energetika [8] je pokrytí celkové tepelné ztráty domu tepelným čerpadlem velice neekonomické. Náklady se zvyšují pořízením výkonnějšího tepelného čerpadla. U systémů se zdrojem nízkopotenciálního tepla ze země se cena zvyšuje také s délkou vrtů, či plochou kolektorů. Z těchto důvodů se doplňuje systém o další tzv. špičkový zdroj, nejčastěji elektrokotel. Tento zdroj slouží i jako záloha pro případ výpadku tepelného čerpadla. Systém pak pracuje v tzv. bivalentním provozu, kdy v mrazivých dnech běží také druhý zdroj tepla. Instalovaný výkon tepelného čerpadla je v tomto provozu zpravidla kolem 60%.
2.3 Topný faktor Jak uvádí Klazar [9], hovoříme-li o topném faktoru (TF) jako ukazateli energetického efektu TČ, musíme si uvědomit "dvě strany" topného faktoru. Význam topného faktoru - a zde budeme mít na mysli vždy topný faktor celého vytápěcího systému - (TF = Q/E) je zcela odlišný: • V úloze "určit množství vyprodukovaného tepla Q, respektive ΣQ z daného množství hnací energie E, respektive ΣE". Úloha je charakterizována vztahem: ΣQ = ΣE*TF podle kterého platí: o množství vyprodukovaného tepla je přímo úměrné topnému faktoru; o proto dvojnásobný topný faktor zajistí dvojnásobnou produkci tepla z daného množství hnací energie. Taková úloha se v praxi nevyskytuje. • V úloze "určit spotřebu hnací energie E, respektive ΣE, nebo naopak energetickou úsporu ÚE pro požadované množství vyprodukovaného tepla Q, respektive ΣQ" např. potřebu tepla pro vytápění včetně přípravy teplé vody (TV). Úloha je charakterizována vztahem: ΣE = ΣQ /TF, respektive (2) ÚE = ΣQ - ΣE = ΣQ - ΣQ / TF = ΣQ * (1 - 1/TF) (3) podle kterého platí: o množství hnací energie je nepřímo úměrné topnému faktoru; o úspora energie neroste úměrně s topným faktorem, narůstá relativně pomalu, s růstem topného faktoru se nárůst úspory zpomaluje (závislost není lineární, ale hyperbolická); o dvojnásobný topný faktor nezajistí dvojnásobnou úsporu spotřeby energie pro danou potřebu tepla, např. pro vytápění. Náklady na energie v objektu vytápěném tepelným čerpadlem (N) jsou dány vztahem: [Kč/rok] (4) kde: Qp je potřeba tepla pro krytí ztrát prostupem tepla
[kWh/rok]
strana
21
Qv - potřeba tepla pro krytí ztrát větráním [kWh/rok] Qz - tepelné zisky vnitřní a vnější [kWh/rok] Qtv - potřeba tepla pro přípravu TV [kWh/rok] Ed - spotřeba energie "další" pro vybavenost objektu [kWh/rok] k - podíl spotřeby Ed čerpané ve VT [-] TF - topný faktor vytápěcího systému [-] CeNT - cena za odebranou elektrickou energii v NT [Kč/kWh] CeVT - cena za odebranou elektrickou energii ve VT [Kč/kWh] SMP - stálé měsíční platy [Kč/rok]
Obr. 5 Náklady a výchozí úspora nákladů dosažená TČ a nárůst úspory s růstem TF, (zdroj [6])
Pro okrajové podmínky použité pro zpracování předchozích diagramů jsou náklady na energie (v sazbě D 45, respektive D 56) vyhodnoceny v diagramu a tabulce na obr. 7. Nasazení TČ s TF = 2,5 přinese úsporu v nákladech ÚN = cca 19.000 Kč/rok. Rozdíl v nákladech v rozmezí topného faktoru 2,5 a 3 je ΔÚN = cca 2.100 Kč/rok, rozdíl v nákladech v rozmezí topného faktoru 3 a 3,5 je ΔÚN = cca 1.500 Kč/rok. S dalším zvyšováním topného faktoru sledovaný rozdíl nákladů dále klesá. Ze všech uvedených skutečností vyplývá, že topný faktor vytápěcího systému s tepelným čerpadlem nemá zdaleka tak velký význam, jak se mu často přisuzuje. Zvyšování topného faktoru přináší dostatečný průkazný efekt především u menších výchozích topných faktorů, kde se zvýšení dá i snáze dosáhnout. Dá se říci, že zásadní úsporu ve spotřebě energie pro "výrobu" tepla v desítkách a zpravidla více než 60 % docílíme použitím spolehlivého TČ. Další "vylepšování" vytápěcího systému může navýšit úsporu v podstatě už jen v jednotkách %. Veškeré snahy o zvyšování topného faktoru systému o desetiny až celou jednotku (např. rekonstrukcí otopné soustavy na "nízkoteplotnější", snížením teploty bivalence případně až k použití monovalentního řešení, zvětšováním kolektorů u TČ "zeměstrana
22
voda" apod.) musí být proto vždy ekonomicky posouzeny. Ekonomicky efektivní bude jen takové opatření zvyšující topný faktor, kde zvýšené investiční náklady budou uhrazeny zvětšenou úsporou energie a především úsporou nákladů při únosné návratnosti.
Obr. 6 Výsledky sledování 112 TČ "vzduch‐voda" a "země‐voda" ve Švýcarsku v roce 1998, (zdroj [6])
Pro doložení uvedených reálných topných faktorů TČ jsou v diagramu shrnuty výsledky sledování 112 tepelných čerpadel. Sledování se uskutečnilo v roce 1998 ve Švýcarsku. Z celkem 131 sledovaných TČ byla vyřazena čerpadla "voda-voda", protože diagram byl zpracován i proto, aby ukázal "rozdíl" energetického efektu TČ "vzduch-voda" a "země-voda". Tudíž maximální topný faktor, který někteří výrobci a dodavatelé tepelných čerpadel uvádějí, má tedy v podstatě stejný význam jako maximální rychlost uváděna výrobci automobilů.
2.4 Ekologie a hospodárnost provozu Podle internetového serveru Podpora bydlení [10] lze na ekologii provozu tepelných čerpadel pohlížet ze dvou základních hledisek, kterými jsou spotřeba energie a používání chladiva. Spotřeba primárních neobnovitelných zdrojů energie je dána nutností dodávky elektrické energie pro pohon kompresoru v tepelném čerpadle. Více než 99 % elektrické energie u nás pochází z neobnovitelných zdrojů. Účinnost výroby elektřiny, včetně ztrát v síti, je přibližně 28 %, neboli na výrobu 1 kWh spotřebované elektřiny připadne 3,57 kWh primární energie. V zimním období se zvyšuje spotřeba energie zhruba o polovinu. Vzhledem k tomu, že výkon jaderných elektráren je po celý rok v podstatě konstantní, je možné říci, že tuto zvýšenou potřebu kryje energie vyrobená výhradně z fosilních zdrojů. Srovnáním tedy dojdeme k faktu, že běžné tepelné čerpadlo s průměrným ročním topným faktorem
strana
23
okolo 3,2, má stejnou produkci skleníkových plynů jako dobře provozovaný moderní zplynovací kotel na dřevo. Druhým ekologickým problémem tepelných čerpadel je chladicí okruh a používaná chladiva. Riziko spočívá v úniku chladiva, které následně poškozuje ozónovou vrstvu. V minulosti používané tvrdé freony (CFC, CKW) typu R11 a R12 byly nahrazeny nejprve tzv. měkkými freony (HCFC, FCKW) typu R22 a R134a, které poškozovaly ozónovou vrstvu přibližně 20 krát méně. V současné době se jako chladivo používají velmi málo škodlivé typy R407c a R404c. Při manipulaci s chladicím okruhem je třeba chladivo odsát, aby nedocházelo k jeho úniku do atmosféry. Někteří výrobci nabízejí bezfreonová tepelná čerpadla, která používají jako chladivo propan.
strana
24
3 PŘEHLED TYPŮ JEDNOTEK VHODNÝCH PRO BYTY A RODINNÉ DOMY 3.1 Tepelná čerpadla 3.1.1 Systém vzduch-voda V České republice se tento systém používá nejčastěji díky vhodným klimatickým podmínkám. Nízké venkovní teploty (pod -5 ° C) u nás trvají velmi krátce, většinou kolem dvaceti dnů. Nenáročnost na instalaci a velikost pozemku jsou také jistou výhodou oproti ostatním systémům. Pořizovací cena samostatného tepelného čerpadla je vyšší vůči ostatním, ale již nemusíme připočítávat pozemní práce, takže v konečném výsledku systém vzduch-voda vychází jako celek přibližně stejně jako ostatní systémy. Nepříjemný může být ovšem hluk ventilátoru, který není, především v městských lokalitách, zanedbatelný a venkovní ventilátor v plechové skříni může snižovat estetickou hodnotu pozemku nebo stavebního objektu, a to zvláště u velkých aplikací s více tepelnými čerpadly. Výkon tepelného čerpadla klesá s venkovní teplotou, a to mnohem výrazněji než u ostatních provedení. Tím narůstá spotřeba elektrické energie, čímž se mírně zvyšují náklady na provoz.
Obr. 7 Systém vzduch‐voda, (zdroj [11])
3.1.1.1 Samostatná venkovní a vnitřní jednotka Podle Hořejšího [11] je venkovní jednotka s ventilátorem propojena s vnitřní částí izolovaným potrubím, ve kterém proudí chladivo. Venkovní jednotka je relativně malá a lze ji postavit na zem nebo na střechu, případně umístit na venkovní stěnu (závisí na provedení a výrobci). Vzdálenost venkovní a vnitřní části je omezena většinou na přibližně 10 m. Vnitřní jednotka je připojena na topnou soustavu stejně jako kotel. 3.1.1.2 Kompaktní provedení venkovní Celé tepelné čerpadlo je umístěno ve venkovním prostoru. Propojení s vnitřní topnou soustavou se provede izolovaným potrubím, ve kterém proudí topná voda. Výhodou je, že zařízení nezabírá žádný vnitřní prostor a nezatěžuje ho hlukem.
strana
25
3.1.1.3 Kompaktní provedení vnitřní Celé tepelné čerpadlo je umístěno ve vnitřním prostoru. K čerpadlu musí být z venkovního prostoru přiveden vzduch, ochlazený vzduch je odváděn zpět do venkovního prostoru. Sací i výfukové potrubí má většinou průměr kolem 400 mm. Aby mezi nasávaným a vyfukovaným vzduchem nedocházelo k promíchání, a tím snížení účinnosti, musí být sací a výfukový otvor v dostatečné vzdálenosti od sebe. Vnitřní provedení je levnější než venkovní, ale zabírá podstatně více vnitřního prostoru, zejména díky rozměrnému vzduchovému potrubí. 3.1.2 Systém země-voda Tento systém je již náročnější na realizace než předchozí. U vrtu do zemského povrchu se jedná v podstatě o vodní dílo (vrty hluboké nad 30 metrů), tudíž je zde potřeba hydrogeologického průzkumu s případnými zkušebními vrty. Promrzání u základové půdy a s tím související pohyby mohou ovlivnit statiku objektů, což platí zejména pro vrty, popřípadě kolektory, situované v blízkosti stavebních objektů. Nejlepší volbou pro tento systém je teplo zpět v letním období dodávat. A to buď reverzaci chodu tepelného čerpadla, tím pádem klimatizací, nebo solárním kolektorem s jednoduchým oběhovým čerpadlem. 3.1.2.1 Zemní plošný kolektor Tepelné čerpadlo využívá odběru tepla z půdy, například ze zahrady. V hloubce přibližně 1 m a s roztečí také 1 m je položena plastová trubka (zemní kolektor), kterou proudí nemrznoucí kapalina. Instalace zemního kolektoru tedy vyžaduje plošnou skrývku poměrně velké plochy nebo bagrování dlouhých výkopů. Pro tepelné čerpadlo o výkonu 10 kW je třeba přibližně 250-350 m2 plochy pozemku. Výhodnější jsou půdy obsahující větší množství vody. Ve srovnání s vrty jsou sice pořizovací náklady o něco nižší, ale na ploše, kde je uložen zemní kolektor, nelze stavět. Dochází k rychlejšímu promrzání půdy, a tím i k rychlejšímu snižování výkonu.
Obr. 8 Systém vzduch‐voda, (zdroj [11])
3.1.2.2 Hloubkové vrty Tepelné čerpadlo využívá odběru tepla z hloubkových vrtů. Do vrtů se uloží plastová trubka, ve které proudí nemrznoucí kapalina. Pro tepelné čerpadlo o výkonu 10 kW je třeba přibližně 120 – 180 m vrtů. Jednotlivé vrty mohou být hluboké až 150 m a
strana
26
musí být umístěny nejméně 20 m od sebe. Dva menší vrty jsou méně účinné, než jeden hlubší, díky jejich vzájemnému ovlivňování. Výhodou je stabilita zdroje tepla vůči teplotě venkovní, ovšem pořizovací náklady na zhotovení vrtu jsou v rozmezí 800 – 1300 Kč za metr, dle geologických podmínek. Vrty nelze realizovat tam, kde jsou pozemky legislativně chráněny (např. lázně, vodní zdroje pro hromadné zásobování obyvatel vodou, podzemní přivaděče vody, důlní díla). 3.1.3 Systém voda-voda Teoreticky nejlepší systém ze všech, ovšem prakticky téměř nevyskytující se. Způsobeno ať již složitou legislativou, či vůbec samotnou proveditelností. Odebíráním vody z podzemního zdroje s sebou nese výrazná rizika v podobě odvodnění oblasti. Ochlazování rybníka může způsobit zamrznutí celé vodní nádrže i s její populací. 3.1.3.1 Voda ze studny Využití studniční vody vyžaduje zejména celoročně dostatečně vydatný zdroj, který je nutno ověřit dlouhodobou čerpací zkouškou. Například, jak uvádí Čížek [12], trvalým čerpáním 1 ls-1 podzemní vody by se na většině míst naší republiky odvodnilo území o ploše 1 km2, tím narážíme hned na první zásadní překážku celého systému. Dále je důležité vhodné složení vody, které nebude způsobovat zanášení výměníku. Voda se čerpá ze studny většinou klasickým ponorným čerpadlem, v tepelném čerpadle je ochlazena a vrací se zpět do vsakovací studny nebo se vypouští přímo do terénu. Teplota vody ve studni musí být dostatečně vysoká, aby ji bylo možno ochlazovat bez nebezpečí zamrznutí (cca 6 – 7 ° C). Venkovní část dále vyžaduje pravidelnou údržbu (čištění filtrů) a je náchylnější na poruchy např. sacího čerpadla.
Obr. 9 Systém voda‐voda, (zdroj [11])
3.1.3.2 Povrchová voda (rybník, řeka) Při využití vody z rybníka nebo řeky se většinou na dno pokládá kolektor vytvořený z plastových trubek, kterým proudí nemrznoucí teplonosná látka na bázi vody s technickým lihem. V některých případech lze vodu přivádět přímo k tepelnému čerpadlu a ochlazenou ji vypouštět zpět do řeky. Problémem je ale znečištění vody a nutnost platit za odběr vody. Je zde také nebezpečí poškození primárního výměníku povodněmi, či lidským faktorem.
strana
27
3.2 Klimatizační jednotky Klimatizačními jednotkami, jak uvádí Energ spol. s r. o. [16], rozumíme systémy, které se vyznačují úpravou vzduchu probíhající přímo v klimatizovaném prostoru. Typickým prvkem těchto systémů jsou klimatizační jednotky s vestavěným chladicím zařízením. Jednotky se instalují přímo do klimatizovaných prostorů a nevyžadují tudíž strojovnu vzduchotechniky ani potrubní síť. Odvod tepla z kondenzátoru je možný ve dvou variantách, buď je kondenzátor ve vnějším prostředí a je tudíž chlazen přímo vnějším vzduchem, nebo se teplo kondenzátoru odvádí pomocí teplonosné látky, zpravidla vody, která se pak chladí v chladicí věži nebo v tzv. suchém chladiči vody. 3.2.1 Vzduchové systémy Nositelem tepelné energie pro krytí tepelné zátěže daného prostoru je jen vzduch. 3.2.1.1 Klimatizační skříně Klimatizační skříně jsou sestavná zařízení umožňující filtraci, ohřev, chlazení, vlhčení a distribuci vzduchu. Skříně jsou běžně v provedení s nepřímým chlazením, tedy s vodou chlazeným kondenzátorem. Vodu lze po ochlazení v chladicí věži v režimu cirkulačního provozu využívat ke kontinuálnímu chlazení kondenzátoru. Schéma klimatizační skříně s vlastním chladicím zařízením a vodou chlazeným kondenzátorem je na obr. 10. Situování chladičů vody závisí na místních podmínkách. Chladicí výkon klimatizačních skříní se obvykle pohybuje v mezích 5 až 30 kW.
Obr. 10 Schéma klimatizační skříňové jednotky, (zdroj [16])
3.2.1.2 Klimatizační jednotka okenní a stěnová Klimatizační jednotky okenní a stěnové jsou kompaktní zařízení v provedení vhodném k osazení do okna či vnější stěny klimatizovaného prostoru umožňující filtraci a chlazení vzduchu. Jednotky mají vlastní chladicí zařízení s přímým chlazením v provedení s kondenzátorem pro vnější prostředí umožňujícím jeho chlazení vzduchem. Výparník uložený ve vnitřním prostoru funguje jako chladič vzduchu. Chladicí výkony jsou v obvykle mezících 2 až 6 kW. Čerstvý vnější vzduch do klimatizované místnosti musí zajistit větrání. Některá provedení těchto jednotek umožňují nasávat jistou část vnějšího vzduchu, který slouží účelům minimální výměny vzduchu. Funkční schéma klimatizační jednotky je na obr. 11 a obr. 12.
strana
28
Obr. 12 Principiální schéma okenní klimatizační jednotky, (zdroj [16])
Obr. 11 Ideové schéma stěnové klimatizační jednotky, (zdroj [16])
3.2.1.3 Klimatizační jednotka podokenní Klimatizační jednotka podokenní je kompaktní, často mobilní, zařízení v provedení vhodném k osazení do klimatizovaného prostoru umožňující filtraci a chlazení vzduchu. Jednotky mají vlastní chladicí zařízení s přímým chlazením. Kondenzátor
Obr. 13 Příklad osazení okenní jednotky, var A a podokenní mobilní jednotky, var B, (zdroj [16]) strana
29
je chlazen vzduchem, jenž je nasáván z místnosti a pak je obvykle ohebnou hadicí vyfukován do exteriéru. Schéma aplikace je na obr. 13, var. B. Chladicí výkon je obvykle v mezích 1 až 2 kW. Výměnu vzduchu v místnosti vnějším čerstvým vzduchem zajistí větrání. 3.2.2 Vodní klimatizační systémy U vodních klimatizačních systémů je nositelem tepla a chladu pro tvorbu interního mikroklimatu a pokrytí tepelné zátěže i ztrát místností voda, která se rozvádí z místa své úpravy do jednotlivých klimatizovaných místností budovy potrubní sítí. K předání tepla jsou v klimatizovaných místnostech osazeny teplosměnné plochy sdílející teplo konvekcí pomocí ventilátorových jednotek tzv. fancoilů, nebo sáláním velkoplošnou plochou tzv. chladicím stropem. K výměně vzduchu se přivádí do každé z klimatizovaných místností hygienicky nutná dávka čerstvého vzduchu. Vodní klimatizační systémy jsou dvou až čtyřtrubkové. Vodní systémy lze dle rozvodu vody a provedení fancoilů (vnitřních jednotek) dělit do čtyř skupin.
Obr. 14 Ideové schéma vodního systému, (zdroj [16])
3.2.2.1 Klimatizační systém vodní dvoutrubkový nepřepínací s fancoily Klimatizační systém vodní dvoutrubkový nepřepínací s fancoily tvoří tzv. nepřepínací rozvod vody do výměníku vnitřních jednotek. Znamená to, že do výměníku vnitřních jednotek se přivádí dvěma trubkami (přívodní a zpětnou) jen chladicí voda. 3.2.2.2 Klimatizační systém vodní dvoutrubkový přepínací s fancoily Klimatizační systém vodní dvoutrubkový přepínací s fancoily tvoří tzv. přepínací rozvod vody do výměníku vnitřních jednotek. V této variantě se dvěma trubkami (přívodní a zpětnou) přivede do výměníku jednotky dle aktuální potřeby chladicí či topná voda. 3.2.2.3 Klimatizační systém vodní tří-trubkový s fancoily Klimatizační systém vodní tří-trubkový s fancoily lze charakterizovat rozvodem vody do výměníku vnitřních jednotek se samostatným přívodem teplé a chladné vody a jejich společným odvodem. V této variantě se třemi trubkami tzn. přívodní s chladicí a teplou vodou a společnou třetí trubkou pro zpětnou vodu přivádí do výměníku jednotky chladicí či topná voda.
strana
30
3.2.3 Chladivové klimatizační systémy Chladivové systémy se vyznačují tím, že teplonosnou látkou k přenosu tepelné energie mezi zdrojem a klimatizovanou místností k pokrytí tepelné zátěže event. tepelných ztrát je chladivo. Systémy pracují běžně v režimu chlazení, některé mohou sloužit vytápění provozem v režimu tepelného čerpadla, event. umožňují “čerpání tepla” mezi místnostmi s kladným a negativním tepelným potenciálem. Chladivové
Obr. 15 Ideové schéma chladivového systému, (zdroj [16])
systémy se vyznačují chladicím zařízením děleným a tvoří tzv. “split” systém s jednou vnější a vnitřní jednotkou, nebo s více vnitřními jednotkami. Vnější a vnitřní jednotky jsou vzájemně spojeny potrubím k cirkulaci chladiva. Součástí vnitřní ventilátorové jednotky je výparník ve funkci chladiče vzduchu. Vnější jednotka umístěna ve venkovním prostoru se sestává s kompresoru a vzduchem chlazeného kondenzátoru. Základní varianta provedení systému umožní pouze chlazení, dokonalejší varianty chladivových systémů lze provozovat i v režimu vytápění místností. Čerstvý vzduch se do klimatizovaných místností přivádí větracím systémem po úpravě vnějšího vzduchu zpravidla v ústřední strojovně, nebo přímo do místnosti vzduchotechnickým zařízením napojeným na vnější prostředí. Výhodou chladivových systémů je minimalizace průřezu vzduchovodů a možnost individuální regulace stavu prostředí v každé z klimatizované místnosti. Jistou nevýhodou je, že chladivo (obvykle freon) patří mezi látky s negativním dopadem na životní prostředí. 3.2.3.1 Klimatizační systém chladivový split Klimatizační systém chladivový split je systém, který obsahuje jednu vnitřní jednotku napojenou na jednu venkovní jednotku. Kompresor s kondenzátorem chlazeným vzduchem je umístěn ve venkovním prostoru (venkovní jednotka) a výparník je součástí vnitřní ventilátorové jednotky. Systém tvoří základní variantu sestav chladivových zařízení. Výšková vzdálenost mezi jednotkami se pohybuje do 8 m, půdorysná vzdálenost je do 50 m.
strana
31
Obr. 16 Schéma systému split
Schéma sestavy systému multisplit, (zdroj [16])
3.2.3.2 Klimatizační systém chladivový multisplit Klimatizační systém chladivový multisplit je systém, který tvoří více (do pěti) vnitřních jednotek napojených na jednu venkovní jednotku. Vzájemné vzdálenosti jednotek činí v půdoryse do 70 m, výškově do 15 m. Schéma skladby tohoto systému je na obr. 16. 3.2.3.3 Klimatizační systém chladivový multisplit s proměnným průtokem VRV (Variable Refrigeration Volume) Klimatizační systém chladivový multisplit s proměnným průtokem VRV je systém split, který tvoří více (do osmi) vnitřních jednotek napojených na jednu venkovní jednotku s možností regulace chladicího výkonu změnou průtoku chladiva. Systém umožňuje i vytápět do určité venkovní teploty provozem v režimu tepelného čerpadla.
Obr. 17 Schéma chladivového systému VRV, (zdroj [16])
3.2.3.4 Klimatizační systém chladivový multisplit s proměnným průtokem VRV – Inverter Control Klimatizační systém chladivový multisplit s proměnným průtokem VRV – Inverter Control je systém split, který tvoří více vnitřních jednotek napojených na jednu venkovní jednotku s možností regulace chladicího výkonu změnou průtoku chladiva. Tří-trubkový systém umožňuje individuální provoz jednotek v režimu chlazení či vytápění. Inteligentní regulace systému umožňuje i přečerpávání tepla mezi místnostmi s různým tepelným potenciálem.
strana
32
Obr. 18 Schéma sestavy a provozu VRV chladivového systému ve variantě s přečerpáním tepla, (zdroj [16])
3.2.3.5 Situování a provedení jednotek Vnější jednotka s kompresorem a vzduchem chlazeným kondenzátorem v provedení pro venkovní prostředí tvoří jeden celek. Umístí se ve venkovním prostoru na vhodném místě budovy např. na venkovní stěně, na střeše, na upraveném terénu, apod. s cílem omezit možnost šíření hluku do okolí. Typické varianty osazení vnějších jednotek jsou na obr. 18, 19. Vnitřní jednotky, jejichž součástí jsou výparník a ventilátor se vyrábí v celé škále kompaktních provedení např. stropní, parapetní, nástěnné, atd. Typické varianty osazení vnitřních jednotek jsou na obr. 18, 19.
Obr. 19 Schéma variant systému s jednotkami split ve var. A, B, (zdroj [16])
strana
33
Obr. 20 Schéma variant systému s jednotkami split ve var. C, D, E, (zdroj [16])
strana
34
4 JEDNOTKY A SYSTÉMY NA NAŠEM TRHU 4.1 IVT Optima vzduch-voda Tepelné čerpadlo IVT Optima 500 C a Optima 700 C je dodáváno včetně vnitřního modulu s elektrokotlem, ekvitermní regulaci a nerezovým bojlerem, který zároveň plní funkci akumulátoru. Součástí modulu je i oběhové čerpadlo, expanzní nádoba a
Obr. 21 IVT Optima vzduch‐voda, (zdroj [17])
pojistné ventily pro topný systém a bojler. Vnitřní modul může být umístěn kdekoliv v domě, protože nevydává žádný hluk a zabírá pouze minimální plochu. Tepelné čerpadlo Cena bez DPH (Kč) Výkon při 7°C / 35°C 1 (kW) Příkon (kW) Topný faktor při 7°C / 35°C Výkon při 2°C / 35°C 2 (kw) Příkon (kW) Topný faktor při 2°C / 35°C Výkon při -7°C / 50°C 3 (kW) Příkon (kW) Topný faktor při -7°C / 50°C Nominální průtok na teplém okruhu (l/s) Tlaková ztráta na teplém okruhu (kPa) Průtok vzduchu (m³/h)
IVT Optima 500 C 243 000,-
IVT Optima 700 C 247 000,-
IVT Optima 1000 258 000,-
IVT Optima 1300 266 000,-
5,4
7,5
10,5
13,7
1,4 3,7
1,9 3,9
2,7 3,9
3,6 3,8
4,5
6,5
9,0
12,0
1,3 3,5
1,9 3,4
2,6 2,5
3,3 3,6
2,7
4,0
5,6
7,4
1,3
1,9
2,6
3,2
2,1
2,1
2,2
2,3
0,18
0,24
0,34
0,44
5
5
4
5
1 800
2 200
4 000
5 500
strana
35
Ventilátor (A) Pojistka pro tepelné čerpadlo (A) Hmotnost (kg) Doporučené oběhové čerpadlo Připojení na teplém okruhu (DN) Množství chladiva (kg) Chladicí medium Kompresor Vestavěný elektrický kotel Dvouplášťový nerezový bojler Rozměry venkovní (š x h x v) Rozměry vnitřní (š x h x v) Elektrické zapojení Odtávání Max.výstupní teplota Vestavěná ekvitermní regulace 1
0,65
0,65
0,4
0,7
10
10
10
16
140 145 WILO Star RS 25/4 (není souč. dodávky) 28
155 160 WILO Star RS 25/6 (není souč. dodávky)
28
28
1,8
1,9 3,2 Bezfreonové chladivo R 407 C Hermetický pístový 9 kW kaskádně spínaný Celkový objem 220 l, objem TUV - 163 l 822 x 684 x 1230 mm
28 3,3
920 x 704 x 1587 mm
600 x 615 x 1660 400 V, N3 fáze Horkým plynem přes reverzní ventil 55 °C Rego 800
Při podmínkách + 35 °C na výstupu z tepelného čerpadla a 7 °C teplota venkovního vzduchu. (podle evropské normy EN 255) 2 Při podmínkách + 35 °C na výstupu z tepelného čerpadla a 2 °C teplota venkovního vzduchu. (podle evropské normy EN 255) 3 Při podmínkách + 50 °C na výstupu z tepelného čerpadla a 7 °C teplota venkovního vzduchu. (podle evropské normy EN 255)
strana
36
4.2 MasterTherm Boxair Kompaktní tepelné čerpadlo vzduch-voda.
Obr. 22 Master therm Boxair, (zdroj [18])
topný výkon příkon topný faktor rozsah provozní venkovní teploty teplota topné vody rozměry v x š x h (mm) váha Parametry uvedeny za podmínek (A2W35) Standardní výbava: kompresor regulace expanzní ventil elektrokotel oběhové čerpadlo rám výměník průtok vzduchu připojení topné vody ventilátor chladivo Cena bez DPH
8,2 kW 2,4 kW 3,4 -20 až +30°C max. 55°C 1040 x 1300 x 530 114 kg
rotační Sanyo ekvitermní Carel elektronicky řízený 2x 4,5kW vestavěné hliníkové eloxované profily deskový 2000m3/h 2x1" nízkohlučný R 407a 99 000 Kč
strana
37
4.3 HOTJET AS s bočním ventilátorem
Obr. 23 HOTJET AS s bočním ventilátorem, (zdroj [19])
Tepelná čerpadla VZDUCH - VODA (boční ventilátor) PARAMETRY / MODEL 10AS 14AS 17AS 20AS Nominální výkon (kW) 10,6 14,0 17,1 20,5 Nominální příkon (kWh) 2,8 3,7 4,5 5,6 Výkon +7°C/35°C (kW) 8,7 11,2 14,2 17,0 Výkon 0°C/35°C 6,7 8,8 11,2 13,3 Výkon -7°C/35°C 5,2 7,1 8,9 10,1 Výkon +7°C/50°C 7,7 10,0 12,5 15,6 Výkon 0°C/50°C 6,0 7,7 9,9 12,1 Výkon -7°C/50°C 4,6 6,1 8,0 9,4 Napájení (V/F/Hz) 400/3/50 Počet a typ kompresoru 1 x Copeland Scroll Chladící směs R422D (ISCEON 29) nebo R417A (ISCEON 59) Připojovací potrubí G1 Počet ventilátorů 1 1 2 2 Rozměry: Šířka 950 950 1000 1250 Hloubka 400 400 450 450 Výška 1050 1050 1250 1250 Rozsah teplot R422D: -15C až 15C, R417A: -15C až 40C Provedení NEREZOVÝ KRYT Hmotnost (kg) 100 130 180 210 Cena bez DPH (Kč) 79 000,89 000,99 000,109 000,-
strana
38
4.4 Zibro Clima S125
Obr. 24 Zibro Clima S125, (zdroj [20])
Klimatizační jednotka SPLIT nové generace určená k pevné instalaci o chladícím výkonu 3500 W a příkonu 1100 W. Rotační kompresor, 3 rychlostní ventilátor, rozpětí termostatu 16-31oC. • • • • • • •
provozní rozsah 10-40oC aktivní uhlíkový filtr tepelné čerpadlo - jednotku lze používat i k vyhřívání místnosti konzole na zavěšení venkovní jednotky propojení s venkovní jednotkou 3m dlouhou flexibilní hadicí plynulý odvod kondenzátu otvorem v zadní části venkovní jednotky jednotka je dodávána kompletně s přídavnými díly
Parametry vnější jednotky: Hlučnost = max.50 dB, Rozměry = 700 x 540 x 255(mm), váha 40 kg. Výrobce Velikost prostoru Kap.chlazení Tepelný výkon Odvlhčení Cirk.vzduchu Ovládání Časovač Max.příkon Hlučnost Hmotnost Rozměr (š x v x h) Barva Cena Bez DPH
Zibro Clima do 100m3 3500W 3750W 28 litrů/24hod. 550 m3/hod. dálkové ano 1100W 28-36dB 12kg 770 x 250 x 179(mm) bílá 20500 Kč
strana
39
4.5 LG Art Cool Nástěnná klimatizační jednotka je vybavena systémem čištění vzduchu Neo Plazma, funkce Auto Clean (automatické čištění), digitální iverter, nejtenčí klimatizace na trhu, možnost výběru barvy, ekologické chladivo R410A.
Obr. 25 LG Art Cool, (zdroj [21])
Katalogové číslo Výrobce Chladící výkon Topný výkon Příkon Rozměr Balení Cena bez DPH
C09AW Inverter Art Cool Mirror LG Elektronic 2600 W 3200 W 800 W 1030x290x153 mm 1+1 29000 Kč
4.6 YORK Tato klimatizace má kompresor digitálně řízený, čímž je docílená nízká provozní spotřeba el. energie a vysoká životnost kompresoru. Energetická třída A, téměř bezhlučný provoz. Dálkové ovládání. Topení/chlazení/odvlhčování/ventilátor. Aktivní elektrostatický filtr, který zabraňuje vzniku alergií. Provoz pro topení od 15C Flat design s možností výměny čelního panelu - základem Mirror.
Obr. 26 LG Art Cool, (zdroj [22])
Katalogové číslo Výrobce Chladící výkon Topný výkon Příkon Rozměr Balení Cena bez DPH
strana
40
YVHC 09 YORK 2500 W 1000-3200 W 2700 W 1100 - 3500 W chlazení 800 W topení 800 W vnitřní 290x1005x150 vnějąí 250x848x320 1+1 33050 Kč
5 ZÁVĚR V poslední době k nám z USA a ostatních západních zemí přichází trend topit a klimatizovat klimatizačními jednotkami split. Bezespornou výhodou těchto jednotek jsou poměrně nízké pořizovací náklady. Pro jednu průměrnou obytnou místnost lze pořídit klimatizační jednotku za cenu kolem 20 000 Kč. Vnitřní jednotky bývají různě barevně či tvarově provedené, tudíž je můžeme použít i místo nástěnných obrazů. Jistým paradoxem se ovšem stává přesun energetické špičky ze zimního období do období letního, což je zapříčiněno právě klimatizováním objektů. V USA je tento fakt důvodem černých hodin, které nastávají zejména v parných dnech. Udává se, že klimatizace pohltí až 30 % dodávané elektřiny.
strana
41
strana
42
6 LITERATURA [1] HOLLIDAY, David, RESNICK, Robert, WALKER, Jearl. Fyzika: Mechanika Termodynamika. Obdržálek Jan, Dub Petr. Vysoké učení technické v Brně: Vutium, Prometheus, 1998. 576 s. ISBN 80-214-1868-0. [2] Www.wikipedie.cz. Izotermický děj. [online]. 2001 [cit. 2007-04-22]. Dostupný z WWW:
. [3] Www.wikipedie.cz. Adiabatický děj. [online]. 2001 [cit. 2007-04-22]. Dostupný z WWW: . [4] PAVELEK, Milan, ŠTĚTINA, Josef. Termomechanika. [online]. [cit. 2007-03-24], Dostupný z WWW: . [5] Úvod do strojírenství: ENERGETIKA, ENERGETICKÉ STROJE A SYSTÉMY. Liberec : [s.n.], 2001. 118 s. Dostupný z WWW: . ISBN 80-7083-538-9. [6] Www.tifr.cz, Popis funkce tepelného čerpadla, [online], Dostupný z WWW: . [7] RYŠKA, Jiří. Vrty do horninového masívu – zdroj energie pro tepelná čerpadla. [online]. 23-10-2006 [cit. 2007-04-14], Dostupný z WWW: . [8] Www.energetika.cz, Bivalentní provoz tepelného čerpadla, [online], [cit. 200705-15], Dostupný z WWW: . [9] KLAZAR, Luděk. Jak je to vlastně s topným faktorem. [online]. 29-03-2005 [cit. 2007-04-14], Dostupný z WWW: . [10] Www.podporabydlení.cz. Ekologie a hospodárnost provozu tepelných čerpadel. [online]. 2001 [cit. 2007-03-22]. Dostupný z WWW: . [11] HOŘEJŠÍ, Miroslav. Tepelná čerpadla pro každého. [online]. 16-04-2002 [cit. 2007-04-15], Dostupný z WWW: . [12] ČÍŽEK, Petr. Zemní tepelné výměníky tepelných čerpadel se neobejdou bez podzemní vody. [online]. 22-05-2006, Dostupný z WWW: .
strana
43
[13] ŠEDA, Svatopluk. Rizika provádění vrtů pro tepelná čerpadla. [online]. 22-052006, Dostupný z WWW: . [14] ČÍŽEK, Petr. Tepelná čerpadla nejsou kamna. [online]., Dostupný z WWW: . [15] ŠEDA, Svatopluk. Rizika provádění vrtů pro tepelná čerpadla. [online]. 22-052006, Dostupný z WWW: . [16] Www.energ.cz: Klimatizace [online]. Energ spol. s r. o., 1999 [cit. 2007-05-11]. Dostupný z WWW: < Energ spol. s r. o. http://www.energ.cz/index.phtml?page=/uspory/klimatizace2.html&undefined>. [17] IVT, IVT Optima-vzduch/voda, [online], [cit. 2007-05-15], firemní internetové stránky, Dostupný z WWW: . [18] MASTERTHERM, Tepelné čerpadlo Boxair, [online], [cit. 2007-05-15], firemní internetové stránky, Dostupný z WWW: . [19] HOTJET, Tepelná čerpadla Hotjet AS s bočním ventilátorem, [online], [cit. 2007-05-15], firemní internetové stránky, Dostupný z WWW: . [20] Www.cistota.cz, Klimatizace ZC S125, [online], [cit. 2007-05-15], internetový obchod, Dostupný z WWW: . [21] Www.prodejklimatizace.cz, Nástěnná klimatizační jednotka LG Art Cool, [online], [cit. 2007-05-15], internetový obchod, Dostupný z WWW: . [22] Www.prodejklimatizace.cz, Nástěnná klimatizační jednotka YORK, [online], [cit. 2007-05-15], internetový obchod, Dostupný z WWW: . [23] ČSN ISO 214 (01 0148). Abstrakty pro publikace a dokumentaci
strana
44
