Poslední změna před 1 rokem od Lukas
V tomto článku bych se rád věnoval způsobům, jak vylepšit stávající instalaci tepelného čerpadla. Budu to dělat na systému instalovaném v mém vlastním domě. To znamená, že vám mohu poskytnout vyzkoušené a praktické zkušenosti s laděním systému. Sami pak můžete posoudit, zda má smysl pokusit se podobné změny zopakovat. Původním popisem systémů pasivních domů jsem se zabýval v článku: Úvod, Solární systém, Rekuperace, tepelné čerpadlo a konečně v Reálná spotřeba domu po odladění.
Co společně v tomto článku probereme?
- Jaké jsou základní principy, které je dobré znát, pro hlubší pochopení článku?
- Jaké byly provedeny změny v základním nastavení regulace Atrea?
- A samozřejmě vyhodnotíme, jestli to vůbec dává smysl (a za jakých podmínek)
Co je dobré znát před pokračováním ve článku?
V následující části vám poskytnu odkazy na pěkná vysvětlení základních pojmů, které je dobré znát, než se pokusíte tepelné čerpadlo vyladit. Půjde o principy, na kterých tepelné čerpadlo funguje, jak číst a co jsou to p-h diagramy pro chlazení/ohřev média uvnitř tepelného čerpadla. A něco málo o regulátorech, v našem případě to bude typ PI. Poslední část informací bude o parametrech/hodnotách, které si můžeme přečíst na samotném tepelném čerpadle.
Jak funguje tepelné čerpadlo?
Co jsou to p-h diagramy?
Co je to PID regulátor?
Jaké parametry najdete na jednotce tepelného čerpadla?
- Můžeme zde vidět
- Výrobce - Sinclair
- Typ - ASGE-12BI
- Maximální napětí - kolem 230V
- Maximální proud - 6 A
- Klimatický typ - T1 (Popisuje typ podnebí, pro který je jednotka určena)
- Chladivo - R32
- Maximální pracovní tlak ve vysokotlaké / nízkotlaké části. 4,6 MPa a 2,5 MPa
- Maximální provozní tlak obecně - 4.6 MPa (Odpovídá kritickému bodu R32)
- A často technik dopíše množství doplněného chladiva, pokud se přídávalo/ubíralo vůči základu
Další parametry lze najít u výrobce na stránkách.
Obecně platí, že tato venkovní jednotka tepelného čerpadla má maximální výkon, který může odebírat ze sítě. V případě ASGE-12BI je to maximálně 1 kW. A na základě výkonu kompresoru a velikosti výparníku má nějaký maximální výkon pro vytápění/chlazení. V případě této jednotky je to maximální chladicí výkon 3,5 kW a topný výkon 4 kW. Velmi zjednodušeně řečeno, tepelnému čerpadlu musíte dodat nějakou energii zvenčí (ze sítě do max. 1 kW), tepelné čerpadlo bude energii z okolí absorbovat a takto násobit výstupní výkon. Tomu se obvykle říká COP (koeficient výkonu). Takže (v ideální situaci) dodáte 1 kW energie (elektřiny), ale na druhé straně získáte 4 kW energie (tepla).
Protože mnoho moderních jednotek obsahuje "výkonový měnič", můžete obvykle regulovat výkon v rozmezí 20 % až 100 %. COP tepelného čerpadla je do značné míry závislé na rozdílu teplot mezi výparníkem a kondenzátorem. Jinými slovy, pokud je venku 20 stupňů, můžete odebrat více energie, než když je -5 stupňů. Energii, kterou nelze absorbovat zvenčí, dodává kompresor. Pokud chcete ohřát vodu na 50 stupňů a venku je zima, tepelné čerpadlo nemůže zvenčí odebrat mnoho energie. Zbývající práci pro ohřev provozního média na 50 stupňů vykoná kompresor.
Změny v základní nastavení regulace Atrea
V této části článku si popíšeme parametry, se kterými si musíme hrát. Uvedu také odkaz na pěkný článek (česky) o ladění regulátoru z grafu. Začneme popisem servisního menu, které budeme měnit, a následovat bude popis menu pro sledování chování systému. Tam budeme pozorovat, jak dobře je na tom naše regulace, a na základě grafu ji můžeme doladit.
Menu Interní zásobník tepla -> Tepelné čerpadlo
- 9.3.1 a 9.3.2 uvádí, zda je teplota nižší než bivalence 1 (při použití tepelného čerpadla a elektrického ohřívače k vytápění) nebo bivalence 2 (při použití pouze elektrického ohřívače k vytápění). Upozorňuji, že pokud změníte tyto parametry bez jemného doladění 9.3.8 a 9.3.9, donutíte kompresor pracovat více -> sníží se účinnost a kompresor se více opotřebuje.
- 9.3.3 - Slouží k tomu, aby bylo systému sděleno, zda má přestat "chladit" a začít topit tepelným čerpadlem, pokud je o to požádáno. Volba Comfort bude ignorovat požadavek na vytápění, pokud tepelné čerpadlo již chladí, a místo toho použije elektrickou patronu.
- 9.3.5 - Jak dlouho systém čeká, než zkontroluje, zda tepelné čerpadlo dosáhlo očekávaného výkonu. Tento parametr je třeba jemně doladit, pokud chcete změnit regulační konstanty. V opačném případě bude vaše instalace vydávat falešné poplachy o nízkém výkonu tepelného čerpadla.
- 9.3.7 - Je to minimální teplota pro spuštění tepelného čerpadla. Protože 425litrová nádrž na vodu funguje jako druhá jednotka pro venkovní tepelné čerpadlo.
- 9.3.8 - Maximální teplota, při které může tepelné čerpadlo pracovat (ohřev vody).
- 9.3.9 - Jaká je teplota média (R-32) používaného k ohřevu vody.
- 9.3.8 + 9.3.9 - jsou dohromady čísla, pro která se reguluje teplota topného média (R-32).
- 9.3.10 až 9.3.12 - jsou konstanty používané v regulační rovnici.
- 9.3.21 - Je řídicí napětí v případě, že venkovní jednotka hlásí, že provádí odmrazování. Všimněte si, že pokud pošlete 0V, zruší se odmrazování. Ujistěte se, že je to ideálně 5V pro venkovní jednotku Sinclair.
Parametry, které budeme ladit
- 9.3.1 a 9.3.2 můžeme vyladit dvě způsoby
- Nastavíme je na -6 a -10 and tím končí naše celé ladění
- Nastavíme je na -10 a -15 a budeme pokračovat v ladění tepelného čerpadla
- Pozor: pokud nastavíte teploty příliš nízko a nedojde ke snížení také teploty, do které tepelné čerpadlo maximálně topí. Budete nutit kompresor pracovat více a ten se dříve opotřebuje.
- Pozor: Optimální hodnoty závisí na typu chladiva (zde je to R32)
- 9.3.5 - V případě, že změníte parametry regulátoru (popsáno později), může být nutné tuto hodnotu změnit. Nastavuje dobu, po kterou bude řídicí jednotka regulace Atrea čekat na vyhodnocení, zda chladivo tepelného čerpadla dosáhlo dostatečné teploty. Pokud ne, vyvolá výstrahu a může se také pokusit použít topnou patronu na podporu tepelného čerpadla.
- 9.3.8 a 9.3.9 - dávají dohromady hodnotu na kterou se bude regulovat teplota chladiva R32
- 9.3.10 a 9.3.11 - jsou konstanty regulační rovnice PI regulátoru. Ovlivňují proporcionální složku a integrační složku.
- 9.3.12 - Říká, jak často regulátor vyhodnotí změnu a provede regulační zásah
Výstupem regulátoru je napětí mezi 0 a 10 V. To je přenášeno do SCMI 1.04, který řídí externí jednotku tepelného čerpadla. Zjednodušeně řečeno, 0 V znamená 0 % výkonu a 10 V znamená 100 % výkonu. PI regulátor Atrea bere jako vstup naměřenou teplotu chladiva. Porovnává ji s hodnotou získanou součtem bodů 9.3.8 a 9.3.9 dohromady. A na základě rozdílu mezi naměřenou hodnotou a očekávanou hodnotou poskytuje výstup ve formě napětí. Jednoduše řečeno, pokud je teplota příliš nízká, zvýší výkon tepelného čerpadla a naopak.
Jakým způsobem můžeme regulační děj pozorovat a ladit ho?
Bez dobrých monitorovacích nástrojů a možnosti vykreslit jejich změny v čase. by bylo velmi obtížné cokoli doladit. Řídicí systém Atrea naštěstí poskytuje dokonalé řešení a jmenuje se Data Log. Ukládá všechny důležité parametry do paměti a umožňuje vykreslit jejich průběh v čase do grafu. Dokonce si můžete vybrat pouze ty parametry, které vás zajímají.
- Na obrázku výše vybíráme tyto vstupy (hodnoty vstupující do systému zvenčí)
- TEa vstup - Teplota vzduchu z venku
- TEb vstup - Teplota vzduchu uvnitř
- T1 - teplota ve 2/3 zásobníku tepla (od spodní části. Takže 1/3 od horní části)
- T2 - teplota v 1/3 zásobníku tepla
- T5 - teplota chladicí směsi v tepelném čerpadle (Přehřátá pára)
- Na obrázku výše vybíráme také tyto výstupy (hodnoty vycházející ze systému)
- SA2 - výstup regulátoru ve Voltech pro směšovací ventil. Systém ho používá pro topení v domě skrze rekuperaci horkou vodou.
- DA1 - výstup regulátoru pro řízení tepelného čerpadla v rozmezí 0 až 10V (0 až 100%)
- R1no - sepnutí elektrické, topné patrony
- Na obrázku výše v horní části vidíme teploty pro vstupní hodnoty.
- Na obrázku výše ve spodní části vidíme výstupní napětí regulátoru napětí pro vytápění a výkon kompresoru tepelného čerpadla.
- Dvě nejdůležitější věci na obrázku jsou teplota T5 v horní části a výstupní napětí D1 ve spodní části.
- Obecně chceme, aby PI regulátor dosáhl očekávané teploty chladiva a udržel ji.
- Na obrázku výše je detail, kdy regulátor dosáhl očekávaného stavu. Výstup v tomto bodě je 3,25 V (měnič tepelného čerpadla dosahuje přibližně 32 % maximálního výkonu cca 400 W). Teplota chladiva se pohybuje kolem 46 stupňů.
- Samozřejmě se jedná o skutečný systém. Proto může tepelné čerpadlo například začít zamrzat. A regulátor by to musel zvládnout a vrátit systém opět do rovnováhy, ideálně přesně na 46 stupňů (9.3.8 + 9.3.9).
Jak můžete sami vyladit regulátor jen z grafu?
Pokud si projdete tento článek (v češtině). Najdete tam obrázky, jak vypadá výstup regulátoru při správném nebo nesprávném nastavení. Na základě těchto obrázků můžeme buď zvýšit/snížit konstanty P nebo I regulátoru a metodou pokus-omyl po chvíli dosáhnout uspokojivého výsledku. Můžete použít parametry z výše uvedeného obrázku a doladit je pro svůj aktuální systém. Upozorňuji, že v mém případě se jedná o jednotku ASGE-12BI s chladivem R-32.
Proč se vůbec obtěžovat laděním regulátoru tepelného čerpadla?
Když je váš regulátor vyladěný a dokáže dosáhnout a udržet očekávanou teplotu chladiva. Ušetříte tím energii a prodloužíte životnost kompresoru, protože se nebude jen zapínat a vypínat. Nesprávně nastavený regulátor totiž může dosáhnout mezního tlaku (teploty) a tepelné čerpadlo se samo zastaví, aby nedošlo k jeho poškození. A to se opakuje stále dokola, dokud tepelné čerpadlo neohřeje vodu. Mnohem lepší je, když se například vaše tepelné čerpadlo dokáže spustit, dosáhnout očekávané teploty a udržovat ji, dokud se voda neohřeje na očekávanou teplotu (chladivo předává energii vodě ve 425litrovém zásobníku vody).
Zde je velmi dobrý nástroj pro vykreslení p-h diagramu na základě parametrů, které do něj zadáte. Jak můžeme tyto parametry získat? Změřme pracující tepelné čerpadlo v ustáleném stavu (když dosáhne očekávané teploty a drží ji).
Na obrázku výše je naměřena větší trubka, v níž je chladivo v parní fázi o teplotě 46 stupňů. Na obrázku níže změříme totéž uvnitř menší trubky, kde je chladivo v kapalné fázi a uvidíme 29 stupňů.
Dobře, takže víme, že teplota parní fáze je 46 stupňů a kapalná fáze se vrací do tepelného čerpadla při teplotě 29 stupňů. K čemu je to dobré? Můžeme to zakreslit do p-h diagramu a vypočítat přibližný COP. A pokud známe také maximální výkon tepelného čerpadla (1 kW) a regulační napětí (tj. na kolik běží kompresor). Pak můžeme vypočítat i topný/chladicí výkon.
Pokud například kompresor běží na 45 %, spotřebuje zvenčí přibližně 500 W energie. A pokud je COP 4, znamená to, že tepelné čerpadlo poskytuje při ohřevu vody výkon 4 * 500 = 2 000 W. Aby byl náš výpočet možný, potřebujeme znát dvě hodnoty Kondenzační teplota (46 stupňů, naměřili jsme ji). A potřebujeme znát teplotu venkovního vzduchu (což je teplota výparníku. Ta nám řekne, kolik může tepelné čerpadlo odebírat z vnějšího prostředí).
A k čemu je dobrá teplota 29 stupňů, kterou jsme naměřili? Páry chladiva o teplotě 46 stupňů vstupují do kondenzátoru uvnitř vodní nádrže o objemu 425 litrů (uvnitř je jen dlouhá trubka, která spirálovitě prochází nádrží shora dolů). Při průchodu chladivo ztrácí energii, dokud nevystoupí a nevrátí se do tepelného čerpadla. Tato vracející se kapalina má teplotu 29 stupňů (je to vlastně směs kapaliny a páry).
Tomu se říká podchlazení. Chladivo jsme ochladili více, než je nutné k jeho přeměně na kapalinu. Toto podchlazení nám pomáhá získat kvalitnější kapalinu (ve skutečnosti se jedná o směs par a kapaliny, takže chceme získat co nejvíce kapaliny. Při odpařování kapaliny se odebírá energie z vnějšího prostředí). Na grafu níže je to znázorněno modrými čarami v šedé oblasti. Ty představují tzv. kvalitu. Jinými slovy, kolik procent kapaliny a páry je ve směsi.
Samozřejmě nemůžeme jít s podchlazením příliš nízko, protože bychom začali nádrž s vodou ochlazovat, místo abychom ji ohřívali. Snažíme se tedy najít ideální bod, abychom maximalizovali COP. Na obrázku níže je uveden příklad p-h diagramu na základě naměřených hodnot.
Dosahujeme pěkného COP přibližně 6,6 pro vytápění a 5,6 pro chlazení. Ve skutečnosti by tepelné čerpadlo pracovalo se spotřebou 300-400 W. Skutečný topný výkon by se pohyboval maximálně kolem 2 600 W. Pro dosažení lepších výsledků by bylo nutné použít výkonnější tepelné čerpadlo, které má větší výparník a dokáže z prostředí získat více energie. Předpokládáme účinnost kompresoru 80 % (kolik energie přemění na tlak, zbytek jsou ztráty ve formě tepla).
Bylo by hezké, kdyby Atrea dokázala měřit i podchlazení a automaticky dolaďovat parametry PI regulátoru. Bohužel tato funkce zatím není podporována. Doufejme, že jednou bude. Nejde ani tak o problém chybějících vstupů. Můžete připojit další teplotní čidlo. Ale regulátor Atrea jej nebude moci použít pro samočinné ladění (ověřeno 04/04/2023).
Můžeme nějak ověřit, že naše tepelné čerpadlo skutečně dodává očekávaný topný výkon?
Ano, můžeme. Pokud víme, jak dlouho je naše tepelné čerpadlo v provozu. A známe změnu teploty a také víme, kolik vody je v zásobníku. Můžeme jednoduše zpětně vypočítat, kolik výkonu je potřeba ke zvýšení teploty tohoto množství vody. A pokud jsou výsledky stejné, víme, že naše tepelné čerpadlo skutečně dodalo očekávaný topný výkon. Ukážu vám to na obrázku níže.
Důležité je vybrat tu část grafu, kde bylo v provozu pouze tepelné čerpadlo. Nevybírejte části, kde systém topí a zároveň běží tepelné čerpadlo. To vám neumožní založit měření na známých podmínkách. Pokud totiž systém také ohřívá vzduch, odebírá energii v mezidobí, kdy ji tepelné čerpadlo přidává. To vám znemožňuje měřit výkon tepelného čerpadla izolovaně.
Použil jsem kalkulátor dostupný tady. Jinými slovy, ptáme se. Když teplota vody stoupne z 30 stupňů na 40 stupňů . V nádrži je 425 litrů vody. Ohřev se provádí elektřinou (takže žádné skutečné ztráty). A tepelné čerpadlo ji dokázalo ohřát za dvě hodiny. Je spočítáno, že tepelné čerpadlo by mělo dodávat 2,5 kW za hodinu. A dodalo celkem 5 kWh topného výkonu.