Vplyv použitia nemrznúcej zmesi na výkon tepelného čerpadla a nové výzvy spojené s chladivom R290
Časopis TZB Haustechnik 
Čoraz populárnejšie tepelné čerpadlá typu monoblok majú časť vykurovacieho okruhu vonku, takže je vystavená mrazu. Ochrana systému pred zamrznutím je preto nevyhnutná, pričom najspoľahlivejším riešením je použitie nemrznúcej zmesi. Napriek tomu medzi odborníkmi pretrváva názor, že jej použitie negatívne ovplyvňuje výkon tepelného čerpadla. Naozaj? Je to oprávnená obava? Najskôr však porovnáme alternatívy k nemrznúcej zmesi.
Trh s tepelnými čerpadlami rastie a spolu s ním prichádzajú do odboru aj klasickí inštalatéri – kúrenári, plynári a elektrikári. Väčšina z nich však nemá chladiarenské oprávnenia, preto sú čoraz populárnejšie tepelné čerpadlá typu monoblok, ktoré sa dajú inštalovať bez zásahu do chladiaceho okruhu.
Zároveň rastie dopyt po systémoch vhodných na rekonštrukcie, kde sú potrebné vyššie teploty vykurovacej vody. To si vyžaduje nové, ekologickejšie chladivá, ktoré sú však často horľavé, teda nevhodné pre vnútorné inštalácie vo verzii split. Aj to prispieva k preferencii monoblokov.
Monoblok však znamená, že časť vykurovacieho okruhu sa nachádza vonku a je vystavená mrazu, preto je ochrana systému pred zamrznutím nevyhnutná a použitie nemrznúcej zmesi podľa odborníkov negatívne ovplyvňuje výkon tepelného čerpadla. Článok sa venuje aj tejto otázke – ide o oprávnenú obavu? Aké sú fakty? Najskôr však porovnajme alternatívy k nemrznúcej zmesi.
Alternatívy k nemrznúcej zmesi existujú, no nie sú dokonalé
Použitie nemrznúcej zmesi v primárnom okruhu tepelného čerpadla sa niekedy vníma ako posledná možnosť. Každá alternatíva však so sebou prináša v praxi kompromisy – či už z hľadiska spoľahlivosti, ceny, alebo potreby servisného zásahu. Pozrime sa na najčastejšie používané riešenia.
Prevádzka bez ochrany (alebo len s elektrickou zálohou)
Takmer všetky tepelné čerpadlá majú zabudovanú ochranu v podobe automatického zapnutia obehového čerpadla, ktoré zabezpečí cirkuláciu vody. Často sa v systémoch nachádza aj elektrický záložný ohrev, ktorý pri poklese teploty udrží médium nad bodom mrazu. Takéto riešenie je však rizikové – pri výpadku napájania alebo poruche elektroniky nie je systém chránený. Ak voda zamrzne, škody sú často nezvratné.
Nezámrzné ventily
Ide o ventily umiestnené vonku na potrubí medzi tepelným čerpadlom a systémom, ktoré sa otvárajú pri nízkej teplote a vypúšťajú médium zo systému. V praxi však dobre fungujú len v ideálnych podmienkach – systém musí byť vyspádovaný, nesmie obsahovať vysoké stĺpce vody (viac poschodí) a samotné ventily musia byť pravidelne kontrolované. Otvorenie ventilu môže prebehnúť neskoro, médium vypúšťa pomaly a, navyše, následne je nutný zásah technika a doplnenie systému. Cenovo sa riešenie pohybuje na úrovni nemrznúcej zmesi, no bez jej výhod.
Havarijný člen vykurovacieho okruhu
Niektorí výrobcovia vedome umiestňujú plastové potrubie alebo tvarovku na najnižšie miesto v okruhu, ktoré má v prípade zamrznutia prasknúť ako prvé, a tým ochrániť drahší výmenník. Takýto bezpečnostný prvok síce môže znížiť riziko veľkej škody, no aj tak vedie k výpadku systému, strate náplne, potrebe výmeny dielu a servisnému zásahu.
Záložný zdroj (UPS alebo elektrocentrála)
Zabezpečenie napájania, najmä pre obehové čerpadlo, prípadne iné ochranné prvky je technicky realizovateľné, ale ekonomicky náročné. Navyše, záložný zdroj musí byť dimenzovaný aj na dlhodobý výpadok a pravidelne kontrolovaný, čo zvyšuje prevádzkové náklady.
Doskový výmenník (oddelenie primárneho a sekundárneho okruhu)
Použitie doskového výmenníka a oddelených okruhov (nemrznúca zmes – voda) umožní naplniť iba primárny okruh nemrznúcou zmesou a sekundár ponechať s vodou. Ide o robustné a spoľahlivé riešenie, ktoré sa však používa najmä v špeciálnych prípadoch — je konštrukčne zložité, drahé a znižuje celkovú účinnosť systému v dôsledku dodatočného tepelného prechodu.
Vplyv nemrznúcej zmesi na výkon tepelného čerpadla
Aby sme pochopili, či nemrznúca zmes skutočne znižuje výkon tepelného čerpadla, musíme sa pozrieť na základnú kalorimetrickú rovnicu:
Q = m. c. Δ𝑇
Tepelný výkon závisí od hmotnostného prietoku 𝑚, tepelnej kapacity média 𝑐 a teplotného rozdielu Δ𝑇. Ak sa zníži 𝑐, čo je prípad nemrznúcej zmesi, vieme rovnicu vyrovnať zvýšením prietoku.
Ďalej vstupujú do hry aj ďalšie fyzikálne vlastnosti ako hustota, viskozita a súčiniteľ prestupu tepla, ktoré ovplyvňujú výsledný výkon výmenníka. Ich vplyv je zložitejší, preto pre potreby tohto článku vychádzame z praktického porovnania v návrhových nástrojoch výrobcov výmenníkov pre konkrétny prípad s parametrami: tepelný výkon 8 kW, ΔT = 5 °C, médium voda vs. 25 % zmes propylénglykolu:
- podľa kalorimetrickej rovnice treba zvýšiť prietok z 22,97 l/min na 24,33 l/min → rozdiel +1,36 l/min, teda +5,9 %,
- návrhový nástroj výrobcu doskových výmenníkov uviedol rozdiel +1,55 l/min, čo predstavuje +6,8 %.
Mierne vyššia hodnota od výrobcu výmenníkov odzrkadľuje spomenuté ďalšie fyzikálne veličiny, no vidíme, že kalorimetria je hlavnou zložkou. Tieto výsledky ukazujú, že rozdiel v prietoku potrebný na zachovanie výkonu je relatívne malý a technicky dobre zvládnuteľný.
Vplyv nemrznúcej zmesi na vykurovací systém
Fyzikálne vlastnosti nemrznúcich zmesí ako vyššia viskozita, nižšia tepelná vodivosť a najmä znížené merné teplo sa neprejavujú len na strane tepelného čerpadla, ale rovnako významne ovplyvňujú aj samotný vykurovací systém. Tieto javy vplývajú aj na rozvody a odovzdávacie plochy. Kľúčovým faktorom je preto správny návrh hydrauliky – dimenzovanie potrubí, nastavenie prietokov a výber výkonného obehového čerpadla, ktoré dokáže prekonať zvýšený hydraulický odpor.
V prípade novostavieb tieto požiadavky nie sú problémom – projektanti aj inštalatéri si ich dnes bežne uvedomujú a dokážu systém navrhnúť tak, aby bol kompatibilný s požiadavkami tepelných čerpadiel. Výzvou sú však rekonštrukcie.
Výzvy pri rekonštrukicách starších systémov
V praxi sa stretávame s budovami, kde bol pôvodný radiátorový systém so starými rozvodmi navrhnutý na vysoký teplotný spád (napr. 70/50 °C). Takéto systémy boli dimenzované na nízke prietoky, čo je v priamom rozpore s požiadavkami moderných nízkoteplotných zdrojov tepla. Aj keď tepelné čerpadlá s chladivom R290 dokážu dosiahnuť výstupnú teplotu až 75 °C, nie je to vždy vhodné riešenie pre staré rozvody. Problémom nie je len samotné vykurovanie, ale najmä režim odmrazovania.
Počas odmrazovania dochádza k otočeniu chladiaceho okruhu – tepelné čerpadlo odoberá teplo z vykurovacej vody a prenáša ho na výmenník vonkajšej jednotky, kde roztápa ľad. V tejto fáze je maximálny prietok na vnútornom výmenníku rozhodujúci. Nízky prietok spôsobí buď zlyhanie odmrazovania, alebo dokonca hrozí zamrznutie výmenníka. Ani použitie nemrznúcej zmesi nie je zárukou – pri nedostatočnom prietoku systém vyhlási poruchu.
V prípade zariadení s chladivom R290, ktoré je horľavé, vstupujú navyše do hry prísnejšie bezpečnostné požiadavky. Týmto špecifikám sa podrobnejšie venujeme v inej časti článku.
Vyrovnávacia nádoba – riešenie, ktoré trerba používať s rozvahou
Zdanlivo jednoduchým riešením nedostatočného prietoku býva inštalácia vyrovnávacej nádoby. Tá zabezpečí stabilný prietok na strane tepelného čerpadla, čo je kľúčové najmä počas odmrazovania. V určitých prípadoch, pri technických alebo konštrukčných obmedzeniach, môže byť vyrovnávacia nádoba rozumným a funkčným riešením, napríklad ako hydraulický oddeľovač či tepelný zásobník.
Problém však nastáva vtedy, keď sa tento komponent používa automaticky a bez hlbšej analýzy konkrétnej situácie. V praxi je časté, že sa nádoba inštaluje len preto, aby tepelné čerpadlo fungovalo zdanlivo bezchybne. Takýto prístup je však skôr technickým kompromisom než optimálnym riešením.
Pri rozdielnych prietokoch medzi primárnym a sekundárnym okruhom dochádza k miešaniu vody vo vyrovnávacej nádobe, čo znemožňuje dosiahnuť na sekundárnom okruhu požadovanú teplotu a teplotný rozdiel. To môže výrazne znížiť výkon vykurovacieho systému a zhoršiť tepelný komfort – najmä pri starších rozvodoch navrhnutých na vysoké Δ 𝑇. V extrémnych prípadoch dochádza k situácii, keď systém na prvý pohľad funguje, ale v skutočnosti neplní svoje úlohy efektívne.
Okrem technického dosahu má vyrovnávacia nádoba aj ekonomické dôsledky. Zvyšuje zložitosť systému, zaberá miesto, pridáva potrebu ďalšieho obehového čerpadla a výrazne zväčšuje objem vykurovacej kvapaliny – to znamená aj vyššie množstvo potrebnej nemrznúcej zmesi. Náklady na túto zložku nie sú zanedbateľné, najmä pri väčších systémoch, a zároveň sa tým oslabuje najsilnejší argument tepelných čerpadiel – ich vysoká efektivita.
Použitie vyrovnávacej nádoby by preto nikdy nemalo byť náhradou za kvalitný návrh systému. Je to nástroj, ktorý má svoje miesto, ak je jeho použitie technicky opodstatnené a nie motivované len snahou o zjednodušenie montáže či predaj zariadenia za každú cenu.
Najhorší možný scenár
Ak systém nie je chránený proti zamrznutiu, vzniká reálna možnosť reťazca udalostí, ktoré môžu viesť až k ohrozeniu bezpečnosti osôb a majetku.
Zamrznutie odvzdušňovacieho ventilu vo vonkajšej jednotke
Prvým kritickým bodom je odvzdušňovací ventil umiestnený priamo vo vonkajšej jednotke tepelného čerpadla. Okrem svojej hlavnej funkcie – odvzdušnenia vykurovacieho okruhu – plní aj bezpečnostnú úlohu: v prípade havárie (prasknutie výmenníka) umožňuje uvoľnenie horľavého chladiva R290 do voľného priestoru mimo budovy.
Keďže je tento ventil napojený na vetvu, v ktorej pri výpadku napájania neprúdi voda, je vystavený riziku zamrznutia. Ak zamrzne, stáva sa nefunkčným – stráca schopnosť odviesť chladivo mimo objektu, čím zlyháva jeho bezpečnostná funkcia.
Zamrznutie doskového výmenníka
Ak teplota naďalej klesá, zamrzne voda aj v samotnom doskovom výmenníku tepelného čerpadla. V dôsledku rozpínania ľadu môže dôjsť k prasknutiu výmenníka a úniku chladiva do primárneho vykurovacieho okruhu.
Uvoľnenie chladiva v technickej miestnosti
Propán (R290) ako chladivo má relatívne vysoký tlak a nízku hustotu, preto sa po úniku začne šíriť potrubným systémom smerom dnu do budovy. Po dosiahnutí technickej miestnosti môže dôjsť k uvoľneniu cez vnútorný odvzdušňovací alebo poistný ventil.
V uzavretom priestore malej technickej miestnosti sa veľmi rýchlo dosiahne výbušná koncentrácia plynu. V takomto prostredí postačí na iniciáciu výbuchu jediná iskra – napríklad zo spínača alebo obehového čerpadla.
Záver – prevencia, ktorá dáva zmysel
Využitie nemrznúcej zmesi v primárnom okruhu tepelného čerpadla je jediným spoľahlivým spôsobom, ako eliminovať riziko zamrznutia systému. Alternatívne riešenia môžu dočasne fungovať, no žiadne z nich neposkytuje úplnú istotu – najmä v prípade výpadku elektrickej energie alebo extrémnych klimatických podmienok.
Obava, že nemrznúca zmes znižuje výkon systému, nie je v praxi opodstatnená. Kalorimetrické výpočty aj výsledky návrhov výmenníkov ukazujú, že rozdiely sú minimálne a dajú sa ľahko kompenzovať správnym návrhom vykurovacieho systému či väčším výkonom obehového čerpadla. Systémy s kvalitne navrhnutou hydraulikou fungujú spoľahlivo a efektívne aj pri použití zmesi.
Použitie chladiva R290 so sebou prináša nové výzvy, najmä v oblasti bezpečnosti. Je nevyhnutné dôsledne dodržiavať technologické postupy a zabezpečiť správne návrhy systémov vrátane vhodných bezpečnostných prvkov. Ak sú tieto pravidlá dodržané, R290 predstavuje moderné, ekologické a funkčné riešenie bez zásadných obmedzení.
Navyše, podľa dostupných databáz inšpekčných správ, ako sú napríklad EU ARIA či eMARS, v Európskej únii nie sú evidované žiadne potvrdené incidenty súvisiace s výbuchom alebo nehodou spôsobenou použitím chladiva R290 pri rezidenčných tepelných čerpadlách. To poukazuje na fakt, že pri správnom návrhu a montáži ide o bezpečnú technológiu.
Zhrnuté a podčiarknuté: správne navrhnutý systém s nemrznúcou zmesou a chladivom R290 je spoľahlivý, bezpečný a výkonný.
TEXT: Ing. Martin Ondraščin, servisno-technický špecialista, KLIMAVEX GROUP
FOTO: iStock
