Tepelná čerpadla – princip, systémy, výhody

P5200226

Tepelná čerpadla jsou řazena mezi tzv. alternativní zdroje energie. Tepelné čerpadlo je stroj, který čerpá teplo z jednoho místa na jiné přidáním vnější práce. Obvykle je tento princip využíván čerpáním z chladnějšího místa na teplejší. Umožňují odnímat teplo z okolního prostředí – vzduchu, vody nebo země – a převádět ho na vyšší teplotní hladinu. Následně jej účelně využít pro vytápění nebo přípravu teplé vody. Pro přečerpání tepla na vyšší teplotní hladinu je zapotřebí dodat určité množství energie. Princip tepelného čerpadla není nic až tak nového, známe jej dobře například ze zařízení jako je chladnička, mraznička nebo klimatizace. Na příkladu všem známé ledničky – tato odebírá potravinám uvnitř teplotu – chladí je – a teplo odvádí přes výparník ven a ohřívá tak své okolí, spotřebovává k tomu externě dodanou energii.

OKb4

Princip fungování tepelného čerpadla zprvu vypadá jako zázrak

Téměř u každého, kdo se začne o tepelná čerpadla zajímat, mu takové zařízení může připadat buď jako malý technický zázrak (jak může z chladnějšího prostředí přidáním trochy energie topit dovnitř budovy?) nebo zauvažuje zda to není podvod? Nejčastěji využíváme různé typy kompresorových tepelných čerpadel.

V okolním prostředí – vzduchu, vodě, zemi – je obsaženo relativně velké množství tepla. Toto teplo ale nelze vzhledem k nízké teplotní hladině (oproti teplotě uvnitř místností) přímo využít pro vytápění nebo ohřev vody. Pokud chceme teplo z okolního prostředí využít, je třeba jej převést na vyšší teplotu. Principem fungování tepelných čerpadel je, že v tomto zařízení je chladivo v plynném stavu stlačeno kompresorem a pak přivedeno do kondenzátoru. V kondenzátoru odevzdá své skupenské teplo (ochladí se a svoji původní energii předá). Zkondenzované chladivo je vedeno expanzní tryskou do výparníku, který skupenské teplo (již při nižším tlaku a teplotě) přijme a odpaří se. Poté opět pokračuje do kompresoru a cyklus se opakuje.

Co zvážit při výběru tepelného čerpadla?

V odborné i laické veřejnosti vzniká mnoho diskuzí nad tím, jaký princip tepelných čerpadel je pro zákazníky nejvýhodnější. Některé společnosti nabízejí a montují více systémů (například vzduch-voda, vzduch-vzduch, voda-voda či země-voda), přičemž první údaj je odkud se přírodní teplo získává, a do topné vody je pak předáváno. Více o těchto systémech v odstavci níže. Většina společností pak nabízí jeden nebo dva z těchto systémů. Ač je to na začátku pro zákazníka složitý proces a těžké rozhodování. Výběr tepelného čerpadla je třeba vždy pečlivě zvážit, jde o volbu která by měla kromě ekologičtějšího pohledu na vytápění dlouhodobě přinést úspory na energiích. Při správném rozhodnutí můžete získat zdroj tepla s minimálními náklady na jeho provoz, rozumnou životností a spolehlivostí.

Při plánování volby tepelného čerpadla je třeba nechat výpočty a výběr vhodného typu (výkonnosti systému pro dané podmínky) na odbornících. Bude třeba znát minimálně parametry jako je tepelná ztráta domu (kW), případně vytápěná plocha (m2), zda je dům kvalitně zateplený, zda obsahuje i podlahové nebo jen podlahové vytápění, ideálně bližší podrobnosti a plánek. Zejména u pasivních a nízkoenergetických domů pak hraje roli i počet osob, které prostor dlouhodobě obývají, zda bývá vyšší spotřeba TUV (teplé užitkové vody), aktuálně nebo v blízkém budoucnu budeme chtít přihřívat také bazénovou vodu, dispoziční možnosti stavby a pozemku (dle systému – umístění jednotek, zásobníku, případně podzemních částí – pak i zda bude možné provést výkopy na pozemku na ploše cca 500m2 nebo hloubkové vrty) atd.

Také čtěte  Jak si zajistit v koupelně příjemné teplo?

Systémy tepelných čerpadel

Vzduch-vzduch

Tepelné čerpadlo odebírá teplo z venkovního prostředí, vzduchu. Ten je nasáván do venkovní jednotky tepelného čerpadla, kde je z něj odebráno (získáno) teplo a následně použito pro ohřev vzduchu uvnitř vytápěné budovy. Díky tomu, že toto tepelné čerpadlo ohřívá vzduch v místnosti přímo, bez prostřednictví topného systému, dosahuje výrazně lepších topných faktorů než klasická tepelná čerpadla vzduch/voda a země-voda. Ale zároveň, pokud má tepelné čerpadlo jednu vnitřní jednotku, funguje podobně jako krb. Vytápí jednu místnost, ale teplo se přirozeně může šířit po celém domě.

Tepelné čerpadlo tohoto principu dokáže u elektricky vytápěných domů snížit zásadním způsobem provozní náklady a to bez složitých stavebních úprav a vysokých investic. Poslouží také velmi dobře pro dlouhodobější temperaci chat a chalup, zimních zahrad, garáží, dílen, restaurací apod.

Výhody systému vzduch-vzduch
+ Systémy vzduch-vzduch se vyznačují jednoduchou a velmi rychlou instalací
+ Tepelná čerpadla vzduch/vzduch mají velmi nízké investiční náklady
+ Jsou ideální pro doplnění domů a bytů vytápěných elektrickými přímotopy nebo elektrokotli
+ Kromě topení, má tepelné čerpadlo i funkci klimatizace a odvlhčování
+ Tepelné čerpadlo tohoto systému také dokáže v případě vestavěného plasmaclusterového filtru a ionizátoru vzduchu vyčistit vzduch uvnitř místnosti od alergenů, virů a dalších škodlivin

Nevýhody systému vzduch-vzduch
– Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch mívá obvykle jen jednu vnitřní jednotku
– Systém vzduch-vzduch nebývá vhodný do domů a bytů s větším počtem malých místností
– Takovýmto tepelným čerpadlem není možné ohřívat teplou vodu (TUV)

Vzduch-voda

Tepelné čerpadlo systému vzduch-voda odebírá teplo z venkovního vzduchu podobně jako u systému vzduch-vzduch. Ale vzduch je nasáván přímo do tepelného čerpadla a získané teplo je využito pro ohřev vody v topném systému nebo v zásobníku teplé vody. Tepelná čerpadla vzduch-voda můžeme dělit na tzv. split systémy, u nichž je venkovní jednotka propojena s vnitřní jednotkou přímo pomocí potrubí s chladivem a na monoblokové systémy, kdy je chladivo pouze ve venkovní jednotce a propojení s budovou je provedeno potrubím s topnou vodou. Tepelná čerpadla vzduch-voda bývají obvykle umisťována vně budovy, ale některé typy je možno instalovat i uvnitř budovy a přívod vzduchu zajistit otvory ve zdech.

Tepelná čerpadla vzduch-voda dosahují nejvyšších úspor při napojení na nízkoteplotní podlahové vytápění nebo konvektory s ventilátorem. Tepelná čerpadla odebírající teplo ze vzduchu nebývají doporučována v horských oblastech, protože pracují s výrazně zhoršeným topným faktorem (COP). Pečlivě zvažte správné umístění venkovní jednotky, případně ji doplňte o akustický zákryt, předejdete nebo omezíte obtěžování hlukem vaše sousedy nebo vás samotné.

Výhody systému vzduch-voda
+ Vzduchová tepelná čerpadla se instalují jednoduše a rychle, s minimálními nároky na prostor
+ Tepelná čerpadla vzduch-voda mívají nižší investiční náklady například než tepelná čerpadla s vrty
+ Tepelná čerpadla vzduch-voda mají nízké provozní náklady v porovnání s elektrickým nebo plynovým topením
+ Systém vzduch-voda je velmi vhodný pro přitápění sezonních bazénů

Nevýhody systému vzduch-voda
– V nízkých venkovních teplotách mají TČ vzduch-voda snížený výkon a sníženou výstupní teplotu topné vody
– Tepelná čerpadla vzduch/voda mají v průměru o 30 % vyšší provozní náklady než systémy země-voda
– Díky vyššímu namáhání kompresoru mívají TČ odebírající teplo ze vzduchu relativně kratší životnost, než tepelná čerpadla odebírající teplo ze země nebo vody

Voda – voda

Tepelná čerpadla systému voda-voda odebírají teplo ze spodních nebo z geotermálních vod. Tato voda bývá čerpána ze studny do výměníku tepelného čerpadla a následně vracena zpět do země. Tepelná čerpadla voda-voda jsou vhodná i pro využití odpadního tepla v technologických procesech.

Také čtěte  Futuristický Masdar City, SAE - i s českými dodavateli

Tepelná čerpadla voda-voda je nejvhodnější instalovat ve větších komerčních nebo obecních objektech. Zde lze zajistit bezproblémový pravidelný dozor a údržbu celého systému. V rodinných domech je vhodné používat tepelná čerpadla systému voda-voda jen v těch lokalitách, kde je k dispozici opravdu kvalitní a snadno dostupná spodní voda.

Výhody systému voda-voda
+ Systémy voda-voda dosahují nejvyšších topných faktorů
+ Nižší investiční náklady při porovnání s tepelnými čerpadly s vrty
+ Je možné také využití místních energetických zdrojů – tepelné čerpadlo voda-voda vlastně rekuperuje energii z výrobních procesů, případně využívá geotermální vodu

Nevýhody systému voda-voda
– Využití je možné jen v lokalitách s dostatkem spodní vody, či vhodným zdrojem technologické nebo geotermální vody
– TČ voda-voda, ve většině případů, vyžadují pravidelnou údržbu filtrů a výměníků, protože pracují s otevřeným systémem
– TČ voda-voda mají typicky nákladnější servis

Země – voda (vrt)

Tepelná čerpadla označovaná země-voda (vrty) pracují na principu odběru tepla z hloubky pod povrchem terénu, např. vaší zahrady. Bývá to tak, že ve vrtu o průměru 12 až 16 cm bývá uložena plastová sonda naplněná nemrznoucí směsí, a ta přenáší teplo mezi zemí a tepelným čerpadlem. Podle projektu a potřeby se provádí jeden nebo více vrtů o hloubce 80 až 150 m. Tepelná čerpadla s vrty mají nejnižší nároky na prostor uvnitř i vně domu.

Tepelná čerpadla s vrty bývají nejvhodnější do oblastí s tvrdým podložím. Naopak v oblastech, kde se nachází do velké hloubky písky a štěrky, bývá vrtání obtížnější. U novostaveb, které mají jen velmi malý pozemek, lze dokonce vrty pro TČ tohoto systému země-voda, provést už před stavbou pod základovou deskou. Vrty pro TČ bývají prováděny specializovanými firmami, které obvykle zajistí i vyřízení potřebných povolení. Zkušené vrtné firmy vybavené moderní technikou, dokáží zhotovit vrty bez poškození povrchu (zahrady) a tak bývá možné instalovat TČ s vrty i u stávajících objektů.

Výhody systému země-voda (vrt)
+ TČ s vrty mívá stabilní výkon a vysoký topný faktor i při extrémně nízkých venkovních teplotách
+ Spotřeba elektřiny přibližně o 30 % nižší, než u tepelných čerpadel odebírajících teplo ze vzduchu
+ Díky minimálním nárokům na prostor lze tepelné čerpadlo s vrtem realizovat u většiny objektů
+ TČ s vrtem lze realizovat i před zhotovením základové desky objektu, pokud není prostor na pozemku
+ Vrt možné využít pro levné chlazení domu v letním období (pasivní chlazení – využívá se pouze vrt a nikoliv TČ)

Nevýhody systému země-voda (vrt)
– Vyšší investiční náklady na pořízení vrtu
– Nutnost vyřízení stavebního povolení

Země – voda (studna)

Tepelná čerpadla odebírající teplo ze spodní nebo z geotermálních vod. Voda bývá obvykle čerpána ze studny do výměníku tepelného čerpadla a následně vrácena zpět do země. TČ voda-voda lze využít také pro využití odpadního tepla v technologických procesech.

Tepelná čerpadla voda-voda (studna) bývá vhodné instalovat ve větších komerčních nebo obecních objektech, kde lze zajistit bezproblémový pravidelný dozor a údržbu celého systému. V rodinných domech je vhodné používat tepelná čerpadla voda-voda (studna) pouze v těch lokalitách, kde se v dostatečném množství vyskytuje opravdu kvalitní a snadno dostupná spodní voda.

V některých případech, je možno TČ systému voda-voda (studna) nahradit tepelným čerpadlem země-voda. Místo čerpání vody přímo do tepelného čerpadla, se například do vodní nádrže položí výměník z plastových trubek naplněný nemrznoucí směsí. Z něj pak energii tepelné čerpadlo odebírá stejně jako z vrtu nebo plošného kolektoru.

Výhody systému voda-voda (studna)
+ Dosahují nejvyšších topných faktorů
+ Nižší investiční náklady v porovnání s tepelnými čerpadly s vrty
+ Využití místních energetických zdrojů, kdy TČ voda-voda rekuperuje energii z výrobních procesů, nebo využívá geotermální vodu

Také čtěte  Barevné teplo pro každou koupelnu

Nevýhody systému voda-voda (studna)
– Využití je možné jen v lokalitách s dostatkem spodní vody, nebo vhodným zdrojem technologické či geotermální vody
– Tepelná čerpadla voda-voda (studna) ve většině případů pracují s otevřeným systémem, který vyžaduje pravidelnou údržbu filtrů a výměníků
– TČ systému voda-voda (studna) mívají vyšší náklady na servis

Země – voda (plocha)

Tepelná čerpadla systému země-voda odebírající teplo z vodní plochy. Na dně rybníka, řeky nebo jiné vodní plochy bývají při realizaci TČ s tímto systémem uloženy plastové hadice naplněné nemrznoucí směsí, která přenáší teplo mezi vodou a tepelným čerpadlem. Pokud není poblíž domu vodní plocha, může se nově vybudovat a na budoucí dno rovnou uložit kolektor.

Výhody systému země-voda (vodní plocha)
+ Velmi nízké náklady na vybudování kolektoru. Nízké provozní náklady.

Nevýhody systému země-voda (vodní plocha)
– Vhodné pouze pro objekty ležící v těsné blízkosti vodní plochy. Nutnost získání povolení od správce povodí.

Země – voda (větrací vzduch)

Kombinace využívání tepla odpadního vzduchu z domu a tepla z plošného kolektoru nebo vrtu. Tepelná čerpadla odebírají část tepla z odpadního větracího vzduchu a část ze zemního kolektoru. Když není potřeba vytápět nebo ohřívat teplou vodu, bývá nadbytečné teplo z větracího vzduchu uloženo do podzemního kolektoru. Díky tomu je teplota zemního kolektoru stále vysoká a tepelné čerpadlo pracuje celoročně s vysokým topným faktorem.

Pro kombinovaný odběr tepla z odpadního vzduchu a zemního kolektoru lze použít specializovaná tepelná čerpadla, nebo použít standardní tepelné čerpadlo země-voda a doplnit ho o externí větrací jednotku s výměníkem.

Výhody systému země-voda (větrací vzduch)
+ Celoročně vysoký topný faktor
+ Minimální nároky na velikost zemního kolektoru
+ U nízkoenergetických domů stačí zemní kolektor s plochou jen 40 m2
+ Systém řízeného větrání domu je při této kombinaci s TČ výrazně levnější než u klasických systémů s rekuperačními výměníky

Nevýhody systému země-voda (větrací vzduch)
– Systém teleplného čerpadla země-voda (s větracím vzduchem) bývá vhodný pouze pro nízkoenergetické domy

Topný faktor tepelných čerpadel

Topný faktor je ukazatelem energetické účinnosti tepelného čerpadla (zařízení), které dodává do systému teplo – tepelné čerpadlo, popř. chlazení – klimatizace na principu tepelného čerpadla. Topný faktor je poměr mezi vyprodukovaným teplem (teplem dodaným do topného systému) a spotřebovanou energií (množství elektřiny pro pohon tepelného čerpadla, zejména kompresoru tepelného čerpadla). Pro topný faktor se užívá zkratky COP (z anglického Coefficient of performance).

Tento článek je jakýmsi laických úvodem do problematiky tepelných čerpadel pro vytápění objektů a ohřev vody, ať již teplé užitkové nebo např. příhřev vody bazénové. V návazných článcích se budeme více věnovat jednotlivým systémům i jejich návaznostem na systémy vytápění (podlahové vytápění, radiátory, konvektory).