Energie čekající přede dveřmi

Rozšířené využívání tepelných čerpadel v posledních letech není náhoda. Jejich dobré výsledky z hlediska snižování nákladů na energie, vícefunkční využití a nenáročná údržba v sobě skrývají pozitiva, která rozhodují o tom, že stále více domácností volí právě tepelná čerpadla.

Jak funguje tepelné čerpadlo
Funguje na principu termodynamického chladicího oběhu. Odvádí nízkopotenciální teplo z přírody (ze země, z vody nebo ze vzduchu) nebo z průmyslu (odpadní teplo), které zahřátím mění své skupenství v plynné. Následným stlačením plynu vzroste jeho tlak a teplota. Ohřáté chladivo odevzdá teplo topným tělesům a snížením teploty zkondenzuje opět na kapalinu schopnou odebírat teplo z okolního prostředí. Jednoduše řečeno – tepelné čerpadlo je zařízení, které pracuje na stejném principu jako chladnička, ale obráceně: odčerpává tepelnou energii z okolního prostředí a odevzdává ji systému vytápění.

Tepelné čerpadlo se skládá ze tří základních částí: výparníku, kompresoru a kondenzátoru. Primární částí je výparník, kompresor zajišťuje cirkulaci média v tepelném čerpadle, sekundární částí je kondenzátor. Konstrukčně jsou propojeny potrubím a tvoří uzavřený okruh, v němž cirkuluje médium – kapalina (používá se kapalina, která se odpařuje při velmi nízkých teplotách: až –32 °C).

Zdroj tepla pro tepelné čerpadlo
Při výběru přírodního zdroje pro tepelné čerpadlo zvažujeme zejména jeho dostupnost, kvalitu, vydatnost a teplotu. Jedním ze zdrojů tepla pro tepelné čerpadlo je podzemní voda. Má poměrně stálou a vysokou teplotu (7 až 12 °C) a většinou není ani chemicky znečištěná. Nevýhodou je její malé množství. Nejčastěji se využívá voda ze studní. Před projektováním tepelného čerpadla je zapotřebí provést zkušební vrt a odměřit potřebnou hloubku studně, vydatnost, chemické složení a jakost podzemní vody.

Jako zdroj tepla lze použít i povrchovou vodu z řeky, jezera či umělé nádrže. Ideální je povrchová voda se spádem, která nezamrzá, takže je možné přivést vodu k výparníku potrubím nebo výparník ponořit přímo do vody. Nevýhodou povrchové vody je proměnlivost její teploty v průběhu roku. Nedá se vyloučit ani její zamrznutí. Problémem mohou být i nečistoty ve vodě, které mohou způsobovat tvorbu usazenin či korozi.

Jedním z nejpoužívanějších zdrojů tepla pro tepelné čerpadlo je zemní teplo. Je to teplo půdy s konstantní teplotou během celého roku. V hloubce 1,5 až 2 m se instaluje plošný horizontální kolektor – systém trubek, v nichž proudí nemrznoucí kapalina, jejímž prostřednictvím se přenáší teplo půdy do obytného prostoru. Nevýhodou je potřeba relativně velké plochy (250 až 400 m²) na umístění kolektoru. Nad kolektor nelze umístit žádné stavby ani stromy. Kolektor odčerpává ze země malé množství tepla, má tedy malý vliv na vegetaci nad kolektorem. Praktická ukázka: budete-li nad kolektorem pěstovat jahody, budete úrodu sbírat o pár dní později než váš soused.

U vertikálního kolektoru může být vrt hluboký až 150 m. S jeho pomocí se dosahuje vyššího energetického zisku ve srovnání s plošným horizontálním kolektorem.

Venkovní vzduch je neomezený a nejdostupnější zdroj tepla pro tepelná čerpadla systému vzduch/voda. Dosahovanou úsporou se přibližují čerpadlům země/voda odebírajícím teplo ze země. Dokážou pracovat při teplotách od –20 do 40 °C a pokrývají tak prakticky celý rozsah teplot, které u nás bývají. V zimě je ale jeho účinnost menší.

Typy tepelných čerpadel
Na základě správně vybraného nízkopotenciálního zdroje rozeznáváme tři druhy tepelných čerpadel.

Země/voda
Může mít dvě podoby. První jsou horizontální zemní kolektory, které vyžadují poměrně velký a svažitý pozemek. Pro běžný rodinný dům je potřebný pozemek o rozloze do 400 m². Druhou alternativou jsou vertikální kolektory, které využívají hlubinné vrty. Používají se v případech, kdy pro zemní horizontální kolektory není k dispozici dostatečně velký pozemek. Běžně se vrtá do hloubky 50 až 100 m.

Nemrznoucí směs, která se přivádí z vrtů do tepelného čerpadla, má za optimálních podmínek teplotu okolo +7 °C. To je teplota, kterou dokáže cirkulující kapalina odebrat při svém proudění v potrubí pod zemí. Takto ohřátá nemrznoucí směs odevzdá teplo ve výměníku na primární straně tepelného čerpadla a ochlazená na +3 °C odteče nazpět do vrtu, kde se znovu pokusí odebrat z podzemí co nejvíce tepla. Takto to probíhá, pokud je navržen vrt s dostatečnou hloubkou, tedy s dostatečnou délkou potrubí.

Voda/voda
Patří mezi nejúčinnější varianty tepelného čerpadla. Vhodnost lokality však musí posoudit odborník. Nejčastěji se v tomto systému používá voda ze studny. Musí však mít stabilní vydatnost, alespoň 0,5 litru za sekundu, a vyhovující chemické složení. Ve vodním tepelném čerpadle je výměník na primární straně omýván vodou ze studny. Voda, která se přivádí do tepelného čerpadla, má teplotu okolo 10 °C. Ohřeje výměník na primární straně a ochlazená na 6 °C odteče do druhé, vsakovací studny.

Teplo, tedy energii, kterou tepelné čerpadlo odebere studniční vodě na primární straně, odevzdá na straně sekundární jako teplo pro vytápění domu. Tato energie se v tepelném čerpadle změní v teplotu vhodnou k vytápění – o to se postará kompresor tepelného čerpadla. Ten při procesu komprese, tedy stlačování v kondenzátoru, zvýší teplotu na 60 °C. Na straně topení je tedy výměník s vodou otopné soustavy, proto se označuje také jako voda/voda.

Konstruktérem tepelného čerpadla byl Slovák Tepelné čerpadlo není nový vynález. Jeho princip je znám už více než 100 let. Konstruktérem prvního tepelného čerpadla na světě byl Slovák Aurel Stodola. Jeho tepelné čerpadlo z roku 1928 dodnes pracuje ve Švýcarsku a vytápí radnici v Ženevě s odebíráním tepla z vody jezera (jde o uzavřený okruh). První velké technické využití tohoto způsobu vytápění se uskutečnilo v roce 1936. Rozsáhlejší využití tepelných čerpadel pro vytápění však nastalo až po zvýšení cen energie začátkem 70. let minulého století.

Vzduch/voda
Představuje nejlevnější alternativu. S montáží nejsou spojeny výraznější náklady, protože vzduch jako zdroj tepla je dostupný v každé lokalitě. Jeho účinnost v zimě je však horší.

Vzduch, který se přivádí do tepelného čerpadla, má v našich podmínkách teplotu od –20 až do 35 °C. Vzduch ohřeje výměník na primární straně a ochlazený se vyfukuje nazpět do prostoru. Tento proces si dokážeme poměrně snadno představit, pokud je teplota venkovního vzduchu 20 °C. Tehdy primární strana tepelného čerpadla odebere ze vzduchu teplo a vyfoukne nazpět vzduch ochlazený na 15 °C. Horší je to s představivostí, pokud je teplota vzduchu –10 °C. I v tomto případě „ohřeje“ vzduch s teplotou 10 °C teplý primární stranu tepelného čerpadla a vyfukuje nazpět vzduch ochlazený na –18 °C. Také při těchto teplotách je uvedený rozdíl teplot energie, kterou tepelné čerpadlo odebere venkovnímu vzduchu na primární straně a odevzdá na straně sekundární jako teplo pro vytápění domu. O přeměnu této energie v tepelném čerpadle v teplotu vhodnou k vytápění se postará kompresor.

Jak si správně vybrat
Před rozhodnutím o volbě typu tepelného čerpadla je nutné si zodpovědět základní otázku: Kde budete získané teplo odevzdávat? Nejčastější odevzdání tepla je do vody. Vyhledejte tedy tepelná čerpadla s označením xx/voda. Výhodou odevzdání tepla do vody je možnost lepší akumulace tepla. Teplá voda se akumuluje v nádrži a může sloužit k ohřevu vody. Vhodným řešením je instalace nízkoteplotního podlahového vytápění, které dokáže využít ohřátou vodu pro efektivní vytápění. Přenos tepla vzduchem má zase výhodu v úspoře nákladů na přenos tepla a rovněž ve výrazně menších ztrátách způsobených odevzdáváním tepla. Rozhodnutí o výběru správného typu tepelného čerpadla je závislé na typu domu a způsobu použití získaného tepla.

Problematika vrtů
Při rozhodnutí čerpat teplo ze země tepelným čerpadlem je nutné se rozhodnout, zda teplo budete čerpat z vrtu, nebo prostřednictvím plošného kolektoru. Dnes jsou vrty jednoduchou záležitostí. Jejich počet a hloubka však bývají různé. Obecně lze konstatovat, že rodinný dům si vystačí se dvěma až třemi 30metrovými vrty. Počet vrtů a jejich hloubka závisí na složení podloží. Přenos tepla v jednotlivých typech podloží je totiž různý.

U tepelného čerpadla země/voda může vzniknout situace, kdy má podloží nedostatečnou vydatnost nebo délka vrtů je poddimenzovaná. Pak se do tepelného čerpadla může vracet ze země kapalina „ohřátá“ jen na teplotu –2 °C, ale i z ní dokáže tepelné čerpadlo odebrat energii, tedy teplo (i když to tak nevypadá), a vyrobit na sekundární straně v kondenzátoru teplotu 60 °C. Z tepelného čerpadla se však v tomto případě do vrtu vrací nemrznoucí směs ochlazená na teplotu přibližně –5 °C. Z uvedeného tedy vyplývá, proč musejí být vrty napuštěny nemrznoucí směsí.

To, že krátké nebo chybně navržené vrty způsobují, že teplota ve vrtech se pohybuje pod bodem mrazu, nebrání fungování tepelného čerpadla, ale snižuje výkonové číslo a tepelné čerpadlo nedosahuje tak nízkých nákladů na provoz, jak by tomu bylo u správně navržených vrtů.

Typy tepelných čerpadel země/voda (použití plochých kolektorů nebo vrtů k získání tepla z půdy) voda/voda (teplo se získává z vody ze studny nebo z povrchové vody) vzduch/voda (venkovní vzduch poskytuje teplo na ohřev vody nebo vytápění)

K čemu lze použít tepelné čerpadlo?
Tepelné čerpadlo se nejčastěji používá k ohřevu vody, protože mnohá tepelná čerpadla mají vestavěný zásobník teplé vody. Zpravidla se dává přednost ohřevu vody před vytápěním, tj. nejprve tepelné čerpadlo ohřeje teplou vodu a následně pouští teplo do topné soustavy. Čerpadlo je vhodné kombinovat s nízkoenergetickou otopnou soustavou (například podlahové/stěnové vytápění), ale současný vývoj nabízí tepelná čerpadla s vyššími výkony, která jsou vhodné pro všechny typy rodinných domů (nejen pro nízkoenergetické) a pro všechny typy otopných soustav. Efektivnost a úspory získané tepelným čerpadlem se projeví o to více, o co větší množství energie potřebujete dodat do domu.

Využití tepelného čerpadla sahá ale ještě dále. S jeho pomocí lze také chladit místnosti (vhodné například v kombinaci se stropním chlazením). Díky přesnému měření vlhkosti a teploty vzduchu v místnosti pomocí čidel teploty a relativní vlhkosti lze určit rosný bod a nastavit chladicí křivku. Tepelné čerpadlo tak odebírá teplo z místností a ochlazuje vzduch. Nepotřebné teplo se odevzdává zpět do přírody.

Návratnost investic
Tepelné čerpadlo v rodinném domě přináší nejen úsporu energie a financí, ale snižuje i závislost domácnosti na dodávkách energie. Návratnost investic je možné snadno vypočítat. Například rodinný dům má roční spotřebu energie na vytápění, ohřev vody, svícení a provoz elektrospotřebičů 24 000 kWh. Jestliže se nainstaluje tepelné čerpadlo, spotřeba energie klesne na úroveň přibližně 10 000 kWh. Úspora je v ceně za 14 000 kWh, které by jinak dům během svého provozu spotřeboval. Prvotní investiční náklady na instalaci tepelného čerpadla nejsou sice nejmenší, ale z dlouhodobého hlediska jde o efektivní, nezávislý a obnovitelný zdroj energie, který se vyplatí a nachází se přímo v zahradě majitele rodinného domu.

Slovo má odborník Ing. Ladislav Truchlík, produktový manažer společnosti KKH Jaké jsou zásady při výběru tepelného čerpadla? Tepelné čerpadlo je efektivní zdroj tepla, který lze využívat k vytápění a ohřevu pitné vody. Jako jediné používané otopné zařízení nevyrábí teplo jednoduchou přeměnou vstupní energie v teplo, ale dodanou energii využije k „přečerpání“ tepla z nízkopotenciálního zdroje (okolní vzduch, voda, země) do vytápění. Spotřebovaná energie je přitom jen zlomkem získaného tepla. Realizace tepelného čerpadla by neměla být chápána jako současná módní záležitost bez ohledu na zítřek. Musí se chápat jako možná alternativa, jedno z řešení, které je třeba mít na zřeteli při výstavbě a rekonstrukci budov, obytných a administrativních komplexů. Při realizaci je zapotřebí dbát na vhodné umístění instalace, dostatečný prostor pro obsluhu a údržbu zařízení. Vyhledejte renomovanou značku, kde máte záruku kvalitní montáže, uvedení do provozu, poradenství a servisu. K čemu slouží výkonový koeficient (součinitel), který se u tepelného čerpadla uvádí? Je to poměr získaného topného výkonu a elektrického příkonu tepelného čerpadla. Čím je výkonový koeficient vyšší, tím je provoz tepelného čerpadla efektivnější. Špičková tepelná čerpadla mají výkonový koeficient s hodnotou až 4,7. Znamená to, že z 1 kW elektrické energie potřebného k pohonu čerpadla získáte 4,7 kW topného výkonu. Rozdíl 3,7 kW tvoří přečerpané teplo z okolního prostředí. Výkonový koeficient různých tepelných čerpadel se musí porovnávat při stejných podmínkách. Je třeba vědět, při jaké vstupní teplotě nízkopotenciálního tepla a výstupní teplotě využitelného tepla byl tento parametr naměřen, protože jeho hodnota se při změnách uvedených veličin mění. Rozdílné výsledky získáte i s ohledem na to, zda do příkonu kompresoru připočítáte i elektrickou spotřebu ostatních komponentů, nebo nikoli (oběhová čerpadla, elektronika atd.). K posouzení efektivnosti už provozovaného tepelného čerpadla slouží koeficient roční (měsíční, denní) práce, který z naměřených hodnot spotřeby proudu a vyrobeného tepla v daném období vyhodnotí skutečnou hospodárnost celého zařízení. Je možné nainstalovat tepelné čerpadlo v exteriéru? Tepelné čerpadlo se může nainstalovat uvnitř budovy, ale i venku na vlastním pozemku nebo na střeše. Důležitý je přitom výběr správného typu tepelného čerpadla, které musí být konstruováno na instalaci do venkovního prostředí. U venkovní instalace se celé tepelné čerpadlo umístí mimo objekt, obvodovou stěnou se vede pouze přívod elektrické energie k čerpadlu a potrubí s topnou vodou. Může být tepelné čerpadlo jediným zdrojem tepla? Tepelné čerpadlo se obvykle navrhuje na monoenergetický provoz, v němž je zdrojem energie jen elektrický proud. Ten pohání kompresor tepelného čerpadla, při nedostatečném výkonu tepelného čerpadla v chladných dnech se automaticky připojuje zabudovaný elektrický ohřev. Monovalentní systém je investičně mnohem náročnější, protože tepelné čerpadlo musí být navrženo, aby pokrylo tepelné ztráty celé budovy, proto jsou nutné i dost velké akumulační zásobníky vody vzhledem k tomu, že tepelné čerpadlo pracuje během značné části roku s přebytkem výkonu. Jestliže je k dispozici nebo chceme-li použít i kotel na dřevo nebo plyn, systém je vhodný k bivalentnímu provozu (tedy s doplňkovým zdrojem tepla). Tepelné čerpadlo se zapne jen při vhodných podmínkách, kdy pracuje nejefektivněji. V ostatních případech ho podporuje pomocný zdroj tepla (například kondenzační kotel). Při bivalentním provozu, ať už alternativního nebo paralelního, je důležitý bod bivalence (°C), tedy teplota venkovního vzduchu, při které se zapíná doplňkový zdroj. Čím je bod přepnutí vyšší, tím budova využívá tepelné čerpadlo efektivněji; na druhé straně při nižší teplotě bivalence musí být tepelné čerpadlo dimenzováno na vyšší výkon s větším zdrojem nízkopotenciálního tepla (například větším zemním kolektorem, větším počtem zemních vrtů).

text: Mgr. Michal Ondruš; odborná spolupráce: Ing. Ladislav Truchlík, KKH
foto: Ekonomické stavby, Vaillant, Wolf