Tepelná čerpadla

Co je však třeba si uvědomit, jsou pořizovací náklady. Ty jsou téměř neporovnatelné s ostatními zdroji tepla – pořizovací cena u rodinného domu může dosáhnout podle konkrétních podmínek až 500 tis. Kč, řádově přibližně třikrát více než např. u plynového topení. Ovšem jeho provozní náklady jsou velmi nízké. Po přibližně sedmi letech provozu se kumulované náklady dostanou pod většinu potenciálních zdrojů tepla, tzn. pod přímotopy, kotle na zemní plyn a kotle na lehký topný olej. Před konečným rozhodnutím by však měla být zvážena životnost zařízení, neboť systém s tepelným čerpadlem je finančně výhodný až po zmiňovaných letech [1].

Tepelné čerpadlo pro vytápění využívá energii z okolního prostředí (vzduchu, půdy, vody), které ochlazuje. Je to především sluneční teplo, které je uloženo ve velkém množství v půdě, ve spodní vodě a v okolním vzduchu. Vytápění tepelným čerpadlem znamená využívat tyto energie, které se nepřetržitě obnovují a které jsou téměř všude k dispozici. A to současně neškodně pro životní prostředí a hospodárně.

Tepelné čerpadlo využívá skutečnosti, že teplota varu, resp. kondenzace, různých látek závisí na tlaku. Např. látka, která za normálního atmosférického tlaku (0,1 MPa) vaří při teplotě cca –33 ^oC, bude při tlaku 2 MPa kondenzovat (vřít) až při teplotě 50 ^oC. Pokud takovou vhodnou látku stlačíme, může fungovat v tepelném čerpadle jako chladivo.

Pro vytápění rodinných domů je nejběžnější kompresorové tepelné čerpadlo poháněné elektromotorem. Tepelné čerpadlo má dvě části – „studenou“, kde se odnímá teplo nízkopotenciálnímu zdroji, a „teplou“, kde se teplo odvádí, povýšené na využitelnou teplotní úroveň. Jsou zde tedy dva výměníky – studený výparník a teplý kondenzátor.

Převod tepla se v tepelném čerpadle uskutečňuje pomocí pracovní látky – chladiva. To je v zařízení hermeticky uzavřeno, trvale zde obíhá a cyklicky mění své skupenství. Přiváděným nízkopotenciálním teplem se ve výparníku při nízkém tlaku vypařuje. Odpařené páry nasaje kompresor a stlačí je. Tlak v teplé části okruhu se blíží dvaceti barům. Tím se páry jednak zahřejí na vyšší teplotu, jednak zvětší svou energii o to, co bylo dodáno k pohonu kompresoru. Zahřáté páry o vysokém tlaku vstupují do druhého výměníku – kondenzátoru. Zde předávají své teplo otopné vodě pro vytápění. Předáním tepla dojde ke kondenzaci páry v kapalinu. Kapalina má stále ještě vysoký tlak. Do potrubí je proto osazen expanzní ventil, který tlak sníží na úroveň potřebnou v sání kompresoru. S nízkým tlakem kapalné chladivo vstupuje do výparníku. Zde se odpaří, projde kompresorem a děj se neustále opakuje.

Nejčastěji používaným typem kompresoru je spirálový (systém SCROLL), jeho životnost se udává 80 až 100 tisíc provozních hodin, což dává životnost zhruba 20 let.

Tepelná čerpadla jsou vybavena jak zabezpečovacím systémem, který hlídá složité děje v paroplynovém okruhu, tak i regulací výkonu, která zvládá topení, teplou užitkovou vodu a případně bazén.

Tepelná čerpadla se dělí na několik skupin podle toho, z jakého zdroje teplo odebírají a jakým způsobem ho předávají dále. Například označení tepelného čerpadla jako vzduch/voda znamená, že tepelné čerpadlo odebírá teplo ze vzduchu a předává ho do topné vody.

Velmi důležitým parametrem tepelného čerpadla je tzv. topný faktorε. Vyjadřuje poměr dodaného tepla k množství spotřebované energie:

 

ε = Q/E,

 

kde:

Q ... teplo dodané do vytápění [kWh],

E ... energie pro pohon tepelného čerpadla [kWh].

 

 

 

Topný faktor různých tepelných čerpadel je obvykle od 2 do 5. Závisí na vstupní a výstupní teplotě, typu kompresoru a dalších faktorech. Dodavatelé obvykle udávají topný faktor při různých teplotách vstupního a výstupního média. Při výpočtu topného faktoru se někdy nezapočítává spotřeba oběhových čerpadel (resp. ventilátorů), která jsou pro provoz nutná. Skutečný topný faktor se pak může od údajů z prospektu výrazně lišit.

Topný faktor pro kompresorové tepelné čerpadlo lze stanovit také z rozdílu mezi teplotou kondenzační a vypařovací. Přibližný vztah pro výpočet topného faktoru kompresorového tepelného čerpadla je:

 

ε = k . ––––––––,

          T_k – T₀

kde:

T_k... teplota kondenzační (topného systému) [K],

T₀ ... teplota vypařovací (teplota zdroje) [K],

k ... korekční součinitel respektující skutečný oběh; k = 0,4 až 0,6.

 

 

 

Pro dosažení minimální spotřeby pohonné energie a dosažení vysoké hodnoty topného faktoru je zapotřebí:

● Teplota zdroje nízkopotenciálního tepla má být co nejvyšší, nesmí však přesáhnout maximální teplotu povolenou výrobcem pro daný typ tepelného čerpadla. Vydatnost zdroje musí být dostatečná a ochlazení teplonosné látky ve výparníku přiměřené, aby teplota vypařovací nemusela být zbytečně nízká. Kromě snížení topného faktoru pak může dojít k ohrožení funkce, např. zamrznutí zdrojové vody.

● Používání tepelného čerpadla je výhodné v kombinaci s nízkoteplotním vytápěcím systémem (podlahové vytápění). Čím menší rozdíl hladin teplot musí tepelné čerpadlo překonávat, tím méně energie spotřebuje (maximální pracovní teplota na výstupu je cca 55 °C).

 

 

Topný faktor během roku kolísá v závislosti na vstupní a výstupní teplotě tepelného čerpadla. Průměrný roční topný faktor je poměr celoroční spotřeby energie a celoroční výroby tepla a používá se pro vyhodnocení provozu. Běžně tepelná čerpadla dodají za ideálních podmínek třikrát až čtyřikrát více tepla než spotřebují elektřiny.

 

Vzduchová tepelná čerpadla jsou investičně méně náročná. Vzduch se ochlazuje ve výměníku tepla umístěném vně budovy. Protože ve vzduchu je tepla poměrně málo, musí výměníkem procházet velké objemy vzduchu. Je tedy nutný výkonný ventilátor. Ten je zdrojem určitého hluku, proto je potřeba volit umístění výměníku pečlivě, aby hluk neobtěžoval obyvatele domu ani sousedy. Venkovní část by neměla být ani v místech, kde se mohou tvořit „kapsy“ studeného vzduchu. Vzduchová tepelná čerpadla jsou schopná pracovat, i když je venku cca –12 °C, poté je nutné zapnout další, tzv. bivalentní zdroj. Při nízkých teplotách se na venkovním výměníku tvoří námraza. Energie spotřebovaná na její odtávání může výrazně zhoršit celkový topný faktor a tím zvýšit provozní náklady.

Ochlazuje se vzduch odváděný větracím systémem objektu, který má vždy relativně vysokou teplotu (18 až 24 °C). Tepelné čerpadlo může pracovat efektivně i za podmínek, kdy běžně užívané systémy zpětného získávání tepla (rekuperace) nelze použít. Teplo může být použito pro topnou vodu ústředního topení nebo výhodněji pro ohřev vzduchu, je-li vytápění objektu teplovzdušné. Nevýhodou je, že větracího vzduchu je k dispozici jen omezené množství, takže bývá potřeba výkonnější bivalentní zdroj. Na trhu jsou tepelná čerpadla s integrovanými ventilátory, která lze použít jako centrální větrací jednotku domu.

Voda v toku nebo rybníku se může ochlazovat tepelným výměníkem umístěným buď přímo ve vodě, nebo zapuštěným do břehu, ale vždy tak, aby nehrozilo zamrznutí. Podmínkou je vhodné umístění objektu, nejlépe přímo na břehu. Teoreticky je také možné vodu přivádět potrubím přímo k tepelnému čerpadlu a ochlazenou vypouštět zpět. Je zde ale mnoho technických i administrativních překážek. Tím je použití v praxi omezeno téměř na nulu.

Voda se odebírá ze sací studny a po ochlazení se vypouští do druhé, takzvané vsakovací studny. Podmínkou je geologicky vhodné podloží, které umožní čerpání i vsakování. Ochlazenou vodu lze za určitých podmínek vypouštět i do potoka nebo jiné vodoteče. Zdroj podzemní vody však musí být dostatečně vydatný (přibližně 15–25 l/min pro TČ s výkonem 10 kW). Vhodných lokalit je velmi málo, takže toto řešení se v praxi příliš nepoužívá.

Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z polyethylenového potrubí plněného nemrznoucí směsí a uloženého do výkopu (půdní kolektor). Půdní kolektor se umisťuje poblíž objektu v nezámrzné hloubce. Trubky půdního kolektoru se mohou ukládat na souvisle odkrytou plochu, nejméně 0,6 m od sebe (lépe 1 m). Velikost takovéto plochy je asi trojnásobkem plochy vytápěné. Je také možné ukládat potrubí ve tvaru uzavřených smyček do výkopů kolektoru, rýhy o hloubce cca 2 m a šířce cca 0,9 m. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je pak potřeba 5 až 8 metrů délky výkopu. Je třeba počítat s tím, že půdní kolektor okolní zeminu ochladí, takže se zde např. bude v zimě déle držet sníh. Pokud má být teplo odebíráno celoročně (v létě pro ohřev bazénu), je potřeba půdní kolektor o větší ploše. Je-li TČ využíváno pro letní chlazení, lze půdní kolektor „dobíjet“ odpadním teplem.

Využívá se teplo hornin v podloží. Vrty hluboké až 150 m se umisťují v blízkosti stavby, nejméně 10 m od sebe. Je možno umístit vrty i pod stavbou, zvláště jde-li o novostavbu. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je potřeba 12 až 18 m hloubky vrtu, podle geologických podmínek. Vrty nelze provádět kdekoli, je nutné zajistit si hydrologický průzkum, aby nedošlo k narušení hydrologických poměrů. Výhodou je celoročně stálá teplota zdroje (cca 8 °C), takže tepelné čerpadlo pracuje efektivně.

 

Podle druhu ochlazovaného a ohřívaného média se rozlišují typy tepelných čerpadel – viz tabulka.