zpravodajství životního prostředí již od roku 1999

Druhy tepelných čerpadel

29.04.2013
Vytápění, zateplení
Druhy tepelných čerpadel

Tepelné čerpadlo je zařízení, které dokáže odebírat teplo z chladnějšího tělesa (ze země, vody či vzduchu) a přenášet jej na těleso teplejší (topná voda, vzduch v domě).

K takovému přenosu tepla je pochopitelně nutné dodat nějakou energii (zpravidla elektrická energie pro pohon kompresoru), ale existují i tepelná čerpadla na absorpčním principu (jsou poháněna pouze teplem). Rovněž existuje tepelné čerpadlo poháněné zemním plynem, které je však nákladné a jehož provoz je ve srovnání s elektrickými dražší.

Praktické provedení tepelných čerpadel:

V praxi se setkáme téměř výlučně s tepelnými čerpadly s kompresorem poháněným elektrickým motorem. V zásadě jde o mírně upravený chladicí stroj. Dříve se také amatérská tepelná čerpadla stavěla ze starých chladicích zařízení, i když jejich kompresory nejsou pro tepelná čerpadla vždy vhodné. Základní části tepelného čerpadla jsou:

  • kompresor - stlačuje chladivo a zvyšuje jeho teplotu
  • kondenzátor - tepelný výměník, kde chladivo kondenzuje a odevzdává teplo do topného systému
  • výparník - zde se chladivo odpařuje a odebírá teplo z okolí
  • regulační systém
  • pomocné vytápění pro přitápění

Na tepelné čerpadlo se tedy lze dívat jako na chladničku, která ochlazuje vnější prostředí v okolí domu a dodává teplo dovnitř. Účinnost tohoto procesu se posuzuje pomocí takzvaného topného faktoru - ten udává kolik kWh tepla je vneseno do topného systému na každou kWh spotřebované elektrické energie. Topný faktor pochopitelně závisí jednak na vlastní tepelné a mechanické účinnosti daného kompresoru, ale také, a to velmi významně, na rozdílu teplot mezi místem odkud teplo bereme a místem, kam je dodáváme. Pokud chceme dosáhnout velký topný faktor, musíme teplo brát z co nejteplejšího zdroje (např. odpadní teplo z větracího vzduchu nebo teplo z podzemní vody) a používat topný systém s co nejnižší teplotou (např. podlahové nebo teplovzdušné vytápění).

Obvykle se topný faktor pohybuje mezi 2 až 4. Tepelné čerpadlo sice spotřebovává cennou formu energie (elektřinu), ale za to nám každou spotřebovanou kWh rozmnoží na dvoj - až čtyřnásobek. Levný provoz (0,50 až 0,25 Kč/kWh tepla) je ovšem vyvážen poměrně vysokými investičními náklady (200 000 až 300 000 Kč na rodinný domek).

Teplo lze brát ze země, z vody nebo ze vzduchu. Předává se buď do vody (při teplovodním vytápění) nebo do vzduchu (u vzduchových vytápěcích systémů nebo při rekuperačním větrání). Tepelné čerpadlo předávající teplo do topné vody je tedy možno používat s běžným ústředním vytápěním za předpokladu, že je navrženo na nižší teplotu topné vody (přibližně 55°C na vstupu a 45°C na zpětném potrubí. Zde se pozitivně uplatní výrazné snížení potřebné teploty topné vody po provedení dodatečných tepelných izolací domu. Ty díky výraznému snížení potřeby tepla dokáží starý topný systém, který je projektovaný (a obvykle mírně předimenzovaný) na teplotní spád 90/70°C, přeměnit na systém pro tepelné čerpadlo přijatelný. Zde je dobré zdůraznit, že tepelné čerpadlo se zpravidla nepoužívá jako jediný zdroj tepla. V období nejnižších teplot (nejvyšší potřebné teploty topné vody) se zpravidla dotápí elektrickým topným tělesem (přímotopným kotlem). Je to tzv. bivalentní zdroj tepla.

6.8.1. Tepelné čerpadlo země (zemní kolektor) - voda

Zdrojem tepla je zemina v hloubce 1,5 až 2 m, z níž je teplo odebíráno pomocí plastových trubek, kterými protéká vhodný nemrznoucí roztok. Vzhledem k malé tepelné vodivosti zeminy je pro vytápění běžného rodinného domu potřebná plocha pozemku cca přes 200 m2. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je potřeba 10 až 30 m2 plochy pozemku podle typu zeminy.Výhodou tohoto tepelného zdroje je jeho univerzálnost, nižší cena a poměrně příznivý chod teplot a tím i dobrý topný faktor. Nevýhodou je nutnost kopání na poměrně velké ploše pozemku; to lze tolerovat při stavbě domu, dodatečně to již bývá obtížnější.

6.8.2. Tepelné čerpadlo země (zemní vrt) - voda

Tam kde není možné položit zemní kolektor, se svazek trubek uloží do hlubokého vrtu. Výhodou je vyšší a rovnoměrnější teplota, než v případě zemního kolektoru pod povrchem (v hloubce pod asi 10 m je už prakticky neměnná teplota rovna průměrné roční teplotě, což je v našich podmínkách přibližně 8°C). Významný je i minimální požadavek na plochu pozemku. Podle tepelné vodivosti podloží je hloubka vrtu pro běžný rodinný dům 50 - 120 m. Používá se i několik vrtů paralelně spojených. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je potřeba 12 až 18 m hloubky vrtu podle geologických podmínek.Nevýhodou jsou vyšší pořizovací náklady a složitější stavební řízení, neboť je třeba získat i souhlas k vrtným pracím.

6.8.3. Tepelné čerpadlo země (rybník) - voda

Pokud máme k dispozici nějakou mělkou vodní nádrž (rybník nebo potok) je výhodné umístit svazek trubek na jeho dno. Bereme vlastně teplo z vody a do ní se kontinuálně teplo doplňuje ze země. Díky dobrému konvekčnímu přenosu tepla ve vodě stačí menší plocha trubek a také instalace je jednodušší než u zemního kolektoru nebo vrtu, což ji zlevňuje. Například v případě poměrně známé instalaci tepelného čerpadla na hradu Švihov je teplo odebíráno pomocí hadic umístěných ve vodním příkopu. Nevýhodou je zvýšené riziko poškození trubek při povodni, výlovu rybníka či při jeho údržbě (čištění od nánosů).

6.8.4. Tepelné čerpadlo voda - voda

Ideální situace je, když můžeme teplo odebírat z vody. Pak je totiž možno předávat ve výměníku teplo z čerpané vody přímo do chladiva (bez vřazeného okruhu s nemrznoucím roztokem) a součinitel přestupu tepla je vysoký. Jde to v případech, kdy je dům v blízkosti vhodného vodního zdroje. Může to být studna s dostatečnou vydatností vody, zvodnělý vrt, podzemní štola s vodou a další. Povrchové toky nejsou vhodné (nebezpečí zanesení výměníku tepelného čerpadla nečistotami). Také krasové oblasti se svými podzemními prameny jsou vhodné. Důležité ale je, aby voda neobsahovala příliš velké množství minerálních látek, které by se při ochlazení ve výměníku mohly vyloučit a výměník zanést. Vždy je nutné ochlazenou vodu vracet zpět do podloží. K tomu se používá další vrt (vsakovací studna). Samotná studna nestačí, vždy to musí být kombinace dvou studní, kdy spodní voda je vyčerpávána z jedné studny, v tepelném čerpadle je ochlazena a pak zavedena do druhé, vsakovací studny. Zemina (podloží) mezi studnami, která je vlastně tepelným výměníkem v němž se vsakovaná voda ohřívá, musí být dostatečně propustná; ideální je vrstva štěrkopísku.

Výhodou tohoto řešení je nižší pořizovací cena v porovnání s vrty nebo zemním kolektorem a velmi vysoký topný faktor (udává se, že v některých místech dosahuje teplota spodní vody až 14°C). Pro běžný rodinný dům musí mít zdroj vody (pramen, studna) stálou vydatnost přibližně 40 - 50 l/min pro desetikilowattové tepelné čerpadlo (to je 80 m3 za den!). Proto je důležité vracet vodu zpět do podloží. Místa, kde jsou k dispozici takovéto vydatné zdroje, jsou poměrně vzácná.

6.8.5. Tepelné čerpadlo vzduch - voda

Vzduch je velmi univerzální zdroj tepla, který má ovšem několik zásadních nevýhod. Jednak je teplota venkovního vzduchu v období kdy potřebujeme nejvíce tepla na vytápění velmi nízká a dále se značně mění jeho teplota a vlhkost během roku.Výhodou je nižší pořizovací cena (ovšem záleží na značce), snadná a rychlá instalace. Nevýhodou je nižší topný faktor v oblastech s nižšími průměrnými venkovními teplotami, určitá hlučnost (venkovní jednotka má pomaloběžný ventilátor) a pokles výkonu při nízkých venkovních teplotách. Topný faktor při venkovní teplotě -7°C a teplotě topné vody 35°C je menší než 3. Na druhé straně je nutné zdůraznit, že mrazových dnů je v mnoha lokalitách (Praha) velmi málo. Při teplotách kolem 0°C a při plusových teplotách (převážná většina topného období) se tento typ vyrovná ostatním a nebo je dokonce lepší (má vyšší topný faktor).

Další nevýhodou je jistý hluk od masivního venkovního ventilátoru. I když jde o poměrně tichý zvuk, může být vnímán jako obtěžující, zejména v husté městské zástavbě.

6.8.6. Tepelné čerpadlo odpadní vzduch - voda

Tepelné čerpadlo odebírá teplo z vypouštěného vnitřního vzduchu z budovy (v rámci rekuperační větrací jednotky) a předává ho do topné vody. Proto má podstatně vyšší topný faktor (tento vzduch je podstatně teplejší než venkovní vzduch). Pokud tímto tepelným čerpadlem ohříváme nasávaný větrací vzduch nebo předehříváme TV (nejchladnější média v domě) pak jsou podmínky ještě lepší. Pro tyto účely se používají malá tepelná čerpadla s topným výkonem 1,7 - 2 kW.

Tepelné čerpadlo může pochopitelně využívat i více zdrojů tepla najednou a teplo předávat jak do topného systému, tak je možné ho využít i pro ohřev TV. Příkladem takového systému je např. systém IVT 495 TWIN (http://www.cerpadla-ivt.cz/), představující komplexní systém pro řešení větrání, vytápění a ohřevu TV. Kombinace využívání tepla odpadního vzduchu a tepla ze zemního plošného kolektoru zvyšuje účinnost tepelného čerpadla. Pokud není teplo z odpadního vzduchu využito pro vytápění nebo ohřev TV, je uloženo do zemního kolektoru. Díky tomu je teplota zemního kolektoru stále vysoká a tepelné čerpadlo pracuje celoročně s vysokým topným faktorem. Celý systém vytápění, ohřevu TV a ventilace je řízen jedním regulátorem.

6.8.7. Volba výkonu tepelného čerpadla a kombinace s dalším zdrojem tepla

Potřebný výkon pro vytápění objektu je dán vypočtenou tepelnou ztrátou: ta udává potřebný výkon pro vytápění pro tzv. venkovní výpočtovou teplotu (podle ČSN je pro různé oblasti -12, -15 nebo -18°C). Výkon takto vypočtený je tedy třeba pro vytápění dodávat pouze při takto nízkých venkovních teplotách. To je situace, která nastává jen málo dní v roce. Aby se nemuselo instalovat tepelné čerpadlo dimenzované na krytí této špičkové potřeby tepla, používá se kombinace s druhým zdrojem tepla (takzvané bivalentní zapojení). Tím se podstatně zlepší využití tepelného čerpadla a sníží jeho cena. Nejčastěji se jako druhý zdroj používá elektrokotel (mnoho moderních tepelných čerpadel má v sobě elektrokotel přímo vestavěný). Tepelné čerpadlo se zpravidla navrhuje na krytí přibližně 60% tepelných ztrát. Jeho výkon potom postačuje do venkovní teploty přibližně -2°C (tzv. teplota bivalence). Při nižších teplotách dochází k automatickému zapnutí elektrokotle, případně jiného zdroje tepla. U domu s tepelnou ztrátou např. 12 kW tedy stačí instalovat tepelné čerpadlo s výkonem 7 kW. Zbylých 5 kW, které jsou potřeba pouze při nízkých venkovních teplotách, může dodávat elektrokotel. To se projeví mírným zvýšením nákladů na vytápění (10 až 20%), což lze akceptovat. Nevýhodou je, že kvůli elektrokotli je nutný silnější jistič a tím celoročně vyšší stálé platby. Výkony tepelných čerpadel pro běžné rodinné domy se většinou pohybují v rozsahu 4 až 16 kW.

ZDROJ: www.energetika.cz

Komentáře k článku. Co si myslí ostatní?

Další články
Chystané akce
29
11. 2019
29.11.2019 - Seminář, školení
INISOFT s.r.o.
5
12. 2019
5.12.2019 - Seminář, školení
Praha, ČVUT
6
12. 2019
6.12.2019 - Seminář, školení
Ostrava - Kunčičky, Severomoravský vzdělávací institut
Podněty ZmapujTo
Mohlo by vás také zajímat
Naši partneři
Složky životního prostředí