Tepelná čerpadla – ekonomická a ekologická alternativa vytápění

1 Pro koho je tepelné čerpadlo vhodné

V důsledku rostoucích cen fosilních paliv sehrávají hospodárnost vytápění a celkové energetické náklady stále důležitější roli. To je hlavním důvodem, proč roste počet majitelů domů, kteří volí vytápění systémy s elektrickými tepelnými čerpadly. Tepelné čerpadlo je vhodné i pro lidi, kteří chtějí minimalizovat svůj negativní vliv na životní prostředí a co nejméně využívat fosilní paliva.

2 Ekologický provoz

Tepelné čerpadlo dokáže použít pouze 1 kWh elektřiny na výrobu až 5 kWh tepelné energie. To znamená, že použije minimum elektrické energie na vygenerování velkého množství tepla. Navíc má jednu ekologickou výhodu – při jeho provozu se do ovzduší nevypouštějí pevné částice, čímž výrazně snižuje emise CO₂ v porovnání s konvenčními vytápěcími systémy.

3 Jak funguje

Téměř v každé domácnosti se nachází lednička, která tiše a spolehlivě funguje mnoho let. Její úlohou je získat teplo z potravin, které se nacházejí uvnitř, a uvolnit toto teplo do okolního prostředí. Tepelné čerpadlo je založeno na stejném principu. Odebírá teplo z okolního prostředí (půdy, vody nebo vzduchu) a zásobuje jím vytápěcí systém. Na rozdíl od ledničky však obyvatelé domu využívají teplo a ne chlad. Tento systém vyžaduje tři uzavřené okruhy. U solankového tepelného čerpadla, které využívá jako zdroj tepla zemi, je teplo ze země přenášeno do chladicího okruhu pomocí tepelného výměníku – výparníku. V důsledku tepelného příkonu se chladivo odpařuje a mění se z kapaliny na plyn. Kompresor toto plynné chladivo přivede do vyššího tlaku a tím i do vyšší teploty. Druhý výměník tepla – kondenzátor uvolní teplo do třetího okruhu, jímž je vytápěcí systém.

4 Typy systémů

V současnosti jsou na trhu dva různé typy moderních systémů – modulární systémy na vytápění a ohřev teplé vody s integrovaným zásobníkem teplé vody a kompaktní systémy bez akumulační nádrže, které slouží pouze na vytápění nebo nabízejí možnost připojení externího zásobníku teplé vody.

5 Zem jako zdroj tepla

Tepelná čerpadla mohou jako zdroj tepla využívat vzduch, podzemní vodu, zem pomocí vertikálního kolektoru (vrty) a zem pomocí horizontálního kolektoru. Výhodou zemních vrtů (vertikálních kolektorů) jsou jejich malé nároky na prostor a velmi vysoký roční index výkonnosti geotermálních tepelných čerpadel. Tyto kolektory mohou být nainstalovány téměř kdekoliv. Horizontální kolektory se na první pohled zdají méně nákladné, protože některé instalační práce může svépomocně vykonat i majitel domu. Samotný systém však musí instalovat odborníci, aby se zabránilo tvorbě vzduchových bublin v systému. Odborně instalovaný vertikální kolektor zabezpečí dostatečně vysoký roční index výkonnosti. Je však potřebné myslet na to, že část pozemku určená na horizontální kolektor nesmí být použita na stavbu, dokonce i použití této části na zahradní účely podléhá určitým omezením.

6 Tepelná čerpadla zem/voda

Tepelná čerpadla zem/voda obvykle využívají tepelnou energii z povrchových vrstev půdy do maximální hloubky 100 m. Do této hloubky je možné získat stavební povolení poměrně snadno a rychle – hlubší vrty vyžadují další povolení. V závislosti na energetické náročnosti domu a na místních geotermálních podmínkách vyvrtá montážní firma jeden nebo více vrtů do hloubky 50 až 100 metrů. Do těchto vrtů se následně vloží sondy sestávající z plastových trubiček ve tvaru U, kolem nichž po spuštění systému cirkuluje solanka. Solanka vstupuje do zemní sondy při teplotě asi 2 až 4 °C, která je nižší než teplota půdy. Teplota solanky se v půdě zvýší v průměru o přibližně 6 až 8 °C. Při této teplotě se solanka dostává do výparníku a poskytuje teplo potřebné na odpaření chladiva.

7 Jak je to s teplotou půdy

Dlouhodobá měření ukázala, že teplota půdy v hloubce menší než 10 metrů je přibližně 10 °C a zůstává konstantní v průběhu celého roku. Blíž k povrchu sluneční záření a teplota vzduchu způsobují sezonní výkyvy teploty půdy. Zatímco půda na povrchu má v srpnu teplotu 20 °C, v únoru teplota klesne až na 0 °C. Tyto výkyvy jsou relevantní jen v horních vrstvách půdy do hloubky 10 metrů, a proto je u vrtů s hloubkou 50 až 100 metrů můžeme ignorovat. Jsou však důležité u horizontálních kolektorů, které jsou instalovány v malých hloubkách, a proto se množství tepla, které dokážou získat ze země, mění s teplotou povrchu půdy.

8 Tepelná čerpadla voda/voda a vzduch/voda

Tepelná čerpadla typu voda/voda, která jako zdroj tepla využívají podzemní vodu, se mohou instalovat jen na místech, kde to situace a přítomnost podzemní vody umožňuje. Pro tepelná čerpadla typu vzduch/voda žádná podobná omezení neexistují a mohou se instalovat kdekoliv. Zabírají jen málo místa, přinášejí nižší náklady a nevyžadují žádná oprávnění, mají však nižší roční index výkonnosti než tepelná čerpadla využívající jiné zdroje tepla. Ventilátor použitý v tomto typu tepelného čerpadla je navíc hlučnější a filtry vyžadují častější údržbu.

COP číslo

Na vysvětlení funkčnosti tepelných čerpadel se používá více termodynamických vlastností. Dvě hlavní představují koeficient výkonu nebo COP číslo (Coefficient of Performance) a index výkonnosti. COP číslo představuje poměr mezi vyprodukovanou tepelnou energií v kW (výstup) a spotřebovanou elektrickou energií (vstup), která je potřebná na vyprodukování této tepelné energie. COP číslo závisí na teplotě, která je nižší než provozní teplota tepelného čerpadla, tj. teplotní rozdíl mezi teplotou na výparníku a teplotou na kondenzátoru. Čím nižší je tento teplotní rozdíl, tím vyšší COP číslo bude. Při teplotním rozdílu 25 °C COP číslo může dosáhnout hodnoty přibližně šest, v případě zvýšení teplotního rozdílu na 40 °C může COP číslo klesnout až na hodnotu čtyři. Tyto hodnoty jsou předpokládané v případě ideálních podmínek.

Index výkonnosti

Index výkonnosti tepelných čerpadel měří energetickou transformaci za určité časové období. Jde tedy o poměr mezi užitečným teplem v kWh a spotřebou elektrické energie v kWh. V případě, že se výkonnostní index vypočítá za období jednoho roku, jde o roční index výkonnosti. Hodnota ročního indexu výkonnosti 4 vyjadřuje, že tepelné čerpadlo při spotřebě energie 1 kWh vyprodukuje 4 kWh tepla za jeden rok. Ročný index výkonnosti v případě tepelných čerpadel vzduch/voda klesá relativně málo s rostoucími teplotami systému. U solankových tepelných čerpadel je index výkonnosti sice vyšší, ale klesá strměji než v případě tepelných čerpadel vzduch/voda.

Základní charakteristiky nejčastěji používaných zdrojů tepla pro tepelná čerpadla v rodinných domech v rámci klimatických podmínek střední Evropy

TEXT JOZEF MIKULEC, ROBERT BOSCH, SPOL. S R. O., DIVÍZIA TT – BUDERUS
FOTO BUDERUS
ZDROJ JAK UŠETŘIT A POSTAVIT NÍZKOENERGETICKÝ DŮM, JAGA GROUP, s.r.o.