Tepelná čerpadla - nové poznatky z ekonomie provozu

Stále více majitelů domů hledá levný zdroj tepelné energie. Přitom příroda sama nám nabízí skvělé možnosti – například pomocí tepelného čerpadla lze získat teplo z půdy, podzemní vody nebo ze vzduchu. Jde přitom skutečně o lacinou energii, která dostačuje k pokrytí každodenní potřeby tepla pro vytápění běžného rodinného domu. V současnosti je tato technologie zajímavou alternativou k tradičním způsobům vytápění kotlem na plyn nebo lehké topné oleje. Princip funkce tepelného čerpadla si můžeme představit jako obrácenou funkci klasické chladničky: Pomocí chladicího okruhu odebírá chladnému venkovnímu prostředí teplo a čerpadlo s výměníkem teplo předává do interiéru, kde zvyšuje teplotu vnitřního prostředí. I přesto, že země, podzemní voda i vzduch jsou v zimě velmi chladné, stále ještě poskytují dostatek tepla, kterým lze vytápět rodinný dům s dostatečnou rezervou.

Efektivitu systému lze objektivně zhodnotit

Rozhodujícím parametrem pro posouzení reálné účinnosti tepelného čerpadla je tzv. roční topný faktor JAZ (z německého Jahresarbeitszahl). Popisuje poměr skutečně dodané energie pro vytápění a celkové spotřebované energie na provoz. Hodnota tohoto ročního topného faktoru musí být větší než 3, aby se vyšší pořizovací náklady na čerpadlo vůbec efektivně vyplatily v porovnání s klasickými kotli. Uveďme si příklad: Jestliže vaše tepelné čerpadlo vyrobí 100 % využitelného tepla, pak 75 % energie pochází z okolního prostředí a 25 % energie dodáváte vy prostřednictvím elektřiny, potřebné na chod celého zařízení. Takového a vyššího vysokého ročního topného faktoru dosáhnou za reálných podmínek především systémy tepelného čerpadla na principu země/voda. Podobných vysokých hodnot dosahují ještě systémy voda/voda, ale zde se na nepatrně horší ekonomice projevuje vyšší spotřeba ponorného čerpadla v systému voda/voda ve srovnání s čerpadlem oběhovým v systému země/voda. I tak jsou hodnoty ročního topného faktoru vysoké.

Nejnižší roční topný faktor vykazují systémy vzduch/voda, kdy se jeho hodnota u správně dimenzovaného a technologicky odborně provedeného systému v reálu pohybuje právě kolem hraniční hodnoty 3. Použití takového systému je však vhodné zejména tam, kde nejsou myslitelné jiné systémy, například kvůli malému rozměru pozemku, jeho nedostupnosti pro těžkou techniku, výškové členitosti pozemku nebo zcela nevhodným geologickým a hydrologickým podmínkám.

Do ekonomiky pořízení a provozu topného systému s tepelným čerpadlem promlouvají další faktory. Výrazně účinnější je systém s podlahovým vytápěním, instalované radiátory snižují roční topný faktor až o hodnotu 0,65, takže nesprávně dimenzované nebo technologicky nevhodně provedené systémy může posunout na hranici ekonomické rentability vůbec. Stejně tak je diskutabilní ohřev teplé vody pomocí tepelného čerpadla, tyto potřeby lze řešit lépe například solárními kolektory, případně malým elektrickým či plynovým kotlem.

Volba správného zdroje rozhoduje

Při volbě zdroje tepla a výběru systému však spolurozhodují zejména místní faktory a geologické poměry. Správný výběr musí být kompromisem, který hledáme posouzením všech výhod a nevýhod jednotlivých způsobů instalací a topných systémů. Nelze tedy jednoznačně říci, že vždy a za všech okolností je nejvhodnější například systém země/voda. Pro využití zemní sondy nebo tepla podzemní vody je zapotřebí provést vrt hluboký minimálně 50 až 100 metrů. Výrazný ekonomický provozní přínos však mohou znehodnotit náklady na pořízení tohoto vrtu. Nepříznivé geologické podmínky nebo nepřístupnost pozemku pro těžkou techniku v podobě vrtné soupravy mohou také celý úmysl zhatit nebo znevýhodnit tak, že bude řešení ekonomicky nesmyslné. Podobné omezení můžeme čekat zase u zemního kolektoru, který k instalaci vyžaduje velký pozemek. Pokud nevyhovují geologické podmínky, máme malý pozemek nebo je tento pozemek nedostupný pro těžkou techniku, je zde řešení v podobě tepelného čerpadla systému vzduch/voda. Ačkoliv má tepelné čerpadlo tohoto systému prokazatelně nejmenší roční topný faktor, pro jeho použití hovoří snadná instalace a prakticky žádná provozně technologická omezení.

Pořizovací a provozní náklady

Při určení ekonomické výhodnosti instalace topného systému s tepelným čerpadlem vycházíme nejen z investice na pořízení tepelného čerpadla samotného, ale také z případných investic do pomocných systémů – buď do pořízení kolektoru, zhotovení dvou studní nebo provedení hlubinného vrtu. Každý ze systémů má také jiné provozní náklady, tedy množství elektrické energie, kterou musíme dodat například čerpadlům, aby celý topný systém vůbec pracoval. V kalkulaci efektivity topného systému se také musí projevit technický stav stavebního objektu, v našem případě rodinného domu. Pochopitelně jiné energetické nároky vyžaduje zateplená novostavba, u níž byly aplikovány nejnovější stavební materiály a technické požadavky, a byly dodržovány technologické postupy, jiné energetické nároky vyžaduje starší dům bez tepelné izolace, se starými netěsnícími okny a dveřmi a s nezatepleným střešním pláštěm. 

Pokud promítneme veškeré pořizovací a provozní náklady do kalkulace, můžeme celkem spolehlivě určit ekonomickou návratnost topného systému s tepelným čerpadlem. Za ideálních podmínek lze dnes návratnost investic předpokládat v rozmezí 12 až 15 let. A až se za tuto dobu vložené investice zaplatí, bude provoz ekonomicky o to zajímavější. Přitom vytápění pomocí tepelného čerpadla nezatěžuje životní prostředí emisemi prachu a skleníkových plynů, nepoškozuje okolí a nevyčerpává omezené zdroje fosilních paliv. Teplo z vody nebo země odčerpáváme téměř zdarma.

Hospodářsky vyspělé státy podporují instalaci tepelných čerpadel. I u nás jsou vypisovány nejrůznější příspěvkové či grantové programy (zejména prostřednictvím Státního fondu životního prostředí, případně i prostřednictvím regionálních či samosprávných orgánů nebo evropských dotačních programů). Podobné je to i jinde v Evropě. Největším počtem instalací tepelných čerpadel se mohou chlubit Německo, Rakousko a Švýcarsko, které tento moderní, ekologický a zejména ekonomický způsob vytápění výrazně podporují. Například v Německu za pořízení tepelného čerpadla v novostavbě dostane stavebník 10 eur za každý vytápěný čtvereční metr obytné plochy, nejvýše však příspěvek činí 2 000 eur. Pro přechod od starého vytápění na tepelné čerpadlo je dokonce určen příspěvek 20 eur na čtvereční metr obytné plochy, nejvýše však do částky 3 000 euro.

Jak jsme počítali náklady

Níže uvedené ceny v eurech jsou podrobně zpracované náklady pro průměrný rodinný domek s podlahovým vytápěním a teplou užitkovou vodou (novostavba s podlahovou plochou 150 čtverečných metrů, spotřeba 15 000 kWh/ rok), bez dalších otopných podsystémů (výhradně monovalentní zdroj v podobě tepelného čerpadla). Informační zdroje: Bundesverband Wärme-Pumpe, Bund der Energieverbraucher.

Poznámka: Pro objektivní posouzení naměřených a vypočítaných hodnot vycházíme z původních hodnot cen energií a pořizovacích nákladů, platných v Německu. 

Údaje aktuálně dosahovaných topných faktorů a ceny realizací v podmínkách ČR laskavě poskytla firma Družstevní závody Dražice - Strojírna, s.r.o., divize NIBE ENERGY SYSTEMS CZ (www.nibe.cz). Cenové relace jsou orientační, vždy závislé na instalovaném výkonu a geologických nebo jiných technických podmínkách.

Zdroj tepla: Spodní voda

Energeticky zajímavým zdrojem tepla je spodní voda. Pro provoz tepelného čerpadla systému voda-voda se využívá dvou studní o hloubce 5 až 15 m, které jsou od sebe vzdáleny alespoň 20 m. Z jedné studny je čerpána voda o teplotě 7 až 12 °C. Ve výparníku se protékající voda ochladí o 5 až 7 °C, přičemž získané teplo slouží k vytápění domu. Ochlazená voda se pak vrací do druhé studny.

Náklady na pořízení studní: přibližně 5 000 euro. Náklady na pořízení tepelného čerpadla: přibližně 8 000 euro. Provozní náklady na elektřinu za rok: 360 euro. Efektivita provozu (roční topný faktor = JAZ): 4,25.

Náklady na pořízení studní: přibližně 50.000 Kč. Náklady na pořízení tepelného čerpadla: přibližně 170.000 Kč. Provozní náklady na elektřinu za rok: 7.080 Kč. Efektivita provozu (roční topný faktor = JAZ): 5,00.

Tepelné čerpadlo voda-voda

Zdroj (c) NIBE ENERGY SYSTEMS CZ

Zdroj tepla: Země (zemní kolektor)

Zemní kolektor představuje vodorovně položené potrubí v nezámrzné hloubce, tedy alespoň 1,2 až 1,5 metru hluboko. V zemi zabírá plochu jedenapůlkrát až dvakrát větší, než je obytná plocha vytápěných prostor. Předpokladem využití tohoto způsobu je tedy pochopitelně dostatečně rozlehlý pozemek. Teplonosným médiem je ekologicky nezávadná nemrznoucí směs.

Náklady na pořízení kolektoru: asi 3 000 euro (v případě, že veškeré zemní práce provádíme ve vlastní režii). Náklady na pořízení tepelného čerpadla: přibližně 8 000 euro. Provozní náklady na elektřinu za rok: 450 euro. Efektivita provozu (roční topný faktor = JAZ): 3,82

Náklady na pořízení tepelného čerpadla: přibližně 250.000 Kč včetně plošného kolektoru. Provozní náklady na elektřinu za rok: 8.500 Kč. Efektivita provozu (roční topný faktor = JAZ): 4,50   

Tepelné čerpadlo se zemním kolektorem

Zdroj (c) NIBE ENERGY SYSTEMS CZ

Zdroj tepla: Země (zemní sonda)

Za malé pozemky se doporučuje zemní sonda. Podle charakteru podloží bude po hloubkovém průzkumu proveden svislý vrt do hloubky 50 až 100 metrů, z nehož bude odčerpáváno teplo podloží. Čím je vrt hlubší, tím větší teplo vydá (přibližně 50 W/m hloubky). Vrt je osazen potrubím (v jedné či dvou větvích), kde se ohřívá teplonosné médium. Pomocí něj je teplo přenášeno do tepelného čerpadla, kde se odnímá a předává topnému systému.

Náklady na pořízení zemní sondy: asi 7 000 euro. Náklady na pořízení tepelného čerpadla: přibližně 8 000 euro. Provozní náklady na elektřinu za rok: 400 euro. Efektivita provozu (roční topný faktor = JAZ): 3,82

Náklady na pořízení zemní sondy (100 m): asi 90.000 Kč. Náklady na pořízení tepelného čerpadla: přibližně 170.000 Kč. Provozní náklady na elektřinu za rok: 8.500 Kč. Efektivita provozu (roční topný faktor = JAZ): 4,50 

Tepelné čerpadlo se zemní sondou

Zdroj (c) NIBE ENERGY SYSTEMS CZ

Zdroj tepla: Vzduch

Vzduch jako zdroj tepla je využitelný prakticky bez omezení všude. Při instalaci tepelného čerpadla vzduch/voda odpadají investiční náklady na technickou přípravu pozemku pro instalace. Daní za to je však menší energetická účinnost. Přesto lze dosáhnout dobrých výsledků při vytápění a zásobování domu teplou vodou. Mezi technicky dokonalými výrobky lze v laboratorních podmínkách (!) dosáhnout i ročního topného faktoru JAZ přes 4.

Náklady na instalaci systému: asi 250 euro. Náklady na pořízení tepelného čerpadla: přibližně 10 000 euro. Provozní náklady na elektřinu za rok: 600 euro. Efektivita provozu (roční topný faktor = JAZ): 3,32

Náklady na instalaci systému: asi 15.000 Kč. Náklady na pořízení tepelného čerpadla: přibližně 270.000 Kč. Provozní náklady na elektřinu za rok: 9.700 Kč. Efektivita provozu (roční topný faktor = JAZ): 3,30

Venkovní tepelné čerpadlo vzduch-voda

Zdroj (c) NIBE ENERGY SYSTEMS CZ

 Tepelné čerpadlo vzduch-voda (ventilační)

Ventilační tepelné čerpadlo vzduch-voda

Zdroj (c) NIBE ENERGY SYSTEMS CZ

Autor: PETR VELFEL

Autor článku děkuje společnosti Družstevní závody Dražice - Strojírna, s.r.o., divize NIBE ENERGY SYSTEMS CZ (www.nibe.cz) za konzultaci a laskavé poskytnutí obrazových podkladů.