Tepelná čerpadla – princip a využití

Využití obnovitelných zdrojů patří mezi priority ekonomicky vyspělých zemí. Je to jeden z mála směrů energetického vývoje, kterým se může svět ubírat. Zejména v poslední době, kdy prudce rostou ceny fosilních paliv, jako jsou ropa a zemní plyn, kdy znečištění životního prostředí díky spalování černého a hnědého uhlí dosahuje problematických důsledků znečištění životního prostředí v podobě vypouštění oxidů uhlíku a dusíku, je využití prakticky nevyčerpatelných přírodních zdrojů rozumné a budoucí generace nezatěžující.

Dlouhodobější zkušenosti a ekonomické ukazatele z provozu tepelných čerpadel jasně dokazují, že nejde o módní záležitost. U nás se situace vyvíjí zdárně, je již zaznamenáno několik tisíc instalací, často s podporou vládního dotačního programu na pořízení systému. V některých vyspělých západoevropských zemích jsou mnohem dál – například ve Švýcarsku je tepelným čerpadlem vybavena již dobrá polovina novostaveb rodinných domů.

Tepelné čerpadlo LWZ 303/403 bylo vyvinuto speciálně pro domy projektované na nízkou spotřebu energií. Je vybaveno základními funkcemi topení, ohřevu vody a doplňkovou funkcí ventilace 

Foto (C) STIEBEL ELTRON

Jedním z důvodů, proč se instalace tepelných čerpadel často odkládá, je vyšší pořizovací cena celého topného systému. Pro využití tepla z okolního prostředí je třeba vybudovat potřebné technologické zázemí, které se projeví na celkové pořizovací ceně. Pokud je dům dobře tepelně izolován, pak se vyšší investice poměrně rychle vrátí díky využití bezplatného tepla a stále rostoucím cenám ostatních energií. Pro efektivní využití tepelného čerpadla je nutné, aby rozdíl teplot mezi zdrojem a topným okruhem byl co nejnižší. Proto je nejvhodnější použití podlahového či stěnového vytápění. Pokud jsou použity radiátory, pak ještě vyhoví velkoplošné typy s nízkým teplotním spádem (nejvíce 55 °C / 45 °C). Starší otopné soustavy s teplotou navrhovanou na 90 °C / 70 °C bývají často velmi předimenzované a je nutné ověřit, jestli postačí nižší teplota topné vody z tepelného čerpadla. Je možné, že například po zateplení objektu nebude potřeba stávající radiátory měnit.

Vyšší vstupní investice do instalace topného systému s tepelným čerpadlem je velmi výhodná u novostavby, kde se již počítá s dobrými tepelně-izolačními vlastnostmi celého domu a případnými technickými úpravami stavby již v projektu. U starších domů je při rekonstrukci zejména třeba zajistit dodatečné tepelné izolace, přičemž případná instalace jednotlivých prvků otopnému systému může znamenat určitý problém z hlediska využití a úprav pozemku.

Zatímco hlubinný vrt nebo dvě mělké vrtané studny zaberou poměrně málo místa a okolí je možné dále využít například jako prostor na stání auta či výsadbu zeleně, zabudování zemních kolektorů je již náročné na zemní práce na větší ploše. Protože topný systém odčerpává teplo ze země, existuje předpoklad pro změnu růstu zeleně v blízkosti vrtů nebo nad kolektorem. Zkušenosti jsou však diskutabilní a s největší pravděpodobností také případná změna růstu zeleně záleží na místních klimatických podmínkách.

Největšího energetického zisku lze dosáhnout tepelnými čerpadly pracujícími v systému voda-voda. Využívá se dvou vrtaných studní o hloubce 5 až 15 metrů, které jsou od sebe vzdáleny kolem 20 metrů. Z jedné studny čerpáme vodu o teplotě 7 až 12 °C. Ve výparníku odejmeme část tepla z protékající vody a vrátíme ji do druhé studny ochlazenou na 2 až 5 °C. Podmínkou provozu je důkladné posouzení hydrogeologických podmínek, protože je nezbytné zajistit dostatečný průtok vody a vydatnost pramene po celý rok. Nevhodný zásah do podloží může ohrozit stav spodní vody či jinak narušit průběh vodního režimu v širokém okolí. Případné využití systému voda-voda může také zhatit nevhodné chemické složení vody. Samozřejmostí proto musí být schválení k odběru čerpání vody, vydané příslušným státním vodohospodářským orgánem.

Jednodušším řešením ekologického vytápění je tepelné čerpadlo, které odebírá teplo z okolního vzduchu. Topný systém nepotřebuje žádnou vrtanou studnu nebo zemní práce, a v provozu není třeba čerpat vodu ze studny. Proto lze předpokládané investiční náklady lépe a přesněji propočítat.

Stejně jako jiné vyspělé země, rovněž i Česká republika poskytuje různé investiční podpory ekologicky šetrných způsobů vytápění a ohřevu teplé vody pro byty a rodinné domy pro fyzické osoby včetně využití tepelných čerpadel. Vzhledem k měnícím se podmínkám a způsobům čerpání financí je třeba se vždy aktuálně informovat u dodavatelů tepelných čerpadel, kteří mají bohaté zkušenosti se získáváním dotací pro své klienty, nebo přímo prostřednictvím Státního fondu životního prostředí (informace lze nalézt na internetových stránkách www.sfzp.cz ).

Tepelné čerpadlo IVT 495 TWIN představuje systémové řešení větrání, vytápění a ohřevu teplé vody pro nízkoenergetické domy

Foto (c) JK SOLAR / TEPELNÁ ČERPADLA IVT

Princip tepelného čerpadla

Princip tepelného čerpadla lze srovnat s kompresorovou ledničkou, kterou najdeme v každé domácnosti. V ní se přečerpává energie chlazených potravin na teplo, které se odvětrává radiátorem na zadní stěně ledničky. Přečerpává tedy nízkou teplotu uvnitř ledničky na teplotu vyšší, než je teplota v místnosti. S tepelným čerpadlem je to stejné – může odebrat teplo například osmistupňové vodě ze studny a "zvednout" ohřívanou vodu na teplotu až 50 °C. Aby se však zvýšil teplotní potenciál, je nutné dodat určitou energii kompresoru, který stlačuje pracovní látku.

Princip funkce tepelného čerpadla je uveden na obrázku. Stlačené kapalné teplonosné médium se rozpíná v expanzním ventilu a ve výparníku mění své skupenství na plyn (páru). Tím se ochladí na nízkou teplotu a přejímá teplo ze svého okolí (z vody, země nebo vzduchu) a ohřívá se. Tento děj připomíná situaci, když například použijete sifonovou bombičku a ta po expanzi plynu do nádoby chladí – jinými slovy – přejímá teplo z okolí. Plynné teplonosné médium je nasáváno a stlačováno kompresorem. Stlačením plynu a dodáním práce kompresoru dojde ke zvýšení teploty plynu. V kondenzátoru zkapalní a zvýší teplotu kondenzátoru – obvykle na 55 °C. Kondenzátor je konstruován jako výměník, ve kterém se získaná energie předává do vody okruhu vytápění. Tento pracovní cyklus se opakuje. Efektivitu provozu ovlivňují i další technické parametry topného systému, zejména elektrický příkon tepelného čerpadla, tepelně-izolační provedení potrubí, vlastnosti použitých médií a konstrukční řešení systému. Proto se nejčastěji volí podlahové nebo plošné stěnové vytápění, které se spokojí s vodou ohřátou na 35 °C. Klasické teplovodní topení potřebuje teplotu kolem 55 °C.

Schéma (C) STIEBEL ELTRON 

Možnosti odběru tepla z okolního prostředí

Zemní sonda a studny: Tepelné čerpadlo systému země-voda (obr. vlevo dole) využívá tepla v hlubinách země. Půdní vrt v hloubkách od 10 do 100 metrů poskytuje dostatečnou a celoročně stabilní teplotu mezi 8 až 10 °C. 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. Tepelné čerpadlo systému voda-voda (obr. uprostřed dole) využívá dvou vrtaných studní o hloubce 5 – 15 m, které jsou od sebe vzdáleny kolem 20 m. Z jedné studny čerpáme vodu o teplotě 7 – 12 °C. Ve výparníku odejmeme část tepla z protékající vody a vrátíme ji do druhé studny ochlazenou na 2 – 5 °C.

Zemní kolektor: Zemní kolektor v podobě položeného potrubí (obr. vpravo dole) pro efektivní vytápění zabírá v zemi plochu jednou až dvakrát větší, než je obytná plocha vytápěných prostor. Potrubí kolektoru musí být uloženo ve spolehlivě nezámrzné hloubce, tedy alespoň 1,2 až 1,5 metru hluboko. V takové hloubce je i v těch nejmrazivějších dnech stále dostatek tepla, které umožňuje tepelnému čerpadlu systému země-voda vytápět rodinný dům. Jako teplonosné médium je využita ekologicky nezávadná nemrznoucí směs. 

Možnosti odběru tepla ze zemní sondy (vlevo), studny (uprostřed) a zemního kolektoru (vpravo)

(C) JUNKERS

Okolní vzduch: Tepelné čerpadlo systému vzduch-voda nebo vzduch-vzduch získává teplo z okolního vzduchu a předává je přes výparník a kondenzátor do teplovodního topného okruhu objektu nebo je teplovzdušným potrubím rozvádí po objektu. Nevýhodou u tohoto systému je snižující se účinnost s klesající venkovní teplotou. V chladnějších měsících s teplotami pod cca –5 °C tepelné čerpadlo dodává pouze část potřebného tepla, zbytek tepla je vyráběn jiným zdrojem, nejčastěji elektrokotlem. Na našem území se přitápění jiným zdrojem využívá přibližně po dobu desetiny vytápěcího období. 

Odběr tepla z okolního vzduchu pomocí čerpadla vzduch-vzduch

Foto (C) STIEBEL ELTRON

Autor: Petr Velfel

Autor děkuje společnostem STIEBEL ELTRON (www.stiebel-eltron.cz), JUNKERS (www.junkers.cz) a JK SOLAR (www.JKsolar.cz) za konzultace a poskytnutí obrazové dokumentace.