Tepelná čerpadla - výběr technologie a návratnost

V našem přírodním prostředí – v zemi, vodě i vzduchu, je přítomno značné množství tepla. Teoreticky můžeme čerpat energii až k blízkosti absolutní nuly, která je ještě o 273,15 stupňů níže než nula Celsiova. Nevýhoda této energie spočívá v tom, že je velmi "naředěná" a my ji musíme "zhustit", aby nám posloužilo podobně jako teplo z uhlí či zemního plynu. Tento úkol mohou zajistit právě tepelná čerpadla, která nám dovolí efektivně čerpat energii z okolí i při tak nízkých venkovních teplotách, jako je –20 °C.

Princip tepelného čerpadla si můžeme zjednodušeně připodobnit na příkladu běžné domácí kompresorové chladničky, rozdíl de facto spočívá "pouze" v opačném toku energie. V ledničce se přečerpává energie chlazených potravin na teplo, jež se odvádí radiátorem umístěným na zadní straně zařízení. Dochází tedy k přečerpávání nízké teploty uvnitř ledničky na vyšší teplotu, než je teplota v místnosti. Fyzikální zákonitosti pak napomáhají tomu, že koncentrovaná teplota se skrze radiátor přesouvá dále do místnosti.

Tepelné čerpadlo funguje na stejném principu – rozdíl je v tom, že může odebírat teplo například z vody nebo země pod povrchem o teplotě jednotek stupňů Celsia a přeměnit jej na teplo vzduchu či vody o teplotě několika desítek stupňů.

Protože z fyziky víme, že žádné zařízení nemůže pracovat na principu perpetua mobile, je zřejmé, že i tepelné čerpadlo potřebuje určité množství energie. Tu je nutno dodat zejména kompresorové jednotce, která stlačuje pracovní látku, její množství je ovšem podstatně nižší než ve srovnání s konvenčními zdroji energie (plyn, uhlí, dřevo).

Ve výbavě systému tepelného čerpadla solanka-voda s označením WPC COOL naleznete kompletní řešení topení a ohřevu vody s výkony 6 – 13 kW, ale navíc i další jedinečnou doplňkovou funkci. Integrovaný výměník tepla přebírá za horkých dní funkci chlazení.

Foto (c) STIEBEL ELTRON

Funkci tepelného čerpadla si můžeme vysvětlit zhruba následovně: Stlačené kapalné teplonosné médium se rozpíná v expanzním ventilu a ve výparníku mění své skupenství v plynné. Tímto postupem se zchladí na nízkou teplotu a může tak snáze přejímat teplo ze svého prostředí (vody, země, vzduchu) a tím se ohřívá. Proces se nám ozřejmí při představě sifonové bombičky – když ji otevřeme a prudce vypustíme plyn, tak chladí – jinak řečeno přejímá teplo z okolí.

Co se děje dál v tepelném čerpadlu? Plynné teplonosné médium projde systémem trubek do země či vody nebo odebere teplo vzduchu a je nasáváno a zpět stlačováno kompresorem. Kompresí plynu dojde ke zvýšení teploty plynu, jenž v další části zařízení – kondenzátoru – zkapalní a zvýší teplotu kondenzátoru (zpravidla přes 50 %). Kondenzátor je konstruován jako výměník, ve kterém se získaná energie předává do vody, která již může ohřívat radiátory ústředního topení, bazén nebo bojler s vodou. Naznačený proces se stále opakuje.

Klíčové při projektování zařízení pro vytápění domu je takzvaný topný faktor, jenž vyjadřuje poměr elektrického příkonu kompresoru a tepelného výkonu, jenž provozem čerpadla získáme. Sluší se podotknout, že reálný topný faktor kolísá v průběhu celé otopné sezony. Topný faktor uvádějí výrobci, ale jeho finální podobu lze poznat až při zjištění rozdílu teplot – z prostředí, z níž energii odebíráme, a požadovanou výstupní teplotou. Obvykle se topný faktor pohybuje kolem čísla 3, což znamená, že 4 kW spotřebované energie na zajištění funkce čerpadla získáme 12 kW tepelné energie. Topný faktor může být i vyšší, většinou se však jedná o laboratorní podmínky.

Topný faktor je důležitá veličina, která ovšem vyjadřuje pouze teoretické možnosti celého systému. Skutečně získanou energii a tedy i ekonomický profit ze zařízení se odvíjí od celé řady technických parametrů. Už jsme zmínili elektrický příkon tepelného čerpadla, dále je třeba uvést tepelně-izolační schopnosti a délku vedení potrubí, vlastnosti použitých médií, celkové konstrukční řešení systému a v neposlední řadě proměnlivou teplotu prostředí, z něhož získáváme teplo. Topný faktor můžeme také podstatně ovlivnit typem aplikace, jež bude získané teplo využívat.

Z praktického hlediska je odzkoušeno, že zatímco například podlahové vytápění postačí voda ohřátá na 35 °C, radiátorové vytápění už potřebuje teploty nad 50 °C. Zdroj nízkopotenciálního tepla bude v zásadě vždy jen trojí – vzduchu, země, voda. Nemůžeme si tedy příliš vybírat, na druhou stranu teplo z těchto zdrojů můžeme získávat nejrůznějšími způsoby aplikací, které tvoří už poměrně zajímavou paletu pro výběr. Podívejme se tedy na základní možnosti.

Voda-voda

Spodní voda představuje dobrý zásobník slunečního tepla. Systém voda-voda pracuje na principu využívání nízké teploty spodních vod za pomoci dvou studní nebo vrtů, vzdálených od sebe přibližně dvě desítky metrů. Ze sací studny přijímáme vodu o teplotě v rozmezí 6 – 10 °C. Ve výparníku pak odejmeme část tepla způsobem, který jsme si popsali výše. Ochlazenou vodu na teplotu přibližně 2 – 5 °C vracíme zpět do druhé, tzv. vsakovací studny. Zařízení je spolehlivé a má poměrně zajímavé energetické zisky. Základní podmínka je však pro řadu domů velmi limitující. Musí být zajištěna dostatečná vydatnost vodního zdroje podle výkonu tepelného čerpadla. Pokud budeme potřebovat pro dům například tepelné čerpadlo o výkonu 15 kW (středně velký dům s centrálním topením řešeným radiátory), je třeba zajistit průtok přibližně 40 litrů vody za minutu při teplotě 8 °C. Základní je tedy hydrogeologický posudek, ovšem ani ten nemusí v současných měnících se vodních poměrech povrchové vody garantovat stoprocentní jistotu, a to jak z pohledu objemu, tak teploty (požadovaný průtok po celou zimní sezónu). Systém voda-voda nemusí také pracovat nejlépe, pokud chemický rozbor vody poukáže na nevhodné složení.

Systém voda-voda využívá odběru tepla prostřednictvím dvou studní

Kresba (c) JK SOLAR / TEPELNÁ ČERPADLA IVT

Systém voda-voda využívá odběru tepla také z větší vodní nádrže

Kresba (c) JK SOLAR / TEPELNÁ ČERPADLA IVT

Země-voda

Další možnost, jak získávat teplo z nízkopotenciálního zdroje, představuje země, resp. jde o systém země-voda. Toto řešení má několik variant. Technicky i technologicky náročnější metodou je hlubinný vrt, jenž se vyplatí provádět (z pohledu zisků i fixních nákladů) od 50 metrů hlouběji. Vrty dnes zpravidla dosahují hloubky 100 metrů. Zemní sondy naplněné nemrznoucí teplonosnou směsí pak získávají nízkoteplotní energii sdílením a předávají tepelnému čerpadlu, jež ji přemění na teplo využitelné pro dům. Řešení vrtem klade vyšší požadavky na geologickou přípravu. Na druhé straně se dostáváme do míst se stabilními teplotami, čímž lze poměrně přesně dimenzovat tepelné čerpadlo a také očekávat lepší tepelné zisky.

Systém země-voda využívá k odběru tepla zemní vrt

Kresba (c) JK SOLAR / TEPELNÁ ČERPADLA IVT

Princip země-voda lze modifikovat nahrazením zemní sondy plošným výměníkem či zemním kolektorem, jenž se ukládá do hloubky 1,2 až 1,5 m. Jejich použití determinuje vhodnost terénu a geologické podmínky pro určení množství a hloubky vrtu pro daný výkon tepelného čerpadla. V této souvislosti je třeba zmínit nebezpečí vymražení půdy, což vede ke značnému omezení práce tepelného čerpadla. Na funkci zemního kolektoru může mít vliv i vegetace na pozemku. Oba systémy přímo vyžadují instalaci výkonného čerpadla na primárním okruhu, což vede ke zvýšení spotřeby elektrické energie.

Systém země-voda využívá k odběru tepla zemní kolektor

Kresba (c) JK SOLAR / TEPELNÁ ČERPADLA IVT

Vzduch-voda, vzduch-vzduch

Dalšími systémy jsou vzduch-voda nebo vzduch-vzduch, které získávají nízkopotenciální teplo z okolního vzduchu a přes výparník a kondenzátor jej předávají do teplovodního topného okruhu nebo se vzduchovým potrubím rozvádějí do objektu. Tato řešení bývají finančně nejméně náročná, což reflektuje skutečnost nižšího tepelného faktoru se snižující se venkovní teplotou. Pokud tepelné čerpadlo tohoto typu plánujeme využít pro ohřev vody v ústředním topení, musíme počítat s tím, že nepokryje celý topný výkon při nejnižších teplotách venkovního vzduchu. Teoreticky by potřebné teplo mohlo získávat, ovšem za cenu zbytečně naddimenzovaného zařízení. V chladnějších měsících, kdy teploty klesají pod –5 °C, je třeba zapojit jiný zdroj ohřevu, jenž bude vyrábět teplo (kotel na dřevěné pelety, elektřinu, plyn, další pevná či kapalná paliva). Takový provoz označujeme jako bivalentní.

Opět záleží, jak důkladně jsou provedena měření, resp. jak důsledně jsou zváženy statistické parametry jednotlivých území. Průměrné teploty například v Praze a na tzv. České Sibiři se liší v průměru o několik stupňů Celsia, rozdílný je také počet dní, kdy teplota klesá pod bod mrazu. Pro ilustraci si uveďme, že z dlouhodobých meteorologických měření vyplývá, že v našich městech zaznamenáme ročně 43 dnů s průměrnou teplotou nižší než bod mrazu, s teplotou –5 °C a nižší dokonce jen 11 dní v roce. Velké mrazy tak netrvají příliš dlouho, a proto se bivalentní zdroj podílí na spotřebě energie jen přibližně jednou desetinou celkové spotřeby tepla.

V přechodném topném období, kdy teplota okolního prostředí stoupá nad nulu, má toto řešení výrazně vyšší topný faktor, což v konečném důsledku vede ke slibnější ekonomice provozu. V průběhu dne tak můžeme snadno dohřívat bazén nebo teplou vodu v bojleru, samotné vytápění objektu i tehdy ale většinou potřebuje druhý zdroj tepla. Za výhodu koncepce postavené na využití vzduchu můžeme považovat tu skutečnost, že vzduch je přístupný všude v „neomezeném“ množství. Montáž venkovních jednotek bývá rychlá, poměrně snadná a nevyžaduje příliš prostoru. Hodí se tedy pro instalaci jak k novostavbám, tak rekonstruovaným i stávajícím objektům. Některé jednotky mohou působit hluk, ačkoliv poslední dobou se tuto dílčí překážku daří poměrně účinně odstranit.

Systém vzduch-vzduch využívá k odběru teplo okolního vzduchu

Kresba (c) JK SOLAR / TEPELNÁ ČERPADLA IVT

Správné dimenzování

Tepelné čerpadlo musí být správně vybráno a jeho provoz optimalizován jak ve vztahu k okolnímu prostředí, z něhož odebírá energii, tak i směrem do interiéru, kam získané teplo předává. Velmi podstatné je tedy správné dimenzování topné soustavy. Pokud máme tu možnost, vždy se vyplatí uvažovat o nízkoteplotní topné soustavě, což v současnosti reprezentují například podlahová topení nebo velkoplošné radiátory. K efektivnímu využití tepelného čerpadla totiž dochází tehdy, je-li rozdíl teplot mezi nízkopotenciálním zdrojem a topným okruhem co možná nejnižší. Podlahové či stěnové vytápění tento předpoklad splňují. Pokud je navržena nebo již používána radiátorová soustava, pak ještě vyhoví velkoplošné typy s teplotním spádem maximálně 55/45 °C. Starší otopné soustavy s navrhovanou teplotou 90/70 °C jsou zpravidla velmi předimenzované a je tedy nutné dopředu ověřit, zda postačí nižší teplota vody z tepelného čerpadla. Při zapojení tepelného čerpadla do otopné soustavy by navrhovaná teplota topného média neměla přesáhnout 55 °C. Tento limit vychází ze skutečnosti, že s teplotou teplonosné látky souvisí tlak v kompresoru a ten je omezen jeho konstrukcí. Růst teploty topné vody pak přímo souvisí s poklesem topného faktoru a provoz se potom méně vyplácí. Z důvodu omezení teploty je třeba použít soustavu s nižším rozdílem teplot otopné a vratné vody. Pro předání potřebné energie je pak nutné zabezpečit vyšší průtok teplonosné látky. Tyto faktory musí reflektovat návrh otopné soustavy.

Pokud se teploty venkovního vzduchu pohybují v intervalu od –5 °C do 7 °C, vytváří se na spodní části vzduchového výparníku námraza způsobená vlhkostí vzduchu. Tu lze odstranit tzv. reverzací, což znamená, že oběh tepelného čerpadla se na několik desítek vteřin otočí, ventilátor se zastaví a teplo se odebírá z topné soustavy. Výparník se ohřívá a ledová krusta odtaje. Pokud teplota poklesne více pod udaný teplotní rozsah, námraza se přestane tvořit, protože vzduch je suchý. Nad 7 °C námraza rovněž nevzniká, protože vzduch je naopak teplý, a voda proto pouze odkapává. Jednou z dalších automatických funkcí tepelného čerpadla je řízení provozu, tak aby zařízení často nespínalo. Předchází se zbytečnému přetěžování motoru kompresoru, v čehož důsledku může dojít k poruše nebo zvýšení ekonomické náročnosti.

Tepelné čerpadlo vzduch-voda WPL 10 ve třech variantách provedení nechá vyniknout svým silným stránkám především v novostavbách. Zařízení WPL 10 IK je jako kompletní přístroj vybaveno všemi potřebnými konstrukčními skupinami.

Foto (c) STIEBEL ELTRON

Návratnost investic

Pokud uvažujeme o pořízení kvalitního systému, musíme počítat, že celková investice (nejen samotné čerpadlo, ale i související rozvody, elektronika atd.) nás mohou přijít na několik stovek tisíc korun. Na místě je tedy otázka, kdy se tepelná čerpadla vyplatí a jak je to s návratností. Zatímco dříve platilo, že tepelné čerpadlo bylo ekonomicky vhodné pořídit pro velké, spíše průmyslové, objekty, instituce nebo obytné domy, v posledních několika letech se systémy vyplatí i pro rodinné bydlení. Čím větší rodinný dům a další vyhřívané prostory máte, tím spíše bude tepelné čerpadlo tou správnou volbou.

Široká nabídka tepelných čerpadel pro domácnosti skýtá možnosti i pro menší rodinné domy, jež si tepelné čerpadlo (např. vzduchu-vzduch, nebo vzduch-voda) zvolí pouze jako alternativní zdroj energie. Vytvoří si především jakýsi energetický mix, což skýtá větší bezpečnost dodávek, ale také vhodně investují do budoucna, a to v rovině ekologické i ekonomické. Je třeba si uvědomit, že fosilní paliva budou vždy nedostatkovým a stále dražším zdrojem energie. Tepelné čerpadlo, které bude ve vaší domácnosti pokrývat byť jen třetinu spotřeby tepla, se bude v průběhu let zúročovat s přihlédnutím k rostoucím cenám energií podstatně rychleji. Stranou nelze ponechat ani ekologické hledisko – čerpadlo sice pro svůj provoz potřebuje elektrickou energii, ale využívá ji velmi efektivně. V porovnání s jinými druhy vytápění tak představuje podstatně ekologičtější řešení vytápění.

Stacionární topný akumulační zásobník SBP 1500 E SOL je určen pro spolupráci s velkým tepelným čerpadlem. Díky integrovanému výměníku tepla je vybaveny k provedení v kombinaci se solárním zařízením. Kromě toho můžete připojit další dva výrobníky tepla a elektrické šroubovací topné těleso. Díky tomu vytvářejí stacionární zásobníky SBP velké rozhraní a sběrné místo pro nejrůznější energetické systémy.

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.