Tepelné čerpadlo - vše na co jste se chtěli zeptat

Tepelná čerpadla jsou efektivními zdroji pro vytápění

Tepelné čerpadlo

Tepelné čerpadlo je zařízení, které čerpá teplo z jednoho místa na jiné za použití kompresoru, nejčastěji z teplejšího do chladnějšího prostředí

Princip tepelného čerpadla je základem mnoha praktických zařízení, např. lednic a mrazáků, klimatizací a některých druhů vytápění, v praxi se můžeme taktéž setkat s tepelnými čerpadly u sušiček prádla nebo například u výčepních stolic.

Princip fungování tepelného čerpadla:

Princip tepelného čerpadla:
1. kondenzátor 2. tryska 3. výparník 4. kompresor

Nejrozšířenějším typem tepelného čerpadla je kompresorové tepelné čerpadlo. Chladivo v plynném stavu je stlačeno kompresorem a poté vpuštěno do kondenzátoru. Zde odevzdá své získané teplo. Zkondenzované chladivo projde expanzní tryskou do výparníku, který získané teplo za nižšího tlaku a teploty přijme a odpaří se. Po kondenzaci se chladivo vrací do kompresoru a celý cyklus se opakuje.

Velmi důležitým parametrem tepelných čerpadel je topný faktor(COP). Tato hodnota udává poměr mezi spotřebovanou energií a tepelnou energií, kterou tepelné čerpadlo vyrobí. Výrobci tepelných čerpadel tento údaj uvádějí vždy v souvislosti s podmínkami:

• Teplota primární strany.
• Teplota ohřátého média sekundární strany.

Pokud tedy výrobce tepelného čerpadla vzduch voda uvádí topný faktor (COP) A2/W35 jako 3,7 znamená to, že tepelné čerpadlo při teplotě venkovního vzduchu 2°C a teplotě ohřáté topné vody 35°C, bude pracovat s topným faktorem 3,7, tedy jednoduše z jedné kW spotřebované energie vyrobí 3,7 kW tepelné energie.

Využití tepelného čerpadla jako tepelného zdroje

 Dnes je tepelným čerpadlem vybavena takřka každá desátá novostavba. Tepelná čerpadla se stávají standardním vybavením nově stavěných staveb nízkoenergetických rodinných domů, kde se nízká potřeba výroby tepla a velikost teplosměnné plochy (podlahové vytápění) stává ideální pro využití tepelného čerpadla. Tepelné čerpadlo se však stává i velice vhodným tepelným zdrojem pro vytápění starších rodinných domů a dalších budov, kde se využívá jako náhrada původních tepelných zdrojů měněných z důvodů konce životnosti, nebo nevyhovujících z pohledu emisní zátěže (kotle s ručním přikládáním v 1. a ve 2. emisní třídě    jejichž provoz omezuje zákon - Kotlíková dotace). Dále tepelná čerpadla nahrazují zdroje s nevyhovující ekonomikou provozu (elektrokotle, akumulační či jiné elektrické vytápění, plynové kotle). Využití tepelného čerpadla není nijak omezeno velikostí domu a množství tepla potřebného pro vytápění domu. Nutné je zařízení správně dimenzovat.

Tepelné čerpadlo se označuje dvěma slovy, kde první slovo (před lomítkem) znamená zdroj, odkud se energie čerpá, a druhé slovo označuje teplosměnné médium.

Zdroje energie

• Země – tepelná čerpadla země voda využívají energii akumulovanou v podloží pod zemí.
• Vzduch – používá se u systémů vzduch-voda a vzduch-vzduch.
• Voda – tepelná čerpadla voda-voda primárně využívají vodu ze studně či vrtu, která je v tepelném čerpadle ochlazena a vrácena zpět za pomoci jiné studně či vrtu.

Nejčastěji se používají tato tepelná čerpadla:

Tepelné čerpadlo země - voda

Tento princip využívá teplo pod zemským povrchem, které je předáváno pomocí teplonosné kapaliny cirkulující v potrubí instalovaném pod povrchem buď ve formě plošného kolektoru, kdy je potrubí umístěno horizontálně pod povrchem v nezámrazné hloubce, nebo v potrubí umístěném vertikálně za pomoci hloubkových vrtů. V okruhu je zařazen kompresor pro dosažení požadované vysoké teploty. Tato potrubí je nutno vždy dimenzovat s ohledem na výkon tepelného čerpadla, aby byla dostatečná pro získání potřebné energie k výrobě tepla. Pro příklad uvedeme dimenzi primárního okruhu pro tepelné čerpadlo s tepelným výkonem 11kW: pro plošný kolektor takového stroje budeme potřebovat 4 potrubní smyčky o délce 150m a cca 400m2 využité plochy. Pro zásobování vrtem bude nutné pro stejný výkon vybudovat celkem 180m trubky, tedy dva vrty s celkovou hloubkou 90m. V obou případech je potřebná určitá regenerace, aby nebylo okolí potrubí energeticky vyčerpáno a nedošlo k jeho zamrznutí. To se může stát např. při nesprávné dimenzi primárního okruhu, kdy je potrubí pro požadovaný výkon příliš krátké. Princip fungování tepelného čerpadla země voda využívá velmi chladné teplonosné médium cirkulující v potrubí kolektoru či vrtu, kde přijímá teplotu okolního prostředí (cca 4 °C) , kterou za pomoci instalovaného oběhového čerpadla přivádí k výměníku, kde předá teplotu chladivu v okruhu kompresoru, ve kterém se plyn pod vysokým tlakem zahřeje na vysokou teplotu a v dalším výměníku tuto teplotu předá do topného média.

Výhody:

- vysoká energetická účinnost zdroje

- zařízení je instalováno uvnitř objektu

- dlouhá životnost (podmínkou je správné dimenzování)

Nevýhody:

         - nutnost instalace zemního kolektoru, nebo vrtu a s tím spojená výška investice

         - při vymražení primárního zdroje bývá poškození nevratné

Tepelné čerpadlo vzduch - voda

U tepelných čerpadel vzduch voda je na rozdíl od výše uvedeného principu země voda použito okolní prostředí tepelného čerpadla, tedy vzduch. Nevýhodou tepelného čerpadla vzduch voda je proměnná teplota okolního vzduchu. Čím je teplota okolního vzduchu nižší, tím je nižší i topný faktor čerpadla. Na rozdíl od principu země voda, kde je topný faktor konstantní, u tepelných čerpadel vzduch voda topný faktor klesá s venkovní teplotou. Velkou výhodou těchto tepelných čerpadel je příznivá pořizovací cena bez nutnosti investice do plošných kolektorů či vrtů. I přes nevýhodu proměnného topného faktoru se tak tepelná čerpadla vzduch voda stávají velmi ekonomickým zdrojem vytápění, které efektivně vytápí objekty až do teplot -20°C. Pro nižší teploty je pak v sestavě instalován bivalentní zdroj, typicky elektrokotel, který pomáhá tepelnému čerpadlu dosáhnout vyšších teplot.

90% instalací tepelných čerpadel v české republice jsou dnes čerpadla vzduch – voda. Při kvalitě výrobků a správné dimenzi zařízení se stává tepelné čerpadlo vzduch – voda provozně nejekonomičtějším vytápěním jaké můžete dnes pořídit. I tady však platí, že je důležité vybrat kvalitní tepelné čerpadlo, vyrobené pro fungování v teplotách typických pro naší oblast, zkušenou instalační firmu, která dodrží kvalitativní úroveň jednotlivých komponent celého systému a v neposlední řadě je nutné posoudit servisní zázemí pro dané tepelné čerpadlo. Tomu, jak správné tepelné čerpadlo vybrat se budeme věnovat v našem příštím článku. 

Výhody:

- vysoká energetická účinnost zdroje

- snadná instalace bez terénních úprav

- vysoká užitná hodnota (poměr účinnost/cena)

- dlouhá životnost (podmínkou je kvalitní zařízení)

Nevýhody:

        - nižší topný faktor v chladném prostředí

        - tepelné čerpadlo je umístěné venku

        - hlučnost tepelného čerpadla (zvláště levnější a méně kvalitní zařízení)

        - nutnost ročních prohlídek chladivového okruhu (zákonný požadavek) při instalacích typu split.

Tepelné čerpadlo voda - voda

Jako primární zdroj tepla pro tepelné čerpadlo voda - voda, slouží voda obsažená ve studni. Tato voda s konstantní teplotou je přečerpávána na první výměník tepelného čerpadla a dále je princip fungování stejný, jako ve výše uvedených případech. Pro správné fungování je třeba využít druhou studnu, do níž je přečerpávána voda s odebraným teplem. Instalace tepelných čerpadel voda-voda jsou vzhledem k náročnosti požadavků na bohatost a kvalitu vodního zdroje, problematický proces při schvalování v přípravném řízení a nutnosti zbudování druhé studny spíše výjimečné a to přes fakt, že je účinnost tepelného čerpadla voda-voda ze všech principů nejvyšší.

Výhody:

- nejvyšší energetická účinnost

- snadná instalace bez terénních úprav

- tepelné čerpadlo je umístěné uvnitř objektu

- vysoká užitná hodnota (poměr účinnost/cena)

- dlouhá životnost

Nevýhody:

        - náročnost na bohatost a kvalitu vodního zdroje

        - náročné schvalování projektu a povolení

Tepelné čerpadlo vzduch - vzduch

Tepelná čerpadla vzduch-vzduch jsou velmi často využívána v komerčních objektech, nebo tam, kde není možné instalovat teplovodní topný rozvod. Typicky fungují například v obchodních zónách, výrobních halách a podobně. Velmi často jsou využívána pro přitápění v rekreačních objektech. Nejčastěji vidíme tepelná čerpadla vzduch voda jako běžnou klimatizaci. Výhodou těchto zařízení je to, že může jak topit, tak chladit. Stále častěji jsou tato zařízení využívána jako topný zdroj ve výstavbě pasivních domů, kde se stávají součástí řízené ventilace. Naše společnost Enco-tepelná technika nainstalovala celou řadu těchto zařízení jak v komerčních budovách, skladech a obchodech, tak v budovách s kancelářemi a restauračních zařízeních. Jako hlavní zdroj topení v rodinných domech se tato zařízení však využívají spíše výjimečně. Velkou výhodou tepelných čerpadel vzduch-vzduch je nízká pořizovací hodnota bez nutnosti budování topného systému, nevýhodou je nižší účinnost a krátká životnost. (toto se však netýká kvalitních průmyslových tepených čerpadel vzduch-vzduch)

Výhody:

- snadná, nenáročná instalace

- nízká pořizovací cena

- v létě chladí, v zimě topí

Nevýhody:

        - nižší energetická účinnost

        - kratší životnost

Česká republika a podpora tepelných čerpadel

V České republice je pořízení tepelného čerpadla, coby ekologického zdroje tepla, podporováno v rámci dotačního titulu Nová zelená úsporám, který spravuje Státní fond životního prostředí, který se zaměřuje na úspory energie a obnovitelné zdroje energie v rodinných a bytových domech. Pro rok 2020, při současné žádosti o dotaci na zateplení objektu a výměnu zdroje, činí maximální výše dotace na tepelné čerpadlo vzduch-voda 75 000 Kč. Na tepelné čerpadlo se systémem země-voda či voda-voda je možné získat dotaci až 100 000 Kč. Jednou z hlavních podmínek pro získání dotace je maximální měrná potřeba tepla na vytápění rovna 150 kWh/m2 za rok. Zájemci o dotaci rovněž získávají 5 000 Kč na zpracování odborného posudku.

Velmi úspěšným dotačním titulem je tak zvaná Kotlíková dotace, program vyhlašovaný Ministerstvem životního prostředí za účasti krajů. Ta je určena na podporu výměny ekologicky nevyhovujících kotlů pro rodinné domy za moderní způsoby vytápění. V této dotaci může žadatel získat příspěvek na nové tepelné čerpadlo až 127.500 Kč