Vzduch, země, voda – jsou zdrojem velikého množství tepelné energie. Teplo z přírodního prostředí je však – pro svou nízkou teplotu - běžným způsobem nevyužitelné. Díky pokroku ve vývoji komponentů dokáže tepelné čerpadlo odebírat jinak nevyužitelné, tzv. nízkopotenciální teplo z přírodního prostředí a pomoci elektrické energie ho umí převést na teplo vhodné pro vytápění, přípravu teplé užitkové vody i další účely. Poměr topného výkonu a elektrického příkonu, tzv. topný faktor, je tedy vždy větší než jedna, za informativní můžeme pokládat hodnotu 3. Použijeme-li tedy tepelné čerpadlo pro vytápění, znamená to, že z 1kWh odebrané elektrické energie čerpadlo „vyrobí“ asi 3 kWh energie tepelné, za vhodných podmínek i více. Tím se výrazně snižuje spotřeba energie pro vytápění, provozní náklady na vytápění i celkové náklady na energie ve vytápěném objektu. Energetická výhodnost tepelného čerpadla vyjádřená topným faktorem bude tím větší, čím vyšší bude teplota odebíraného nízkopotenciálního tepla a s čím nižší teplotou topného média bude pracovat.
Teplo ze vzduchu
Vzduch je jako zdroj tepla nejdostupnější, prakticky neomezený a dá se říci, že z ekologického hlediska nejvýhodnější, protože teplo odebrané vzduchu z okolí je opět do okolí vráceno tepelnými ztrátami objektu. Tepelná čerpadla odebírající teplo ze vzduchu jsou označovaná „vzduch-voda“.
Teplota vzduchu se v průběhu otopného období mění ve značném rozmezí. V souvislosti s tím se mění i topný výkon a topný faktor tepelného čerpadla. Tepelná čerpadla PZP mohou pracovat do teploty okolního vzduchu až –20 °C (–25 °C) při teplotě topného média 50/45 °C (40/35 °C). Vzhledem k tomu, že délka období s extrémně nízkými teplotami vzduchu je v porovnání s délkou otopného období poměrně krátká, není význam tohoto období na spotřebu energie pro vytápění podstatný. Výhodou těchto čerpadel je i množnost jejich celoročního, velice efektivního využívání pro přípravu teplé užitkové vody, nebo ohřev bazénové vody.
Teplo ze země
Teplo obsažené v zemi – tzv. geotermální teplo se zpravidla využívá nepřímo. Získává se ve vhodném výměníku tepla - zemním kolektoru a převádí se cirkulačním okruhem do výparníku tepelného čerpadla pomocí teplonosné kapaliny. Cirkulaci teplonosné kapaliny zajišťuje oběhové čerpadlo. Tepelná čerpadla využívající geotermální teplo prostřednictvím zemního kolektoru se označují jako „země-voda“.
Geotermální teplo je naakumulováno v zemním masivu, jehož teplota se pohybuje kolem +12 °C. Jeho odběr způsobuje postupný a nerovnoměrný pokles teploty ve vrstvě kolem kolektoru (u vertikálního kolektoru umístěného ve vrtu je tato vrstva válcová). Teplota u kolektoru může klesnout až na podnulové hodnoty, za této situace pak dochází k promrzání masivu. Aby takový odběr tepla mohl dlouhodobě (každou další otopnou sezónu) plnit svou funkci, musí mít dotčená vrstva dostatek času na regeneraci do původního teplotního stavu. Z tohoto důvodu není zpravidla možný celoroční provoz tepelného čerpadla, zejména při jeho intenzivním využívání např. pro ohřev bazénové vody.
Zemní kolektor pro získávání geotermálního tepla může být realizován dvěma způsoby. Buď jako horizontální, uložený v hloubce 1,5 až 2 m pod povrchem země (pro menší výkony) nebo jako vertikální, uložený ve vrtu (vrtech) hlubokém až 150 m. S vertikálním zemním kolektorem dosahuje tepelné čerpadlo „země-voda“ vyššího energetického efektu. Pokud se vrt provádí v nevhodné lokalitě, nevhodným způsobem, může způsobit nevratné narušení ekologické rovnováhy. Realizace vrtu proto podléhá přísným legislativním opatřením. Vrt musí být schválen jako vodní dílo. Nutnou podmínkou pro realizaci je i povolení k nakládání s vodami.
Teplo z vody
Teplo obsažené v podzemní vodě představuje rovněž teplo geotermální. I toto teplo se může za určitých podmínek využívat a to tepelnými čerpadly, označovanými jako „voda-voda“. Tak je tomu v případě, kdy voda má vhodné chemické složení, je dostatečně čistá, má po celé otopné období teplotu minimálně +8 °C a je k dispozici v dostatečném množství (např. pro topný výkon tepelného čerpadla 10 kW je potřebné průtočné množství vody při teplotě +10 °C cca 25 l/min). Voda je pak přímo přiváděna do výparníku tepelného čerpadla. Protože podzemní voda má ze všech přírodních zdrojů nízkopotenciálního tepla v otopném období nejvyšší teplotu, je energetický efekt tepelných čerpadel „voda-voda“ nejlepší. Dostupnost tohoto zdroje tepla však nebývá příliš četná.
Teplo z podzemní vody se získává tak, že voda je čerpána z čerpací studny do výparníku tepelného čerpadla. V něm se ochladí a ochlazená je vracena do druhé, vsakovací studny, která je dostatečně vzdálena. Průtokem mezi oběma studněmi se voda v zemi opět ohřeje. Pro realizaci odběrových i zasakovacích studní platí stejná legislativní opatření jako pro realizaci vrtů pro vertikální kolektory, protože možnost narušení ekologické rovnováhy je podobná.
Princip tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlo pracuje ve svém principu jako chladicí zařízení, jehož hnacím prvkem je kompresor poháněný elektromotorem. Zařízení odvádí v prvním výměníku, tzv. výparníku, teplo z prostředí s nižší teplotou, například z okolního vzduchu, ze země nebo z vody (tím toto prostředí ochlazuje) a pomocí hnací elektrické energie ho předává ve druhém výměníku, tzv. kondenzátoru, do prostředí s vyšší teplotou, například do topné vody - tím toto prostředí ohřívá. Teplo převáděné z výparníku do kondenzátoru se přitom zvětšuje o teplo, na které se v kompresoru mění hnací elektrická energie. Jinými slovy řečeno: Tepelná energie produkovaná tepelným čerpadlem je dána součtem obou vložených energií, tzn. že je vždy větší než energie hnací.
Na celkovém množství tepla potřebného pro vytápění, které je produkováno tepelným čerpadlem, se nízkopotenciální teplo, tj. teplo odebírané z přírodního prostředí (které je k dispozici „zdarma“) podílí asi 60 až 70 % a „hnací“ elektrická energie (která se musí zaplatit) asi 40 až jen 30 %. Tepelnou, respektive ekologickou zátěž okolí při vytápění tepelným čerpadlem proto nevytváří celé produkované teplo, ale jen „hnací“ energie. Zátěž okolí způsobená vytápěním je proto zhruba jen třetinová.
Vytápěcí systém
Vytápěcí systém s tepelným čerpadlem se většinou nenavrhuje tak, aby TČ krylo celý potřebný topný výkon při nejnižší (výpočtové) teplotě venkovního vzduchu (tzv. monovalentní provedení), protože by bylo zbytečně velké a investičně nákladné. Mnohem výhodnější je řešení tzv. bivalentního vytápěcího systému, kdy TČ se navrhuje tak, aby samo krylo topný výkon jen do určité venkovní teploty, např. do 0 až –5 oC (tzv. teploty bivalence) a při nižších teplotách mu "pomáhá" další zdroj tepla, např. elektrokotel. Protože období s nízkými teplotami, kdy je zapotřebí větší topný výkon než dává tepelné čerpadlo, je relativně krátké, podílí se druhý zdroj na krytí celkové potřeby tepla pro vytápění zpravidla méně než 10ti %. Takto řešeným systémem se dosáhne optimálního poměru mezi pořizovacími a provozními náklady. Při bivalentním řešení je tepelné čerpadlo dimenzováno zpravidla na 50 až 75 % potřebného (výpočtového) topného výkonu.
Základní požadavky na vytápěcí systém se mohou formulovat takto:
- Vytápěcí systém musí být řešen jako nízkoteplotní s pracovním rozdílem teplot 50/45 °C pro otopnou soustavu s radiátory a 40/35 °C pro podlahové a stěnové vytápění.
- Vzhledem k tomu, že používaný pracovní rozdíl teplot topného média je podstatně menší než ve vytápěcím systému s klasickým zdrojem, musí se pro přenesení určitého topného výkonu použít větší, zpravidla více než dvojnásobný průtok topného média. K tomu se musí přihlédnout při návrhu cirkulačních čerpadel, rozvodů i otopné soustavy.
- Aby se předešlo nežádoucímu překračování mezní teploty topného média v tepelném čerpadle při změnách průtoku v otopné soustavě, musí být průtok tepelným čerpadlem konstantní a nezávislý na průtoku v otopné soustavě. Tuto podmínku zajišťuje termohydraulický rozdělovač nebo akumulační nádrž ve funkci termohydraulického rozdělovače, zařazená do vytápěcího systému.
- Aby se předešlo nežádoucímu poklesu teploty při přerušovaném provozu (při blokování provozu vytápění signálem Hromadného Dálkového Ovládání), ale i z dalších důvodů, musí mít vytápěcí systém určitou akumulační schopnost.
- Vzhledem k tomu, že při teplotách blízkých teplotě bivalence a pod ní, nemá tepelné čerpadlo žádnou výkonovou rezervu, musí se za těchto podmínek vytápěcí systém provozovat bez teplotních útlumů.
Tepelné čerpadlo a otopná soustava ve stávajících objektech
U většiny rodinných domů postavených před deseti a více lety, vybavených ústředním vytápěním na pevná paliva, byla otopná soustava navržena na teplotu topného média cca 70 °C a řešena s gravitační (samotížnou) cirkulací topného média. Ukazuje se, že ve většině těchto objektů jsou jak zdroj tepla, tak otopná soustava předimenzovány. Předimenzování otopné soustavy bývá tak velké, že i při nižších teplotách, se kterými pracuje vytápěcí systém s tepelným čerpadlem, stačí zajistit vytápění objektu. Příznivé jsou i rozvody dimenzované na „samotíž“, které bez problémů vyhovují i pro větší průtoky topného média, které tento systém vyžaduje.
Přestože každý případ vyžaduje posouzení odborníka – topenáře znalého problematiky tepelných čerpadel, dá se u většiny případů předpokládat, že se tepelné čerpadlo může použít ve stávajících objektech a s využitím stávající otopné soustavy, případně s jejími malými úpravami (např. zvětšením otopných ploch v kritickém místě nebo umístěním přímotopného konvektoru do kritické místnosti a jeho „bivalentním ovládáním“).
Ekonomické porovnání provozních nákladů
Pro představu o ekonomické výhodnosti vytápění tepelným čerpadlem je uveden modelový příklad rodinného domu s tepelnou ztrátou 10 kW. Z porovnání celkových provozních nákladů je zřejmé, že tepelné čerpadlo uspoří oproti plynovému nebo elektrickému topení za rok minimálně 20 tis. Kč, za 15 let provozu 400 tis. i více Kč. K tomu je možné připočíst případné státní dotace na podporu ekologického vytápění. Z negativních položek je třeba počítat s vysokou cenou tepelného čerpadla a s možnými poplatky za případné opravy vzhledem k celkové složitosti systému. Pokud v roce 2005 vypočítáme, že návratnost investice je reálná jen pokud nenastanou vážnější komplikace ve fungování systému, lze předpokládat, že v budoucnosti bude investice do tohoto alternativního zdroje vytápění stále výhodnější.
zdroj: www.pzp.cz
01.04.2005 16:10:25 www.stavimedum.cz