Co je to tepelné čerpadlo

Patří mezi alternativní zdroje energie, i když ne obnovitelné – ke své činnosti stále potřebuje dodatečnou elektrickou energii. Princip tepelného čerpadla je sice znám více než sto let, ale většího rozmachu u nás zaznamenává až v posledních zhruba deseti letech. Přestože jde o často náročnou investici z hlediska pořizovacích nákladů, s rostoucími cenami energií roste zájem i o tepelná čerpadla – návratnost investice se totiž zkracuje.

Tepelné čerpadlo odnímá tepelnou energii ze svého okolí a dokáže ji několikanásobně povýšit na úroveň využitelnou pro vytápění, ohřev teplé užitkové vody a nebo také třeba k ohřevu vody v bazénu.

Toto „chytré“ zařízení odnímá takzvané nízkopotenciální teplo z vnějšího prostředí a předává ho k dalšímu využití pracovní látce, což může být například vzduch nebo kapalina (glykol). Ve výparníku chladicí kapalina odnímá teplo pracovní látce a ohřátím se odpařuje. Páry chladiva jsou odsávány, stlačovány v kompresoru, čímž se ještě zvýší jejich teplota. Tyto páry jsou dále odváděny do kondenzátoru, kde předají teplo ohřívané látce, například topné vodě, a změní své skupenství na kapalné. Kapalné chladivo je přiváděno zpět do výparníku a celý cyklus se neustále opakuje. Zdrojem tepla může být podzemní i povrchová voda, země nebo vzduch. Tepelné čerpadlo dokáže ohřát vodu na 55 °C, v některých případech dokonce až na 65 °C a speciální vysokoteplotní čerpadlo dokáže ohřát vodu až na 75 °C.

Tajemný topný faktor

Účinnost tepelného čerpadla charakterizuje topný faktor. Je to poměr tepelného výkonu tepelného čerpadla k elektrickému příkonu, který je potřebný k jeho provozu, především k pohonu kompresoru. Čím je hodnota topného faktoru vyšší, tím je provoz tepelného čerpadla efektivnější. Je-li například hodnota topného faktoru tepelného čerpadla 3,5, znamená to, že na vyprodukování 3,5 kWh tepelné energie spotřebujeme 1 kWh energie elektrické.

Je třeba si uvědomit také to, že, že topný faktor s klesající teplotou nízkopotenciálního zdroje klesá; to platí zejména v případě, je-li zdrojem tepla vnější vzduch. Proto je třeba se u výrobců tepelných čerpadel informovat, při jaké venkovní teplotě (nebo teplotních podmínkách primárního okruhu) je topný faktor uváděn a zajímat nás bude zejména průměrný roční topný faktor.

Pravidlem je také to, že výkon tepelného čerpadla se navrhuje na pokrytí 50 až 70 procent tepelných ztrát objektu, protože nejrychlejší návratnosti investic dosáhneme, poběží-li tepelné čerpadlo na plný výkon po co nejdelší dobu. Nedílnou součástí systémů s tepelnými čerpadly je proto doplňkový (bivalentní) zdroj tepla, který při nižších venkovních teplotách dodává potřebné množství energie. Může to být například přímotopná patrona dohřívající topnou vodu, kotel na dřevo či krbová kamna.

Podle toho, z jakého zdroje se nízkopotenciální teplo čerpá a kam se přenáší, rozdělujeme tepelná čerpadla na systém vzduch-vzduch, vzduch-voda, země-voda.

Vzduch nezamrzne

Tepelné čerpadlo pracující v systému vzduch-vzduch odebírá energii přímo z venkovního vzduchu a předává ji do teplovzdušného systému, kterým se objekt vytápí. Instalace systému předpokládá teplovzdušné vytápění a řízené větrání. Výhodou těchto tepelných čerpadel je využití pro chlazení v letním období (klimatizace) bez zásahů do již instalované vzduchotechniky. Ideální variantou pro pasivní a nízkoenergetické objekty je využití odpadního tepla, kdy zdrojem energie je znečištěný vzduch z domu, který je odváděn větracím systémem. Zařízení pak funguje jako kompaktní jednotka zajišťující klimatizaci, rekuperaci i ohřev teplé užitkové vody.

Moderní tepelná čerpadla vzduch-voda využívají vysoce účinné spirálové scroll kompresory, takže dokáží ohřívat topnou vodu teplem z venkovnímu vzduchu až do teploty -20 až -25°C. Doplňkový, bivalentní zdroj tepla, který při nižších venkovních teplotách dodává potřebné množství energie, je třeba jen asi 5-10 dní v roce.

Hlavní předností tepelných čerpadel využívajících vzduch je možnost využití prakticky kdekoliv i při minimálních pozemkových a prostorových možnostech; nevyžadují žádné nákladné zemní práce. Tím je investice na jejich instalaci výrazně nižší než u jiných systémů při srovnatelných parametrech. Tato tepelná čerpadla je díky nízké hlučnosti možné instalovat prakticky kdekoliv i uvnitř objektu –

v technické místnosti, garáži nebo kotelně a vzduch k zařízení přivádět vzduchotechnickým potrubím. Jednotku s ventilátorem, případně celé tepelné čerpadlo lze umístit také vně objektu a šetřit tak vnitřní prostor domu.

Teplo ze země

Tepelná čerpadla systému země-voda odebírají tepelnou energii ze země buď v podobě tepla povrchového, nebo hlubinného. Při použití horizontálních zemních kolektorů se do hloubky 1-2 metrů ukládá polyetylenová hadice naplněná nemrznoucí kapalinou, která se ohřívá teplem země. Výměník se umisťuje vedle objektu v nezámrzné hloubce. Trubky plošného kolektoru se ukládají na souvisle odkrytou plochu nejméně 0,6 m od sebe, velikost takovéto plochy je asi trojnásobkem plochy vytápěné. Menší plochu zabírá výkopový kolektor; do výkopu o hloubce 2 m a šířce 0,9 m je uložena trubka ve tvaru smyček. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je pak potřeba 5 až 8 m délky výkopu.

V případě odběru hlubinné energie se provádějí vrty hluboké až 150 m se zapuštěným výměníkem z plastových trubek. Vrty se umisťují v blízkosti stavby, nejméně 10 m od sebe. Lze je umístit i pod stavbou, zvláště jde-li o novostavbu. Na 1 kW topného výkonu tepelného čerpadla je potřeba 12 až 18 m hloubky vrtu, podle geologických podmínek. Vrty jsou finančně i realizačně náročnější než povrchové zemní kolektory, složité podloží s nesoudržným materiálem může navíc instalaci řádně prodražit.

Výhodou systému země-voda je poměrně stabilní výkon během celého roku, neboť teplo je odebíráno z média s poměrně stabilní teplotou nezávislou na teplotě vzduchu. Bohužel velký objem zemních prací je finančně náročný a pro provádění zemních vrtů jsou nutná některá zvláštní povolení, jako například hydrogeologický posudek pro odbor životního prostředí příslušného městského úřadu. Tento systém je vhodný především u novostaveb a objektů, kde ještě nejsou dokončeny terénní úpravy zahrady, je nutno počítat také s tím, že na této ploše bude vyloučena jakákoliv stavební činnost.

I voda hřeje

Tepelná čerpadla systému voda-voda odebírají tepelnou energii z podzemní vody z vrtů hlubokých 5-15 metrů. Čerpaná voda z jednoho vrtu se ve výměníku ochlazuje a vrací se do druhého, vsakovacího vrtu. Vzdálenost vrtů je minimálně 15 m.

Tato tepelná čerpadla jsou z hlediska provozních parametrů nejefektivnější, jelikož pracují trvale s poměrně vysokou teplotou primárního zdroje. Teplota podzemní vody se pohybuje celoročně v rozmezí 10 až 12°C. Podmínkou je ovšem dostatečná a dlouhodobá vydatnost zdroje vody (pro běžný rodinný domek minimálně 0,2 až 0,4 litry za vteřinu), kterou je nutné ověřit dlouhodobou čerpací zkouškou. Čerpání vody kromě toho podléhá složitému vodoprávnímu řízení, takže v našich podmínkách není tento systém až tak běžný.

Důležitou roli hraje také chemický rozbor vody, voda musí splňovat přísné limity obsahu chemických a minerálních sloučenin, které by mohly zapříčinit zanášení a korozi výměníku tepelného čerpadla.

Alternativou je umístění tepelného výměníku pod hladinu povrchové vody, ovšem málokdo má na zahradě dostatečně velký rybník. Čerpadlo lze umístit například i do potoka či řeky, ovšem množství vody musí být po celou dobu životnosti tepelného čerpadla dostatečné a zároveň musí být plastové trubky pod hladinou zajištěny například proti poškození povodní.

Nejde jen o peníze

Ekonomický efekt tepelného čerpadla je podmíněn speciální sazbou za elektrickou energii, která je platná pro všechny spotřebiče v objektu. Jeho ekologický efekt spočívá v tom, že neprodukuje žádné lokální znečištění; ve srovnání s přímotopy nebo elektrickým akumulačním vytápěním spotřebovává asi třetinové množství energie. Pokud se ale nad funkcí tepelného čerpadla zamyslíme z čistě ekologického hlediska, nebude jeho vliv na životní prostředí tak jednoznačně kladný.

Více než 99 procent elektrické energie u nás pochází z neobnovitelných zdrojů. Účinnost výroby elektřiny včetně ztrát v síti je přibližně 28 procent, neboli na výrobu jedné kilowatthodiny spotřebované elektřiny připadne 3,57 kWh potenciální primární energie. V zimním období se zvyšuje spotřeba energie zhruba o polovinu; vzhledem k tomu, že výkon jaderných elektráren je po celý rok v podstatě konstantní, je možné říci, že tuto zvýšenou potřebu kryje energie vyrobená výhradně z fosilních zdrojů.

Srovnáním tedy dojdeme k faktu, že běžné tepelné čerpadlo s průměrným ročním topným faktorem okolo 3,2 má stejnou produkci skleníkových plynů jako dobře provozovaný moderní zplynovací kotel na uhlí.

Vyšší topný faktor než 3,2 může již přinést jakousi energetickou úsporu, ale za skutečně ekologicky úsporné je považováno až tepelné čerpadlo s průměrným ročním topným faktorem vyšším než 5.