Tepelná čerpadla

Moderní trendy vytápění objektů se přiklánějí spíše k využití tepelných zdrojů s vysokou účinností a k obnovitelným zdrojům energie – a možnosti využití tepla z okolního prostředí, které je zdarma. Tepelné čerpadlo využívá obnovitelnou energii obsaženou v zemi, vodě nebo vzduchu. Při svém provozu nezatěžuje přírodu tolik jako jiné zdroje tepla, například kotle na plyn, elektřinu, olej či uhlí.

V zemích, kde je ekologie prioritou již ani nelze mluvit o alternativním zdroji. Například ve Švédsku je více jak 90% nových rodinných domů vybaveno tepelným čerpadlem. Díky tomu se ve Švédsku ušetří více energie, než je schopna vyrobit jaderná elektrárna Temelín při plném výkonu. Bohužel v české společnosti není ekologie na prvním místě, to co zdá se být důležité je spíše ekonomika.

Výhodou při pořízení tepelného čerpadla není pouze ekologická stránka, ale také úspora nákladů na vytápění nemovitosti a též úspora na ohřev teplé užitkové vody. Některá tepelná čerpadla umí v létě dokonce i chladit, takže mohou nahradit klasickou drahou klimatizaci.


Náhled do historie tepelných čerpadel
Princip tepelného čerpadla byl popsán a vymyšlen již v 19. století anglickým fyzikem lordem Kelvinem. Jedno z prvních tepelných čerpadel bylo zkonstruováno ve Švýcarsku, protože tam kromě vodní síly nevyužívají žádný jiný vlastní zdroj energie. Čerpadlo mělo v roce 1936 sloužit k vytápění curyšské radnice. V té době se poprvé objevila nutnost racionálního využití energie. K rozsáhlejšímu využití tepelných čerpadel pro vytápění došlo až při zvýšení cen energií začátkem sedmdesátých let.

V České republice byla tepelná čerpadla ještě před 10 lety záležitostí několika kusů vyráběných firmou ČKD nebo podomácku vyrobených kusů od několika nadšenců, kutilů a ekologických příznivců. ???Ke dni 31.12.2001 bylo podle údajů Asociace pro využití tepelných čerpadel instalováno v ČR celkem 1597 tepelných čerpadel různých druhů.“[1] Použití obnovitelných zdrojů energie by mělo být cílem nových projektů. Návštěvníci internetových stránek www.dumzahrada.cz by při stavbě nového domu zvolili jako systém vytápění právě tepelné čerpadlo.

Princip funkce tepelných čerpadel
Tepelné čerpadlo je zařízení, které odebírá teplo o relativně nízké teplotě (tzv. nízkopotencionální tepelná energie) z venkovního prostředí a přečerpává jej na teploty použitelné pro vytápění objektů. K tomuto účelu je částečně použita elektrická energie, která je při tomto způsobu vytápění hospodárně využívána. Zapojují se také fyzikální vlastnosti pracovní látky - chladiva, která se odpařuje i při nízkých venkovních teplotách. Jde tedy o proces transformace tepla, při kterém je zapotřebí elektrická práce několikanásobně menší než je hodnota získané tepelné energie. Nevyužitým nezůstane ani teplo vzniklé prácí kompresoru tepelného čerpadla, to se započítá do celkem získané tepelné energie. Efektivita čerpadla je (ale) přímo závislá na teplotě z okolního prostředí. Abychom lépe pochopili jak tepelné čerpadlo pracuje, je nutné si ho detailněji popsat.

Schéma tepelného čerpadla
Kompresor poháněný elektrickým motorem vhání stlačené chladivo (dříve používaný a neekologický freon, dnes již ekologická bezfreonová chladiva) v plynném skupenství o teplotě asi 100°C do kondenzátoru. Plyn a voda procházejí kondenzátorem, který je běžně tvořen deskovým tepelným výměníkem ze svařované nerezavějící oceli. Když je plyn ochlazen obíhající vodou, zkondenzuje (změní se na kapalinu). Během kondenzace uvolňuje energii do topného systému nebo teplé užitkové vody. Z kondenzátoru pokračuje chladivo, které je nyní již v tekutém stavu, do sušícího filtru a nádrže. Filtr zachytává veškerou vlhkost v systému a nádrž slouží jako vyrovnávací nádoba na chladivo, která zajišťuje, že v kondenzátoru bude vždy dostatek chladiva. Po opuštění filtru prochází chladivo expanzním (škrtícím) ventilem, který slouží jako omezovač průtoku mezi vysokotlakou a nízkotlakou stranou systému. Řídí tedy přívod správného množství kapaliny do tepelného výměníku, který se označuje jako výparník. Ve výparníku se chladivo setkává s kapalinou na přenos tepla, přicházející z energetického zdroje v půdě, vrtu, vody nebo vzduchu. V této fázi se kapalina pod vlivem nízkého tlaku mění v plyn (odpařuje se) a spotřebovává při tom teplo. Toto teplo lze zdarma získat z energetického zdroje z venkovního prostředí. Po průchodu výparníkem se chladivo opět změní v páru. Plynné chladivo potom proudí k sací straně kompresoru, kde je znovu stlačeno. Tím je oběh chladiva uzavřen. Tepelné čerpadlo je tedy složeno ze čtyř základních částí a třech okruhů. Diky tomuto sestaveni je čerpadlo schopno dosáhnou velkého topného faktoru - podíl využité elektrické energie (příkon) a vydané tepelné energie (tepelný výkon). Některá čerpadla vyrobí až 4,5x více tepla než přijme elektrické energie.

Pokud vám zařízení, které využívá takové fyzikální jevy připadá složité či nereálné, podívejte se na obyčejnou ledničku. Ta pracuje na stejném principu., ale za účelem chlazení potravin. Uvnitř lednice se chladivo ohřívá (bere teplo potravinám - tedy jako tepelné čerpadlo bere teplo ze země, vzduchu nebo vody) a v zadní části lednice se ochlazuje (ohřívá okolní vzduch - tepelné čerpadlo vytápí).


Typy tepelných čerpadel
Jak již bylo řečeno, tepelná čerpadla využívají teplo okolního prostředí, které je zdarma. Nyní se podíváme blíže, jaké zdroje tepla můžeme k vytápění použít.


Tepelné čerpadlo má možnost využívat solární energii, která je akumulována v zemi, vodě či ve vzduchu. Tento způsob je nejdostupnější a proto i nejčastější variantou využití alternativní energie. Druhým využitelným zdrojem je geotermální teplo, které proudí ze zemského jádra k zemskému povrchu. Třetí možností je využití termálních pramenů. Tento způsob je nejúčinnější, ale velmi ojedinělý - dá se uplatnit především v oblasti severních Čech, která je bohatá na termální prameny a velké geotermální anomálie. ???Studie Ministerstva životního prostředí uvádí, že v oblasti mezi Chomutovem a Mostem je geotermální zdroj o výkonu 45 MW. Teplota vody se zde pohybuje okolo 28°C.

Tepelná čerpadla mohou využít i odpadní teplo, teplo vzniklé chlazením, teplo odpadních vod a jiné zdroje. Tepelná čerpadla se vyrábějí v provedeních podle zdrojů tepla a podle toho jakým způsobem ho předávají dále. Systémy pracují na principu voda - voda, vzduch - voda, země - voda, vzduch - vzduch nebo v jejich kombinaci.

Systémy voda - voda
Tento způsob získání tepla je nejvýhodnější z hlediska topného faktoru, ale náročný na dostatečné množství zdrojové vody a především na její teplotu. V českých podmínkách je to těžko dostupný a využitelný zdroj - pouze u dostatečně velkých vodních ploch jako jsou vodní nádrže, hradní příkopy (Hrad Švihov), řeky. Dalším formálním problém je nutnost získání povolení instalace do vodních toků od Správce toků a povrchových vod.

Způsob řešení SPODNÍ VODA
Systém s odběrem vody ze dvou studní

Tepelné čerpadlo odebírá teplo ze spodní vody. Spodní voda je vyčerpávána ze studny, v tepelném čerpadle je ochlazena a pak zavedena do druhé vsakovací studny. Výhodou tohoto řešení jsou nižší pořizovací náklady než u vrtu a především vysoký topný faktor. Nevýhodou je nutnost častějšího čištění a instalace nových filtrů, větší poruchovost. ???Je nutné aby voda měla alespoň 7°C a vyhověla chemickému rozboru. Dále je třeba, aby vydatnost studně byla alespoň 0,5 l/s.“ [3] Podle železného pravidla platí, že na 1 kW tepelného výkonu je zapotřebí 150 l vody za hodinu.“[4] Musí se také zajistit dostatečné odděleni obou studní, aby se voda ve vsakovací studni dostatečně ohřála předtím než se dostane do jímací studny.

Způsob řešení POVRCHOVÁ VODA
Systém s odběrem tepla z povrchové vody

Tepelné čerpadlo čerpá teplo z povrchové vody. Na dně jsou položeny plastové hadice se zátěžkami, naplněné nemrznoucí směsí, která přenáší teplo mezi vodou a tepelným čerpadlem. Výhodou jsou opět nižší náklady než u termovrtu a vysoký topný faktor. Nevýhodou je že plastové hadice se mohou snadno poškodit např. při povodních či jiném zásahu. Potřebná plocha pro hadice je 150 až 350 m2. Vodní zdroj nesmí v zimě zamrznout. Dle železného pravidla se na 1 kW tepelného výkonu spotřebuje 310 l vody za hodinu teplejší než 4

Systémy země - voda
Tento způsob je velmi oblíbený v našich podmínkách. Jedná se o vrty či o uložení kolektorů do země.

Řešení VRT
Systém s odběrem tepla z vrtu

Tepelné čerpadlo odebírá teplo z vrtu. Ve něm jsou zasunuty plastové nebo měděné sondy naplněné nemrznoucí směsí, která přenáší teplo mezi zemí a tepelným čerpadlem. Vrt je zaplněn suspenzí cementu a bentonitu pro lepší vodivost tepla mezi zdrojem a jímacím zařízením. Výhodou je stabilní teplota zdroje - nezávislost na okolní teplotě a vysoký topný faktor. Nevýhodou jsou vysoké pořizovací náklady kvůli zemním pracím. Jeden metr hloubky stojí průměrně 1000,-Kč. Běžně se hloubí 50 až 120 m. Vrty dále podléhají schvalovacímu řízení. Teplota země se zvyšuje na každých 30 m o 1°C. Z toho plyne, že se vyplatí jeden hluboký vrt než několik mělčích. Železné pravidlo říká, že na 1 kW tepelného výkonu je třeba 15 m hloubky vrtu.“[5]

Řešení PLOCHA
Systém s odběrem tepla z plochy

Tepelné čerpadlo odebírá teplo z plochy zahrady. V zahradě jsou ve zhruba metrové nezámrzné hloubce a s metrovou roztečí zakopány plastové hadice naplněné nemrznoucí směsí, která přenáší teplo mezi zemí a tepelným čerpadlem. Nejedná se ale o získávání tepla ze země (geotermální zdroj). Čerpá se naakumulované teplo ze slunce, deště a okolního vzduchu - tím je tepelný tok od zdroje omezen. Výhodou jsou nižší náklady než u termovrtů a poměrně vysoký tepelný faktor. Největší nevýhodou tohoto řešeni je nutnost velkého pozemku. V místě položení kolektorů nelze nic stavět a ani sázet stromy. Tímto je pozemek znehodnocen. Při správném provedení kolektoru nedochází k ovlivnění vegetace nad kolektorem. Železné pravidlo říká, že na 1 kW tepelného výkonu je třeba počítat s cca42 m2 plochy zemního kolektoru. Běžně se instalací zabere 300 až 600 m2 pozemku.“[6]

Systémy VZDUCH - VZDUCH/VODA
V našich podmínkách nejčastěji instalovaný systém vytápění díky nízkým instalačním nákladům. Při svém provozu jsou ale často hlučná a musí splňovat hygienické požadavky na hluk. Při teplotách venkovního vzduchu od -5° C do 7° C se tvoří na spodní části vzduchového výparníku námraza z vlhkosti vzduchu. Ta se odstraňuje reverzací - asi na dvě minuty se obrací oběh tepelného čerpadla, ventilátor se zastaví, teplo se odebírá z topné soustavy a výparník se ohřívá, led odtaje a spadne. Při teplotách nižších než -5° C se námraza již netvoří, protože vzduch je suchý. Při teplotách vyšších než 7° C se námraza také netvoří, vzduch je teplý, pouze odkapává voda.“[7]

Řešení VZDUCH - VZDUCH
Systém s odběrem tepla ze vzduchu

Tepelné čerpadlo odebírá teplo z venkovního vzduchu do teplot až -15° C a předává ho do objektu. Výhodou tohoto systému je nízká pořizovací cena a odpadnuvší náročné instalační práce. Tato čerpadla dokáží v létě i chladit a tak nahradit drahou klimatizaci. Nevýhodami je velmi nízký topný faktor a přímá závislost na okolních teplotách. V zimě, kdy teplota klesne pod minus 20°C, je tepelné čerpadlo nevyužitelné vzhledem k nízkému topnému faktoru. Tento problém se řeší náhradním zdrojem vytápění. Nejčastěji elektrokotlem dodávaným společně s tepelným čerpadlem.

Řešení VZDUCH - VODA
Systém s odběrem tepla ze vzduchu

Tepelné čerpadlo odebírá teplo z venkovního vzduchu a předává jej do vodního topného okruhu. Platí stejné výhody a nevýhody jako u předešlého systému. Topný faktor při venkovní teplotě -7° C a teplotě vody v topném systému 35° C je 2,8.“[8]

Řešení ODPADNÍ VZDUCH
Systém s odběrem tepla z odpadního vzduchu

Tepelné čerpadlo odebírá teplo z vnitřního vzduchu v budově, které zároveň funguje jako větrací jednotka. Nevýhodou je nutnost instalace vzduchotechnického potrubí a nízký výkon tepelného čerpadla. Díky rozměrům a nízké hlučnosti lze zabudovat do kuchyňské linky a používat digestoř na ohřev i užitkové vody. Tímto způsobem se využije veškeré teplo v domě a zároveň se i dá zbavit odpadního vzduchu včetně toho na toaletách. Doporučil bych v kombinaci s jiným řešením.

Řešení v kombinaci větrací VZDUCH + ZEMĚ - VODA
Systém s odběrem tepla v kombinaci vzduch a země

Je to kombinace využívání tepla odpadního vzduchu a tepla z plošného kolektoru, která zefektivňuje účinek tepelného čerpadla. Teplo z odpadního vzduchu je maximálně využito - když není potřeba vytápět nebo ohřívat TUV, je nadbytečné teplo z větracího vzduchu uloženo do podzemní smyčky. Díky tomu je teplota zemního kolektoru stále vysoká a tepelné čerpadlo pracuje celoročně s vysokým topným faktorem. Výhodou je nižší pořizovací cena, rychlá a levná instalace. Hlavní předností je zajištění zdravého klimatu v budově. Nevýhodou je nutná instalace vzduchotechnického potrubí. Nasávání venkovního vzduchu lze řešit i pomocí podzemního přívodního potrubí s předehřevem (případně ochlazením) vzduchu.“[9] K tomuto řešení lze připojit i systém solárních kolektorů pro ohřev teplé vody v bojleru a zároveň jako zdroj nízkopotenciálního tepla pro tepelné čerpadlo. Přebytky tepla ze slunečních kolektorů během léta, lze opět ukládat do vrtů či plošných kolektorů.

Tepelné čerpadlo je zařízení využívající teplo potřebné pro vytápění, ohřev teplé užitkové vody (TUV), pro ohřev větracího vzduchu a v poslední době pro ohřev vody v bazénech. Provoz tepelného čerpadla je plně automatický a nevyžaduje žádnou obsluhu. Při povozu nevznikají žádné emise a žádný pevný odpad. Primární energii (palivem) pro tepelné čerpadlo jsou obnovitelné zdroje tepla: slunce, vzduch, teplo země a teplo podzemních či povrchových vod. Tepelné čerpadlo může využívat i nepotřebnéteplo vzniklé při chlazení, odpadní teplo z technologických procesů, teplo odpadních vod a celou řadu jiných forem odpadního tepla (např. stájové teplo). Tepelné čerpadlo může podstatně zvýšit využití solární energie. Pokud se budeme ptát, jaký komfort přinese použití tepelného čerpadla majitelům objektů, je možno odpovědět: stejný jako plyn, elektrická energie, topný olej, centrální vytápění a solární energie. Pokud budeme zkoumat, jaký bude mít tepelné čerpadlo přínos pro životní prostředí, je možno říci, že stejný jako elektrická energie, centrální vytápění a solární energie.“[11] Energetické úspory jsou však podstatně vyšší než u ostatních zdrojů tepla, včetně solární energie. Pro všechny jmenované důvody, tepelné čerpadlo by se mělo stát novou volbou při pořizování tepelného zdroje vytápění našich domovů.

Citace:
Západočeská Energetika, a.s.: Tepelná čerpadla získávají trh http://www.energienet.cz/article/articleprint/357/-1/13/ [18.4.2003]
EKOTERM - tepelná čerpadla s.r.o.: Primární zdroje tepla-voda http://www.ekoterm-tc.cz/pouziti.htm [18.4.2003]
Tepelná čerpadla IVT s.r.o.: Princip funkce TČ - Tepelné čerpadlo: voda/voda http://www.cerpadla-ivt.cz [18.4.2003]
ARTEL Kostečka s.r.o.: Zdoje energie pro TČ - Spodní a povrchová voda http://www.artel-kostecka.cz/tc/index.htm [18.4.2003]
ARTEL Kostečka s.r.o.: Zdoje energie pro TČ - Teplo země http://www.artel-kostecka.cz/tc/index.htm [18.4.2003]
ARTEL Kostečka s.r.o.: Základní informace o tepelném čerpadle ARTEL TC2 http://www.artel-kostecka.cz/tc/download/zakl_udaje_tc.doc [18.4.2003]
Regulus s.r.o.: Tepelná čerpadla - Princip tepelného čerpadla REGULUS http://www.regulus.cz [18.4.2003]
Tepelná čerpadla IVT s.r.o.: Princip funkce TČ - Tepelné čerpadlo: vzduch/voda http://www.cerpadla-ivt.cz [18.4.2003]
Tepelná čerpadla IVT s.r.o.: Princip funkce TČ - Tepelné čerpadlo: větrací vzduch+země/voda http://www.cerpadla-ivt.cz [18.4.2003]
ARTEL Kostečka s.r.o.: Základní informace o tepelném čerpadle ARTEL TC2 http://www.artel-kostecka.cz/tc/download/zakl_udaje_tc.doc [18.4.2003]
Zdroje:
ARTEL Doležal s.r.o. http://www.artelhk.cz [18.4.2003]
ARTEL Kostečka s.r.o.: http://www.artel-kostecka.cz/tc/index.htm[18.4.2003]
EKOTERM - tepelná čerpadla s.r.o.: Primární zdroje tepla http://www.ekoterm-tc.cz[18.4.2003] ENERGETICKÁ ZAŘÍZENÍ s.r.o.
HETA s.r.o. http://home.tiscali.cz/cz012375 [18.4.2003]
Master Therm CZ, s.r.o. http://www.mastertherm.cz [18.4.2003]
MVM Eko s.r.o. http://www.tepelnacerpadla.com [18.4.2003]
POLYMAT s.r.o. http://www.polymat.cz/tc/Indextc.html [18.4.2003]
Regulus s.r.o. http://www.regulus.cz [18.4.2003]
Svaz podnikatelů pro využití energetických zdrojů: Tepelná čerpadla http://www.spvez.cz/pages/tepcerp.htm [18.4.2003]
Tepelná čerpadla IVT s.r.o. http://www.cerpadla-ivt.cz [18.4.2003]
Tepelná čerpadla IVT s.r.o.: Příručka pro instalaci, zprovoznění a údržbu, Verze 5.0, E. zb.: 290407-5
ZKM Praha spol. s r.o. http://www.tepelna-cerpadla.cz [18.4.2003]