Tepelná čerpadla

Princip tepelného čerpadla známe díky lordu Kelvinovi už 150 let, první však bylo ve světě instalováno před 35 lety, u nás ještě o deset let později. Jenže doba pokročila a dnes je v České republice v provozu více než 50 000 tepelných čerpadel.

Teplo všude kolem

Kdybyste svou chladničku obrátili čelem ke zdi, její zadní stěna vám bude do místnosti vydechovat teplo. Toto teplo cíleně odebírá potravinám, které ochlazuje, a jako vedlejší efekt ve své zadní části topí.

Na stejném fyzikálním prin­cipu (obráceného Carnotova cyklu) pra­cuje tepelné čerpadlo, jenže cílem je tentokrát vytápění, a proto dosahuje mno­hem vyššího topného výkonu.

Díky vstupnímu elektrickému impulzu ode­bírá teplo zemi, vodě nebo vzdu­chu a pomocí opakovaného cyklu stla­čování a rozpínání (komprese a expan­ze) je pře­vádí na vyšší teplotu. Pak je prostřednict­vím soustavy radiátorů či podlahového topení rozvádí po objek­tu, který tak s mi­nimálními vstupními náklady vytápí.

Typy tepelných čerpadel

Základní typy tepelných čerpadel jsou: země-voda, vzduch-voda a voda-voda. První slovo vždy označuje zdroj, odkud se teplo čerpá, druhé slovo označuje teplosměnné médium, do něhož se teplo přečerpává.

Zdrojem tepla tedy může být země (z hlubinného vrtu nebo plošného povrchového kolektoru), voda (podzem­ní či povrchová) nebo vzduch (venkovní či odpadní z interiéru).

Médiem pro přečerpání tepla bývá zpravidla voda. Tepelná čerpadla mohou pracovat také v systémech země-vzduch a voda-vzduch, ale v praxi se vzduch jako teplosměnné médium používá jen výjimečně. Větší uplatnění nachází jedině systém vzduch-vzduch: tady ovšem jde primárně o kli­matizaci, která v zimním období pracuje v opačném režimu. V praxi se používá také pojem rekuperační systém.

Jak to funguje

Tepelné čerpadlo je alternativní zdroj energie, který získává teplo z okolního prostředí (země, vody či vzduchu). Toto teplo je v opakovaném cyklu přečerpává­no z nižší teploty na vyšší a využíváno pro vytápění či ohřev užitkové (a pří­padně i bazénové) vody.

Jak to funguje? Zdroj, odkud se energie čerpá, je ochla­zený o několik stupňů, čímž se z něj odebere teplo, které poslouží jako energie potřebná k ohřevu užitkové vody nebo vody v otopné soustavě.

Tepelné čer­padlo je tedy v podstatě chladicí zaří­ze­ní, které využíváte pro zisk tepla. V pra­xi je například okolní vzduch o teplotě 15 °C ochlazen tepelným čerpadlem o 5 °C a takto získané teplo následně ohřeje topnou vodu.

Aby tepelné čerpadlo mohlo tento pro­ces provést, potřebuje vstupní elektrickou energii pro pohon kompresoru. Te­pelné čerpadlo tak spotřebovává část svého výkonu ve formě elektrické ener­gie, ale zbývající (podstatně větší) část tvoří teplo, které je odnímáno z ochla­zo­vané látky (vzduchu, vody nebo země).

Poměr mezi celkovým teplem, které je dodáváno do otopného systému, a ener­gií spotřebovanou ve formě vstupního elektrického impulzu se nazývá topný faktor (anglicky COP – Coefficient of Performance). V průběhu topné sezony se průměrný topný faktor pohybuje u sou­­časných tepelných čerpadel mezi hodnotami 3 až 4.

Jak běží čerpadlo

Chod běžného tepelného čerpadla (mé­dium voda, přenos tepla do soustavy radiátorů) je neustálým koloběhem čtyř dějů: vypařování, komprese, kondenza­ce a expanze.

Děj první: od zdroje (ze­mě, vody nebo vzduchu) odebírá teplo chladivo, které v tepelném čerpadle neustále koluje. I malým zahřátím ve výměníku tepla se odpařuje (mění své skupenství z kapalného na plynné).

Děj druhý: kompresor tepelného čerpadla prudce stlačí o několik stupňů ohřáté plynné chladivo a díky fyzikálnímu principu komprese, kdy při vyšším tlaku stoupá teplota, dojde také k prudkému zvýšení teploty. Z nízkopotenciálního tepla rázem vznikne teplotní hladina přibližně 80 °C.

Nastává děj třetí: chla­divo zahřáté kompresí předá pomocí druhého výměníku své teplo vodě v ra­diátorech, ochladí se a opět změní sku­penství na kapalné. Otopný systém vyzáří přijaté teplo do místnosti. Ochla­zená voda v topném okruhu pak putuje zpátky pro další ohřátí.

Děj čtvrtý – expanze: zkapalněné chladivo putuje průchodem přes expanzní ventil zpátky k prvnímu výměníku, kde se opět ohřeje a začíná nová fáze vypařování. Malý zá­zrak založený na fyzikálních zákonech…

Topný faktor COP – účinnost tepelného čerpadla

Základním parametrem tepelných čerpadel je topný faktor (COP – Coefficient of Performance). Toto bezrozměrové číslo vypovídá o „účinnosti“ tepelného čerpadla. Jedná se o teoretický poměr mezi vyrobeným teplem a spotřebovanou elektrickou energií. Čím je vyšší topný faktor, tím lepší je tepelné čerpadlo, protože je jeho provoz levnější.

Běžně se topný faktor pohybuje v rozmezí od 2,5 do 5. Není ovšem veličinou, která by byla k danému tepelnému čerpadlu jednou provždy přiřazena. Mění se dle podmínek, v nichž tepelné čerpadlo pracuje.

Jako jednoduchý a názorný příklad si můžeme představit tepelné čerpadlo, které má výkon 12kW a na svůj provoz spotřebuje 3kW. Topný faktor zjistíme z prostého výpočtu: 12/3 = 4.

Když se podíváme na příklad, kde za stejných podmínek porovnáme dvě tepelná čerpadla a jedno bude mít například topný faktor 4,5 a druhé 3,3, to druhé spotřebuje pro svůj provoz zhruba o třetinu více elektrické energie než první a tudíž jeho provoz bude podstatně dražší.

Topný faktor při provozu tepelného čerpadla může klidně kolísat mezi hodnotou 1,5 až 7. Vše je závislé na provozních podmínkách. Při výběru tepelných čerpadel je tedy třeba srovnávat srovnatelné. Při vyjádření topného faktoru se můžeme setkat např. s tímto zápisem: COP při 0°C/35°C je 4,5 dle EN 14 511. Tento zápis přeložený do srozumitelného jazyka znamená, že se jedná o tepelné čerpadlo, které má při vstupu tekutiny o teplotě 0°C z primárního okruhu, na výstupu do sekundárního okruhu tekutinu o teplotě 35°C topný faktor 4,5. EN 14 511 znamená, že měření proběhlo v exaktních podmínkách dle metodiky normy EN 14 511.

Různé typy tepelných čerpadel mají i různé hodnoty, při kterých se vzájemně srovnávají. Pro tepelná čerpadla typu vzduch/voda se parametry udávají při 2°C/35°C, pro tepelná čerpadla typu země/voda je to při 0°C/35°C a pro tepelná čerpadla typu voda/voda je to 10°C/35°C.

Topný faktor je příznivější, pokud je teplota výstupní vody nižší. Z tohoto důvodu je praktické instalovat s tepelnými čerpadly podlahové topení, kterému stačí pro provoz nižší teplota než radiátorům.

Topný faktor SCOP

Hodnota SCOP (sezonního průměrného topného faktoru) se stanovuje na základě dat z testování tepelného čerpadla ve zkušebně a klimatických dat. Zjednodušeně se dá říci, že se v laboratoři zjistí topný faktor například při teplotě 5°C, z klimatických dat se zjistí kolik hodin za rok tato teplota trvá a následně se vypočte vyrobená a spotřebovaná energie. Stejně se postupuje i pro všechny ostatní teploty (například od -20°C do +20°C) a nakonec se všechny hodnoty sečtou. Hodnota SCOP je uvedená na energetickém štítku tepelného čerpadla. Hurá! Při koupi tepelného čerpadla budu mít konečně přesnou informaci, kolik mi ušetří. Bohužel uváděný SCOP je sice reálně dosažitelné číslo, ale s velkým ALE!

Lokalita

SCOP udávaný pro „mírné pásmo“ počítá s klimatickými daty, kdy ani v zimě teplota neklesne pod -10°C. To je ovšem značně vzdálené podmínkám České republiky, kde se v teplejších lokalitách počítá s teplotami -12°C, na většině území -15°C a na horách dokonce -21°C.

Teplota topného systému

SCOP se udává pro teplotu topné vody 35°C. To je ale maximální teplota, kterou má topný systém při -10°C. V našich podmínkách je sice také možné navrhnout takto nízkou teplotu topné vody, ale i při podlahovém topení se většinou uvažuje s teplotou 40°C (35°C je reálné pro nízkoenergetické až pasivní domy). Například tepelné čerpadlo, které má při teplotě topné vody 35°C SCOP 4,8 bude mít při vytápění radiátorovým systémem na teplotu 55°C SCOP pouze 3,5.

Ohřev teplé vody

V uváděném SCOP není zahrnut ohřev teplé vody, který bývá v porovnání s topným faktorem pro vytápění výrazně nižší (okolo 2,2 – 2,6). Výsledný topný faktor pro celý dům za vytápění i ohřev teplé vody se tak zásadním způsobem zredukuje.

Monovalentní provoz

Aby vyšel vysoký SCOP, uvažuje se ve výpočtu se 100 % pokrytím tepelné ztráty tepelným čerpadlem i při nejnižší venkovní teplotě. To je bez problému možné při návrhové teplotě -10°C, ale při – 15°C už bude tepelné čerpadlo předimenzované a v teplejších dnech bude cyklovat kompresor i u frekvenčně řízených jednotek.

Vzájemné porovnávání SCOP

SCOP můžete použít pro srovnání kvality jednotlivých tepelných čerpadel. Je ale nutné zkontrolovat, zda je srovnávaný SCOP udáván pro stejnou tepelnou ztrátu a bod bivalence. Stejné tepelné čerpadlo může mít několik různých SCOP podle toho, jaké hodnoty si výrobce při zadání výpočtu zvolí.

Vzájemné srovnání SCOP tepelných čerpadel vzduch/voda a země/voda je možné také, ale je značně zavádějící. K dispozici jsou zatím totiž jen SCOP pro „mírné pásmo“ kde se nepočítá s venkovními teplotami pod -10°C. SCOP u systémů vzduch/voda tak vychází velmi optimisticky a v chladnějších regionech výrazně klesne. Naopak SCOP u systémů země/voda se v závislosti na klimatu výrazněji měnit nebude.

Volte značku Q

  • Základním vodítkem je evropská značka kvality Q (European Quality Label for Heat Pumps), kterou vydává EHPA.
  • U všech výrobků s touto značkou máte záruku pravdivosti udávaných klíčových parametrů (výkon, topný faktor, hlučnost).
  • Navíc máte garanci odborné servisní sítě a dodávek náhradních dílů nejméně 10 let po ukončení výroby.