Tepelná čerpadla

Tepelné čerpadlo je pojem s kterým se v dnešní době setkáváme stále častěji v souvislosti s otázkou, která nás všechny nejvíce trápí tj. jak co nejlevněji vytápět svůj dům, ohřívat užitkovou vodu, ohřívat bazén.

Co je tepelné čerpadlo?

Je to zařízení, které dokáže získávat tepelnou energii (nízkopotenciální) z okolního prostoru; ze vzduchu, z vody, ze země a to pomocí zemních sond nebo kolektorů, čerpáním vody ze studní, odebráním tep. energie ze vzduchu. Pomocí tepelného čerpadla takto získané nízkopotenciální teplo převedeme na teplo s teplotou, která se dá již využívat tj. 55 ℃. Tepelné čerpadlo pracuje na stejném principu jako chladnička či mraznička.

Základními součástmi tepelného čerpadla jsou:

• kompresor - zajišťuje oběh chladiva (teplonosné látky) ve vnitřním okruhu tepelného čerpadla,
• škrtící ventil (expanzní) - zajišťuje, aby se zkondenzované (zkapalněné) chladivo o vyšším tlaku převedlo do výparníku a při nižším tlaku vypařilo
• výparník - výměník tepla, kde se předává získané teplo z přírody do chladícího média
• kondenzátor - výměník tepla, kde se přijímá získané teplo z chladícího média

Celý pracovní cyklus se skládá z několika kroků:

• Stlačené kapalné teplonosné médium je převedeno přes vstřikovací (expanzní ventil do výparníku, kde mění své skupenství na plyn (páru). Tím se ochladí na nízkou teplotu a přejímá teplo ze svého okolí (z nízkoteplotního okruhu) a ohřívá se.
• Plynné médium je nasáváno kompresorem a stlačeno v kondenzátoru, čímž se zvýší jeho teplota až na 55 ℃. Ta je předána prostupem do okruhu vytápění, tím opět zkapalní a celý pracovní cyklus se opakuje.

Topný faktor, jinými slovy účinnost, je podíl výkonu a příkonu tepelného čerpadla. Závisí na teplotě nízkopotenciálního zdroje tepla (čím je do určité míry teplejší, tím je účinnost vyšší). V praxi se hodnota topného faktoru pohybuje kolem čísla 3. To znamená, že na 3 kW spotřebované energie kompresorem získáme 9-10 kW tepelné energie. Tím ušetříme 2/3 výdajů za topení.

Dimenzování tepelných čerpadel

Pro efektivní využití tepelného čerpadla je nutné, aby bylo použito jako hlavní zdroj vytápění, ohřevu teplé vody a ohřevu bazénu a podílelo se na celkové spotřebě energie pro vytápění 80-90%. Z toho vyplývá, že otopný systém bude řešen jako bivalentní s dalším zdrojem tepla např. přímotopným elektrokotlem.

Topná sezóna trvá asi 230-250 dnů v roce. Podle změny venkovní teploty se mění i množství tepelné energie potřebné k vytápění daného objektu. Toto množství tepla je vyjádřeno tepelnou ztrátou objektu v kW k venkovní teplotě dané klimatickým pásmem, ve kterém se objekt nachází. U nás je to např. -12 ℃. Takže například pro běžný rodinný dům je potřeba tepelného zdroje o výkonu 14 kW při venkovní teplotě - 12 ℃. Z dlouholetých meteorologických měření vyplývá, že počet dnů s průměrnou nižší teplotou než -6 ℃ je přibližně 20–30 dnů v roce.

Z toho vyplývá, že objekt využívá maximálního výkonu tepelného zdroje jen několik dní v roce, což je asi 10% topné sezóny. Z tohoto důvodu se tepelné čerpadlo dimenzuje na 70-75 % výkonu k tepelné ztrátě objektu a zbytek energie dodá přídavný zdroj tepla. Tím klesnou pořizovací náklady jak na tepelné čerpadlo, tak i na jeho vlastní provoz.

Rozdělení tepelných čerpadel

Podle zdroje nízkopotenciálního tepla jsou tepelná čerpadla řešena jako: “voda-voda”, “země-voda”, “vzduch-voda”, “vzduch-vzduch”.

• Systém VODA - VODA využívá nízkoteplotní energii spodních vod pomocí dvou studní vzdálených od sebe cca 20m. Z jedné studny (jímací) čerpáme vodu o teplotě asi 7-10 ℃. Ve výparníku odejmeme část tepla protékající vodě a vrátíme ji ochlazenou asi na 2-5 ℃ do druhé studny (vratné). Podmínkou tohoto systému je určitá vydatnost vodního zdroje podle výkonu tepelného čerpadla. Např. pro tepelné čerpadlo o tepelném výkonu 10kW je potřeba zajistit průtok 25 litrů/min. při teplotě 8 ℃. Hydrogeologické posouzení je nezbytné pro určení způsobu získávání tepla.
  
  
• Druhým systémem může být řešení ZEMĚ-VODA, kde pomocí hlubinných vrtů o hloubce 50-100m a zemních sond naplněných nemrznoucí směsí získáváme nízkoteplotní energi sdílením. Zemní sondy se mohou nahradit plošným výměníkem nebo zemním kolektorem. Záleží na vhodnosti terénu a na geologických podmínkách pro určení množství a hloubky vrtů pro daný výkon tepelného čerpadla.
  
• Dalším systémem je VZDUCH-VODA nebo VZDUCH-VZDUCH. V obou případech získáváme nízkopotenciální teplo z okolního vzduchu a předáváme ho přes výparník a kondenzátor do teplovodního topného okruhu objektu nebo ho vzduchovým potrubím též rozvádíme po objektu. Nevýhodou u tohoto systému je snížující se topný faktor se snižující se venkovní teplotou na hodnotu 1,5 při teplotě -12 ℃.

Doufáme, že tyto informace budou pro Vás ulehčením při rozhodování jaký zdroj vytápění použít z hlediska ekonomického provozu. Nízkopotenciální teplo z přírody bude stále zadarmo.