Aktivní nízkoenergetický dům

10. srpna 2009

Partneři sekce:

Jestliže je v domě zdrojem tepla a chladu tepelné čerpadlo a klimatizace je zabezpečena progresivním stropním chlazením, respektive dům větrá větrací jednotka s rekuperací, jsou splněna kritéria aktivního domu. Domu, který na vytápění i chlazení využívá jen obnovitelné zdroje.

Tepelné čerpadlo
Rozhodli jste se při vytápění svého rodinného domu využít jako zdroj tepla místo plynového kotle tepelné čerpadlo? Výborně, první krok jste zvládli. Nyní vám už zbývá jen vyřešit, jaký typ čerpadla si vybrat.

Pro provoz tepelného čerpadla je třeba zabezpečit buď dostatek vody ze studny, nebo zemní vrty v potřebné délce, nebo zemní kolektor, případně dostatečný přívod vzduchu. Reálnost využití určité možnosti rozhoduje o tom, jaký typ tepelného čerpadla zvolit. Protože každý typ má výhody i nevýhody, pokusíme se je v následující části porovnat.

Něco o principu tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlo se skládá ze tří základních částí:

výparníku – primární části,
kompresoru – zabezpečuje cirkulaci média v tepelném čerpadle,
kondenzátoru – sekundární části.

Konstrukčně tvoří tyto části uzavřený okruh, ve kterém cirkuluje médium. Tato kapalina se odpařuje při velmi nízkých teplotách (někdy i při teplotě –32 °C).

Primární částí je výparník, kde se médium odpařuje, a protože jde o médium s bodem odpařování při velmi nízké teplotě, odpařuje se velmi ochotně a rychle. Médium při odpařování, tak jako každá kapalina, odebírá teplo z okolí. Tak se také při odpařování média ve výparníku výparník výrazně ochlazuje. Kdybychom nechali tepelné čerpadlo v provozu a výparníku bychom nedodávali teplo, velmi rychle by nám výparník zamrzl a cirkulace by se zastavila. Teplo, které potřebujeme na ohřev výparníku, může být například z vody ze studny, která svou teplotou 10 °C spolehlivě výparník ohřívá a zabraňuje jeho zamrznutí. Zamrznutí výparníku dokáže zabránit i vzduch s teplotu –10 °C, a to díky tomu, že použité médium zamrzá až při teplotě –32 °C.

Z uvedeného je zřejmé, že tepelné čerpadlo nezvýší teplotu studniční vody tak, aby jí mohlo vytápět dům, ale tuto vodu použije jen na to, aby ohřívalo primární část tepelného čerpadla a zabránilo jeho zamrznutí, takže vzduchové tepelné čerpadlo může vytápět i při teplotách hluboko pod bodem mrazu – dokonce ani teplota venkovního vzduchu –20 °C není problém.

Odpařené médium, které změnilo skupenství na plynné, nasává z výparníku kompresor a tlačí ho do sekundární části tepelného čerpadla – do kondenzátoru. Aby plyn kondenzátorem jen tak „neprolétl“, je za kondenzátorem umístěn automatický ventil, který zajistí, že v kondenzátoru bude stále takový tlak, aby se médium opět změnilo na kapalinu. Při stlačování plynného média a při jeho následném zkapalňování odevzdává médium množství tepla okolí. Zde vzniká přidaná hodnota tepelného čerpadla – teplo, které je zužitkováváno dále. Práce kompresoru a zkapalnění plynného média je klíčem k tomu, jak dokáže tepelné čerpadlo vyrobit teplo na vytopení vašeho domu s tak nízkými náklady.

Princip tepelného čerpadla
Schéma: Stiebel Eltron

Investiční náklady: plynové vytápění verzus tepelné čerpadlo
Jestliže si jednoduchými počty porovnáme cenu plynového kotle a tepelného čerpadla, bude se na první pohled zdát, že tepelné čerpadlo je drahé. Když však k ceně plynového kotle začneme připočítávat položky, které tepelné čerpadlo nepotřebuje, například komín nebo plynovou přípojku, cenový rozdíl pomalu mizí. Málokdo si uvědomuje, kolik zaplatil za plynovou přípojku v ceně pozemku nebo že tepelné čerpadlo nebude potřebovat každoroční revize plynových zařízení. A jestliže plynové potrubí neleží přímo u pozemku, může se tato suma lehce dostat i na takovou výšku, že cenový rozdíl mezi plynovým kotlem a tepelným čerpadlem přestane existovat.

Pokud rozdíl v ceně bude 100 000 až 200 000 Kč v neprospěch tepelného čerpadla, úspory za nákup energie tyto zvýšené investiční náklady vrátí v průběhu 3 až 7 let. Jestliže zohledníme při srovnávání nákladů i náklady na studny nebo vrty, návratnost se nám samozřejmě prodlouží – pak začnou být zajímavá vzduchová tepelná čerpadla, která žádné vrty ani studny nepotřebují.

Na závěr jedno konstatování: Do instalace tepelných čerpadel se často pouštějí lidé, kteří nemají přesně spočítáno, za jak dlouho se jim vrátí zvýšené náklady na tepelné čerpadlo, ale považují toto řešení za investici do budoucna, protože vědí, že v budoucnu nebudou závislí na neustále se zvyšující ceně plynu a na politické situaci na Dálném a Blízkém východě. Všechny tyto výpočty se totiž odvíjejí od současných cen plynu.

Vodní tepelné čerpadlo
V případě, že máte na pozemku stabilní zdroj spodní vody, můžete uvažovat o využití vodního tepelného čerpadla. Voda ze studny bude protékat primární částí tepelného čerpadla a ohřívat ho. I voda ze studny však musí splňovat určitá kritéria. Důležité je vědět, zda je zdroj opravdu stabilní, aby se voda po několika letech provozu neztratila. Stabilními se dají označit velká území v dosahu velkých řek, které za miliony let vytvořily nánosy štěrků, takže vlastně souběžně s řekou teče množství vody.

Další důležitou vlastností vodního zdroje, kterou si musíte být jisti ještě dříve, než se pro vodní tepelné čerpadlo rozhodnete, je vydatnost studny. Zjistíte ji nejlépe čerpací zkouškou. Ze studny se čerpá voda nejlépe nepřetržitě několik dnů a měří se, jak stabilní je přítok. Potřebný přítok vody pro rodinný dům je v rozpětí 1,2 až 1,5 litru za sekundu.

Kvalita vody je důležitá hlavně proto, aby se vyloučilo nebezpečí, že voda je příliš mineralizovaná a agresivní a svým složením by mohla nadměrně atakovat nebo zanášet některé části technologie, například výměník. Nadměrně mineralizovaná voda se dá upravit předřazením dalšího výměníku, který tepelné čerpadlo ochrání.

Teplota vody, přestože se na ni lidé ptají nejčastěji, obvykle nepředstavuje žádný problém. Voda mívá teplotu kolem 10 °C, tedy stejnou, jako je teplota zemského podloží. Neměla by však klesnout pod 5 °C. Problém by mohl vzniknout, kdyby teplotu vody ve studni v podhorských oblastech na jaře ovlivňovala například voda z tajícího sněhu.

Málokdo si však uvědomuje, že jedna studna pro tepelné čerpadlo nestačí. Tepelné čerpadlo čerpá vodu ze studny a průchodem vody přes čerpadlo se voda ochladí z 10 °C na 6 °C. Kdybychom tuto vodu vraceli do téže studny zpět, netrvalo by dlouho a voda ve studni by se ochladila tak, že by studna zamrzla. Proto je třeba vodu čerpat z jedné studny, kam stále přitéká čerstvá voda ohřátá zemským podložím. Druhá studna – vsakovací – slouží k vypouštění ochlazené vody. Aby nebyla teplota vody v první studni ovlivňována, měla by být vsakovací studna vzdálena alespoň 10 metrů od první.

K nákladům na realizaci tepelného čerpadla je třeba připočítat i vedlejší náklady, jako jsou náklady na vyvrtání studny. Jsou různě vysoké, což je dáno hloubkou studny. Někde stačí vykopat studnu s hloubkou 10 m a vydatnost je postačující. Jindy jsou zapotřebí tak hluboké studny, že jejich cena znevýhodní použití vodního tepelného čerpadla. Cena za jeden běžný metr vrtané studny se pohybuje kolem 2 000 Kč, nutno však počítat i s cenou ponorného čerpadla, které vytlačuje vodu ze studny do čerpadla.

Ve prospěch vodního tepelného čerpadla často hovoří skutečnost, že stavebník vybuduje na pozemku studnu, i když nechce tepelné čerpadlo, a využívá ji na zalévání zahrady, případně pro užitkovou vodu v domě. V tomto případě cena za vrtání studny i cena za ponorné čerpadlo nejsou náklady navíc, protože jednu studnu je možno použít jak pro tepelné čerpadlo, tak i na zalévání zahrady.

Zemní tepelné čerpadlo
Jestliže na pozemku nenarazíte na stabilní zdroj spodní vody, máte možnost zabezpečit provoz tepelného čerpadla pomocí suchých vrtů. Stejně jako v předcházejícím případě omývala primární stranu čerpadla voda ze studny, v případě vrtů zabezpečí ohřívání čerpadla nemrznoucí kapalina, která cirkuluje v potrubí zapuštěném v suchém vrtu.

Teplota země už v několikametrové hloubce dosahuje hodnoty 10 °C, a pokud není v podzemí tektonická porucha (puklina), bývá tato teplota stabilní i do hloubky několika set metrů.

Pro tepelné čerpadlo se vrtají suché vrty do hloubky 100 m. Jejich celková délka je dána druhem podloží a výkonem tepelného čerpadla. Pro dimenzování vrtu platí pravidlo, že čím větší dům, tím větší výkon čerpadla, takže jsou potřebné hlubší vrty. I kvalita podloží ovlivňuje délku vrtu, protože ne každé podloží dokáže odevzdat nemrznoucí kapalině v potrubí maximální množství tepla. Nejlépe se vrtá kompaktní skála, která má také nejlepší tepelnou vydatnost (70 W/m).

Naopak nejhorší jsou jíly, písky, sutiny – nejenže se špatně vrtají, ale mají i malou vydatnost (30 až 40 W/m). To znamená, že bude-li pro rodinný dům stačit 150 až 200 m vrtu v žule, v hlinité půdě to bude muset být i dvojnásobek. V současnosti se cena vrtu pohybuje kolem 1 000 Kč/m. V případě zemního tepelného čerpadla je třeba hloubkové vrty chápat jako investici pro několik generací, z tohoto pohledu jsou vrty stabilním a spolehlivým zdrojem tepla na ohřátí primární části vašeho tepelného čerpadla.

Ve vrtu jsou zapuštěna dvě potrubí s průměrem 32 mm (v každém vrtu tvoří dvě smyčky), aby v nich cirkulovala nemrznoucí směs (nahrazuje vodu, která protéká vodním tepelným čerpadlem). Primární strana tepelného čerpadla cirkulující směs ochlazuje. Ochlazená směs se v potrubí vrací do země a znovu zpět k tepelnému čerpadlu. Během této cesty se snaží nemrznoucí kapalina znovu ohřát, tedy odebrat z podloží teplo. Celý koloběh se neustále opakuje. Dokud je tepelné čerpadlo v provozu, musí nemrznoucí směs ve vrtech cirkulovat.

Dobře dimenzovaná délka vrtu zabezpečí, aby se teplota nemrznoucí kapaliny pohybovala mezi +7 °C na vstupu do čerpadla a +4 °C na výstupu z něj. Jestliže je délka vrtu poddimenzovaná, může být tato teplota i nižší, může se dostat na hodnoty –1 až –5 °C.

Další možností, jak využít teplo země na ohřívání primární části tepelného čerpadla, jsou půdní kolektory. V tomto případě nejsou potrubí, kde se ohřívá kapalina, zasouvána do 100metrových vrtů, ale v hloubce 1,5 až 2 m jsou plošně zakryta zemí. Princip je stejný – také je potřebná dostatečná délka potrubí. Nevýhodou je nárok na poměrně velkou plochu pozemku. Půdní kolektor potřebuje plochu i několik 100 m², která navíc není ani po montáži kolektoru libovolně využitelná. Vzhledem k promrzání půdy není například možné pěstovat na ploše nad kolektorem stromy. Problémy může dělat i pěstování běžných rostlin, dokonce i trávníku.

Vzduchové tepelné čerpadlo
Nemáte-li na pozemku vodu, nechce se vám přesouvat množství půdy nad zemním kolektorem a nemáte chuť investovat do zemních vrtů, můžete využít vzduchové tepelné čerpadlo.

Obdobně jako u vodního tepelného čerpadla omývá primární stranu voda ze studny nebo v zemním čerpadle cirkulující nemrznoucí kapalina z vrtů či půdního kolektoru, ve vzduchovém tepelném čerpadle primární stranu čerpadla ovívá vzduch. Ve vzduchovém tepelném čerpadle je vytvořen okruh, ve kterém opět cirkuluje nemrznoucí kapalina. Při protékání nemrznoucí kapaliny vnějším výměníkem je vzduch hnán ventilátorem na lamely výměníku, kde nemrznoucí kapalinu ohřívá. Tento proces si člověk umí představit při teplotách venkovního vzduchu kolem +20 °C, ale jak dokáže vzduch ohřát primární část tepelného čerpadla při teplotě –10 °C?

Tepelný zisk umožňuje náplň čerpadel, tj. nemrznoucí kapalina, která tuhne až při teplotě –32 °C, takže vzduch s teplotu –10 °C je pro ni dostatečně teplý. Na tomto místě je třeba zdůraznit, že ani při teplotách méně než –20 °C, kdy vzduchové tepelné čerpadlo přerušuje svůj provoz a čeká, až teplota venkovního vzduchu znovu stoupne nad –20 °C, nezůstane objekt bez tepla. Každé tepelné čerpadlo je vybaveno elektrickou spirálou, která chladné období překlene. Vzduchových tepelných čerpadel se tedy není třeba obávat, nižší účinnost je vyvážená podstatně nižšími investičními náklady.

Srovnání úspor u jednotlivých čerpadel
Při srovnávání nákladů na provoz vycházíme z podmínek vytápění rodinného domu s obytnou plochou 150 m² – vytápění plynem s ročními náklady na plyn asi 40 000 Kč. Jestliže takový dům bude vytápět vodní tepelné čerpadlo se stabilním celoročním výkonovým číslem, náklady klesnou při optimálních podmínkách na 1/5, tedy na 8 000 Kč. Velmi podobné by byly náklady v případě zemního tepelného čerpadla s výkonovým číslem 5 (při dobře navržených vrtech). Náklady na vytápění by klesly na 1/5, takže i zemní tepelné čerpadlo by na svůj provoz potřebovalo 8 000 Kč. Kdybychom použili vzduchové tepelné čerpadlo s průměrným výkonovým číslem 3, vypočítaným z celoročního provozu, úspory by dosáhly asi dvou třetin nákladů na plyn, náklady na vytápění vzduchovým tepelným čerpadlem by tedy byly kolem 12 500 Kč.

Výkonové číslo – ekonomické srovnání provozních nákladů
Jeden z hlavních ukazatelů efektivnosti provozu tepelného čerpadla je jeho výkonové číslo. Jestliže dodáme tepelnému čerpadlu ve formě elektrické energie 1 kW k pohonu elektromotoru kompresoru, na sekundární straně, tedy na straně vytápění, může tepelné čerpadlo vyrobit téměř 5 kW tepla. Pak je výkonové číslo tepelného čerpadla 5.

Výkonové číslo ale není pevně určeno – mění se v závislosti na různých typech čerpadel, ale zvláště na tom, jakou teplotou umíme ohřívat výparník na primární straně a jakou teplotu budeme potřebovat na sekundární straně v kondenzátoru, tedy na jakou teplotu budeme chtít ohřát vodu na vytápění. V praxi to znamená, že čím vyšší teplotu bude mít například voda ze studny nebo exteriérový vzduch u vzduchového čerpadla, tím vyšší bude výkonové číslo.

Výkonové číslo vodního tepelného čerpadla může při dostatečně teplé vodě ze studny dosáhnout hodnoty 6, tedy podobně jako u zemního tepelného čerpadla s dostatečnou délkou vrtu a dobrou kvalitou podloží. Teplota vody, zemního podloží nebo vzduchu však není během roku stejná. Na konci topné sezony bude nižší než na jejím začátku, to znamená, že se vrty během zimy vyčerpávají, tedy postupně ochlazují. Tento rozdíl nemusí být při dobře navrženém vodním nebo zemním čerpadle dramatický, ale znamená, že se výkonové číslo tepelného čerpadla mění v rozpětí 3,5 až 5,5.

U vzduchového tepelného čerpadla se může výkonové číslo měnit výrazněji. V létě, kdy má vzduch teplotu 25 °C, bude výkonové číslo nejvyšší. Jak však teplota vzduchu klesá, bude klesat i výkonové číslo. Vzduchové tepelné čerpadlo dokáže pracovat i pod hranicí mrazu s teplotami mnohem nižšími než 0 °C, protože nemrznoucí kapalina, která cirkuluje v tepelném čerpadle, zamrzá až při teplotě –32 °C. Samozřejmě, že se snižující se teplotu venkovního vzduchu klesá i výkonové číslo, které je při teplotě –20 °C tak nízké, že z 1 kW elektrické energie vyrobíme jen o málo víc než 1,5 kW tepla.

S ohledem na tento výjimečný stav (statisticky jde o několik dní roku) je tepelné čerpadlo vybaveno elektrickou topnou vložkou, která dům vytopí. Významný faktor ovlivňující výkonové číslo je teplota, kterou požadujeme od čerpadla na jeho sekundární straně, tedy teplota vody ve vytápění. Z tohoto důvodu je při provozu tepelného čerpadla rozdíl, zda je dům vytápěn podlahovým vytápěním s teplotu topného média 35 °C, nebo otopnými tělesy, která potřebují 50 °C. Výkonové číslo tepelného čerpadla, které vyhřívá podlahové vytápění, bude podstatně vyšší. Rozdíl ve výkonovém čísle může být v některých případech až 1,5.

Vytápění a chlazení v kombinaci s tepelným čerpadlem
Zatím jsme hovořili jen o vrtech a studnách, ale k vytápění neodmyslitelně patří i otopná soustava. Možností výběru otopné soustavy není mnoho. Jako nejvhodnější se jeví podlahové, respektive stropní nebo stěnové vytápění. Když mluvíme o tepelném čerpadle, nesmíme zapomenout na to, že tepelné čerpadlo není jen zdrojem tepla na vytápění, ale může být i zdrojem chladu.

Kvalitní tepelná čerpadla dokážou v létě využít možnost reverzního chodu – na stejném principu, na němž je založena výroba tepla v zimě, je možno vyrobit chlad v létě. Princip je jednoduchý a využívá skutečnost, že na straně výparníku vzniká při odpařování média chlad, který se dá využít na chlazení domu. Tento chlad nemusí být v domě distribuován jen známým a ne moc oblíbeným způsobem, tedy foukáním chladného vzduchu do místnosti.

Na klimatizování domu tepelným čerpadlem je vhodné využít stropní chlazení. Při stropním chlazení je chladicí voda rozvedena po domě v plastových rozvodech – tenkých plastových trubkách, v nichž chladicí voda cirkuluje a které jsou v jednotlivých místnostech zabudovány do stropů. Teplota chladicí vody u výstupu z čerpadla bývá asi 16 °C. Teplota v jednotlivých místnostech je regulována individuálně podle potřeb obyvatel. Tento způsob regulace se nazývá také IRC (Individual Room Control).

Ing. Milan Bartoš
Foto: Stiebel Eltron