Voda, země, vzduch – tři živly pro tepelné čerpadlo

Tradiční způsoby vytápění zemním plynem či elektřinou se dají nahradit alternativním vytápěním, které dokáže využít teplo z prostředí kolem nás. Teplo z vody, vzduchu a země – to vše se dá využít na vytápění vašeho domu. Stačí použít tepelné čerpadlo. Přesto, že zpočátku vyžaduje vyšší investici, její návratnost je vzhledem k růstu cen fosilních paliv stále kratší. Tepelná čerpadla totiž představují jedno z nejúspornějších zařízení na vytápění.

Tepelné čerpadlo celoročně
Potřebnou tepelnou pohodu a dostatek teplé vody po celý rok může zabezpečit právě tepelné čerpadlo. Příliš nízká teplota zdroje energie by se jinak nedala využít. Tepelné čerpadlo energii odebírá ze země, vzduchu a vody. Toto čerpadlo s mimořádně nízkým elektrickým příkonem vytápí celý objekt, připravuje teplou vodu, případně ohřívá vodu v bazénu a v letním období může chladit.

Tepelná čerpadla pracují na principu termodynamického chladicího oběhu. Tepelná energie je předávána z okolního prostředí (vzduch, voda, půda) do výměníku tepla (výparníku zařízení) a odevzdávána je z vysokotlakové části (kondenzátoru zařízení) do otopného procesu a na jiné ohřívací tepelné procesy. Abyste transformaci tepelné energie z nižší na vyšší teplotu mohli uskutečnit, musíte samozřejmě do systému dodat pohonnou elektrickou energii. Efektivnost této transformace se měří poměrem množství získané nízkoteplotní energie k množství pohonné energie zařízení.

Výběr zdroje nízkopotenciálního tepla
Při výběru vhodného zdroje tepla je nutno dbát hlavně na místní podmínky, v nichž bude čerpadlo využíváno. Na výběr máte tři základní složky – zemi, vzduch, vodu.

Geotermální teplo a částečně i sluneční záření, které je obsaženo v zemské kůře, se využívá nepřímo, prostřednictvím nemrznoucí a ekologicky nezávadné teplonosné kapaliny. Teplo se dá získat dvěma způsoby – z plošného zemního výměníku a uložením výměníku do zemního vrtu. Plošný zemní výměník je vlastně potrubí uložené ve výkopu v takové hloubce, která nezamrzá, tedy 1,5 až 2 m v půdě.

Naopak výměník uložený do zemního vrtu musí být v hloubce 80 až 150 m. Jestliže si zvolíte půdu, výhodou se pro vás stane spolehlivý zdroj tepla. Na druhé straně na vybudování plošného zemního výměníku tepla je zapotřebí poměrně velká část pozemku. Zemní vrty naproti tomu zabírají minimální plochu, jsou však investičně náročnější.

V případě tepelného čerpadla je možno využít i podzemní a povrchovou vodu. Protože podzemní voda má poměrně vysokou a stabilní teplotu během celého roku, stává se velmi vhodným zdrojem tepla. Podzemní vodu s teplotou 8 až 12 °C odebíráme ze studny s vydatností asi 0,4 až 0,8 l na 10 kW tepelného výkonu.

V tepelném čerpadle se voda ochladí a vrací se zpět do podloží tzv. vsakovací studnou. Získaná energie je v čerpadle pomocí výměníku tepla odevzdávána topnému médiu. Tepelná čerpadla, u nichž je zdrojem tepla voda, dosahují vysoké hodnoty výkonového čísla. Velmi důležité je prověřit vydatnost studny čerpacím pokusem. Minimální teplota podzemní vody je 7 °C, při nižších teplotách se tento systém stává nefunkčním.
Nejsnáze dostupným zdrojem je vzduch. Tepelná čerpadla s tímto zdrojem mohou být zhotovena jako vnější nebo vnitřní zařízení. Nevýhodou tohoto způsobu je, že právě v topné sezoně dosahují teploty vnějšího vzduchu velmi nízkých hodnot, čímž se efektivnost provozu tepelného čerpadla výrazně snižuje. Výhodou je zase dostupnost zdroje a nízké náklady na jeho vybudování.

Tepelná čerpadla země – voda Teplo obsažené v zemi, tzv. geotermální teplo, je obvykle využíváno nepřímo. Získává se ve vhodném výměníku tepla – zemním kolektoru – a cirkulačním okruhem je odváděno do výparníku tepelného čerpadla pomocí teplonosné kapaliny, jejíž cirkulaci zabezpečuje oběhové čerpadlo. Při cirkulaci se kapalina ve výparníku tepelného čerpadla ochlazuje a v zemním kolektoru se znovu ohřívá geotermálním teplem (Aton)	Tepelná čerpadla vzduch – voda Vzduch je nejdostupnějším zdrojem tepla. Výhodou tepelných čerpadel odebírajících teplo ze vzduchu je možnost jejich celoročního velmi efektivního využívání na přípravu teplé vody nebo i na ohřev bazénové vody (Aton)	Tepelná čerpadla voda – voda Teplo obsažené v podzemní vodě rovněž představuje geotermální teplo. I toto teplo mohou za určitých podmínek využívat tepelná čerpadla typu voda-voda. Teplo se z podzemní vody získává tak, že voda se čerpá z čerpací studny do výparníku tepelného čerpadla. V něm se ochladí a ochlazená se vrací do druhé, vsakovací studny. Při průtoku mezi oběma studnami se voda v zemi opět ohřeje. Voda musí být dostatečně čistá, v dostatečném množství a s minimální teplotou +8 °C (Aton)

Způsoby vytápění
Uplatněním tepelného čerpadla při vytápění se dá jeho činnost využít několika způsoby. Jestliže se tepelné čerpadlo stane jediným zdrojem tepla, hovoříme o monovalentním provozu. O bivalentním topném provozu hovoříme, jestliže tepelné čerpadlo pracuje do určité vnější teploty a potom je už zapínán i přídavný elektrický ohřev. Bivalentní způsob vytápění je vhodný v případě, že určitá předem stanovená vnější teplota poklesne, tepelné čerpadlo se vypne a následně se zapne druhý zdroj tepla. Jestliže si jako nízkoteplotní zdroj tepla vyberete vzduch, můžete ho využít všemi dvěma zmíněnými způsoby vytápění. Monovalentní provoz, kdy je tepelné čerpadlo jediným dodavatelem tepla, se uplatní při využívání tepla podzemní vody i zemské kůry.

Účinnost tepelného čerpadla, environmentální kvalita elektrické energie, jakož i typ chladiva mají vliv na pozitivní environmentální efekt tepelného čerpadla. Kvalita elektrické energie závisí na typu paliv používaných pro výrobu elektrické energie a na samotné účinnosti výrobních zařízení. Poměr vyrobené tepelné energie a pohonné energie dodané do systému vyjadřuje energetickou efektivitu výroby tepelné energie tepelným čerpadlem. Tento poměr nazýváme výkonové číslo. Čím je vyšší, tím více tepelné energie se vyrobí.

Systém provozu
Provoz tepelného čerpadla má ve srovnání s jiným typem otopného systému zcela odlišné požadavky. Běžné regulační ventily vytápění, směšovací ventily a bojlery jsou zpravidla pro optimální provoz s tepelným čerpadlem nevhodné.

Zatímco u běžných otopných zařízení jsou náklady na energii téměř nezávislé na pracovní teplotě, u tepelného čerpadla je to přesně naopak. Jedním z nejdůležitějších kritérií pro jeho optimálně dimenzovaný otopný okruh je dodržování co nejnižší pracovní teploty.

Obzvláště důležitá je proto volba vhodného nízkoteplotního otopného systému, například podlahového či stěnového vytápění. Přitom platí, že čím je nižší pracovní teplota otopného média, tím jsou nižší provozní náklady. Protože je třeba dodržovat minimální oběhové množství tepelné energie, další zásadou je, aby byla tepelná energie vznikající při zapnutém tepelném čerpadle co nejrychleji odebírána

. Podlahové vytápění, radiátory nebo bojler tedy musí mít dostatečnou kapacitu a zároveň musí být nastaveny tak, aby mohly z tepelného čerpadla převzít vznikající množství tepla.

Úspora versus investice
Provozní náklady tepelných čerpadel na vytápění a přípravu teplé vody jsou ve srovnání s jinými otopnými tělesy nejnižší. Často se však diskutuje o vysokých investičních nákladech. Jestliže vezmeme v úvahu stále se zvyšující ceny plynu, investiční náklady v případě tepelného čerpadla se náhle nejeví jako přehnaně vysoké. Zvláště když si uvědomíme, že při plynovém vytápění tvoří celkovou investici nejen plynový kotel, ale i nezbytné náklady na řešení odtahu spalin a též náklady na zřízení plynové přípojky.

Ačkoliv u nás jsou tepelná čerpadla ještě stále považována za cosi nového a neověřeného, v mnohých státech je tato technologie již běžně využívána. Nejvíce je zatím používána v Japonsku, kde podíl tepelných čerpadel na vytápění dosahuje až 20 %, ve Švédsku je to 9,4 %, v USA 6,9 % a ve Španělsku 5 %. Ve Švýcarsku je tepelnými čerpadly vytápěna více než jedna třetina nových domácností. Tento podíl neustále narůstá, protože u nových budov je jejich podíl ještě větší.

Jedním z nejvýznamnějších sektorů spotřeby energie v Čechách jsou domácnosti, kde se na spotřebě primárních zdrojů energií podílí hlavně vytápění a ohřev vody. Tepelná čerpadla představují velký potenciál pro využití systémů pracujících na bázi obnovitelných zdrojů energie. Vedou nejen ke snižování spotřeby primárních energetických zdrojů, ale i k zlepšování kvality životního prostředí.

Ing. Ľubica Šimkovičová
Foto: archív autorky, NIBE, Aton