Tepelné čerpadlá

 

  • Vzduch/Voda
  • Voda/Voda
  • Zem/Voda

Ako vybrať tepelné čerpadlo

 

Tepelné čerpadlá využívajú dostupné teplo zo vzduchu,  zeme alebo z vody. Tešia sa stále väčšiemu záujmu. Aj preto, že toto teplo je k dispozícii zadarmo a možno ho energeticky veľmi efektívne zhodnotiť.

Užívajte si energetické výhody. Pri použití 1 kWh energie, najčastejšie vo forme elektriny na pohon kompresora, možno získať 2- až 5-násobok energie na vykurovanie, ohrev teplej vody alebo chladenie. Tepelné čerpadlá sa najviac používajú v rodinných domoch, ale vhodné sú aj pre verejné budovy, prípadne aj pre výrobné podniky.

Ako pracuje tepelné čerpadlo? Princíp je v podstate opačný ako pri chladničke, ktorej účelom je „vytvoriť zimu” vo vnútri. Von sa teplo odvádza cez chladič umiestnený na zadnej strane chladničky. Tepelné čerpadlo, naopak, odoberá teplo z vonkajšieho chladnejšieho prostredia a pri vyššej teplote ho odovzdáva do vykurovacieho systému. Premena prebieha efektívnejšie vtedy, ak je rozdiel teplôt čo najmenší.

Investujte s rozumom. Tepelné čerpadlá vzbudzujú stále viac pozornosti aj preto, že ich postupné rozširovanie stláča ich predajné ceny nižšie, zatiaľ čo ceny energie rastú. Napriek tomu treba stále rátať s vyššou vstupnou investíciou aj v porovnaní napríklad s kondenzačným kotlom. Táto sa však pri správne „osedlanej” technológii vráti. V najlepšom prípade pri náhrade vykurovania elektrinou už do 5 rokov. Úspešná inštalácia, ktorá je podmienkou dobrej prevádzky, však nie je samozrejmosť. Vzhľadom na širokú ponuku technológií a možných technických riešení výsledky viac ako v iných prípadoch závisia od kvalitného projektu šitého na mieru. Nevyhnutnosťou sú skúsenosti, zodpovednosť a odborná zdatnosť dodávateľa. Zásadnou podmienkou je, aby bol vopred zrejmý rozsah a účel použitia. Napríklad požiadavka na zabezpečenie chladenia v letnom období sa ťažko realizuje dodatočne, ak s ňou projektant nepočíta už od začiatku spracovania návrhu.


Tepelné čerpadlá vzduch/voda s oddeleným výparníkom

  • 1. tepelné čerpadlo
  • 2. oddelený vzduchový výparník
  • 3. zásobník tepla na vykurovanie
  • 4. zásobník teplej vody s výmenníkom tepla
  • 5. rozdeľovač podlahového vykurovania s obehovým čerpadlom a reguláciou
  • 6. zberač podlahového vykurovania

Oddelený výparník sa umiestňuje do exteriéru budovy. Je prepojený s hlavnou jednotkou tepelného čerpadla v budove okruhom pracovnej látky, ktorú nazývame aj teplonosné médium či chladivo. Toto usporiadanie kladie menšie požiadavky na priestor v interiéri a dovoľuje variabilnejšie umiestnenie výparníka.

Rozmrazovanie výparníka

Pri určitých atmosférických podmienkach a vlhkosti vzduchu namŕza na výparníku ľad, ktorý vytvorí tepelnú izoláciu a bráni odberu tepla zo vzduchu. Rozmrazovanie býva automatické. Cyklus teplonosnej pracovnej látky sa nakrátko obráti, kým sa výparník zohreje a námraza roztopí. Strata výkonu je len krátkodobá. Dostatočne ju kompenzuje zlepšená účinnosť oproti stavu, ak by bol výparník pokrytý ľadom.

Rekuperácia tepla z vetrania

Pri centralizovanom riadenom vetraní s rekuperáciou je vhodné doplniť systém o vzduchové tepelné čerpadlo, ktoré je schopné ešte zvýšiť tepelný zisk z vetrania. Vzduch odvádzaný z budovy pri vetraní obsahuje aj vodné pary. Bežné rekuperačné výmenníky ich nedokážu využiť, respektíve kondenzácia je v nich nežiaduca. Ak sa výparník tepelného čerpadla umiestni do prúdu odvádzaného vzduchu, vodné pary obsiahnuté vo vzduchu sa ochladia pod rosnú teplotu a využije sa aj teplo z ich kondenzácie. Takýto systém rekuperácie je energeticky najlepší, ale investične najdrahší.

 

Jednoduché a lacné

Čerpadlá vzduch/voda sú na trhu najobľúbenejšie kvôli jednoduchej montáži a nízkym nákladom na prípravné práce. Teplo zo vzduchu je zadarmo. Nepotrebujú veľký pozemok, ani zdroj vody.Preto sú zaujímavým riešením aj tam, kde pre iné druhy nie sú vhodné podmienky.

 

Druhy

split – oddelený výparník, ktorý sa umiestňuje do exteriéru budovy
kompakt – kompaktné jednotky určené na montáž v interiéri
outdoor – kompaktné jednotky určené na montáž v exteriéri

 

Kam dať výparník?

Vonkajšiu jednotku výparníka treba umiestňovať ku stene. Ak by bola na otvorenom priestore, bola by viac ochladzovaná a jej prevádzka by bola menej efektívna. Dôležité je dbať aj na to, aby v zime nebol prietok vzduchu obmedzovaný snehom. Ak sa čerpadlo nepoužíva v lete na chladenie, odporúča sa umiestnenie na južnej strane budovy, kde je vzduch počas dňa teplejší. Zároveň treba myslieť na to, aby hluk z jednotky obyvateľov nevyrušoval. Zvuk ventilátora vonkajšej časti výparníka síce nie je výrazný, ale v nočných hodinách môže byť obťažujúci. Preto by výparník nemal byť v blízkosti okien spálne ani domu suseda.


Kompaktné tepelné čerpadlá vzduch/voda

  • 1. kompaktné tepelné čerpadlo vzduch/voda
  • 2. zásobník tepla na vykurovanie
  • 3. zásobník teplej vody s výmenníkom tepla
  • 4. rozdeľovač podlahového vykurovania s obehovým čerpadlom a reguláciou
  • 5. zberač podlahového vykurovania

V kompaktnom systéme sú všetky technické zariadenia osadené pod jedným krytom.

Pri umiestnení v interiéri je vzduch privádzaný aj odvádzaný dvoma „hadicami” alebo otvormi v stene budovy priamo do a z čerpadlovej jednotky. V exteriéri nie je inštalovaná žiadna časť technológie. Zariadenie je skryté v dome, vďaka čomu je chránené pred prípadnými zásahmi vandalov. Výhodou je aj nižšia hlučnosť v exteriéri. Je však potrebné vyriešiť odhlučnenie v interiéri.

V exteriéri môže byť celá jednotka nainštalovaná napríklad na plochej streche budovy. Umiestnenie mimo budovy sa využíva väčšinou až vtedy, ak sú iné riešenia obmedzené. Aj preto, že v exteriéri je riziko poškodenia zariadenia vandalmi väčšie. Výhodou sú minimálne nároky na priestor a takmer nulová hlučnosť v interiéri.

 

Vzduch/vzduch

Na trhu sú aj malé tepelné čerpadlá typu vzduch/vzduch (napr. podokenné jednotky), ktoré dokážu vykurovať aj chladiť. Pri vykurovaní sú účinnejšie ako klimatizačné zariadenia, ktoré často taktiež ponúkajú obe funkcie. Technické požiadavky na takéto čerpadlá sú uvedené v nariadení Európskej komisie č. 206/2012.

 

Dôležitá regulácia

Spotreba elektriny čerpadla riadeného obyčajným termostatom môže byť až o 20 % vyššia ako pri kvalitnej regulácii podľa vonkajšej a prípadne aj vnútornej teploty.

Ovládanie tepelného čerpadla a iných zariadení v domácnosti je ideálne pripojiť na nadradený riadiaci systém. Môže ním byť napríklad systém inteligentného riadenia technických zariadení domu. Tento dokáže optimálne manažovať využitie viacerých zdrojov energie. Je užitočný najmä pri obnoviteľných zdrojoch, pri ktorých môže byť zložité uplatnenie priority ich využívania. Samozrejme, je nevyhnutné, aby riadiaci člen čerpadla bezproblémovo komunikoval s celkovým riadiacim systémom.

Bivalencia

V extrémnych zimách môžu pomáhať čerpadlám vzduch/voda dosiahnuť požadovaný tepelný výkon potrebný na vykurovanie aj iné zdroje tepla. Najčastejšie je to vstavané elektrické dokurovanie, možno však využiť napríklad i výstup z krbovej vložky. Hovoríme o bivalentných systémoch. V miernejšom II. klimatickom pásme stredného Slovenska zvyčajne na potrebné dokurovanie pripadá okolo 10 % z ročnej potreby tepla na vykurovanie. To neplatí pre špeciálne typy čerpadiel s technológiou zníženia výtlačnej teploty kompresora alebo dvojstupňovej kompresie, prípadne kaskádnych okruhov, ktoré sú schopné dodávať dostatok tepla na vykurovanie bez prikurovania aj pri veľmi nízkych vonkajších teplotách. Adekvátne sa to však odráža v ich nákupnej cene.


Tepelné čerpadlá typu voda/voda

  • 1. tepelné čerpadlo
  • 2. odberová studňa s ponorným čerpadlom
  • 3. vsakovacia studňa
  • 4. zásobník tepla na vykurovanie
  • 5. zásobník teplej vody s výmenníkom tepla
  • 6. rozdeľovač podlahového vykurovania s obehovým čerpadlom a reguláciou
  • 7. zberač podlahového vykurovania

Najvyšší tepelný potenciál ako primárny zdroj má voda, a teda aj najvyššie sezónne výkonové číslo SPF dosahujú tepelné čerpadlá voda/voda. Samozrejme, ak je voda dostupná v požadovanom množstve a dobrej kvalite. Mala by mať vhodné chemické zloženie a minimum nečistôt. Voda poskytuje dostatok výkonu primárneho zdroja aj v extrémnych zimách. Tieto tepelné čerpadlá môžu pracovať ako monovalentné zdroje, t. j. bez dokurovania aj v čase potreby najvyššieho tepelného výkonu. Na zabezpečenie obehu vody sú potrebné minimálne dva vrty (studne). Z jednej studne sa voda čerpá a do druhej vsakovacej sa vypúšťa. Majú byť umiestnené podľa smeru prúdenia spodnej vody tak, aby sa neochladzovala čerpacia studňa.

Čerpacia studňa

Na dosiahnutie 10 kW výstupného tepelného výkonu čerpadla je potrebná výdatnosť čerpacieho vrtu cca 50 až 100 l vody za minútu. Maximálna odporúčaná hĺbka hladiny podzemnej vody je do 20 m. So zväčšujúcou sa hĺbkou výrazne rastie potreba energie na čerpanie. Projekt a realizáciu vrtov zverte odborníkom, ktorí pracujú v súlade s legislatívou súvisiacou s využívaním vôd. Keďže kvalita a množstvo vody v danej lokalite sa môže meniť, sledovanie týchto parametrov môže byť aj trvalý proces. Ideálne je, ak sú k dispozícii dlhodobé skúsenosti s čerpaním podzemnej vody v okolí. Ak nie je výdatnosť jedného vrtu dostatočná, je možné využiť aj viaceré.

Vsakovacia studňa

Vsakovacia studňa slúži na odvádzanie použitej vody späť do podložia. Zvyčajne má priemer 200 až 300 mm a hĺbku do 20 m. Pri neodbornej realizácii sa môže zanášať, kvôli čomu sa vsakovanie zhorší. Odstránenie tohto problému môže byť nákladné. Vsakovacia studňa preto môže znamenať väčšie prevádzkové riziko ako čerpacia.

Iné náklady?

Do výpočtu treba zahrnúť aj náklady na energiu spotrebovanú čerpadlami vody zo studní. Tie sa prirodzene zvyšujú v závislosti od hĺbky studní a ich vzdialenosti od tepelného čerpadla. Podiel ceny geologického prieskumu, vŕtania studní a čerpania vody na celkovej investícii je podstatne väčší pri tepelných čerpadlách menších výkonov.

Kupovať v akcii?

Jednoznačne odporúčame kupovať tepelné čerpadlo ako kompletnú dodávku aj s montážou. Súčasťou takejto dodávky by mala byť záruka nielen na čerpadlo, ale aj na zapojenie do systému odberu tepla. Ak kúpite tepelné čerpadlo „v akcii“ a montáž budete riešiť samostatne, môže sa vám stať, že prídete o záruku alebo ho nikto nikdy správne nenastaví. Prevádzka tepelného čerpadla musí byť zosúladená s odberným systémom tepla, ako aj možnosťami primárneho zdroja. Preto sa oplatí inštaláciu zveriť špecialistom. Ak vám túto službu ponúka všeobecná stavebná firma, zaujímajte sa, či má odborne spôsobilú osobu na inštaláciu tepelných čerpadiel a daný typ pozná.


Čerpadlá zem/voda s plošnými zemnými kolektormi

  • 1. tepelné čerpadlo
  • 2. plošný zemný kolektor
  • 3. rozdeľovač a zberač zemného kolektora
  • 4. zásobník tepla na vykurovanie
  • 5. zásobník teplej vody s výmenníkom tepla
  • 6. rozdeľovač podlahového vykurovania s obehovým čerpadlom a reguláciou
  • 7. zberač podlahového vykurovania

Čerpadlá s plošnými kolektormi využívajú ako zdroj tepla vrstvu zeme s hrúbkou cca 1 až 2 m pod povrchom, kde je teplota pomerne stabilná po celý rok. Sú tu umiestnené hadice plošného kolektora tak, aby poskytoval dostatok tepla pre požadovaný výkon čerpadla. Veľkosť zabranej plochy závisí aj od typu pôdy. Najvyššie výkony cca 40 W/m2 poskytujú hlinité pôdy plne presýtené vodou, ktorá je dobrým nosičom energie pri ohrievaní zemského povrchu. V suchých piesčitých pôdach sa dosahujú najnižšie reálne odoberané tepelné výkony cca 10 W/m2.

Veľkosť kolektora

Zemný kolektor by mal byť zhruba minimálne 2-krát a optimálne 3-krát väčší ako vykurovaná plocha domu. V pôde s bežnou vlhkosťou bude pre 10 kW tepelné čerpadlo s priemerným odoberaným výkonom 25 W/m2potrebný kolektor pokrývajúci plochu cca 400 m2, dĺžka hadice v kolektore je asi 650 m.

Ak by mal zemný kolektor menšiu plochu a hadice by boli prehustené, môže to spôsobiť väčšie podchladenie zeme a mierne meškanie vegetácie. Pri návrhu je preto vždy vhodnejšie zaokrúhľovať nahor. Ak teoreticky postačuje 400 m hadíc, vhodnejšie je inštalovať 500 m. Investícia sa vyplatí aj na zlepšenej účinnosti tepelného čerpadla.

Soľanka

V hadiciach zemného kolektora prúdi teplonosná kvapalina, najčastejšie soľanka. Anglicky „Brine“, preto „B“ v označovaní. Je to zmes vody a soli NaCl (kuchynskej soli). Výhodou je, že zamŕza pri nižšej teplote ako je 0 °C, je lacná a netoxická.

Zemské teplo

Teplo zeme je možné využiť prostredníctvom dvoch zdrojov.

Zemné kolektory sa inštalujú v hĺbke cca 0,8 až 1,5 m pod povrchom, ktorá nezamŕza. Využívajú aj teplo naakumulované počas letnej sezóny. Na prestupe tepla pod povrch sa podieľa aj dažďová voda.

Zemné vrty využívajú geotermálne teplo prúdiace zo stredu Zeme. Ustálený tepelný tok smerom na povrch zeme je cca 50 mW/m2.


Tepelné čerpadlá typu zem/voda so suchými vrtmi

  • 1. tepelné čerpadlo
  • 2. zemný vrt
  • 3. zásobník tepla na vykurovanie
  • 4. zásobník teplej vody s výmenníkom tepla
  • 5. rozdeľovač podlahového vykurovania s obehovým čerpadlom a reguláciou
  • 6. zberač podlahového vykurovania

Pri tepelných čerpadlách so suchými vrtmi sa chladivo vedie potrubím v tvare písmena U na dno vrtu. Pri návrate do čerpadla sa v druhej vetve potrubia priebežne ohrieva. Kvapalina neprichádza do priameho styku s horninou.

Zemné vrty, niekedy označované ako „sondy”, dosahujú hĺbku 50 až 250 m. Špecifický výkon na 1 m hĺbky vrtu je obmedzený na cca 50 W.

 

Zemné zásobníky tepla

Teplo získané v lete z prevádzky klimatizácie je možné čiastočne akumulovať v prípade, ak máme tepelné čerpadlo využívajúce pre vykurovanie teplo zeme pomocou vrtov. Viesť ich možno v podloží vhodnom na akumuláciu tepla a vŕtanie, napr. 12 m pod povrchom. Slnečné teplo je potrebné cielene dobíjať, pretože prirodzený prestup tepla z povrchu je v týchto hĺbkach menší. Využiť pritom možno systém solárnych panelov (používaných napríklad aj na ohrev bazénov) alebo iný zdroj lacného tepla.

 

Chladenie tepelným čerpadlom

Tepelné čerpadlá, prostredníctvom ktorých je možné aj chladiť, majú zvyčajne na konci typového názvu prívlastok „COOL”. Na vyjadrenie účinnosti chladenia sa používa parameter výkonového čísla COP pre chladenie. Na chladenie je možné využívať čerpadlá v reverznom chode. Chlad je odovzdávaný do vody, podobne ako teplo pri vykurovaní. Pri distribúcii chladu nie je vhodné používať systém podlahového vykurovania, pretože chlad nestúpa. Ideálne sú stropné systémy, prostredníctvom ktorých chlad padá smerom dolu.


Zdroj: SIEA