Tepelné čerpadlo pro váš dům - R. Karlík

Ukázka z knihy "Tepelné čerpadlo pro váš dům" od Roberta Karlíka

---

2 Typy tepelných čerpadel

V označení systémů tepelných čerpadel se setkáváme s výrazy země, voda, vzduch oddělenými omítkem. První označuje, odkud tepelné čerpadlo bere energii (země, voda, vzduch), slovo za lomítkem označuje, jak tepelné čerpadlo energii dodává do objektu (vzduch, voda).

2.1 Tepelné čerpadlo typu země/voda

Tento typ tepelných čerpadel patří mezi velmi významné systémy. Vzhledem k jeho provozu vůči venkovním klimatickým podmínkám můžeme tento systém hodnotit jako „nejstabilnější". Tepelná čerpadla typu země/voda jsou většinou provozována v bivalentním provozu, to znamená, že pod bodem bivalence (teplota kolem –5 °C až –8 °C) připíná doplňkový zdroj tepla (zpravila elektrokotel) a tepelnou pohodu zajišťují oba zdroje současně. V některých případech je můžeme provozovat i monovalentně, což má svoje výhody a nevýhody. Více informací o provozu a ekonomice se dozvíme dalších kapitolách.

Obr. 2 Tepelné čerpadlo země/voda

Jedná se o zařízení, které je umístěno uvnitř objektu, většinou v technické místnosti. Na trhu naleznete jak provedení kompaktní (tepelné čerpadlo včetně bojleru na teplou užitkovou vodu a doplňkového zdroje), tak provedení standardní (pouze tepelné čer padlo.

Jeho jedinou nevýhodou jsou zemní práce, které jsou s jeho instalací velice úzce spjaty. Pro čerpání tepla ze země potřebujeme buď zemní kolektor (někdy též označovaný jako horizontální kolektor), nebo geotermální vrty (zde se můžeme setkat i s označením vertikální kolektor). Prvně jmenovaný zdroj tepla vyžaduje rozsáhlé zemní práce, resp. dlouhé výkopy. Ty se ovšem dají pořídit poměrně levně v porovnání s geotermálními vrty. Vertikální kolektory jsou jednou z nejdražších položek v rozpočtu celého systému vytápění objektu.

Podmínky pro volbu kolektorů jsou dány především geologickou situací a dále umístěním budovy v zástavbě. U nových domů, které se staví na zelené louce a mají k dispozici dostatečný prostor, se rozhodně doporučují kolektory horizontální. V případě, že není dostatečná plocha pro horizontální kolektor, je na místě volba kolektoru vertikálního. Geotermální vrty se upřednostňují v kompaktních horninách, které nevyžadují pažení. Teplo z plošného kolektoru či vrtu je možné odebírat po celý rok tzn. i v letních měsících, kdy využíváme tepelné čerpadlo hlavně pro ohřev teplé vody. V případě volby geotermálního vrtu je možné využití jeho chladicího výkonu. Možnost použití geotermálního vrtu na chlazení bude probráno později.

Tepelná čerpadla pracující s tímto systémem poskytují stabilní výkon a úspory, které dosahují až 70 % provozních nákladů na provoz tradičního topného systému. Zmiňovaná stabilita se projevuje i ve velmi dlouhé životnosti celého systému. O způsobu uložení kolektoru v zemi a určení jeho velikosti se dozvíte v samostatné kapitole.

Díky nezávislosti zemního tepelného čerpadla na venkovních klimatických podmínkách je možné jeho použití takřka kdekoliv, nevyjímaje drsné horské oblasti, kde venkovní teploty dosahují i pod –25 °C.

2.2 Tepelné čerpadlo typu vzduch/voda

Tento systém má mnoho výhod vyplývajících ze snadné instalace a velké univerzálnosti. Tepelné čerpadlo tohoto typu lze namontovat prakticky na jakoukoliv stavbu, a to velmi jednoduše. Při použití tohoto typu odpadají složité zemní práce spojené s případem zemního tepelného čerpadla, a je jasné, že i pořizovací náklady budou nižší. Výkon tepelného čerpadla se mění s teplotou venkovního vzduchu, tedy vzrůstá-li teplota venkovního vzduchu, roste i výkon tepelného čerpadla, naopak klesá-li teplota, klesá i výkon. Z tohoto důvodu jsou tepelná čerpadla vzduch/ voda výhradně provozována v bivalentním provozu, to znamená, že pod bodem bivalence (teplota kolem –3 °C až –5 °C) připíná doplňkový zdroj tepla (zpravila elektrokotel) a tepelnou pohodu zajišťují oba zdroje současně.

Minimální teplota, při které vzduchové tepelné čerpadlo ještě pracuje, je –20 °C, lze se setkat i se stroji pracujícími až do –25 °C. Nárazově dokáže pracovat i při nižších teplotách než zmiňovaných –20 °C. Při dlouhodobě nižších teplotách pokrývá tepelnou potřebu jen doplňkový zdroj a proto musí jeho výkon pokrýt potřebu tepla celého objektu. Návrhem a ekonomikou provozu se budeme zabývat v dalších kapitolách této knihy.

Tepelná čerpadla vzduch/voda se skládají buď ze dvou jednotek a to venkovní a vnitřní, nebo z kompaktního provedení, kdy celé tepelné čerpadlo může stát venku, nebo uvnitř objektu.

V případě děleného provedení (někdy se mu říká „split") venkovní část nasává okolní vzduch a je většinou umístěna na jižní straně domu nebo na střeše, vnitřní zajišťuje ohřev teplé vody a topného systému. Na trhu jsou rovněž vzduchová tepelná čerpadla pouze vnitřního provedení. U tohoto typu je nutné propojit jednotku vhodným vzduchotechnickým potrubím přes obvodovou zeď s vnějším prostředím k zajištění přívodu a odvodu využívaného venkovního vzduchu. Množství protékaného vzduchu činí řádově tisíce m3/h.

Vzduch protékající tepelným čerpadlem vytváří určitou úroveň hluku. Ten hluk může při chodu vzduchového tepelného čerpadla rušit jak přímo investora, tak sousedy. Proto je třeba brát ohled na umístění jednotky na pozemku. U kvalitních vzduchových čerpadel se hodnota akustického tlaku ve vzdálenosti 5 m od venkovní jednotky pohybuje pod hodnotu 40 dB(A), což se dá přirovnat např. k tikotu budíku vzdáleného 2 m.

Tab. 3 Úroveň akustického tlaku v závislosti na směru a vzdálenosti od tepelného čerpadla v dB(A).

Jak již bylo zmíněno je výkon tepelného čerpadla závislý na teplotě okolního vzduchu. Proto není vhodné jejich použití do horských oblastí s dlouhotrvajícími nízkými venkovními teplotami. Často pak připíná dotopový kotel a rostou tak provozní náklady (více v kapitole věnované ekonomice provozu).

2.3 Tepelné čerpadlo typu voda/voda

Tento systém tepelných čerpadel nabízí nejvyšší topný faktor, ale lokalit vhodných k jeho instalaci je naopak málo.

Tepelná energie se může odebírat z vody povrchové nebo podzemní. Pokud to geologické dispozice a vydatnost pramene dovolí, jsou studny tím nejlepším zdrojem tepelné energie. Podzemní voda má poměrně stabilní teplotu kolem 10 °C, je tak nejteplejším přírodním zdrojem.

K tomuto typu tepelného čerpadla jsou třeba dvě studny, a to jedna topná neboli zdrojová a druhá vsakovací. Měly by od sebe být vzdáleny minimálně 15 m. Pro běžný rodinný dům je třeba vydatnost pramene alespoň 0,5 l/s. Ověření vydatnosti seriózními, dostatečně dlouhými čerpacími zkouškami by se rozhodně nemělo podceňovat. Pořizovací cena těchto studií bývá nižší než geotermální vrty, ale provozní náklady jsou díky potřebě čerpání vody vyšší.

Řeky, rybníky a jiné vodní plochy jsou jako zdroj tepla v instalacích tepelných čerpadel spíš raritou. Jejich využívání je spojeno s náročnou administrativou a především se souhlasem jejich majitele nebo správce a u toho to zpravidla skončí. Kromě toho teplota vody v povrchových tocích kolísá.

Obr. 5 Tepelné čerpadlo vzduch/vzduch – venkovní jednotka

2.4 Tepelné čerpadlo typu vzduch/vzduch

Tepelná čerpadla vzduch/vzduch pracují na stejném principu jako tepelná čerpadla vzduch/voda, jen s tím rozdílem, že tepelný výkon předávají vnitřnímu vzduchu objektu. Na trhu se v současné době objevují malá nástěnná tepelná čerpadla pracující na tomto principu. Jsou velmi vhodná do objektů s požadavkem temperace po většinu topné sezóny např. chaty.

Dále se mohou použít do malých bytů. Ale v takovém případě je třeba mít na paměti, že se vytápí především místnost, kde je tepelné čerpadlo nainstalováno, a do dalších pokojů za zavřenými dveřmi se teplo dostává obtížněji.

Mezi tento typ tepelných čerpadel bývají řazeny i systémy na rekuperaci tepla. V takovém případě se jedná o složité systémy s kombinací výměníků tepla. Protože mají v praxi velmi omezené použití, specializované na ohřev bazénových hal, nebudeme se jimi v této knize zabývat.

Obr. 6 Tepelné čerpadlo vzduch/vzduch – vnitřní jednotka

2.5 Tepelná čerpadla s přímým odběrem tepla

Tepelné čerpadlo s přímým odběrem tepla je v podstatě tepelné čerpadlo typu země/voda. U běžného typu je náplní zemního kolektoru nemrznoucí směs, která proudí přes deskový výměník tepla – výparník kde se předává teplo vnitřnímu chladivovému okruhu. Oběh nemrznoucí směsi je nucený a je k němu zapotřebí oběhového čerpadla.

V zemním kolektoru tepelného čerpadla s přímým odběrem (můžete se setkat i s názvem s „přímým odpařováním") proudí přímo chladivo, které odebírá teplo zemi. Oběh chladiva je poháněn přímo kompresorem a tím odpadá pohon oběhového čerpadla primárního okruhu. Zařízení se dodává včetně primární strany, která už je i naplněna chladivem. Díky většímu objemu chladiva a vyšším tlakovým ztrátám v okruhu se používá jiný typ kompresoru, než u běžných tepelných čerpadel.

Velikost a uložení primární strany je odlišné ve srovnání s klasickými tepelnými čerpadly s nemrznoucí směsí. Tím, že v kolektoru cirkuluje přímo chladivo, které má podstatně nižší teplotu, než používaná nemrznoucí směs u běžných tepelných čerpadel, je odnímání tepelné energie půdě, v níž je umístěn často měděný kolektor, intenzivnější a prostorové nároky na jeho uložení ať horizontální, tak vertikální jsou nižší a s tím souvisí i nižší náklady na potřebné zemní práce.

Vzhledem k velmi nízké teplotě chladiva v kolektoru je zcela běžné, že dochází v průběhu chodu tohoto typu tepelného čerpadla k značnému podchlazování půdy, někdy až vzniku ledového obalu kolem jímacích trubek. Proto je nutno počítat s tím, že mimo topnou sezonu je nutno ponechat okolí kolektoru regenerovat, aby se obnovila teplota v půdě během léta před topnou sezonou. Z toho důvodu se také horizontálně nekladou hlouběji než 1 m pod povrch, aby přívod tepla od slunce a dešťové vody urychlil obnovení „zásoby tepla" před topnou sezonou.

Výhodou tohoto způsobu je jednoduchá a rychlá instalace. Nevýhodou je nebezpečí případné poruchy vzniklé mechanickým poškozením kolektoru, což je značně problematicky opravitelné, pokud to vůbec je možné. Další nevýhodu je jistě i pouze provoz jen v topné sezoně, bez ohřevu vody v létě, kdy dochází k regeneraci okolí kolektoru.

Další informace najdete přímo v publikaci vydané nakladatelstvím GRADA s názvem Tepelné čerpadlo pro váš dům, kterou zpracoval Robert Karlík ...