Tepelné čerpadlá

Tepelné čerpadlo nie je nevyhnutnosťou pri nízkoenergetickom dome, dokonca ani pri pasívnom, no spravidla platí že čí je dom vačší tým je investícia do tepelného čerpadla opodstatnenejšia. Tepelné čerpadlo využíva teplo z okolitého prostredia na vykurovanie a prípravu teplej úžitkovej vody. Odvádza nízkopotenciálové teplo z prírody (zo zeme, vody, alebo vzduchu), alebo priemyslu (odpadné teplo) a premieňa ho na teplo s vyšším potenciálom, ktoré je prakticky využiteľné na vykurovanie, resp. ohrev vody.

Tepelné čerpadlá rozdeľujeme na

• kompresorové
• sorbčné

Princíp činnosti kompresorového tepelného čerpadla

Obnoviteľný zdroj tepla s nízkou energiou Qo a teplotou To (vzduch, voda ap., To je >-15°C pri vzduchu a >5°C u vody) odovzdá vo výparníku svoju energiu pracovnej látke, ktorá získa energiu Qv a vo forme pary postúpi do kompresora. Pary sa v kompresore stlačia, pritom sa okrem tlaku zvýši aj ich teplota. Ohriate pary s teplotou Tk a energiou Qk postupia do kondenzátora, kde odovzdajú svoju teplotu vode - táto dosiahne spravidla teplotu do 60°C - a ďalej ju využívame na vykurovanie, alebo ohrev vody pre domácnosti. Pracovná látka (para) v kondenzátore po odovzdaní teploty vode skondenzuje znovu na kvapalinu, ktorá cez redukčný ventil postupuje znova do výparníka a celý cyklus sa opakuje. Efektívnosť tepelného čerpadla je daná faktom, že energia dodaná prostredníctvom kompresora < využiteľná energia vystupujúca zo systému

* sorbčné tepelné čerpadlá sa ako malé tepelné čerpadlá prakticky nepoužívajú, hlavný rozdiel je, že miesto kompresoru je použitý iný spôsob zvýšenia teploty teplonosného média, napr. plyn ap.

Efektívnosť tepelného čerpadla

Efektívnosť Tepelného čerpadla určuje výkonové číslo (tepelný faktor) E (eta)= Q_k / Q_kompr , označuje sa aj COP („coefficient of performance“) kde Q_k je energia pracovnej kvapalnej látky po stlační v kompresore a Q_kompr. je energia kompresora potrebná na stlačenie pracovnej látky. E_tč je pritom vždy > 1 a dosahuje max. hodnotu 6, pre běžné účely sa pohybuje okolo 2,5 - 4. To znamená, že z 1kWh elektrickej energie, ktoré potrebuje tepelné čerpadlo pre svoju prevádzku sa vyrobí 2,5 - 4kWh tepla.  Prakticky to znamená, že pri spotrebe 1 kWh energie môžme získať 2,5-4 kWh užitočného tepla - a to o teplote 60°C, čo je dostatočná teplota na použitie pre ohrev domácnosti a teplej vody (nejde o zázrak, ostatok energie sa získava z prírodných zdrojov - vody, vzduchu, ktoré akumulovali energiu zo slnka). Veľkosť tepelného faktoru závisí od vstupnej teploty nízkoteplotného zdroja, konečnej výstupnej teplote, na chemických a fyzikálních vlastnostiach chladiva, na technických parametroch tepelného čerpadla. Jeho hodnota sa vzťahuje k určitým prevádzkovýcm podmienkam (napr. tepelný faktor 3,5 pri vstupnej teplote 20°C a výstupnej teplote 50°C, tepelnom výkone 9 kW a elektrickom príkone 3 kW).

Prírodné zdroje tepla pre tepelné čerpadlo

Pri výbere prírodného zdroja pre tepelné čerpadlo zvažujeme hlavne jeho dostupnosť, kvalitu, výdatnosť a replotu. V prípade, že teplota zdroja, alebo znečistenie prekračujú hodnoty prípustné pre konkrétne tepelné čerpadlo, je možné použiť samostatný teplosmenný okruh, avšak je nutné počítať, že teplota pomocného pracovného média (voda, solanka) bude o cca 5°C nižšia, ako prírodný znečistený zdroj.

• Povrchová voda - rieka, potok, jazero, umelá nádrž, závlaha ap. Nevýhodou je premenlivá teplota počas roka, a nedá sa vylúčiť zamŕzanie. Takisto vodné toky môžu byť znečistené - čo môže spôsobovať tvorbu usadenín, koróziu. V takomto prípade je nutné vodu filtrovať, resp. použiť výparník z nehrdzavejúceho materiálu.
  Ideálna je povrchová voda so spádom (nezamŕza), možné je priviesť vodu k výparníku potrubím, alebo výparník ponoriť priamo do vody. najčastejšie je však potrebné budovať čerpacie zariadenie. V prípade využívania povrchovej vody je nutný súhlas vodohospodárskeho orgánu.
• Podzemná voda - najvodnejší zdroj pre tepelné čerpadlo. Je to z toho dôvodu, že má pomerne stálu a vysokú teplotu (7-12°C), obyčajne nie je chemicky znečistená. Nevýhodou je jej malé množstvo. Najčastejšie sa využíva voda zo studní.
  Pred projektovaním tepelného čerpadla je potrebné urobiť skúšobný vrt a odmerať potrebnú hĺbku studne, výdatnosť, chemické zloženie akosť podzemnej vody. Ak pH vody je <7, voda obsahuje voľný CO₂, obsah FeO>0,15 mg/l, alebo obsah mangánu>0,1 mg/l - voda by sa bez pomocného výmenníka nemala používať pre tepelné čerpadlo.
• Zemné teplo
  • plošný horizontálny kolektor - do pôdy v hĺbke 1,5-2 m sa inštaluje kolektor - systém trubiek, v ktorých prúdi nezamŕzajúca kvapalina. Teplota pôdy v tejto hĺbke sa pohybuje v medziach 6-7°C, v lete až 10°C. Vzdialenosť medzi trubkami by mala byť 50-60 cm, pri určovaní plochy zemného kolektora môžme vychádzať z potreby 2,5-3,5 m² na 1 m² vykurovanej plochy objektu. Tepelný zisk z pôdy možno očakávať v rozmedzí 30 W/m² u ílovitých vlhkých zemín až po 5 W/m² u suchej štrkovitej, alebo piesočnatej pôde.
    Pri inštalovaní zemného kolektora je nutné počítať s podchladením pôdy, čo ma za následok jej neskoršie rozmŕzanie a neskoršie topenie snehu - čo môže spôsobiť problémy aj naším susedom.
  • vertikálny kolektor - sa vkladá do vrtu v zemi, ktorý môže byť hlboký až 150 m (cca 12 m vrtu na 1kW vykurovacieho výkonu). Pri využití vertikálneho kolektora TČ spravidla dosahuje vyšší energetický výkon ako pri plošnom - čo súvisí s vyššou teplotou pôdy ako pri horizontálnom kolektore, ktorý je len plytko pod povrchom zeme. Je však mimoriadne dôležitá inštalácia a samotné prevedenie vrtu. Ak sa vrt urobí nevhodne a v nevhodnej lokalite môže dôjsť k nenávratným škodám prepojením vrstiev podzemných vôd s rôznymi hydrochemickými parametrami a tým až ku kontaminácii podzemnej vody využívanej pre zásobovanie obyvateľstva. Realizácia vrtu podlieha schváleniu a povoleniu vodohospodárskymi orgánmi.
• Vzduch - tepelné čerpadlá využívajúce exteriérový vzduch majú v zimnom období veľmi nízku účinnosť, alebo nepracujú vôbec.
  Jedným z riešení ohrevu teplej vody pomocou tepelného čerpadla je - v letnom období využívanie otepleného vzduchu z pivničných priestorov a zároveň ochladzovanie pivnice pre uskladnenie zeleniny. Takéto tepelné čerpadlo je v zimných mesiacoch spravidla podporované dodatočným ohrevom vody v zásobníku napr. elektrickou špirálou, alebo v zimných mesiacoch môže takéto tepelné čerpadlo využívať teplý vzduch napr. z kotolne.
• Slnečné žiarenie - tepelné čerpadlo je možné napojiť na sústavu slnečných teplovodných, teplovzdušných kolektorov, prípadne na vybudovaný teplovodný zásobník, ktorý umožní prevádzku aj v noci. 

Priemyselné zdroje pre tepelné čerpadlo

Ide o odpadové oteplené priemyselné vody, oteplený vzduch z maštalí, priemyselných hál a pod. V takomto prípade je okrem dostupnosti zdroja problémová aj čistota zdroja - spravidla je nutné budovať pomocné okruhy.

Účel použitia tepelných čerpadiel

• vykurovanie - vo všeobecnosti sú vhodné pre nízkoenergetické vykurovacie sústavy (napr. podlahové / stenové vykurovanie), ale súčasný vývoj ponúka tepelné čerpadlá s vyššími výkonmi, ktoré sú vhodné pre všetky typy rodinných domoch (nie len nízkoenergetické) a pre všetky typy vykurovacích sústav. Efektívnosť a úspory získané tepelným čerpadlom sa prejavia o to viac, o čo väčšie množstvo energie potrebujeme do nášho domu dodať.
• ohrev vody - tepelné čerpadlá sa používajú okrem vykurovania aj na ohrev vody, mnohé tepelné čerpadlá majú vstavaný zásobník teplej vody. Spravidla je ohrev vody uprednostnený pred vykurovaním, t.j. najprv tepelné čerpadlo ohreje teplú vodu a následne púšťa teplo do vykurovacej sústavy
• chladenie - čoraz častejšie sa integruje funkcia chladenia (za minimálneho navýšenia ceny tč), v tomto prípade tepelné čerpadlo dokáže pracovať "obrátene" - odoberá teplo z miestností a ochladzuje ho prostredníctvom pracovnej látky, ktorá odovzdáva teplo späť do prírody.
• monovalentná prevádzka - tepelné čerpadlo je jediným zdrojom tepla daného objektu počas jeho prevádzky celoročne,
• bivalentná, paralelná prevádzka - tepelné čerpadlo sa zapne len pri vhodných podmienkach, kedy pracuje najefektívnejšie, v ostatných prípadoch je podporované pomocným zdrojom tepla (napr. kotlom). Pri bivalentnej, alebo paralelnej prevádzke je dôležitý "bod prepnutia [°C]", teda  teplota vonkajšieho vzduchu, za ktorej sa tepelné čerpadlo zapína. Čím je bod prepnutia nižší, tým viac budova využíva tepelné čerpadlo a tým je vykurovací systém efektívnejší - na druhej strane, čím je teplota prepnutia nižšie, tým musí byť teplené čerpadlo dimenzované na vyšší výkon s čím súvisí aj potrebný väčší zdroj nízkopotenciálového tepla (napr. väčší zemný kolektor, viac zemných vrtov ap.)

Tepelné čerpadlo sa zvyčajne navrhuje pre bivalentný systém (teda s pomocným zdrojom tepla), monovalený systém je investične oveľa náročnejší.

Faktory vplývajúce na ekonomickú efektívnosť tepelného čerpadla

Pred začatím projektu na tepelné čerpadlo je potrebné rozmyslieť si niekoľko dôležitých faktorov:

• účel použitia - s tým súvisiaci potrebný výkon tepelného čerpadla, druh, funkcie, potreba pomocného tepelného zdroja a pod.
• vykurovací systém - pre tepelné čerpadlá sú najvhodnejšie nízkoteplotné vykurovacie systémy - napr. podlahové vykurovanie. Čím totiž znížime potrebnú výstupnú využitelnú tepelnú energiu zo systému tepelného čerpadla, tým tento systém pracuje efektívnejšie,
• zdroj nízkopotenciálneho tepla - okrem výdatnosti, čistoty a teploty zdroja (platí najmä u podzemnej vody) je potrebné zvážiť aj jeho vzdialenosť od miesta potreby. S tým súvisí potrebná počiatočná investícia - kladenie potrubí, množstvo trúbok, hĺbka vrtu, náklady na filtrovanie, čistenie vody ap.,
• prevádzková réžia - tu patria náklady na prevádzku kompresora a čerpadiel (spravidla elektrina), určenie výkonového čísla ? - čím menší je rozdiel medzi vyparovacou a kondenzačnou teplotou, tým efektívnosť tepelného čerpadla rastie. Určujúce sú zimné mesiace, keď teplota okolitého prostredia je najnižšia a potreba tepla najvyššia,
• variabilita systému - pre budúcnosť je potrebné počítať s možnými prestavbami, dostavbami objektu a s tým súvisiacimi zmenami v potrebe tepla,

Zásady pre výber tepelného čerpadla

• vykurovací faktor rôznych tepelných čerpadiel je potrebné porovnávať pre určité podmienky. Je potrebné vedieť, pri akej vstupnej teplote nízkopotenciálového tepla a výstupnej teplote využiteľného tepla bol vykurovací faktor meraný, tento sa totiž u tepelného čerpadla pri zmenách týchto veličín mení,
• ideálne je porovnávať vykurovací faktor celého vykurovacieho systému počas vykurovacej sezóny, nie len vykurovací faktor samotného tepelného čerpadla,
• výkon tepelného čerpadla je potrebné dať do súladu s projektovaným zdrojom nízkopotenciálového tepla, pre čo najlepšiu ekonomiku investície a prevádzky tento by nemal byť ani pod, ani predimenzovaný,

Ekonomickú a energetickú efektívnosť systému s tepelným čerpadlom je potrebné hodnotiť pre konkrétne podmienky, t.j. klimatické podmienky, prevádzková doba počas roku, spôsob využitia získanej tepelnej energie ap.

zdroj Filip