Tepelné čerpadlo je zařízení umožňující předávat tepelnou energii z nižší teplotní hladiny do vyšší, tedy odebírat teplo nízkopotenciálnímu zdroji o teplotě např. 5 °C a předávat je do otopné soustavy o teplotě 40 °C. Protože jde o obrácený směr tepelného toku, než jaký by byl přirozený, je nutné tento děj pohánět vnější energií lepší kvality – tedy např. elektrickou energií nebo tepelnou energií vyšší teploty. Elektrickou energii spotřebovávají tepelná čerpadla s kompresorovým oběhem, tepelnou energii sorpční tepelná čerpadla. Pro svou dobře zvládnutou konstrukci a vyšší topný faktor na trhu převažují čerpadla s kompresorovým oběhem; ta jsou také uvedena v tabulkách přehledu trhu na str. 41. Z typů tepelných čerpadel uvedených v článku na str. 34 byly pro přehled trhu v tomto vydání zvoleny dva: země-voda a vzduch-voda.
Tepelná čerpadla vzduch-voda
Čerpadla vzduch-voda, nazývaná také vzduchová, jsou dodávána v kompaktním nebo rozděleném provedení. V případě kompaktního čerpadla je celý zdroj tepla v jedné skříni pro venkovní, nebo vnitřní instalaci. Tepelná čerpadla pro vnitřní instalaci (obr. 1) jsou náročná na řešení přívodu a výfuku vzduchu. Vzduch má velmi malou tepelnou kapacitu a pro rodinný domek je obvykle nutné do čerpadla přivádět stovky i tisíce krychlových metrů vzduchu za hodinu. Proto jsou vnitřní čerpadla umísťována co nejblíže k obvodové stěně, aby bylo objemné (a v zimě i velmi studené) potrubí co nejkratší. Venkovní instalace tepelných čerpadel (obr. 2) mají jinou nevýhodu. Do zdroje tepla je nutné zavést páteřní rozvod otopné soustavy, obvykle tedy potrubí s otopnou vodou, a zajistit stoprocentní ochranu proti zamrznutí tohoto přívodu, a to i při výpadku proudu. Jinak by mohl zamrznout a být poškozen výměník chladivo-voda.
Oba zmíněné problémy řeší rozdělená (splitová) varianta tepelných čerpadel (obr. 3). Takováto čerpadla jsou rozdělena na venkovní a vnitřní jednotku, které jsou mezi sebou spojeny chladivovým potrubím. Venkovní jednotka obvykle obsahuje výparník chladiva, ventilátor, kompresor a často i regulaci, vnitřní jednotka zahrnuje kondenzátor chladiva (výměník chladivo-voda), oběhové čerpadlo otopné soustavy, záložní elektrokotel, expanzní nádobu apod. Nehrozí zde tedy ani riziko hluku v domě, ani riziko zamrznutí soustavy. Daní za tyto výhody je obvykle o něco horší topný faktor. To je způsobeno podstatně delším vedením chladiva, v němž vznikají ztráty.
Konstrukčně jsou vzduchová čerpadla téměř vždy složitější než zemní (země-voda). Musí se potýkat s kolísající teplotou vzduchu, která je navíc nejnižší v době, kdy má být výkon čerpadla nejvyšší. Musí tedy být předimenzovaná, ale v teplejších obdobích nesmějí generovat přebytky tepla. Proto jsou často vybavena měničem frekvence pro plynulé řízení výkonu. Při teplotách pod bodem mrazu namrzá výparník tepelného čerpadla. Odmrazuje se obvykle odporovým drátem nebo reverzací chodu – po krátkou dobu je otopná soustava ochlazována a je zahříván venkovní výparník. Je tedy patrné, že vzduchová čerpadla jsou také náročná na optimální návrh, protože je nutné zajistit, aby podávala dobré výsledky ve svých četných provozních stavech.
Tepelná čerpadla země-voda
Tepelná čerpadla země-voda dosahují oproti ostatním konvenčním čerpadlům nejlepších účinností a topných faktorů. Konvenčními se rozumějí ta čerpadla, která je možné běžně koupit a která využívají nízkopotenciální teplo dostupné všem; nepatří mezi ně speciální čerpadla využívající odpadní teplo z průmyslových provozů.
Tato tepelná čerpadla mají zpravidla tři kapalinové okruhy. Prvním je okruh nemrznoucí kapaliny v nízkopotenciálním zdroji, kde se odebírá teplo ze země. Odebrané teplo se v tepelném čerpadle předá chladivu (druhý kapalinový okruh), které se stlačí na vyšší tlak. Na dalším výměníku se teplo z chladiva předává do posledního kapalinového okruhu, kterým je již otopná soustava.
Primární zdroje tepla pro tepelná čerpadla země-voda
Tepelná čerpadla typu země-voda (zemní čerpadla) využívají jako zdroj nízkopotenciálního tepla zemský masiv. To je zásadní výhoda oproti vzduchovým čerpadlům i oproti čerpadlům voda-voda. Země má totiž relativně stálou teplotu, která nekolísá jako teplota venkovního vzduchu, a také nezamrzá při 0 °C jako voda. Proto tepelná čerpadla země-voda dosahují nejlepší účinnosti. Druhou stranou téže mince je, že pro provoz zemního tepelného čerpadla je nutné vybudovat jímací zařízení (kolektor) na teplo zemského masivu. Jde vždy o síť potrubí, ve kterém obíhá nemrznoucí kapaplina. Ta opouští tepelné čerpadlo s teplotou například 0 °C, v zemi se ohřívá na teplotu třeba 6 °C a takto ohřátá se vrací k tepelnému čerpadlu a předává mu získanou energii. Ta odpovídá množství protékající nemrznoucí kapaliny, tepelné kapacitě a rozdílu teplot. Tímto jímacím zařízením může být jeden nebo více hlubinných vrtů, plošný kolektor v zemi nebo plošný kolektor v rybníce či pod hladinou vodního toku.
Hlubinné vrty mají velkou výhodu v tom, že nezabírají skoro žádné místo na povrchu a lze je udělat i pod dosud nepostavenou budovou. V podstatě tedy nevyžadují prostor. Z jednoho metru hloubky vrtu je možné získat i 100 W tepla, obvyklý výkon je zhruba 55 W/m [2], záleží na geologickém profilu. Běžně se vrtá do hloubky až 150 m, jeden vrt tedy může podat výkon přibližně 8,25 kW. Nevýhodou vrtů je, že jímací zařízení umístěné ve velké hloubce nelze snadno kontrolovat ani ovlivňovat. Při odebírání tepla z vrtu je zemina v jeho okolí promrazována, tím se mění i její tepelná vodivost a může klesat výkon. Praxe ukázala, že je-li z vrtu odebíráno teplo nepřetržitě, může se vrt úplně vyčerpat. Zemní vrty je proto zapotřebí navrhovat obezřetně a počítat s tím, že si musí někdy „odpočinout“. Obvykle je tepelné čerpadlo využíváno v zimě na topení a přípravu teplé vody a v létě jen na přípravu teplé vody. Může se stát, že se vrty přes léto regenerují jen částečně, a pak se jejich teplota rok od roku snižuje a např. po pěti letech mohou být zcela nepoužitelné. Tento problém lze řešit mírným předimenzováním vrtů. Pak je možné na léto vždy třeba polovinu vrtů zavřít a nechat regenerovat, na zimu používat všechny a příští rok regenerovat jejich druhou polovinu. Další možností je nechat přes léto regenerovat všechny vrty a teplo pro přípravu teplé vody zajišťovat jinak, třeba solárními kolektory s občasnou podporou tepelného čerpadla.
Plošný kolektor v zemi je obvykle sestaven z trubek HDPE o průměru např. 25 nebo 32 mm. Ukládají se ve vzdálenosti 0,8 až 2,0 m do hloubky 1,2 až 2,0 m. Podle hloubky uložení jsou zemní kolektory více nebo méně ovlivňovány počasím na povrchu. Ze zemního kolektoru je možné získat přibližně 20 W/m2 [2], v závislosti na druhu půdy – v případě jílu a zvodněných hornin je výkon větší, u suchých a nesoudržných hornin menší. Pro náhradu vrtu o hloubce 150 m plošným kolektorem je třeba pozemek 420 m2 bez zpevněných ploch. Velkou výhodou plošného kolektoru je, že nepotřebuje regeneraci. Vzhledem k uložení v malé hloubce pod povrchem je totiž ovlivňován počasím na povrchu a regeneruje se během každého deště i akumulací sluneční energie do země.
Kolektor pod hladinou vody je méně obvyklé řešení, ale objevuje se čím dál častěji. Plošný kolektor je ukládán na dno rybníka nebo řeky, popř. mělce pod dno. Vzhledem k dobré tepelné vodivosti jak vody, tak bahna na dně rybníka lze získat podstatně více energie ze stejné plochy, a to asi 40 W/m2. Je-li vhodná vodní plocha k dispozici, vždy se to vyplácí. Oproti čerpadlu voda-voda není třeba řešit čistotu vody ani se obávat zamrznutí. Vzhledem ke konstrukci čerpadla země-voda nic nebrání tomu, aby trubky výměníku v rybníce byly obaleny ledem, takže není zapotřebí tak striktně kontrolovat teplotu nemrznoucího média. Je však nutné používat speciální médium, které v případě nežádoucího úniku neohrozí přírodu.
Společnou výhodou všech těchto kolektorů je, že drží stálou teplotu mezi 0 a 15 °C celoročně. Je proto možné je v létě použít ke chlazení, což některá tepelná čerpadla umožňují v rámci své konstrukce. Co se týče vrtů, lze tak také výrazně urychlit proces regenerace.
Oběh chladiva
Chladivo je látka, která v tepelném čerpadle mění skupenství z kapalného na plynné a zpět. V závislosti na tlaku se mění teplota varu chladiva, a právě to se v tepelném čerpadle využívá. K předávání energie je v tepelném čerpadle totiž využíváno především teplo skupenské přeměny chladiva z kapaliny na páru a zpět a jen minimálně teplo citelné.
Obvyklá konstrukce je zobrazena na obr. 4, kde jsou pro jednoduchost uvedeny pouze základní komponenty: kompresor, kondenzátor (K), škrticí ventil a výparník (V), mezi kterými obíhá chladivo v pořadí, v jakém jsou vyjmenovány. Ve výparníku se odebírá nízkopotenciální teplo o teplotě např. 5 °C . Tlak ve výparníku musí být dostatečně nízký, aby se chladivo při této teplotě vařilo. Kompresor tak nasává téměř syté páry chladiva a stlačuje je na vyšší tlak. Tím se zvyšuje kondenzační teplota, takže chladivo o vyšším tlaku může předávat skupenské teplo. Aby byla na maximum využita pohonná energie, jsou používány hermetické kompresory, které jsou chlazeny parami chladiva. Energetické ztráty kompresoru se tak dostávají do oběhu a jsou přínosem pro vytápění. Je proto možné tvrdit, že komprese chladiva je izoentropická, tedy že energie potřebná ke stlačení chladiva v chladivu zůstává.
Na výstupu z kompresoru jsou přehřáté páry chladiva o vysokém tlaku, které vstupují do kondenzátoru. Tam se poměrně rychle ochladí na kondenzační teplotu, která je nyní při vyšším tlaku třeba 40 °C. Chladivo kondenzuje a odevzdává teplo skupenské přeměny do otopné soustavy. Při správně navrženém oběhu z kondenzátoru odchází kapalné chladivo, které může být i velmi mírně podchlazené pod teplotu varu. Toto chladivo je nutné seškrtit na nižší tlak, aby mohlo znovu nabrat nízkopotenciální teplo. K tomu je využíván expanzní ventil, který v moderních čerpadlech obvykle vyžaduje poměrně přesné řízení. Protože z chladiva během škrcení není odebírána žádná energie, část chladiva se během expanze ihned odpaří. Je to dáno tím, že s tlakem klesá teplota varu a chladivo má na začátku expanze vysokou teplotu (např. 40 °C). Energie, která je v chladivu uložena ve formě citelného tepla, se nyní spotřebovává na odpar chladiva. Do výparníku tak vstupuje směs par chladiva a kapalného chladiva o vypařovací teplotě. Teplo z nízkopotenciálního zdroje přestupuje do chladiva, které se ve výparníku vyvaří, a opět je nasáváno kompresorem.
S rostoucím rozdílem teplot mezi nízkopotenciálním zdrojem a otopnou soustavou roste rozdíl tlaků, který musí kompresor překonávat. Pro většinu chladiv také platí, že čím vyšší je tlak, tím méně skupenského tepla lze odebrat (a tím větší část se opět uvolňuje při škrcení), takže pro dosažení stejného výkonu musí obíhat více chladiva, a roste tudíž práce kompresoru.
Proto tepelným čerpadlům vyhovuje malý rozdíl teplot mezi zdrojem nízkopotenciálního tepla a otopnou soustavou. Dokonce existují hraniční teploty chladiva, které nesmí kompresorový oběh překročit. Chladivo typu R410a má kritický bod na teplotě blízké 70 °C a tlaku přibližně 5 MPa. Chladivo R134a má kritický bod zhruba 100 °C při tlaku asi 4 MPa. Maximální výstupní teplota tepelného čerpadla je přitom důležitý parametr, protože voda ke sprchování by obvykle měla být teplejší než 40 °C, a tepelné čerpadlo by mělo být schopno vodu na požadovanou teplotu ohřát.
Reálné tepelné čerpadlo navíc musí být schopno pracovat v různých pracovních bodech, tedy měnit tlak na kondenzátoru a výparníku podle potřeby. Obvyklou cestou je řízení expanzního ventilu, vzduchová tepelná čerpadla již většinou regulují i výkon kompresoru.
Dimenzování a řízení tepelných čerpadel
Nepříznivé u tepelných čerpadel je, že nejnižší výkon mají právě v době, kdy je ho zapotřebí nejvíce, tedy v nejtužší zimě. Vzhledem k tomu, že dní s největšími mrazy je jen několik do roka, nemá smysl dimenzovat tepelné čerpadlo tak, aby samo pokrylo veškeré tepelné ztráty. Typicky jsou tepelná čerpadla o 20 % poddimenzována oproti maximálnímu potřebnému výkonu. V přechodném období při venkovních teplotách okolo nuly čerpadla pracují blíže k optimálnímu pracovnímu bodu a v průběhu celého roku dodají více než 98 % veškerého potřebného tepla. Proto je obvyklou součástí tepelného čerpadla záložní elektrokotel, který čerpadlu vypomáhá v oněch několika nejchladnějších dnech, a vykrývá tak jen výkonové špičky.
Naopak v době, kdy výkon tepelného čerpadla je vyšší, než je třeba, je žádoucí, aby tepelné čerpadlo vyrábělo teplo „do zásoby“, a když se tato zásoba vyčerpá, aby znovu sepnulo a zásobu doplnilo. Akumulovat teplo lze do akumulační nádrže ve strojovně nebo do stavebních konstrukcí (např. do podlahového topení). Čím větší bude akumulační schopnost, tím delší budou cykly spínání tepelného čerpadla. A čím méně bude startů, tím delší bude životnost.
Také mezi tepelná čerpadla již pronikají měniče frekvence, kterými je možné řídit výkon kompresoru, ale také zajistit plynulý start a zmenšit rozběhové proudy. Jestliže tepelné čerpadlo dokáže přizpůsobit svůj výkon aktuální potřebě tepla, není nutná žádná akumulace. Měniče frekvence jsou zatím spíše doménou vzduchových tepelných čerpadel, ale jednodušší softstartéry lze často nalézt už i v tepelných čerpadlech země-voda.
Aby tepelné čerpadlo pracovalo efektivně, je nutné mu do značné míry přizpůsobit a podřídit celý zbytek otopné soustavy. Z topenářského hlediska to znamená nízkoteplotní topení, z regulačního hlediska je nutné striktně oddělit přípravu teplé vody od vytápění. Bylo by neekonomické ze stejné akumulační nádrže vytápět (teplotou 40 °C) a připravovat teplou vodu (o teplotě 55 °C), protože by bylo nutné akumulační nádrž stále udržovat na vysoké teplotě. Tepelné čerpadlo tedy pracuje buďto při nízké teplotě pro vytápění, nebo při vyšší teplotě pro přípravu teplé vody. K tomuto rozdělení je většinou využíván třícestný ventil (obr. 5).
Při vypracovávání návrhu regulace je třeba upřednostnit přípravu teplé vody před vytápěním a navrhnout řízení třícestného ventilu a tepelného čerpadla tak, aby čerpadlo vždy topilo na odpovídající teplotu. Protože optimální vyladění regulace je závislé především na použitém tepelném čerpadle, snaží se někteří výrobci integrovat regulační komponenty přímo do tepelného čerpadla. Proto jsou na trhu tepelná čerpadla s integrovaným třícestným ventilem pro přípravu teplé vody, nebo dokonce i s vestavěným zásobníkem teplé vody.
Velmi výhodná pro tepelné čerpadlo je ekvitermní regulace otopné soustavy. Ta totiž vždy zajišťuje nejchladnější možnou vodu v topení. Zejména v přechodném období teplota otopné vody klesá třeba až k 28 °C, což velmi zvyšuje topný faktor a hospodárnost celého provozu.
Závěr
V článku bylo snahou osvětlit význam srovnávacích parametrů v tabulce na str. 41 a zmínit se hlavně o slabinách jednotlivých zařízení. Jejich přednosti vždy rádi sdělí obchodníci a výrobci. Nebylo možné postihnout všechny aspekty důležité pro výběr konkrétního tepelného čerpadla. Svou roli hrají další faktory, jako je záruka, renomé výrobce nebo o jiné zvláštní služby, slevové akce atd. Před koupí takto drahého zařízení je nutné se především zamyslet nad tím, zda je vůbec možné, aby byla pravda to, co tvrdí obchodník, popř. vyslechnout radu projektanta. Tepelná čerpadla jsou high-end výrobky a vybrat špatný zdroj tepla by mohlo být nejen nepříjemné, ale i drahé.
Literatura:
[1] DIN V 4701-10 Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen - Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung. DIN, 2001..
[2] MATUŠKA, T.: Tepelná čerpadla – Teorie a schémata. www.tzb-info.cz, 2005.
Ondřej Nehasil
Obr. 1. Kompaktní tepelné čerpadlo vzduch-voda při vnitřní instalaci
Obr. 2. Kompaktní tepelné čerpadlo vzduch-voda ve verzi pro venkovní instalaci
Obr. 3. Rozdělené tepelné čerpadlo vzduch-voda
Obr. 4. Oběh chladiva v tepelném čerpadle země-voda
Obr. 5. Oddělení přípravy teplé vody a ohřevu vody pro otopnou soustavu