Tepelné čerpadlá sa tešia rastúcemu záujmu vďaka svojej schopnosti využívať teplo z obnoviteľných zdrojov, ako je vzduch, zem alebo voda. 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.
Princíp fungovania tepelného čerpadla
Princíp fungovania tepelného čerpadla je v podstate opačný ako pri chladničke. Zatiaľ čo chladnička vytvára chlad vo vnútri a teplo odvádza von, tepelné čerpadlo odoberá teplo z vonkajšieho chladnejšieho prostredia a pri vyššej teplote ho odovzdáva do vykurovacieho systému.
Srdcom tepelného čerpadla je kompresor, najčastejšie poháňaný elektromotorom, ale alternatívou môže byť aj plynový motor. Kompresor stláča pary pracovnej látky, ktoré sa kompresiou ohrejú na približne 70 °C. Vo výmenníku tepla skondenzujú na kvapalinu, pričom sa kondenzačné teplo odovzdá vykurovacej vode a pracovná látka sa schladí na cca 40 °C. Po prechode cez expanzný ventil do zóny s nízkym tlakom sa výrazne ochladí až na -10 °C. Vo výparníku sa ohreje teplom získaným z okolitého prostredia na bod varu cca -3 °C a odparí sa. Na jej ohriatie stačí zdroj tepla s nízkou teplotou, napríklad zem s teplotou +2 °C.
Štyri hlavné komponenty tepelného čerpadla sú:
- Kompresor: Stláča plynné chladivo, čím zvyšuje jeho teplotu a tlak.
- Kondenzátor: Horúce chladivo odovzdáva teplo do vykurovacieho systému a mení sa na kvapalinu.
- Expanzný ventil: Znižuje tlak a teplotu kvapalného chladiva.
- Výparník: Chladivo absorbuje teplo z okolitého prostredia a mení sa na plyn.
Typy tepelných čerpadiel
Tepelné čerpadlá sa delia podľa zdroja tepla, ktorý využívajú:
Prečítajte si tiež: Využitie tepelných čerpadiel
Vzduch/voda: Odoberá teplo z vonkajšieho vzduchu a odovzdáva ho do vykurovacieho systému. Sú na trhu najobľúbenejšie kvôli jednoduchej montáži a nízkym nákladom na prípravné práce. Teplo zo vzduchu je zadarmo a nepotrebujú veľký pozemok, ani zdroj vody.
- Oddelený výparník sa umiestňuje do exteriéru budovy a je prepojený s hlavnou jednotkou tepelného čerpadla v budove okruhom pracovnej látky, ktorú nazývame aj teplonosné médium či chladivo. 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.
- Ak plánujete využívať tepelné čerpadlo v rodinnom dome, kde bude inštalovaný aj systém núteného vetrania so spätným získavaním tepla, zvážte využitie vzduchového tepelného čerpadla. Okrem toho, že zariadenie bude vykurovať/chladiť, pripravovať teplú vodu a vetrať s rekuperáciou, je schopné ešte zvýšiť tepelný zisk zo vzduchu, ktorý bol už ochladený v rekuperačnom výmenníku. 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 kompaktný systém vykurovania a rekuperácie znižuje straty tepla, ktoré by inak vznikli počas vetrania.
- 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.
- 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. 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.
- 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.
- 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, kotol na zemný plyn alebo výstup z krbovej vložky. Hovoríme o bivalentných systémoch. V miernejšom II.
Voda/voda: Využíva teplo spodnej vody alebo jazier, studní. 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. 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.
- 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.
- 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.
- K výhodám podzemnej vody ako primárneho zdroja energie patrí jej pomerne stabilná teplota. Oceníte to v zime, ale aj v lete, ak uvažujete o jeho využití na chladenie. Limitujúcim faktorom býva jednoznačne výdatnosť studne. Voda však musí spĺňať požiadavky na chemické zloženie. Ak nevyhovuje, predradený výmenník musí chrániť tepelné čerpadlo pred jej priamym pôsobením. Výmenník zvyšuje nárok na prietok vody a znižuje tepelný rozdiel, teda zhoršuje aj SPF.
- Ak sa využíva povrchová voda, treba si uvedomiť, že táto nemusí byť úplne zadarmo. Nakladanie s vodami upravuje tzv. vodný zákon č. 364/2004 Z.
Zem/voda: Využíva teplo zo zeme prostredníctvom plošných kolektorov alebo geotermálnych sond.
- 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. Zemný kolektor by mal byť zhruba minimálne 2-krát a optimálne 3-krát väčší ako vykurovaná plocha domu. 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. V hadiciach zemného kolektora prúdi teplonosná kvapalina, najčastejšie soľanka. Anglicky „Brine“, preto „B“ v označovaní. Je to zmes vody a soli NaCl (kuchynskej soli). Zemné kolektory sa inštalujú v hĺbke cca 0,8 až 1,5 m pod povrchom, ktorá nezamŕza. Využívajú aj teplo naakumulované počas letnej sezóny.
- Zemné vrty využívajú geotermálne teplo prúdiace zo stredu Zeme. Pri vykurovaní väčších objektov tepelným čerpadlom zem/voda sú potrebné relatívne veľké zemné kolektory. Preto sa tento druh bude pravdepodobne aj naďalej uplatňovať najmä pri menších budovách, v ktorých stačí nižší výkon. Výskum naznačuje, že plošné kolektory by sa mohli v budúcnosti kombinovať so solárnymi systémami. Teplo zo slnečných kolektorov by sa naakumulovalo do zásobníka, odkiaľ by sa využívalo prostredníctvom tepelného čerpadla. 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. Zemné vrty, niekedy označované ako „sondy“, dosahujú hĺbku 50 až 250 m.
- Na zabezpečenie hospodárnej prevádzky je potrebné vopred zvážiť niekoľko bodov. Geotermálne sondy pre tepelné čerpadlá zem/voda získavajú teplo z hĺbky až 100 metrov. Geotermálne kolektory pre tepelné čerpadlá zem/voda získavajú teplo z blízkosti povrchu a môžu sa inštalovať bez povolenia.
- Okrem geotermálnych kolektorov sa mnohí majitelia systémov spoliehajú na geotermálne sondy na získavanie tepla uloženého v zemi pre svoje tepelné čerpadlá soľanka/voda. Jedným z hlavných dôvodov používania geotermálnych sond je veľmi malá inštalačná plocha. Samotná sonda má sotva väčší priemer ako CD. Jediné, čo potrebuje priestor, je vozidlo, ktoré vykonáva vŕtanie. Na získanie prístupu k tejto tepelnej energii je potrebné vopred vyvŕtať jeden alebo viac vrtov. Do vrtov sa vložia dvojité U-trubky a utesnia sa betónovou zmesou. V rúrkach cirkuluje soľanka (mrazuvzdorná kvapalina), ktorá absorbuje tepelnú energiu uloženú v zemi a odovzdáva ju tepelnému čerpadlu zemného zdroja. Potom nasleduje proces kompresie typický pre tepelné čerpadlá. V tomto procese sa odparené chladivo stláča, až kým nedosiahne požadovanú teplotu, ktorá sa použije na vykurovanie a ohrev teplej vody.
- V hĺbke približne 15 metrov je teplota konštantných desať stupňov Celzia a čím ďalej, tým viac sa zvyšuje. Aby tepelné čerpadlo soľanka/voda fungovalo efektívne, zdroj by mal poskytovať čo najvyššie teploty. V praxi sa geotermálne sondy hĺbia do hĺbky 40 až 100 metrov. Konečná dĺžka geotermálnych sond závisí od potreby tepla a od tepelnej vodivosti pôdy. Prípadne sa namiesto jednej geotermálnej sondy môže použiť niekoľko geotermálnych sond.
- Geotermálne kolektory pre tepelné čerpadlá zem/voda získavajú teplo z blízkosti povrchu a môžu sa inštalovať bez povolenia. Princíp činnosti tepelného čerpadla zem/voda je založený na princípe absorpcie, kompresie, uvoľňovania a expanzie.
- Geotermálne kolektory pre tepelné čerpadlá zem/voda sú plytké geotermálne energetické systémy inštalované blízko povrchu, ktoré získavajú tepelnú energiu zo zeme v hĺbke približne jeden až dva metre. Na získavanie tepla sa geotermálne kolektory inštalujú blízko povrchu a pod hranicou mrazu, podobne ako systém podlahového vykurovania. V závislosti od regiónu sa táto hranica líši a výrazne ju ovplyvňuje hĺbka pôdy. V praxi sa väčšina geotermálnych kolektorov umiestňuje horizontálne v hĺbke 1,0 až 1,5 metra pod povrchom pôdy. Medzi najbežnejšie typy patria povrchové kolektory, výkopové kolektory, špirálové kolektory a geotermálne koše. V závislosti od typu kolektora a inštalácie môže výkop alebo vŕtanie dosiahnuť hĺbku až päť metrov. Pri kladení potrubí je dôležité zabezpečiť, aby boli od seba vzdialené v určitej vzdialenosti. Geotermálne kolektory zvyčajne pozostávajú z plastových rúrok s priemerom dva až štyri centimetre. Priemer potrubia závisí od pôdnych podmienok aj od hĺbky inštalácie a mal by čo najviac zodpovedať potrebe tepla. Nesprávny návrh bude mať negatívny vplyv na ekonomickú efektívnosť a treba sa mu za každú cenu vyhnúť. V zemnom tepelnom čerpadle sa získané teplo odovzdáva chladivu, ktoré sa potom odparuje. Aby sa vzniknutá para chladiva zvýšila na požadovanú teplotu a mohla sa použiť na záložné vykurovanie alebo ohrev teplej vody, stláča sa pomocou kompresora.
- V porovnaní s geotermálnymi sondami sa na inštaláciu geotermálnych kolektorov nevyžaduje žiadne povolenie, stačí len oznámenie miestnemu úradu. Na to, aby ste našli správne kolektory, je potrebné vopred zohľadniť niekoľko faktorov. V praxi sa geotermálne kolektory často inštalujú horizontálne a podobným spôsobom ako podlahové vykurovanie. Táto technológia si však vyžaduje veľkú plochu. Priestor, ktorý musí byť k dispozícii, veľmi závisí od požiadaviek na vykurovanie. Platí však pravidlo, že plocha kolektora by mala byť približne jeden a pol až dvojnásobne väčšia ako plocha, ktorá sa má vykurovať. Ak je priestor obmedzený, je možná vertikálna inštalácia, napr. ako výkopový kolektor alebo ako geotermálny košový kolektor. Pri výbere správnych geotermálnych kolektorov zohráva rozhodujúcu úlohu aj typ pôdy. Rozlišuje sa medzi vlhkou a suchou pôdou, pričom vlhká pôda poskytuje podstatne viac tepelnej energie. V každom prípade treba dbať na to, aby plocha kolektora nebola nikdy prekrytá alebo dokonca zastavaná. Ak sa tak stane, pôda sa už nebude môcť regenerovať prostredníctvom slnečného žiarenia a teplého dažďa. Geotermálne kolektory sa považujú za dobrú alternatívu geotermálnych sond, pretože na ich uvedenie do prevádzky nie je potrebné získať úradné povolenie. V ich prospech hovorí aj niekoľko ďalších aspektov.
Parametre tepelných čerpadiel
Pri výbere tepelného čerpadla je dôležité sledovať nasledujúce parametre:
- COP (Coefficient of Performance): Pomer výstupného tepelného výkonu k energetickému príkonu na vstupe. Vyjadruje hlavnú výhodu tepelného čerpadla oproti iným technológiám používaným na výrobu tepla. COP udáva každý výrobca v katalógu. Nemožno ho porovnávať bez poznania podmienok jeho určenia, je to totiž len jeden bod na skutočnej prevádzkovej charakteristike zariadenia. Napríklad to isté čerpadlo v režime teplôt A7 (teplota primárneho média 7 °C) /W35 (teplota výstupnej vykurovacej vody 35 °C) môže mať COP 3,90.
- SPF (Seasonal Performance Factor): Pomer tepla na výstupe z čerpadla v priebehu jedného roka k celkovej spotrebe energie. Je presnejším a komplexnejším ukazovateľom efektívnosti inštalácie ako COP. Vyjadruje schopnosť tepelného čerpadla pracovať energeticky efektívne aj pri čiastočnej záťaži, to znamená prispôsobiť energetickú náročnosť meniacej sa potrebe vykurovacieho výkonu v závislosti od zmeny vonkajšej teploty. Pre jeho správne určenie by mala bilancia spotreby zahŕňať všetku energiu potrebnú v súvislosti s používaním čerpadla.
Inštalácia a prevádzka tepelného čerpadla
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.
Prečítajte si tiež: Výhody Tepelných Čerpadiel Austria Email
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.
Integrácia s inými systémami
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. Bivalentné systémy nie sú potrebné v prípade špeciálnych typov 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.
Prečítajte si tiež: Samsung 12kW - parametre vnútornej jednotky
tags: #geotermalna #sonda #tepelne #cerpadlo