Tepelné čerpadlá sa stávajú čoraz populárnejšou voľbou pre efektívne vykurovanie, chladenie a prípravu teplej vody (TUV) v domácnostiach. Využívajú energiu z okolitého prostredia - vzduchu, zeme alebo vody - a premieňajú ju na teplo pomocou moderných technológií. Tento článok sa zameriava na princíp fungovania tepelných čerpadiel, predovšetkým s dôrazom na ich využitie na ohrev TUV a na rôzne typy tepelných čerpadiel.
Princíp fungovania tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlá fungujú na princípe prenosu tepla z jedného miesta na druhé. Tento proces je podobný tomu, ako funguje chladnička, ale v opačnom smere. Zatiaľ čo chladnička odoberá teplo zvnútra a odvádza ho von, tepelné čerpadlo odoberá teplo z vonkajšieho prostredia a prenáša ho dovnútra, kde sa využíva na vykurovanie alebo ohrev vody.
Základné komponenty tepelného čerpadla sú:
- Výparník: Tu prúdi chladivo a absorbuje teplo z okolitého prostredia (vzduchu, zeme alebo vody). Chladivo sa mení z kvapalného stavu na plyn.
- Kompresor: Stláča plynné chladivo, čím zvyšuje jeho teplotu a tlak.
- Kondenzátor: Tu horúce chladivo odovzdáva teplo do vykurovacieho systému alebo do zásobníka TUV. Chladivo sa mení späť na kvapalinu.
- Expanzný ventil: Znižuje tlak chladiva, čím ho pripravuje na opätovné vstupe do výparníka.
Tento cyklus sa neustále opakuje, čím sa zabezpečuje nepretržitý prísun tepla.
Typy tepelných čerpadiel a ich využitie na ohrev TUV
Existujú rôzne typy tepelných čerpadiel, ktoré sa líšia zdrojom tepla a spôsobom distribúcie tepla. Medzi najbežnejšie patria:
Prečítajte si tiež: Typy tepelných čerpadiel
1. Tepelné čerpadlá vzduch-voda
Tieto tepelné čerpadlá získavajú teplo z vonkajšieho vzduchu a využívajú ho na vykurovanie a ohrev vody. Sú vhodné pre novostavby aj pre rekonštruované objekty. Na trhu sa stretávame s dvoma hlavnými typmi tohto zariadenia - monoblok a split.
- Tepelné čerpadlo typu monoblok: Vyrába sa a montuje ako jeden celok v továrni.
- Tepelné čerpadlo typu split: Komponenty chladiaceho systému sú rozdelené medzi vonkajšiu a vnútornú jednotku.
Tepelné čerpadlá vzduch/voda sú na Slovensku najčastejšie a sú vhodné pre novostavby aj pre kvalitne renovované objekty, pre podlahové vykurovanie aj radiátory. Teplo je odoberané prostredníctvom výparníka tepelného čerpadla, cez ktorý prúdi vonkajší vzduch. Pre dosiahnutie vysokého tepelného výkonu aj za pomerne nízkych vonkajších teplôt pomáha výrazne postupné vstrekovanie pary. Aj pri vonkajších teplotách okolo -20 °C tento systém dosahuje teploty vstupu okolo 60 °C, čo zabezpečuje potrebnú vstupnú hodnotu pre efektívne vykurovanie. K hlavným výhodám tepelného čerpadla vzduch/voda patrí v porovnaní s ostatnými druhmi čerpadiel pomerne nízke obstarávacie náklady a nenáročná inštalácia.
Princíp fungovania: Tepelné čerpadlo vzduch voda funguje na princípe využitia vonkajšieho vzduchu ako zdroja energie, ktorá sa následne transformuje do využiteľného tepla a prenesie do vykurovacieho systému domu. Využitím procesu chladenia a cyklu kompresie, tepelné čerpadlo extrahuje teplo z vonkajšieho vzduchu, podobne ako chladnička extrahuje teplo zo svojho vnútra.
Tepelné čerpadlo vzduch voda môže byť vybavené aj reverzným cyklom a variabilnou rýchlosťou, ktoré prispievajú k vyššej účinnosti a nižším nákladom na energiu. Navyše, tepelné čerpadlo vzduch-voda funguje aj v zime tým istým spôsobom ako v lete. Tepelné čerpadlo môže využiť teplo, aj keď je vonku chladnejšie, dokonca môže aj mrznúť. Okolitý vzduch navyše vždy obsahuje teplo - aj keď vonku mrzne. Dolná hranica teploty je fyzicky -273,15 °C (tzv. absolútna 0, alebo aj 0 Kelvinov). To znamená, že akákoľvek teplota nad touto hodnotou stále obsahuje tepelnú energiu, ktorú možno využiť.
2. Tepelné čerpadlá zem-voda
Tieto tepelné čerpadlá využívajú teplo uložené v zemi. Existujú dva hlavné typy systémov:
Prečítajte si tiež: Ariston Nuos Evo 110 WH - podrobná recenzia
- Zemný plošný kolektor: Funguje ako akumulátor tepla a získava teplo zo slnka uložené v pôde. Na jeho umiestnenie je potrebná plocha približne 1,5 až 2-násobok plochy obytnej časti domu.
- Zemný vrt (sonda): Využíva hlbinné teplo, ktoré je stabilnejšie po celý rok. Hĺbka vrtu je zvyčajne medzi 80 a 130 metrami.
V prípade čerpadiel typu zem/voda je teplo zo zeme prenášané obiehajúcou nemrznúcou kvapalinou. Tá v plynnom stave odoberá teplo v potrubí, ktoré je uložené vo vrte. Pre dosiahnutie vysokej teploty slúži kompresor, ktorý je zaradený do okruhu. Pri potrebe vyššieho výkonu sa používa aj niekoľko vrtov. Hlavnou výhodou tohto druhu tepelných čerpadiel je vysoký a stabilný tepelný faktor aj pri mrazoch, a tým pádom nižšie prevádzkové náklady.
3. Tepelné čerpadlá voda-voda
Tieto tepelné čerpadlá čerpajú tepelnú energiu z podzemnej vody, ktorá má stabilnú teplotu počas celého roka. Vyžadujú studňu na odber vody a vsakovaciu studňu, kam sa voda po využití vracia. Ich možnosti využitia v SR sú ale obmedzené. Tepelné čerpadlá voda/voda čerpajú tepelnú energiu z veľkých objemov podzemných vôd, ktorých je ale v SR nedostatok. Ďalšou možnosťou je čerpanie tepelnej energie z vodných plôch, čo je možné ale iba v prípade, že sa vhodná vodná plocha nachádza v bezprostrednej blízkosti nehnuteľnosti. Navyše by ste k tomuto riešeniu potrebovali súhlas správcu vodnej plochy.
Princíp fungovania: Jedným z možných tepelných zdrojov z okolia môže byť aj voda, najčastejšie podzemná voda. Existuje niekoľko rôznych systémov konštrukcie tepelných čerpadiel voda-voda. Základom je však vždy vodný zdroj. Voda z neho prichádza cez primárny okruh do kontaktu s chladnejšou chladiacou kvapalinou, ktorá si odoberie potrebné teplo z tejto vody a odparí sa. Následne už postup iste poznáte… prichádza ku kompresii, teda kompresor tieto pary chladiva svojou prácou stlačí a zvýši ich tlak a najmä teplotu.
Podzemná voda, z ktorej je odoberané teplo do vnútornej jednotky čerpadla môže pochádzať z ľubovoľného zdroja v blízkosti obydlia, ako napr. studňa, jazero, či rieka. Najčastejšie je však využívaná a odporúčaná vŕtaná studňa, kde ponorné čerpadlo čerpá podzemnú vodu cez primárny okruh do primárneho výmenníka vnútornej jednotky. Dôležitá je dostatočná teplota vody a výdatnosť studne (v L za sek.), aby pri mrazivých teplotách nedošlo k výpadkom.
Výhody čerpadiel voda-voda:
- Vysoká efektivita - koeficient výkonu COP sa pohybuje okolo čísla 6,5 až 7,3, čo je podstatne vyššie, než v prípade čerpadiel vzduch-voda a zem-voda.
- Relatívne nízke náklady na inštaláciu.
- Mimoriadne stabilný výkon.
- Maximálne tichá prevádzka.
- Vrt, resp. studňu možno využiť i na čerpanie vody na závlahu pozemku alebo aj ako vodu do domácnosti, napr. WC, práčka a pod.
Nevýhody čerpadiel voda-voda:
- Nutnosť správnej lokality - ide najmä o blízky vodný zdroj, ktorý musí byť vhodný na prevádzku čerpadla (stála teplota a výdatnosť vrtu, prípadne nadzemného zdroja).
- Posudzuje sa vhodné chemické zloženie vody, aby nedošlo k poškodeniu systému.
4. Tepelné čerpadlá vzduch-vzduch
Tieto tepelné čerpadlá nemožno pripojiť na vykurovací systém ani systém ohrevu TUV, fungujú totiž podobne ako priame ohrievače - teda tepelnú energiu z vonkajšieho vzduchu menia na teplý vzduch v interiéri. Pre dosiahnutie vysokého tepelného výkonu aj za pomerne nízkych vonkajších teplôt pomáha výrazne postupné vstrekovanie pary. Aj pri vonkajších teplotách okolo -20 °C tento systém dosahuje teploty vstupu okolo 60 °C, čo zabezpečuje potrebnú vstupnú hodnotu pre efektívne vykurovanie.
Prečítajte si tiež: Možnosti využitia tepelných čerpadiel
Ohrev TUV pomocou tepelného čerpadla
K príprave TUV slúžia tepelné čerpadlá s rozšírenou funkciou vykurovania, kde je časť tepelnej energie využívaná práve na tento účel. Súčasťou okruhu je potom aj zásobník na teplú vodu, ktorý možno ľahko pripojiť a vďaka dôkladnej tepelnej izolácii dosahuje výbornú účinnosť. Ako výborné riešenie sa dnes ukazujú tepelné čerpadlá na prípravu teplej sanitárnej vody. Počet inštalácií týchto čerpadiel narástol v roku 2021 až na 33%, pretože prinášajú okamžité úspory najmä pri rekonštrukciách s tepelnými čerpadlami Vzduch - Vzduch. Takáto kombinácia vynikajúco rieši vykurovanie i prípravu teplej vody.
Faktory ovplyvňujúce výber tepelného čerpadla
Pri výbere tepelného čerpadla je potrebné zvážiť niekoľko faktorov:
- Typ tepelného čerpadla: Výber závisí od dostupnosti zdroja tepla (vzduch, zem, voda) a od požiadaviek na vykurovanie a ohrev TUV.
- Výkon tepelného čerpadla: Musí zodpovedať tepelným stratám budovy a byť schopné poskytnúť dostatočné množstvo tepla počas najchladnejších dní v roku.
- Účinnosť tepelného čerpadla: Meria sa pomocou koeficientu výkonu (COP) a sezónneho koeficientu výkonu (SCOP). Čím vyššie sú tieto hodnoty, tým je tepelné čerpadlo účinnejšie.
- Možnosť chladenia: Ak plánujete využívať tepelné čerpadlo aj na chladenie, zamerajte sa na modely, ktoré podporujú túto funkciu.
- Dostupnosť inštalačného priestoru: Pre systémy zem-voda je potrebné zvážiť veľkosť a typ pozemku, pretože inštalácia plošného kolektora alebo vrtov zaberá priestor.
- Náklady na inštaláciu a prevádzku: Počiatočné náklady na inštaláciu tepelného čerpadla sa líšia v závislosti od jeho typu, no dôležitým faktorom sú aj prevádzkové náklady.
- Kompatibilita s existujúcim systémom: Ak už máte inštalovaný vykurovací systém, mali by ste zvážiť, či je kompatibilný s tepelným čerpadlom.
Ďalšie funkcie a vlastnosti tepelných čerpadiel
- Pasívne a aktívne chladenie: Niektoré tepelné čerpadlá umožňujú aj chladenie budovy. Pasívne chladenie je využiteľné len pri tepelných čerpadlách typu voda-voda a zem-voda. Aktívne chladenie je možné u všetkých typov tepelných čerpadiel.
- Inverterová technológia: Tepelné čerpadlá s inverterom dokážu regulovať otáčky kompresora podľa aktuálnej potreby, čo vedie k úspore energie a predĺženiu životnosti zariadenia. Tepelné čerpadlá Grubmann využívajú pokročilú technológiu inverteru najnovšej generácie (EVI inverter), aby zabezpečili čo najvyššiu životnosť a najnižšie prevádzkové náklady.
- Reverzný cyklus: Umožňuje tepelnému čerpadlu chladiť priestory v lete. Tepelné čerpadlo s reverzným cyklom funguje na základe zmeny smeru toku chladiva v chladiacom a vykurovacom cykle.
Efektivita tepelných čerpadiel v zime
Efektivita tepelných čerpadiel v zime môže klesať v prípade extrémnych mrazov, keď systém potrebuje viac elektriny na udržanie tepla. V zimnom období môžu tepelné čerpadlá vzduch-voda potrebovať odmrazovanie výparníka, keďže kondenzácia vlhkosti na studenom povrchu vytvára námrazu. S klesajúcimi vonkajšími teplotami sa efektivita tepelného čerpadla znižuje, čím sa znižuje aj koeficient výkonnosti (COP).
Tepelné čerpadlá a životné prostredie
Tepelné čerpadlá sú ekologickým riešením vykurovania a ohrevu TUV, pretože využívajú obnoviteľné zdroje energie a produkujú nízke emisie CO2. Pri výrobe tepla pomocou tepelného čerpadla nedochádza k žiadnemu zásahu do prírody, ani k spaľovaniu. Ide preto o bezpochyby najekologickejšie riešenie vykurovania, ktoré si vystačí iba s minimom elektrickej energie potrebnej na prevádzku čerpadla.
Tepelné čerpadlá na Slovensku a v Európe
Dopyt po tepelných čerpadlách na Slovensku posledné roky rastie. V Európe sa každoročne predá čoraz viac tepelných čerpadiel. Očakáva sa, že ich počet do roku 2030 narastie zhruba na 1,2 milióna. V Európe dominuje najmä predaj tepelných čerpadiel typu Vzduch - Vzduch a Vzduch - Voda. Na Slovensku rastie záujem najmä o tepelné čerpadlá Vzduch - Voda.