Tepelné čerpadlá sa stávajú čoraz populárnejším riešením pre efektívne vykurovanie, chladenie domov a prípravu teplej vody. Využívajú energiu z okolitého prostredia - vzduchu, zeme alebo podzemnej vody - a pomocou moderných technológií ju premieňajú na teplo, ktoré je následne využiteľné pre vykurovanie, chladenie alebo ohrev vody. Tento článok sa zameriava na princíp fungovania tepelných čerpadiel, najmä s dôrazom na ohrev vody.
Princíp fungovania tepelných čerpadiel
Všetky tepelné čerpadlá pracujú na princípe odoberania nízkopotenciálneho tepla z okolitého zdroja (vzduch, voda, zem) a jeho odovzdávania druhej, vykurovacej látke. Aj niekoľkostupňový rozdiel teploty zdroja predstavuje veľké množstvo ekologickej energie na vykurovanie alebo chladenie. Tepelné čerpadlo funguje na princípe kompresie a expanzie chladiva, pričom odoberá teplo z okolitého prostredia a odovzdáva ho obiehajúcej vode v systéme.
Základné komponenty a proces
Tepelné čerpadlo funguje ako chladnička, avšak v obrátenom režime. Jeho hlavnými časťami sú výparník na vonkajšej jednotke, kompresor a kondenzátor na vnútornej jednotke. Chladivo, ktoré cirkuluje v tepelnom čerpadle, získava teplo z okolitého vzduchu, zeme alebo z vody. To závisí od typu tepelného čerpadla. Následne začne vo výparníku vrieť. Kompresor nasaje chladivo v plynnom skupenstve, kde sa stlačí na vysoký tlak a teplotu. Potom horúce prúdi ku kondenzátoru, kde sa kondenzačné teplo odovzdá do vykurovacieho systému.
Vo vnútri tepelného čerpadla obieha chladivo, čo je špeciálna náplň, ktorá dobre vedie teplo a zároveň nezamrzne pri nízkej teplote. Toto chladivo je kompresorom stlačené na vysoký tlak, čo zvýši jeho teplotu, následne sa toto teplo odovzdá vo výmenníku (kondenzátore) obiehajúcej vykurovacej vode. Ďalej ochladené chladivo putuje do expanzného ventilu (tryska), kde prebehne expanzia - zníženie tlaku a prudké ochladenie na teploty hlboko pod bod mrazu, teda na teplotu nižšiu ako je teplota vonkajšieho vzduchu. Takto schladené chladivo je prehnané cez vonkajší výparník (viditeľná rebrovaná časť tepelného čerpadla) kde je ventilátorom nútene hnaný vzduch z okolia. Kompresia sa teda používa na zvýšenie teploty chladiva nad teplotu obiehajúcej vody aby jej bolo možné odovzdať teplo a následná expanzia posunie teplotu pod teplotu okolitého vzduchu aby sa mohla o neho ohriať.
Odmrazovanie výparníka
Je to práve kvôli nízkej teplote chladiva hlboko pod bodom mrazu, hnaného do tenkých rebier výparníka. Teleso výparníka sa prudko ochladí a na jeho povrchu začne zamŕzať vzdušná vlkosť. Táto námraza postupne rastie až znemožní okolitému vzduchu prúdiť pomedzi rebrá a odovzdávať svoje teplo do chladiva. Riadiaca jednotka dokáže otočiť smer cirkulácie chladiva, čo spustí opačný proces ako je kúrenie. Chladivo odoberie teplo z kurenárskej vody, následne putuje do kompresora kde svoju teplotu ešte zvýši a horúce je vpustené do výparníka, kde sa ochladí o okolitý vzduch.
Prečítajte si tiež: Typy tepelných čerpadiel
Rôzne typy chladív
V ponuke máme dva typy čerpadiel, radu ECO s moderným chladivom R290 a radu CLASSIC s chladivom R32. Chladivo R290 je aktuálne najekologickejšie chladivo na trhu, ak by vám unikla celá náplň do ovzdušia, uhlíková stopa je rovnaká ako prejdenie vzdialenosti 6km osobným autom (parameter GWP = 3). Chladivo R32 je druhé najekologickejšie, uhlíková stopa pri úniku by bola ekvivalentná 3500km prejdených osobným autom (GWP = 675). Ekológia je však iba jeden faktor. Moderné chladivo R290 má lepšiu tepelnú kapacitu a vďaka tomu nie sú potrebné tak vysoké tlaky v systéme, čo predlžuje životnosť tepelného čerpadla a umožňuje mu fungovať do teploty vody na výstupe až 70°C. Z chemického hľadiska je chladivo R290 plyn propán.
Typy tepelných čerpadiel
Existujú rôzne typy tepelných čerpadiel, ktoré využívajú rôzne zdroje tepla:
- Tepelné čerpadlá vzduch-voda: Získavajú teplo z vonkajšieho vzduchu a využívajú ho na vykurovanie a ohrev vody. Na trhu sa stretávame s dvoma hlavnými typmi tohto zariadenia - monoblok a split.
- Monoblok: Tepelné čerpadlo monoblok sa vyrába a montuje ako jeden celok v továrni.
- Split: V prípade splitového riešenia sú komponenty chladiaceho systému rozdelené medzi vonkajšiu a vnútornú jednotku.
- Tepelné čerpadlá zem-voda: Fungujú pomocou hermeticky uzavretého chladiaceho okruhu s kompresorom, ktorý dokáže využiť nízkopotenciálnu energiu uloženú v horninách.
- Zemný plošný kolektor: Funguje ako akumulátor tepla, v podstate ide o obrovský solárny kolektor. Teplo získava zo slnka počas teplejších mesiacov a ukladá ho v pôde. Pri využití plošného kolektora sa počíta, že potrebujete približne 1,5 až 2-násobok plochy obytnej časti domu. Nevýhodou tohto riešenia je, že na mieste, kde sú kolektory umiestnené, už nie je možné kopať alebo budovať hlbšie základy, aby sa nepoškodil systém.
- Zemný vrt (sonda): Využíva hlbinné teplo, ktoré je stabilnejšie po celý rok. Hĺbka vrtu je zvyčajne medzi 80 a 130 metrami a má priemer okolo 175 mm.
- Tepelné čerpadlá voda-voda: Využívajú podzemnú alebo povrchovú vodu ako zdroj tepla.
- Čerpanie podzemnej vody: Vyžaduje studňu na odber vody a vsakovaciu studňu, kam sa voda po využití vracia.
- Čerpanie povrchovej vody: Sú závislé od sezónnych zmien teploty vody.
Tepelné čerpadlá voda-voda podrobnejšie
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.
Medzi bezkonkurenčnú výhodu radíme to, že podzemná voda si teplotu udržiava stabilne celoročne cca medzi 8-14 °C. Platí úmera, čím vyššia teplota zdrojovej vody, tým vyššia celková účinnosť čerpadla. Slovensko má mimoriadne vhodné podmienky na väčšine nášho územia. Špeciálne lokality povodia riek Váh a Dunaj, územie Podunajskej nížiny, Považie, Pohronie, kraje Bratislava, Trnava, Trenčín alebo i východ a okolie riek Torysa, Laborec. Teplo získané chladivom z podzemnej vody je následne použité na ohrev vykurovacej vody. Tento proces sa deje za pomoci práce kompresora a kondenzátora. Veľkou devízou čerpadiel voda-voda je ich 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, kde sú bežné hodnoty okolo čísla 4-5 v závislosti na modeloch. To znamená, že na 1 jednotku energie spotrebovanej výmenníkom a kompresorom získa tepelné čerpadlo voda-voda cca 6-7 jednotiek lacnej energie na vykurovanie alebo chladenie. Druhou výhodou sú relatívne nízke náklady na inštaláciu, keďže výkopové práce sú síce nutné, no nie sú až také komplikované, ako pri čerpadlách zem-voda. Hĺbka výkopu pre prívod vody sa odporúča v nezámrznej hĺbke cca 80 cm a šírka 30 cm. Tieto čerpadlá oplývajú aj mimoriadne stabilným výkonom - pri správnej konštrukcii sa teplota vodného zdroja nemení, takže vykurovanie je rovnako účinné aj pri veľmi nízkych mrazivých teplotách. maximálne tichá prevádzka. modely AquaMaster ako jediné na trhu používajú špeciálny koaxiálny výmenník tepla, ktorý sa nezanáša vodným kameňom! Konkurencia používa klasické doskové výmenníky, ktoré treba pravideľne čistiť. vrt, resp. studňu možno využiť i na čerpanie vody na závlahu pozemku alebo aj ako vodu do domácnosti, napr. WC, práčka a pod.
Kde sú však pozitíva, sú aj negatíva. Tým najvýznamnejším je nutnosť správnej lokality - ide najmä o blízky vodný zdroj, ktorý musí byť vhodný na prevádzku čerpadla (stála teplota a výdatnosť vrtu, prípadne nadzemného zdroja). Ak nie sú podmienky vhodné, čerpadlo voda-voda nemá zmysel inštalovať. Preto je nutná konzultácia s expertom, ktorý dokáže posúdiť podmienky lokality. Taktiež sa posudzuje vhodné chemické zloženie vody, aby nedošlo k poškodeniu systému. Neodporúča sa inštalácia pri veľmi železitej alebo mangánovej vode, môže dôjsť k upchatiu ponorného čerpadla i zaneseniu samotnej vnútornej jednotky. Pred inštaláciou odporúčame odpieskovať a odkaliť zdrojovú studňu.
Prečítajte si tiež: Ariston Nuos Evo 110 WH - podrobná recenzia
Faktory ovplyvňujúce výber tepelného čerpadla
Pri výbere tepelného čerpadla je potrebné zvážiť niekoľko faktorov:
- Typ tepelného čerpadla: Existujú 3 druhy tepelných čerpadiel, ktoré sú podrobnejšie popísané vyššie v článku.
- Výkon tepelného čerpadla: Výkon tepelného čerpadla musí zodpovedať tepelným stratám budovy. Musí byť schopné poskytnúť dostatočné množstvo tepla počas najchladnejších dní v roku.
- Účinnosť tepelného čerpadla: Účinnosť tepelného čerpadla sa meria pomocou koeficientu výkonu (COP) a sezónneho koeficientu výkonu (SCOP). COP označuje výkonový koeficient tepelného čerpadla. Tento koeficient udáva, koľkokrát viac tepelnej energie dokáže tepelné čerpadlo vyrobiť, než koľko energie spotrebuje na svoju prevádzku. SCOP je sezónna hodnota efektivity, ktorá zohľadňuje výkyvy v prevádzkových podmienkach počas celého roka.
- Možnosť chladenia: Ak plánujete využívať tepelné čerpadlo aj na chladenie, zamerajte sa na modely, ktoré podporujú túto funkciu. Existujú dva typy chladenia:
- Pasívne chladenie: Je využiteľné len pri tepelných čerpadlách typu voda-voda a zem-voda. Tento spôsob využíva nízke teploty zeme alebo podzemnej vody, ktoré sú cez výmenník tepla prenesené do vykurovacieho systému. Počas tohto procesu nie je kompresor tepelného čerpadla aktívny.
- Aktívne chladenie: Je možné u všetkých typov tepelných čerpadiel. Pri aktívnom chladení sa kompresor tepelného čerpadla zapne a funguje podobne ako klimatizácia.
- Dostupnosť inštalačného priestoru: Pre systémy zem-voda je potrebné zvážiť veľkosť a typ pozemku, pretože inštalácia plošného kolektora alebo vrtov zaberá priestor. Použitie povrchových kolektorov vyžaduje dvakrát väčšiu plochu pre kolektory, ako je veľkosť vykurovanej plochy. Výkopy musia byť hlboké približne 1,50 m a musí byť dodržaná minimálna vzdialenosť medzi kolektormi, vodovodným potrubím, kanálmi a budovami. Plocha kolektora musí byť nespevnená a nezastavaná, aby sa zabezpečilo dostatočné vsakovanie dažďovej vody. Geotermálne sondy sa hodia aj na menšiu plochu pozemku, pretože si vyžadujú len otvor s priemerom približne 15 cm a hĺbkou od 80 m (ideálne, ak sú hlbšie ako 100 m).
- 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. Investície vs. Akvizičné náklady: Tepelné čerpadlo zem-voda sa pohybuje v cenových reláciách od 4000 do 12000 Eur. Náklady na výstavbu: Hlavne náklady na výkopové a vŕtacie práce (v závislosti od množstva a typu kolektorov, pričom geotermálne sondy sú o niečo drahšie).
- Kompatibilita s existujúcim systémom: Ak už máte inštalovaný vykurovací systém, mali by ste zvážiť, či je kompatibilný s tepelným čerpadlom.
Efektivita tepelných čerpadiel v závislosti od podmienok
Efektivita tepelných čerpadiel v zime môže klesať v prípade extrémnych mrazov, keď systém potrebuje viac elektriny na udržanie tepla. Tepelné čerpadlo tak počas celého roka funguje v závislosti od klimatických podmienok, pričom jeho výkon a efektivita sa menia v súlade s vonkajšími teplotami. V zimnom období môžu tepelné čerpadlá vzduch-voda potrebovať odmrazovanie výparníka, keďže kondenzácia vlhkosti na studenom povrchu vytvára námrazu.
- Vplyv nízkych teplôt: S klesajúcimi vonkajšími teplotami sa efektivita tepelného čerpadla znižuje, čím sa znižuje aj koeficient výkonnosti (COP).
- Tepelné čerpadlo v lete: Niektoré tepelné čerpadlá môžu v lete slúžiť ako chladiaci systém. V lete sa COP (koeficient výkonnosti) zvyšuje, pretože vonkajšie teploty sú vyššie a tepelné čerpadlo nemusí toľko „bojovať“ proti nízkym teplotám.
Vykurovací faktor (COP)
Vykurovací faktor COP ukazuje, ako je tepelné čerpadlo efektívne (úsporné). Je to pomer medzi vyrobeným teplom a spotrebovanou elektrickou energiou. Čím vyšší vykurovací faktor, tým je prevádzka tepelného čerpadla lacnejšia. Rôzne typy tepelných čerpadiel majú rôzne vykurovacie faktory. Vykurovací faktor tepelného čerpadla zem/voda je behom celého roku vysoký. Vykurovací faktor tepelného čerpadla vzduch/voda behom roku značne kolíše podľa vonkajšej teploty. Z princípu tepelného čerpadla vyplýva, že čím je menší rozdiel medzi teplotou prostredia z ktorej energiu získavame a teplotou vykurovacej vody pre vykurovanie, tým lacnejšie tepelné čerpadlo kúri. Prakticky to znamená, že najnižšie prevádzkové náklady bude mať tepelné čerpadlo zem/voda pripojené k podlahovému kúrení a najvyššie tepelné čerpadlo vzduch/voda pripojené k radiátorom.
Tepelné čerpadlá na prípravu teplej vody
Tepelné čerpadlá na prípravu teplej vody využívajú tepelnú energiu, ktorá je už prítomná v prostredí, na výrobu teplej vody. Tepelné čerpadlo na prípravu teplej vody pozostáva z jednotky, ktorá obsahuje všetky dôležité komponenty pre proces získavania tepla. Patrí k nim výparník, kompresor, kondenzátor a zásobník teplej vody. Počas prevádzky tepelné čerpadlo na teplú vodu absorbuje teplo z recirkulačného alebo odvádzaného vzduchu a odovzdáva ho do výparníka. Obsahuje chladivo, ktoré sa pri nízkej teplote zahrieva, kým sa zmení na paru. Keďže teplota vypareného chladiva ešte nie je dostatočne vysoká na ohrev vody, nasleduje proces kompresie. V poslednom kroku ohriata para chladiva odovzdá svoju tepelnú energiu zabudovanému zásobníku teplej vody, ochladí sa a skondenzuje. Kvapalné chladivo sa potom expanduje pod vysokým tlakom pomocou expanzného ventilu, pričom sa naďalej výrazne ochladzuje.
Získavanie tepla z rôznych zdrojov
Tepelné čerpadlá na prípravu teplej vody môžu získavať teplo buď z recirkulačného vzduchu, vonkajšieho vzduchu alebo z odsávaného vzduchu. Medzi vhodné miestnosti pre tepelné čerpadlo na prípravu teplej vody s recirkuláciou vzduchu patria pivnice, ktoré majú počas zimných mesiacov stálu a relatívne vysokú teplotu. Počas prevádzky sa teplota v suteréne ochladí približne o dva až štyri stupne. Zároveň sa odvlhčuje vzduch v suteréne. Ďalšou možnosťou sú tepelné čerpadlá na ohrev teplej vody pomocou odsávaného vzduchu. V tomto prípade sa horný kryt tepelného čerpadla s odsávaným vzduchom nahradí krytom odsávaného vzduchu a tepelné čerpadlo sa napojí na existujúci systém rozvodu vzduchu. Tepelné čerpadlo je zásobované teplým odvádzaným vzduchom z niekoľkých miestností, čo mu umožňuje zabezpečiť dobré vetranie priemerného rodinného domu. Odvádzaný vzduch, ktorý sa ochladí počas ohrevu teplej vody, sa odvádza von ako odvádzaný vzduch. Aby sa zabránilo podtlaku, vonkajší vzduch sa musí privádzať cez samostatné prvky prívodu vzduchu.
Prečítajte si tiež: Možnosti využitia tepelných čerpadiel
Duálna prevádzka so solárnym systémom
Tepelné čerpadlá Viessmann na prípravu teplej vody sú určené na monorežimovú aj duálnu prevádzku so solárnym systémom. V dvojrežimovej verzii sa čerpadlo solárneho okruhu zapína alebo vypína elektronicky pomocou regulácie teplotného rozdielu. Ak je čerpadlo solárneho okruhu aktívne, tepelné čerpadlo nevyrába teplú vodu. Tým sa zabezpečí optimálne využitie voľnej solárnej energie. Okrem toho môže tepelné čerpadlo optimálne využívať vlastnú energiu z fotovoltického systému.
Výhody tepelných čerpadiel na prípravu teplej vody
Ak tepelné čerpadlo vyrába len teplú vodu, má pre majiteľov systému mnoho výhod. Jednou z nich sú nízke investičné a prevádzkové náklady. Nie je potrebné vyvíjať zdroj tepla, ako je to v prípade mnohých systémov, pretože zdroj energie je už k dispozícii a je zadarmo. A keďže tepelné čerpadlo na vodu nevypúšťa emisie, nie je potrebný komín. Odpojenie od vykurovacieho systému má aj ďalšie výhody. Kotol sa môže počas teplejších mesiacov roka úplne vypnúť, a tak nepotrebuje žiadnu elektrickú energiu. Inštalácia tepelného čerpadla na prípravu teplej vody si vyžaduje veľmi málo času. V konečnom dôsledku nie je potrebná ani plynová prípojka, ani zásobník oleja. A keďže sa pri ohreve teplej vody nespaľujú žiadne fosílne palivá, majitelia systému z dlhodobého hľadiska šetria životné prostredie aj svoje peňaženky. V neposlednom rade môže tepelné čerpadlo na prípravu teplej vody, ak je nainštalované v pivničnej miestnosti, túto miestnosť aj odvlhčovať. Tým sa znižuje riziko vzniku plesní a chráni sa murivo.
Dotácie a podpora
Zníženie emisií a nákladov na energiu z vykurovania pomocou moderného systému vykurovania v kombinácii so zateplením domu môže byť podporené z projektu Obnov dom. Kúpa tepelného čerpadla využívajúceho obnoviteľné zdroje môže byť podporená z národného projektu Zelená domácnostiam. V rámci projektu Zelená domácnostiam, bude možné získať podporu na inštaláciu tepelných čerpadiel, ktoré budú slúžiť predovšetkým na vykurovanie.