Tepelné čerpadlá sa stávajú čoraz obľúbenejším riešením pre efektívne vykurovanie, chladenie a prípravu teplej vody v domácnostiach. Využívajú energiu z okolitého prostredia a premieňajú ju na využiteľné teplo, čím predstavujú ekologickú a ekonomickú alternatívu ku konvenčným vykurovacím systémom.
Princíp fungovania tepelných čerpadiel
Princíp fungovania tepelného čerpadla je v podstate opačný ako pri chladničke. Zatiaľ čo chladnička odoberá teplo z vnútorného priestoru a odvádza ho do okolia, tepelné čerpadlo odoberá teplo z vonkajšieho prostredia (vzduch, zem, voda) a odovzdáva ho do vykurovacieho systému v budove.
Srdcom tepelného čerpadla je kompresor, ktorý stláča pary pracovnej látky (chladiva). Tým sa pary ohrejú na vysokú teplotu (cca 70 °C). Následne pary kondenzujú vo výmenníku tepla, pričom odovzdávajú teplo vykurovacej vode. Ochladená pracovná látka prechádza cez expanzný ventil, kde sa zníži jej tlak a výrazne sa ochladí (až na -10 °C). V poslednej fáze sa chladivo vo výparníku ohreje teplom z okolitého prostredia a opäť sa odparí.
Typy tepelných čerpadiel
Na trhu existuje niekoľko typov tepelných čerpadiel, ktoré sa líšia zdrojom tepla a spôsobom prenosu tepla do vykurovacieho systému:
Tepelné čerpadlá vzduch-voda: Získavajú teplo z vonkajšieho vzduchu a využívajú ho na vykurovanie a ohrev vody. Existujú dva hlavné typy:
Prečítajte si tiež: Využitie tepelných čerpadiel
- Monoblok: Všetky komponenty sú umiestnené v jednej vonkajšej jednotke. Tepelné čerpadlo monoblok sa vyrába a montuje ako jeden celok v továrni.
- Split: Komponenty chladiaceho systému sú rozdelené medzi vonkajšiu a vnútornú jednotku.
Tepelné čerpadlá zem-voda: Využívajú teplo uložené v zemi. Existujú dva spôsoby získavania tepla zo zeme:
- Zemný plošný kolektor: Systém potrubí uložených v plytkej hĺbke pod povrchom zeme. 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. Približná cena za 1 meter zemného vrtu na pozemku sa môže líšiť v závislosti od viacerých faktorov, ako je napríklad typ pôdy, prístupnosť terénu, hĺbka vrtu a technológia, ktorá sa používa.Závesné tepelné čerpadlo geoTHERM zem-voda je ideálnym riešením pre nízkoenergetické budovy a domy s takmer nulovou spotrebou energie.
Tepelné čerpadlá voda-voda: Využívajú teplo z podzemnej alebo povrchovej vody.
- Čerpanie podzemnej vody: Tepelné čerpadlo voda-voda, ktoré využíva podzemnú vodu, vyžaduje studňu na odber vody a vsakovaciu studňu, kam sa voda po využití vracia.
- Čerpanie povrchovej vody: Tepelné čerpadlá, ktoré využívajú povrchovú vodu, sú závislé od sezónnych zmien teploty vody.
Dôležité parametre pri výbere tepelného čerpadla
Pri výbere tepelného čerpadla je potrebné zvážiť niekoľko dôležitých parametrov:
- Typ tepelného čerpadla: Vyberte typ, ktorý je najvhodnejší pre vaše podmienky a potreby.
- Výkon tepelného čerpadla: Výkon musí zodpovedať tepelným stratám budovy a musí byť schopné poskytnúť dostatočné množstvo tepla počas najchladnejších dní v roku.
- Účinnosť tepelného čerpadla: Účinnosť sa meria pomocou koeficientu výkonu (COP) a sezónneho koeficientu výkonu (SCOP). Označuje výkonový koeficient tepelného čerpadla. Tento koeficient udáva, koľkokrát viac tepelnej energie dokáže tepelné čerpadlo vyrobiť, než koľko energie spotrebuje na svoju prevádzku. Je sezónna hodnota efektivity, ktorá zohľadňuje výkyvy v prevádzkových podmienkach počas celého roka. Pomer výstupného tepelného výkonu k energetickému príkonu na vstupe vyjadruje COP (Coefficient Of Performance). Do slovenčiny ho možno preložiť ako výkonové číslo. Niekedy sa používa aj termín vykurovací faktor. COP 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. Pomer tepla na výstupe z čerpadla v priebehu jedného roka k celkovej spotrebe energie vyjadruje SPF (Seasonal Performance Faktor). Niekedy sa označuje aj ako β. SPF uvádzajú len niektorí výrobcovia, pretože je potrebné poznať, resp. zohľadniť aj podmienky inštalácie. Je však kľúčovým parametrom systému, pretože pri hodnotení dosiahnutých reálnych výsledkov a návratnosti investície záleží na celkovej energetickej a nákladovej bilancii. SPF 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.
- Možnosť chladenia: Ak plánujete využívať tepelné čerpadlo aj na chladenie, zamerajte sa na modely, ktoré podporujú túto funkciu. Na chladenie je možné využívať čerpadlá v reverznom chode. Chlad je odovzdávaný do vody, podobne ako teplo pri vykurovaní. Pri distribúcii chladu nie je vhodné používať systém podlahového vykurovania, pretože chlad nestúpa.
- 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 sa líšia v závislosti od typu, no dôležitým faktorom sú aj prevádzkové náklady. Pri porovnávaní cien tepelných čerpadiel sa nezabudnite uistiť, čo všetko je obsiahnuté v základnej cene ponúkaného systému. Rozdiely môžu byť zásadné.
- Kompatibilita s existujúcim systémom: Ak už máte inštalovaný vykurovací systém, mali by ste zvážiť, či je kompatibilný s tepelným čerpadlom. Nečakajte, že starý kotol jednoducho zameníte za tepelné čerpadlo. Ak má tepelné čerpadlo pracovať čo najúčinnejšie, neoplatí sa spoliehať na klasický vykurovací systém, ktorý vyžaduje vyššiu teplotu vykurovacej vody. Pri tepelnom čerpadle sú ideálne nízkoteplotné veľkoplošné systémy odovzdávania tepla.
Pasívne a aktívne chladenie
Tepelné čerpadlá môžu poskytovať chladenie dvoma spôsobmi:
- 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. Teplo získané v lete z prevádzky klimatizácie je možné čiastočne akumulovať v prípade, ak máme tepelné čerpadlo využívajúce pre vykurovanie teplo zeme pomocou vrtov. Viesť ich možno v podloží vhodnom na akumuláciu tepla a vŕtanie, napr. 12 m pod povrchom. Slnečné teplo je potrebné cielene dobíjať, pretože prirodzený prestup tepla z povrchu je v týchto hĺbkach menší.
Vplyv klimatických podmienok na efektivitu
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. S klesajúcimi vonkajšími teplotami sa efektivita tepelného čerpadla znižuje, čím sa znižuje aj koeficient výkonnosti (COP). V zimnom období môžu tepelné čerpadlá vzduch-voda potrebovať odmrazovanie výparníka, keďže kondenzácia vlhkosti na studenom povrchu vytvára námrazu.
Prečítajte si tiež: Výhody Tepelných Čerpadiel Austria Email
V lete sa COP (koeficient výkonnosti) zvyšuje, pretože vonkajšie teploty sú vyššie a tepelné čerpadlo nemusí toľko „bojovať“ proti nízkym teplotám.
Hlučnosť tepelných čerpadiel
Hlučné tepelné čerpadlá môžu rušiť susedov, a to najmä v husto zastavaných oblastiach alebo v čoraz populárnejšej radovej zástavbe. WHladina akustického výkonu Lw. Ide o technický parameter tepelného čerpadla, ktorý nájdete na jeho štítku alebo v katalógu výrobcu. Hladina akustického výkonu sa udáva v decibeloch, tzn. dB(A). Je nezávislá od okolitých podmienok, takže môžete priamo porovnať hlukové parametre rôznych modelov. Meria sa rovno na povrchu tepelného čerpadla v súlade s normou EN 12102-2 (143019). PHladina akustického tlaku Lp. Ide o intenzitu hluku v určitej vzdialenosti od jeho zdroja a vplyvom okolia. Vypočítava sa z hladiny akustického výkonu alebo sa meria na mieste inštalácie. Najvýznamnejší podiel na hlučnosti tepelného čerpadla majú jeho rotujúce časti. Prvou je kompresor, ktorý zabezpečuje kompresiu chladiva a je poháňaný elektromotorom. Moderné kompresory typu scroll však na stláčanie nepoužívajú pohyblivý piest, ale dve komory typu scroll, ktoré kmitajú. Okrem toho môžu čerpadlá v prípade potreby znížiť výkon kompresora pomocou tzv. invertora (meniča napätia). V prípade tepelných čerpadiel vzduch - voda je druhou rotujúcou časťou ventilátor, ktorý musí preháňať veľké množstvo vzduchu cez výparník čerpadla. V dôsledku turbulencie vzduchu na lopatkách to môže mať za následok hlboké až stredné dunenie. Tretím zdrojom hluku môže byť obehové čerpadlo vykurovacieho okruhu (niektoré z nich však nemusíte počuť, kým k nim nepriložíte ucho). Cvakavý zvuk môžu vydávať aj ventily alebo relé (elektromagnetické spínače). Všetky zdroje hluku vnútri tepelného čerpadla prenášajú vibrácie na ostatné komponenty a kryty, ktoré potom zvuk zosilňujú. Vibrácie sa môžu prenášať aj cez potrubie. Základom každého tichého tepelného čerpadla je preto precízne navrhnutá a vyrobená konštrukcia.
Faktory ovplyvňujúce hlučnosť
- Vysoký výkon: V zime beží tepelné čerpadlo neraz na plný výkon a zapína sa častejšie.
- Odmrazovanie: Väčšina tepelných čerpadiel vzduch - voda je vybavená režimom automatického odmrazovania (odmrazovanie znižuje ich účinnosť). V tomto režime sa prudko mení smer prúdenia chladiva, čo spôsobuje zvýšenú hlučnosť kompresora.
- Uvoľnená skrutka: Ak sa skrutka alebo iný upevňovací prvok vnútri čerpadla uvoľnia, môžu spôsobiť vibrácie súčasti čerpadla alebo puzdra.
- Opotrebovanie alebo porucha komponentov.
Ako znížiť hlučnosť
- Správne umiestnenie: Neinštalujte vonkajšiu jednotku tepelného čerpadla pod okno spálne, obývačky, pracovne alebo inej miestnosti, kde by jej zvuk mohol rušiť vašu domácnosť (pozor na tzv. chránený priestor). Dbajte aj na to, aby ste dodržali dostatočnú vzdialenosť od susedných domov. Tepelné čerpadlo nepatrí ani do rohu - zvuk by sa mohol odrážať od stien a silnieť. Pri montáži tepelného čerpadla na plochú strechu, betón alebo dlažbu použite gumové antivibračné podložky, ktorého budú držať na mieste, aby sa zabránilo šíreniu vibrácií. Môžete ho namontovať aj na stenu, ale len na nosné konštrukcie, nie na ľahké sendvičové priečky - opäť vzhľadom na vibrácie, ktoré by priečka šírila. Pri montáži na zem odizolujte základové pásy štrkovým lôžkom, ktoré bude slúžiť aj na pohlcovanie kondenzátu.
- Kryty a zástienky: Hluk môžete znížiť aj použitím krytu, ktorý nasmeruje vzduch do zeme, alebo vodorovnou montážou čerpadla tak, aby vzduch prúdil nahor. Rovnako môžete použiť zástenu s presahom, ktorá utlmí hluk o 3 až 5 dB. Pre tepelné čerpadlá sú k dispozícii aj špeciálne akustické kryty, ktoré znížia ich hluk o 8 až 12 dB.
- Vegetácia: Poslednou možnosťou je vysadiť okolo čerpadla kríky či vysokú trávu (pri zachovaní predpísanej vzdialenosti od čerpadla) alebo znížiť výkon čerpadla na noc.
Tepelné čerpadlá a inteligentné riadenie
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.
Tepelné čerpadlá vzduch/voda
Čerpadlá vzduch/voda sú na trhu najobľúbenejšie kvôli jednoduchej montáži a nízkym nákladom na prípravné práce. Teplo zo vzduchu je zadarmo. Nepotrebujú veľký pozemok, ani zdroj vody. 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. 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.
Tepelné čerpadlá voda/voda
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.
Prečítajte si tiež: Samsung 12kW - parametre vnútornej jednotky
Tepelné čerpadlá zem/voda
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.
Inštalácia a údržba
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.