Tepelné čerpadlá sa stávajú čoraz obľúbenejším riešením pre vykurovanie, chladenie a ohrev vody v domácnostiach, komerčných a priemyselných budovách. Využívajú energiu z okolitého prostredia, ako je vzduch, zem alebo voda, a premieňajú ju na využiteľné teplo s vysokou účinnosťou.
Základný princíp fungovania tepelných čerpadiel
Základný princíp fungovania tepelných čerpadiel vychádza z II. zákona termodynamiky, ktorý hovorí, že teplo sa samovoľne šíri len z teplejšieho miesta na chladnejšie. Avšak, s dodaním energie je možné tento prirodzený tok tepla otočiť a odvádzať teplo z chladnejšieho miesta na teplejšie. Tento princíp je rovnaký ako v chladničke, kde je teplo odvádzané z výparníka (studenšie miesto) na miesto teplejšie. Ak priložíte ruku za chladničku, zistíte, že pomerne výdatne "kúri". Je to práve to teplo, ktoré bolo odvedené z výparníka chladničky.
Rozdiel medzi teplom a teplotou
Pre pochopenie fungovania tepelných čerpadiel je dôležité rozlišovať medzi teplom a teplotou. Teplo je tepelná energia, ktorá sa odovzdáva pri kontakte medzi teplejším a chladnejším telesom. Teplota je vonkajší prejav energie každej hmoty. Ak hmota teplo odovzdáva, jej teplota klesá, a ak teplo prijíma, jej teplota rastie.
Dva dôležité prírodné javy
Fungovanie tepelných čerpadiel je založené na dvoch prírodných javoch:
- Zmena teploty premeny skupenstva: Teplota varu a kondenzácie látok závisí od tlaku. Znížením tlaku sa teplota varu znižuje a naopak. Napríklad, voda vrie pri 100°C pri normálnom atmosférickom tlaku, ale pri nižšom tlaku (napríklad na Mount Evereste) vrie pri nižšej teplote.
- Tepelné správanie sa látok pri zmene skupenstva: Pri prechode látky z kvapalného do plynného stavu je potrebné dodať energiu (teplo). Naopak, pri prechode z plynného do kvapalného stavu sa energia uvoľňuje.
Cyklus tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlo je cyklicky pracujúci tepelný stroj, kde celý proces prebieha v uzatvorenom okruhu a všetky deje sa periodicky opakujú. Teplonosné médium (látka, ktorá sa vyparuje a odoberá teplo zo zdroja, a následne kondenzuje a odovzdáva teplo) prúdi v kvapalnom stave k zdroju tepla (podzemná voda, vzduch, pôda). V mieste, kde chceme získavať teplo, sa náhle zníži tlak média (väčšinou za pomoci expanzného ventilu), čo spôsobí, že teplota vyparovania média klesne pod teplotu zdroja energie a médium sa vyparí. Pri vyparovaní médium odoberá teplo z okolia a akumuluje ho v sebe. Následne je médium v plynnom stave aj s naakumulovanou energiou vedené k miestu, kde chceme túto energiu zužitkovať (napríklad k akumulačnému zásobníku vody). V danom mieste sa teraz náhle zvýši tlak (väčšinou pomocou kompresora), čo spôsobí, že teplota kondenzácie média narastie nad teplotu v zásobníku vody a médium začne kondenzovať. Pri kondenzácii je teplo, ktoré sa v médiu naakumulovalo pri vyparení, odovzdávané do vody v zásobníku.
Prečítajte si tiež: Využitie tepelných čerpadiel
Klamanie prírody?
Tepelné čerpadlo umožňuje prenášať energiu zo studenšieho miesta na teplejšie, čo sa zdá byť v rozpore s II. zákonom termodynamiky. Avšak, príroda nebola oklamaná. Za tento prenos tepla sa platí energiou dodanou kompresoru na zvýšenie tlaku. Výsledkom je využitie všadeprítomných a ľahko dostupných zdrojov s obrovskou energiou, ale nízkou teplotou (pôda, vzduch, voda).
Typy tepelných čerpadiel
Existuje niekoľko typov tepelných čerpadiel, ktoré sa líšia zdrojom tepla:
- Tepelné čerpadlá vzduch-voda: Odoberajú teplo z vonkajšieho vzduchu a využívajú ho na ohrev vody vo vykurovacom systéme alebo v zásobníku na teplú vodu. Sú najrozšírenejším typom. Na trhu sa stretávame s dvoma hlavnými typmi tohto zariadenia - monoblok a split.
- Tepelné čerpadlo typu monoblok: Sa vyrába a montuje ako jeden celok v továrni.
- Tepelné čerpadlo typu split: V prípade splitového riešenia sú komponenty chladiaceho systému rozdelené medzi vonkajšiu a vnútornú jednotku.
- Tepelné čerpadlá vzduch-vzduch: Fungujú na princípe klasickej klimatizácie. Okrem chladenia môžu pracovať aj obrátene na účely vykurovania. Sú cenovo výhodné a vhodné najmä do starších domov, ktoré si vyžadujú zložitú a nákladnú rekonštrukciu.
- Tepelné čerpadlá zem-voda: Získavajú teplo zo zeme vo vrte alebo zo záhrady, kde sú uložené plastové hadice naplnené nemrznúcou zmesou. Tento typ tepelného čerpadla prináša úsporu elektriny až o 30% v porovnaní so vzduchovými tepelnými čerpadlami. Zemný plošný kolektor a zemný vrt (sonda) patria medzi spôsoby získavania tepla zo 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.
- Tepelné čerpadlá voda-voda: Získavajú teplo zo studne alebo z tepelného vrtu. Voda je čerpaná zo studne do výmenníka a po ochladení sa vracia späť do zeme. Dôležitá je dostatočná teplota vody a výdatnosť studne (v L za sek.), aby pri mrazivých teplotách nedošlo k výpadkom. 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. Čerpanie podzemnej vody a čerpanie povrchovej vody patria medzi spôsoby získavania tepla z 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.
Komponenty tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlo sa skladá z niekoľkých hlavných komponentov:
- Výparník: Získava teplo z okolitého prostredia (vzduchu, zeme, vody) a odovzdáva ho chladivu.
- Kompresor: Stláča plynné chladivo, čím zvyšuje jeho teplotu a tlak.
- Kondenzátor: Odovzdáva teplo z chladiva do vykurovacieho systému alebo do ohrievača vody.
- Expanzný ventil: Znižuje tlak chladiva, čo spôsobí jeho ochladenie a opätovné vyparovanie vo výparníku.
Vykurovací faktor (COP) a sezónny koeficient výkonu (SCOP)
Účinnosť tepelného čerpadla sa meria pomocou dvoch hlavných ukazovateľov:
- Vykurovací faktor (COP): Udáva pomer medzi vyrobeným teplom a spotrebovanou elektrickou energiou pri konkrétnych prevádzkových podmienkach. Čím vyšší je COP, tým je tepelné čerpadlo účinnejšie.
- Sezónny koeficient výkonu (SCOP): Je sezónna hodnota efektivity, ktorá zohľadňuje výkyvy v prevádzkových podmienkach počas celého roka. SCOP poskytuje realistickejší obraz o účinnosti tepelného čerpadla v priebehu celého roka.
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.
Prečítajte si tiež: Výhody Tepelných Čerpadiel Austria Email
Chladivá v tepelných čerpadlách
Vo vnútri tepelného čerpadla obieha chladivo, čo je špeciálna náplň, ktorá dobre vedie teplo a zároveň nezamrzne pri nízkej teplote. Moderné chladivá majú nízky dopad na životné prostredie. V ponuke sú 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). 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.
Využitie tepelných čerpadiel
Tepelné čerpadlá sa využívajú na:
- Vykurovanie: Zabezpečujú efektívne a ekologické vykurovanie domov a budov.
- Chladenie: Niektoré tepelné čerpadlá môžu v lete slúžiť ako chladiaci systém.
- Ohrev vody: Poskytujú teplú úžitkovú vodu pre domácnosti.
Tepelné čerpadlo môžete využiť aj pre chladenie budovy. S touto funkciou získate nízkoenergetickú klimatizáciu, ktorá je navyše úplne ekologická.
Pasívne a aktívne chladenie
Existujú dva spôsoby chladenia pomocou tepelných čerpadiel:
- 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.
Výhody a nevýhody tepelných čerpadiel
Výhody:
- Ekologické: Využívajú obnoviteľné zdroje energie a znižujú emisie CO2.
- Úsporné: Majú nízke prevádzkové náklady v porovnaní s konvenčnými systémami vykurovania.
- Všestranné: Môžu sa použiť na vykurovanie, chladenie a ohrev vody.
- Komfortné: Zabezpečujú stabilnú teplotu v interiéri.
- Možnosť kombinácie s inými systémami: Tepelné čerpadlá vzduch/vzduch 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. 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.
Nevýhody:
- Vyššie počiatočné náklady: Investícia do tepelného čerpadla môže byť vyššia ako pri konvenčných systémoch.
- Závislosť od vonkajšej teploty: Účinnosť tepelných čerpadiel vzduch-voda klesá pri veľmi nízkych vonkajších teplotách. 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. S klesajúcimi vonkajšími teplotami sa efektivita tepelného čerpadla znižuje, čím sa znižuje aj koeficient výkonnosti (COP). V lete sa COP (koeficient výkonnosti) zvyšuje, pretože vonkajšie teploty sú vyššie a tepelné čerpadlo nemusí toľko „bojovať“ proti nízkym teplotám.
- Potreba vhodného zdroja tepla: Pre tepelné čerpadlá zem-voda a voda-voda je potrebný dostatočný zdroj tepla (pozemok, podzemná voda).
Ako si vybrať tepelné čerpadlo?
Pri výbere tepelného čerpadla je potrebné zvážiť niekoľko faktorov:
Prečítajte si tiež: Samsung 12kW - parametre vnútornej jednotky
- Typ tepelného čerpadla: Zvoľte si typ tepelného čerpadla podľa dostupného zdroja tepla a klimatických podmienok.
- 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: Zamerajte sa na modely s vysokým COP a SCOP.
- 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.
Aby ste mohli naplno využívať všetky funkcie tepelného čerpadla, zaobstarajte si k čerpadlu doplnkovú výbavu, ktorá má vplyv na efektivitu celého vykurovacieho systému. Nedielnou súčasťou vykurovania je pritom obehové čerpadlo, ktoré distribuuje teplosmenné médium do systému vykurovania, teda do radiátorov alebo podlahového vykurovania. Pre správnu reguláciu a optimalizáciu vykurovacieho systému odporúčame vybrať kvalitné riadiace jednotky, regulátory a inteligentné aplikácie. V prípade využitia tepelného čerpadla pre ohrev TUV nezabudnite na dostatočne objemný zásobník. Pomocou chladiaceho modulu získa vaše tepelné čerpadlo schopnosť budovu v letných dňoch ochladzovať.
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. Napriek tomu nárast využívania obnoviteľnej energie zaostáva za cieľmi, ktoré si stanovila Európska únia. V roku 2021 sa u nás predalo 65 000 kusov tepelných čerpadiel, čím podiel Slovenska vychádza 2,9%. Vďaka štátnym dotáciám by si malo tepelné čerpadlo nainštalovať ďalších takmer 5000 domácností. Mnohé si ich volia ako vhodnú alternatívu najmä do nových rodinných domov. Cieľom únie je do roku 2030 zvýšiť podiel obnoviteľnej energie zo 40% na 45%, pričom na energetickú efektívnosť a tepelné čerpadlá je určených až 56 biliónov eur. Podiel tepelných čerpadiel v Európe využívajúci zdroj tepla ako vzduch, zem a voda sa mení podľa jednotlivých krajín a ich teplotných podmienok. V Európe dominuje najmä predaj tepelných čerpadiel typu Vzduch - Vzduch a Vzduch - Voda. Na Slovensku rastie záujem najmä o tepelné čerpadlá Vzduch - Voda. Kopírujeme tak trend podobný v Rakúsku, Českej republike, Maďarsku alebo Nemecku, kde počet tepelných čerpadiel v domácnostiach naďalej rastie. V severských a južných krajinách zasa vedú tepelne čerpadlá Vzduch - Vzduch, ktoré vykurujú celoročne do vonkajšej teploty -15°C. 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.