Zem predstavuje rozsiahly a takmer nevyčerpateľný zdroj tepla, ktorý je možné efektívne využívať na vykurovanie. Vykurovanie teplotou zeme, známe aj ako geotermálne vykurovanie, využíva stabilnú teplotu zeme na zabezpečenie tepla pre domácnosti a budovy. Tento článok podrobne rozoberá princíp fungovania geotermálneho vykurovania, jeho výhody a rôzne spôsoby získavania geotermálnej energie.
Úvod do Geotermálneho Vykurovania
Geotermálna energia je tepelná energia dostupná pod zemským povrchom. Od určitej hĺbky, zvyčajne okolo desať metrov, má zem základnú teplotu približne 10 °C, ktorá zostáva konštantná počas celého roka. Táto stabilná teplota je ideálna na vykurovanie, pretože je menej ovplyvnená vonkajšími teplotnými výkyvmi. Vykurovanie teplotou zeme je ekologický a efektívny spôsob vykurovania, ktorý využíva tepelné čerpadlá na prenos tepla zo zeme do budovy.
Princíp Fungovania Tepelného Čerpadla Zem/Voda
Tepelné čerpadlo zem/voda funguje na podobnom princípe ako iné tepelné čerpadlá. Najprv sa tepelná energia získava zo zeme a prenáša sa do chladiva. Chladivo sa následne odparí a stlačí pomocou kompresora, čo zvýši jeho tlak a teplotu. Vzniknuté teplo sa absorbuje vo výmenníku tepla (kondenzátore) a odovzdáva sa do vykurovacieho systému.
Princíp činnosti tepelného čerpadla zem/voda je založený na absorpcii, kompresii, uvoľňovaní a expanzii. Tieto štyri kroky sú nevyhnutné pre fungovanie. Tepelné čerpadlo je cyklicky pracujúci tepelný stroj, kde celý proces prebieha v uzatvorenom okruhu a všetky deje sa periodicky opakujú. Teplonosné médium (látka, ktorú nechávame vyparovať a odoberá teplo zo zdroja; následne ju necháme skondenzovať a odovzdáva nám naakumulované teplo; jednoducho povedané ide o „prenášač“ tepla) prúdi v kvapalnom stave k zdroju tepla (podzemná voda, vzduch, veľký objem pôdy…). V mieste, kde chceme získavať teplo, náhle znížime tlak média (väčšinou za pomoci expanzného ventilu). Pokles tlaku 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 túto energiu chceme zužitkovať (napríklad k akumulačnému zásobníku vody). V danom mieste teraz náhle zvýšime tlak (väčšinou pomocou kompresora). Zvýšenie tlaku spôsobí, že teplota kondenzácie média narastie nad teplotu v zásobníku vody a médium začne kondenzovať. Pri kondenzácií je teplo, ktoré sa v médiu naakumulovalo pri vyparení, odovzdávané do vody v zásobníku. Odovzdané teplo spôsobí nárast teploty okolia a jednoducho povedané, zohrejeme vodu, ktorou potom môžeme napríklad vykurovať (t.j. zohriata voda zo zásobníka je rozvádzaná napr.
Spôsoby Získavania Geotermálneho Tepla
Geotermálne teplo možno získavať dvoma hlavnými spôsobmi:
Prečítajte si tiež: Možnosti vykurovania olejom
Geotermálne kolektory: Sú položené blízko povrchu zeme, v hĺbke približne jeden až dva metre pod povrchom trávnika alebo pôdy. Systém potrubí je uložený vodorovne a hadovito pod líniou mrazu. V potrubnom systéme cirkuluje soľanka z mrazuvzdornej kvapaliny, ktorá absorbuje tepelnú energiu a odovzdáva ju do výmenníka tepla. Veľkosť potrebnej plochy kolektora závisí od potreby tepla danej budovy, pričom v praxi je to 1,5 až 2-násobok plochy, ktorú treba vykurovať.
Geotermálne kolektory absorbujú tepelnú energiu z blízkosti povrchu, ktorú dodáva slnečné žiarenie a dažďová voda. Stav pôdy zohráva rozhodujúcu úlohu pri energetickom výnose kolektorov. Je dôležité, aby plocha nad potrubným systémom nebola vyasfaltovaná alebo zastavaná.
Plošné zemné kolektory pozostávajú zo siete plastových rúrok, ktoré sa kladú do cca 1,2 - 1,5 m hlbokých výkopov v zemi. Vďaka tomu získavajú teplo, ktoré sa naakumulovalo vo vrchnej vrstve pôdy vplyvom slnečného žiarenia. Ide teda o akýsi veľkoplošný „solárny panel“.
Geotermálne sondy: Sú zapustené vertikálne alebo pod uhlom do zeme pomocou vrtov. Cez sondy preteká soľanka, ktorá absorbuje geotermálne teplo v hĺbke 40 až 100 metrov a odovzdáva ho ďalej do výmenníka tepla. Od hĺbky približne desať metrov zostáva teplota po celý rok konštantná, takže geotermálne sondy účinne fungujú aj pri veľmi nízkych vonkajších teplotách. V porovnaní s geotermálnymi kolektormi si vyžadujú málo miesta a v lete sa môžu používať aj na chladenie. Hĺbka vrtu závisí od potreby tepla a tepelnej vodivosti pôdy.
Zemný vrt 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.
Prečítajte si tiež: Moderné vykurovacie riešenia pre kúpeľne
Alternatívou plošných kolektorov sú zemné vrty. V nich sú zapustené sondy tvorené uzavretým okruhom potrubia (na konci majú tvar písmena U). V závislosti od kvality pôdy z nich potom môžete vyťažiť cca 50 W tepla na meter hĺbky.
Výhody Vykurovania Teplotou Zeme
Vykurovanie teplotou zeme ponúka množstvo výhod, ktoré ho robia atraktívnym riešením pre vykurovanie a chladenie budov:
- Nízke Prevádzkové Náklady: Zdroj tepla je k dispozícii prakticky zadarmo. Jediná energia, ktorú musíte zakúpiť, je energia na napájanie kompresora. Kombinácia s fotovoltickým systémom je ideálna na premenu slnečného žiarenia na elektrickú energiu. Tepelné čerpadlá spotrebovávajú menej energie ako tradičné vykurovacie systémy. Pri vhodných podmienkach dokáže ušetriť 50-80% nákladov na vykurovanie. V praxi to znamená, že na získanie 1 kW tepla potrebujeme len 0,20-0,30 kW elektrickej energie.
- Ekologickosť: Využívanie geotermálnej energie znižuje emisie CO₂ a je šetrné ku klíme. Energia potrebná na vykurovanie je k dispozícii priamo pod vaším pozemkom, čím sa eliminujú dlhé a na CO₂ náročné dopravné trasy. Tepelné čerpadlá neprodukujú emisie CO2.
- Nezávislosť od Dodávateľov Palív: Takmer nekonečný zdroj tepla zabezpečuje, že cena surovín nepodlieha hospodárskym alebo politickým výkyvom, čím sú majitelia systémov menej závislí od dodávateľov palív.
- Dlhá Životnosť a Nízka Údržba: Geotermálne kolektory a sondy majú veľmi dlhú životnosť. Zariadenia sú tiež mimoriadne nenáročné na údržbu, pretože sa inštaluje len niekoľko pohyblivých komponentov.
- Možnosť Chladenia: V teplejších letných mesiacoch možno tepelné čerpadlo zem/voda použiť aj na temperovanie. Pri tejto funkcii sa teplo z miestnosti odovzdáva do systému geotermálnej sondy prostredníctvom podlahového vykurovania. Zem potom toto teplo akumuluje, aby sa mohlo využiť v nasledujúcom vykurovacom období. V tomto režime je v prevádzke len obehové čerpadlo a riadiaca jednotka, vďaka čomu je prirodzené chladenie energeticky úspornou a nákladovo efektívnou metódou chladenia budov.
- Úspora Miesta: V porovnaní s geotermálnymi kolektormi si geotermálne sondy vyžadujú málo miesta a v lete sa môžu používať aj na chladenie.
- Kompatibilita s Existujúcimi Systémami: Ak už máte inštalovaný vykurovací systém, mali by ste zvážiť, či je kompatibilný s tepelným čerpadlom.
Nevýhody Vykurovania Teplotou Zeme
Napriek mnohým výhodám má vykurovanie teplotou zeme aj určité nevýhody:
- Vyššie Počiatočné Náklady: Náklady na inštaláciu tepelného čerpadla zem/voda sú vyššie v porovnaní s tradičnými vykurovacími systémami.
- Nutnosť Inštalácie: Tepelné čerpadlá musia inštalovať odborníci.
- Priestorové Obmedzenia: Pre systémy zem-voda je potrebné zvážiť veľkosť a typ pozemku, pretože inštalácia plošného kolektora alebo vrtov zaberá priestor. Na plošné zemné kolektory potrebujete pomerne veľkú voľnú plochu, na ktorej potom nemôžete stavať.
- Závislosť od Vlhkosti Pôdy: Výťažnosť energie z plošného kolektora vo veľkej miere závisí od vlhkosti pôdy. Čím je vlhkejšia, tým viac tepla dokáže naakumulovať zo slnka.
Faktory Ovplyvňujúce Efektívnosť Tepelného Čerpadla
Efektívnosť tepelného čerpadla závisí od viacerých faktorov:
- Typ Tepelného Čerpadla: Rôzne typy tepelných čerpadiel (zem-voda, vzduch-voda, voda-voda) majú rôzne charakteristiky a efektivitu.
- 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). 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.
- Možnosť Chladenia: Ak plánujete využívať tepelné čerpadlo aj na chladenie, zamerajte sa na modely, ktoré podporujú túto funkciu.
- Kompatibilita s Vykurovacím Systémom: Tepelné čerpadlo zem - voda využíva rovnako ako kotly teplovodnú vykurovaciu sústavu. V tomto prípade je najvýhodnejšie vykurovať nízkoteplotnými plošnými vykurovacími telesami - podlahovým, stenovým alebo stropným vykurovaním. Vďaka veľkej vykurovacej ploche môže byť ich povrchová teplota (čiže aj teplota vykurovacej vody) nižšia. Ak použijete bežné radiátory, zvýši sa spotreba energie a tým sa zároveň predĺži návratnosť investície do vykurovacieho systému.
Pasívne a Aktívne Chladenie
- 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. Na chladenie potom miniete iba pár desiatok eur ročne.
- Aktívne Chladenie: Je možné u všetkých typov tepelných čerpadiel. Pri aktívnom chladení sa kompresor tepelného čerpadla zapne a funguje podobne ako klimatizácia.
Vplyv Klimatických 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. S klesajúcimi vonkajšími teplotami sa efektivita tepelného čerpadla znižuje, čím sa znižuje aj koeficient výkonnosti (COP). V lete sa COP zvyšuje, pretože vonkajšie teploty sú vyššie a tepelné čerpadlo nemusí toľko „bojovať“ proti nízkym teplotám.
Prečítajte si tiež: Vykurovanie plynom a zásobníkový ohrev
tags: #vykurovanie #teplotou #zeme