Princíp fungovania tepelných čerpadiel: Vykurovanie a ohrev vody z obnoviteľných zdrojov

Tepelné čerpadlá sú stále populárnejším riešením pre efektívne vykurovanie a chladenie domov, ako aj prípravu teplej vody. Tepelné čerpadlo je alternatívny vykurovací systém, ktorý pracuje na princípe využitia účinnej technológie, prostredníctvom ktorej sa získava energia z prostredia. Využívajú energiu z okolitého prostredia - vzduchu, zeme alebo podzemnej vody - a pomocou moderných technológií ju premieňajú na teplo, ktoré môže byť následne využité pre vykurovanie, chladenie alebo ohrev vody. Genialita tepelného čerpadla spočíva v tom, že je to jediný vykurovací systém, ktorý môže vykurovať aj chladiť.

Princíp fungovania tepelného čerpadla je presne opačný ako pri chladničke. Prostredníctvom odparovania, stláčania, skvapalňovania a expanzie chladiva sa využíva teplo odobraté z prostredia, či už zo vzduchu, zeme alebo podzemnej vody, a odovzdáva sa do vykurovacieho systému. Až 75 % energie čerpá z okolia, a to konkrétne zo vzduchu, podzemnej vody alebo pôdy. Zvyšných 25 % tvorí elektrická energia potrebná na prevádzku. Táto inovácia zvýši vašu nezávislosť od fosílnych palív a umožní vám aktívne prispievať k ochrane klímy.

Princíp fungovania tepelného čerpadla

V tepelnom čerpadle funguje princíp pozostávajúci zo štyroch krokov, ktoré prebiehajú nepretržite v uzavretom cykle. Okruhom prúdi chladivo - teplonosná látka s nízkym bodom varu, ktorá sa pri každom prechode okruhom najskôr odparí a následne opäť kondenzuje. V neustále sa opakujúcom cykle tepelného čerpadla dochádza k odparovaniu, stláčaniu - kompresii, skvapalňovaniu a expanzii chladiva s cieľom získať tepelnú energiu. Kvapalné chladivo absorbuje tepelnú energiu z prostredia a musí ju zvýšiť na takú úroveň teploty, aby ju bolo možné použiť vo vykurovacom systéme. Na to sa používa určitá časť elektrickej energie.

Pre lepšie pochopenie si popíšme jednotlivé kroky cyklu:

1. Odparovanie

Vo výparníku (vonkajšia jednotka) sa chladivo odparuje pri nízkej vonkajšej teplote a absorbuje do seba energiu z vonkajšieho okolia. Teplo zo zeme sa vo výparníku odovzdá chladivu. Za absorpciu a prenos tepelnej energie je zodpovedné chladivo. Absorbuje teplo z prostredia v kvapalnom stave, čo spôsobuje jeho odparovanie a premenu na plynné skupenstvo. Keď sa chladivo dostane do kontaktu s okolitým vzduchom, zohreje sa a postupne sa stáva parným.

2. Kompresia

Odparené chladivo je následne nasaté do kompresora, ktorý prudko zvýši jeho tlak a teplotu. V kompresore poháňanom prúdom sa plynné chladivo stláča, čím sa výrazne zvyšuje tlak a teplota. Plynné chladivo nasaje kompresor. Stlačením plynu prudko vzrastie jeho tlak a podľa fyzikálnych zákonov aj jeho teplota (podobne ako sa zahreje ventil na bicykli pri rýchlom pumpovaní). Túto časť princípu fungovania tepelného čerpadla môžete pozorovať aj na pumpe na bicykel, ktoré sa pri pumpovaní vzduchu zahrieva. Základnou súčasťou chladivového okruhu je kompresor. V praxi sa používa viacero kompresorov vrátane piestových alebo špirálových, ktoré sú poháňané elektricky.

3. Skvapalňovanie (Kondenzácia)

Stlačené horúce pary chladiva sú vytlačené do kondenzátora (vnútorná jednotka), kde je jeho teplo odovzdané do vody vykurovacieho systému. V treťom kroku odovzdáva stlačené zohriate chladivo svoje teplo vykurovaciemu okruhu, čím sa ochladzuje a stáva sa opäť kvapalným. To sa deje v takzvanom kondenzátore pomocou výmenníka tepla. Teplo sa potom ukladá do zásobníka teplej vody a akumulačného zásobníka. Horúci stlačený plyn prechádza cez kondenzátor, kde odovzdá svoje teplo vode v systéme kúrenia (radiátory, podlahovka). Tým, že sa chladivo ochladí, skvapalnie.

4. Expanzia

Ochladením sa z chladiva stane opäť kvapalina, ktorá prúdi do expanzného ventilu (škrtiaci prvok), kde sa vstrekne do výparníka a cyklus sa opakuje. V poslednom kroku sa tlak kvapalného chladiva opäť zníži v expanznom ventile, ktorý ho ďalej ochladzuje, až kým nedosiahne svoju pôvodnú teplotu. Kvapalné chladivo pod vysokým tlakom prejde cez expanzný ventil, kde sa jeho tlak prudko zníži. Tým sa extrémne ochladí a je pripravené opäť nasať teplo zo zeme. Ochladzovanie kvapaliny pod tlakom a následné zníženie tlaku je jav, ktorý si môžete všimnúť aj na spreji v plechovke. Ak s ním sprejujete dlhší čas, plechovka výrazne vychladne.

Typy tepelných čerpadiel podľa zdroja tepla

Tepelné čerpadlo premieňa získané teplo z prostredia na využiteľnú energiu na vykurovanie. Aby ste mohli používať tepelné čerpadlo vo vašej domácnosti, musíte sa napojiť na zdroj tepla na vašom pozemku. Na tento účel je možné čerpať tepelnú energiu z vonkajšieho vzduchu, zeme alebo podzemnej vody.

Tepelné čerpadlá vzduch-voda

Tepelné čerpadlá vzduch-voda získavajú teplo z vonkajšieho vzduchu a využívajú ho na vykurovanie a ohrev vody. Vzduch má jednu jedinečnú výhodu - je všadeprítomný. Vonkajšia jednotka tepelného čerpadla vzduch-voda vyzerá ako kompaktná obdĺžniková škatuľa so zabudovaným kruhovým ventilátorom zakrytým mriežkou. Na trhu sa stretávame s dvoma hlavnými typmi tohto zariadenia - monoblok a split.

Monoblok a Split riešenie

Tepelné čerpadlo monoblok sa vyrába a montuje ako jeden celok v továrni. V prípade splitového riešenia sú komponenty chladiaceho systému rozdelené medzi vonkajšiu a vnútornú jednotku.

Účinnosť v zimnom období

Množstvo záujemcov o tepelné čerpadlá vzduch-voda sa obáva o ich účinnosť počas zimných mesiacov. Tepelné čerpadlá však dokážu efektívne pracovať až do mínus 20 °C a sú vybavené aj ochranou proti zamŕzaniu vonkajšej jednotky. Počas extrémne mrazivých teplôt hlboko pod nulou však môže tepelné čerpadlo spotrebovať viac elektrickej energie na výrobu tepla a teplej vody. V zimnom období môžu tepelné čerpadlá vzduch-voda potrebovať odmrazovanie výparníka, keďže kondenzácia vlhkosti na studenom povrchu vytvára námrazu. Vzduchové tepelné čerpadlá sa vyznačujú tichou prevádzkou.

Tepelné čerpadlá zem-voda

Tepelné čerpadlo zem-voda patrí medzi najúspornejšie a najspoľahlivejšie spôsoby vykurovania. Pôda je fantastickým zdrojom tepla. Udržuje totiž stálu teplotu, a to ako v zime, tak aj v lete. Zemský masív má počas celého roka stabilnú teplotu vďaka ukladaniu energie pod povrchom. Sonda je systém, ktorá sa do hĺbky vrtu spúšťa a tvorí uzatvorenú časť primárnej energie. Geotermálne sondy sú uložené v jednom alebo vo viacerých zemných vrtoch, ich hĺbka a počet závisí na pôdnych podmienkach a množstvo energie, ktorú musí tepelné čerpadlo dodať na vykurovanie domu. Cez výmenník tepla prúdi chladivo, ktoré pri veľmi nízkych teplotách mení svoj fyzikálny stav. Na využívanie geotermálnej energie sú potrebné zemné práce alebo vrty.

Typy zemných kolektorov

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.

Efektivita a realizácia

Vďaka stabilite teploty zeme pracuje toto čerpadlo s vysokým vykurovacím faktorom (COP), čo znamená, že z 1 kWh dodanej elektriny pre kompresor dokáže vyrobiť 4 až 5 kWh tepla. Výrobcovia TČ často uvádzajú len COP, čo je v ideálnych podmienkach laboratórne testované číslo. Kvalitný hĺbinný vrt je kľúčovým prvkom, nie „doplnkom“. Systém tepelného čerpadla zem-voda sa skladá z: primárneho okruhu - geotermálny vrt v ktorom sú zabudované geotermálne sondy (ako výmenník tepla) sekundárneho okruhu - vykurovací systém objektu. Skutočná efektivita a životnosť systému nezávisí len od samotného tepelného čerpadla, ale najmä od správne navrhnutého a odborne zrealizovaného primárneho okruhu. Práve jeho dimenzovanie a spôsob injektovania je častou chybou pri neodborných realizáciách.

Tepelné čerpadlá voda-voda

Tepelné čerpadlo voda - voda odoberá teplo z podzemnej vody, ktorá si po celý rok udržiava relatívne stabilnú teplotu (zvyčajne 8 - 12 °C). Tento faktor zabezpečuje vysokú účinnosť, pretože teplota zdroja kolíše len minimálne. Spodná voda má celoročne približne rovnakú teplotu, a to 7-12 ° C v závislosti na ročnom období a hĺbke. Oproti pôde alebo vzduchu má najmenšie sezónne výkyvy. Preto je ideálnym zdrojom energie, ale najmenej využívaným. Tepelné čerpadlá, ktoré využívajú povrchovú vodu, sú závislé od sezónnych zmien teploty vody.

Princíp fungovania a komponenty

Tepelné čerpadlo voda-voda, ktoré využíva podzemnú vodu, vyžaduje studňu na odber vody a vsakovaciu studňu, kam sa voda po využití vracia. 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. 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.

Výhody

• 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.
• Vrt, resp. studňu možno využiť i na čerpanie vody na závlahu pozemku alebo aj ako vodu do domácnosti, napr. WC, práčka a pod.

Obmedzenia a požiadavky

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). Dôležitá je dostatočná teplota vody a výdatnosť studne (v L za sek.), aby pri mrazivých teplotách nedošlo k výpadkom. 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.

Kľúčové je mať hydrogeologický prieskum, ktorý potvrdí, že vo vašej lokalite je dostatok podzemnej vody vo vhodnej hĺbke. Pre čerpanie podzemnej vody vo väčšom množstve je obvykle potrebné získať vodoprávne povolenie od príslušného úradu. Týka sa to najmä povolenia na odber a následné vypúšťanie ochladenej vody späť do zeme.

Funkcia chladenia tepelným čerpadlom

Obrovskou výhodou tepelného čerpadla je, že je to jediný vykurovací systém, ktorý je schopný vykurovať a zároveň chladiť. Je tak v prevádzke celoročne bez nutnosti vlastniť v domácnosti klimatizačnú jednotku. Aby tepelné čerpadlo v lete nezaháľalo, môžete ho využiť na chladenie domu. S tepelným čerpadlom však môžete interiér počas letných horúčav úspešne schladiť iba vtedy, ak má jednotka reverzibilnú funkciu tepelného čerpadla, ktorá bola pri nej od začiatku naplánovaná. Ak chladenie v pláne nebolo, dá sa táto funkcia do niektorých modelov namontovať aj dodatočne.

Aktívne chladenie

Aktívne chladenie je možné u všetkých typov tepelných čerpadiel. Pri aktívnom chladení sa kompresor tepelného čerpadla zapne a funguje podobne ako klimatizácia. Chladenie pomocou tepelného čerpadla funguje rovnakým spôsobom ako výroba tepla s tým rozdielom, že cyklus chladiaceho okruhu beží v opačnom smere - tzv. reverzný chod. Teplo sa vtedy z vykurovania odvádza do vonkajšieho prostredia, čím sa vykurovací systém ochladzuje.

Pasívne 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. Pasívne chladenie má zmysel len pri tepelných čerpadlách zem-voda alebo voda-voda, pretože na chladenie využíva nízku teplotu pôdy alebo podzemnej vody. Tepelné čerpadlo nemusí aktívne pracovať, takže spotrebuje výrazne menej energie v porovnaní s aktívnym chladením.

Ekonomické aspekty a efektivita

Vďaka výnimočnej účinnosti dokáže získať až 100 % energie na vykurovanie len z 25 % elektrickej energie. Tzn., že za 100% tepla zaplatíme iba 25% elektriny. Účinnosť tepelného čerpadla 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.

Spotreba energie na kompresiu závisí od mnohých faktorov. Patrí medzi ne potreba tepla, technológia kompresora a v neposlednom rade teplotný rozdiel medzi zdrojom tepla a vykurovacím systémom. 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.

Vyššie investičné náklady patria k najväčším nevýhodám tohto typu čerpadla. Musíte totiž rátať s nákladmi na vrty (resp. studne) a na inštaláciu. Napriek vyššej vstupnej investícii sa systém voda - voda môže rýchlo vyplatiť, vďaka nízkym prevádzkovým nákladom. Pri správne navrhnutom a realizovanom systéme sa návratnosť bežne pohybuje v rozmedzí 5 - 10 rokov.

Dotácie z programu Zelená domácnostiam robia investíciu do tepelného čerpadla ešte atraktívnejšou. Konkrétna výška dotácií sa môže časom meniť, no v minulosti sa príspevok na tepelné čerpadlo pohyboval v rozmedzí niekoľkých tisíc eur. Pri správnej údržbe môže dosiahnuť 15 až 20 rokov, prípadne viac. Ak tepelné čerpadlo skombinujete s fotovoltikou, zvýšite podiel obnoviteľnej energie. Áno, prepojenie s fotovoltickými panelmi je výhodné.

Prehľad typov tepelných čerpadiel

Výber a inštalácia tepelného čerpadla

Pri výbere vhodného tepelného čerpadla pre váš rodinný alebo viacgeneračný dom by ste mali zobrať do úvahy viaceré dôležité aspekty. Napríklad, aké sú vaše potreby a tiež okolnosti. A prečo je nevyhnutné poradiť sa s odborníkom? Ak hľadáte ideálne riešenie, je dôležité zvážiť nasledovné aspekty:

1. Typ tepelného čerpadla

Existujú 3 druhy tepelných čerpadiel, ktoré sú podrobnejšie popísané vyššie v článku.

2. Výkon tepelného čerpadla

Výkon tepelného čerpadla musí zodpovedať tepelným stratám budovy. Musí byť schopné poskytnúť dostatočné množstvo tepla počas najchladnejších dní v roku.

3. Účinnosť tepelného čerpadla

Účinnosť tepelného čerpadla sa meria pomocou koeficientu výkonu (COP) a sezónneho koeficientu výkonu (SCOP).

4. Možnosť chladenia

Ak plánujete využívať tepelné čerpadlo aj na chladenie, zamerajte sa na modely, ktoré podporujú túto funkciu.

5. Dostupnosť inštalačného priestoru

Pre systémy zem-voda je potrebné zvážiť veľkosť a typ pozemku, pretože inštalácia plošného kolektora alebo vrtov zaberá priestor.

6. 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.

7. Kompatibilita s existujúcim systémom

Ak už máte inštalovaný vykurovací systém, mali by ste zvážiť, či je kompatibilný s tepelným čerpadlom.

Naši špecialisti vám pomôžu vybrať ideálne tepelné čerpadlo, zohľadnia veľkosť vykurovanej plochy, nároky na výkon aj podmienky na pozemku. Disponujeme tímom technikov, ktorí majú dlhoročné skúsenosti s rôznymi typmi tepelných čerpadiel. Môžete sa spoľahnúť na precíznu a bezpečnú realizáciu.

tags: #zvacsenie #vody #vykurovanie