Princíp fungovania tepelného čerpadla: efektívne vykurovanie a ohrev teplej úžitkovej vody

Tepelné čerpadlá sú v posledných rokoch veľmi obľúbeným spôsobom vykurovania, ktorý sa využíva takmer pri každej desiatej novostavbe v SR. Dôvody sú jasné: ide o ekologické a z dlhodobého hľadiska aj finančne úsporné riešenie. Tepelné čerpadlá majú totiž minimálnu spotrebu elektriny a nízke prevádzkové náklady. Tepelné čerpadlá sú inovatívny nízkouhlíkový systém vykurovania a chladenia, ktorý vám zabezpečí celoročný komfort. Keďže spoločnosť sa snaží prechádzať z fosílnych palív na obnoviteľné alternatívy, ich popularita neustále rastie. Tepelné čerpadlá poskytujú ekologické aj ekonomické výhody. Oproti tradičným kotlom, ktoré spaľujú fosílne palivá, získavajú tepelnú energiu zo vzduchu, zeme alebo vody a prenášajú ju do interiéru.

Ako tepelné čerpadlo získava teplo: Základný princíp fungovania

Tepelné čerpadlá fungujú na úplne jednoduchom princípe - čerpajú tepelnú energiu z okolia, najčastejšie zo vzduchu, ale aj zo zeme alebo vody. V zásade platí, že tepelné čerpadlo dokáže z prostredia s nižšou teplotou preniesť teplo na miesto s vyššou teplotou, vďaka čomu dokáže pracovať aj v zime. Výnimočnosť tepelných čerpadiel spočíva v ich schopnosti presúvať teplo namiesto toho, aby ho vytvárali. Funguje v podstate rovnako ako chladnička, ibaže naopak. Tepelné čerpadlo naopak teplo z vonkajšieho prostredia odoberá, aby ho pri vyššej teplote odovzdalo do vykurovacieho systému. Celé zariadenie je navrhnuté tak, aby dokázalo získať teplo aj z prostredia s nízkou teplotou, dokonca aj pri -20 °C. Množstvo energie vo vonkajšom prostredí je prakticky nevyčerpateľné, avšak nemá vždy želanú teplotu. Preto tepelné čerpadlo túto nízkopotencionálnu energiu premení na využiteľné teplo.

Kľúčové komponenty a ich funkcia: Termodynamický cyklus

Princíp fungovania tepelného čerpadla je založený na nepretržite sa opakujúcom cykle, ktorý zahŕňa štyri hlavné kroky a kľúčové komponenty. V celej sústave tepelného čerpadla cirkuluje chladivo, ktoré sa stará o prenos tepelnej energie. Chladivá fungujú ako médiá, ktoré umožňujú prenos tepelnej energie pri zmene z kvapalného skupenstva na plynné a naopak.

1. Výparník (Evaporator): Vo výparníku dochádza k prenosu energie z primárneho média (vzduchu, zeme alebo vody) do chladiva. Chladivo, ktoré má nízky bod varu, absorbuje teplo z okolia a mení sa na plynné skupenstvo (paru). Tento proces je základom pre získavanie energie z nízkych teplôt. Teplo zo zeme sa vo výparníku odovzdá chladivu, ktoré sa vyparí aj keď má zem len 5 °C. Tento proces ochladzuje okolie, z ktorého sa teplo odoberá.
2. Kompresor (Compressor): Plynné chladivo nasaje kompresor. Stlačením plynného chladiva v kompresore sa výrazne zvýši jeho tlak a tým aj teplota. Tento proces je energeticky náročný a vyžaduje dodanie elektrickej energie. Je to podobný princíp, ako keď sa pri pumpovaní pneumatiky pumpička zahreje.
3. Kondenzátor (Condenser): Horúci stlačený plyn prechádza cez kondenzátor, kde odovzdá svoje teplo vykurovacej sústave alebo do zásobníka teplej vody. Tým, že sa chladivo ochladí, skvapalnie.
4. Expanzný ventil (Expansion Valve): Kvapalné chladivo pod vysokým tlakom prejde cez expanzný ventil, kde sa jeho tlak prudko zníži. Expanzný ventil reguluje prietok chladiva okruhom a udržiava tlakový rozdiel medzi vysokotlakovou a nízkotlakovou časťou systému. Tým sa extrémne ochladí a je pripravené opäť nasať teplo z primárneho zdroja vo výparníku.

Celý tento cyklus sa nepretržite opakuje, čím tepelné čerpadlo zabezpečuje dodávku tepla. Tepelné čerpadlo na rozdiel od priamo výhrevných telies nespotrebuje na výrobu tepla žiadnu elektrickú energiu. Napriek tomu potrebuje pripojenie do siete. Elektrická energia sa stará o napájanie celého systému tepelného čerpadla a samotných obehových čerpadiel, ktoré posúvajú chladiace médium z jednej časti čerpadla do druhého.

Vykurovací faktor (COP) a sezónny vykurovací faktor (SCOP)

Tepelný faktor (COP - Coefficient of Performance) je najdôležitejším údajom tepelného čerpadla, ktorý v podstate hovorí, ako je čerpadlo efektívne. Počíta sa ako pomer medzi vyrobeným teplom a spotrebovanou elektrickou energiou. Čím vyšší je hodnota COP, tým lacnejšia je prevádzka tepelného čerpadla. Napríklad, ak tepelné čerpadlo s COP 4 spotrebuje 2 kW elektrickej energie, vyprodukuje 8 kW tepla. Moderné tepelné čerpadlá dokážu vyprodukovať 3 až 5-krát viac tepelnej energie, než spotrebujú elektrickej energie. Sezónny vykurovací faktor (SCOP - Seasonal Coefficient of Performance) je sezónna hodnota efektivity, ktorá zohľadňuje výkyvy v prevádzkových podmienkach počas celého roka.

Faktory ovplyvňujúce COP/SCOP

• Teplota primárneho zdroja: Čím vyššia je teplota vzduchu, zeme alebo vody, z ktorej tepelné čerpadlo čerpá teplo, tým vyšší je COP.
• Teplota vykurovacej vody: Čím nižšia je teplota vykurovacej vody vo vykurovacom systéme, tým vyšší je COP. Nízkoteplotné systémy, ako je podlahové kúrenie, sú preto pre tepelné čerpadlá ideálne.
• Typ tepelného čerpadla: Rôzne typy tepelných čerpadiel majú rôzne vykurovacie faktory. Napríklad tepelné čerpadlo zem/voda má počas celého roka vysoký COP, zatiaľ čo u tepelného čerpadla vzduch/voda COP výrazne kolíše v závislosti od vonkajšej teploty.

Typy tepelných čerpadiel podľa zdroja energie

Tepelné čerpadlá sa pre väčšiu prehľadnosť označujú kombináciou dvoch slov, kde prvé označuje vždy zdroj čerpanej energie a druhé (za lomkou) označuje teplosmenné médium. Všetky tepelné čerpadlá pracujú na rovnakom princípe odovzdávania energie, no každý typ túto energiu získava z iného média.

1. Tepelné čerpadlá vzduch/voda

Tepelné čerpadlá vzduch/voda sú v SR vôbec najčastejšie a sú vhodné do novostavieb aj pre kvalitne renovované objekty, pre podlahové vykurovanie aj radiátory. Teplo je odoberané prostredníctvom výparníka tepelného čerpadla, cez ktorý prúdi vonkajší vzduch. Pre dosiahnutie vysokého tepelného výkonu aj za pomerne nízkych vonkajších teplôt pomáha výrazne postupné vstrekovanie pary. Aj pri vonkajších teplotách okolo -20 °C tento systém dosahuje teploty vstupu okolo 60 °C, čo zabezpečuje potrebnú vstupnú hodnotu pre efektívne vykurovanie. K hlavným výhodám tepelného čerpadla vzduch/voda patrí v porovnaní s ostatnými druhmi čerpadiel pomerne nízke obstarávacie náklady a nenáročná inštalácia. V zimnom období môžu tepelné čerpadlá vzduch-voda potrebovať odmrazovanie výparníka, keďže kondenzácia vlhkosti na studenom povrchu vytvára námrazu.

Na trhu sa stretávame s dvoma hlavnými typmi tohto zariadenia - monoblok a split.

• Tepelné čerpadlo typu monoblok: Vyrába sa a montuje ako jeden celok v továrni.
• Tepelné čerpadlo typu split: Komponenty chladiaceho systému sú rozdelené medzi vonkajšiu a vnútornú jednotku.

2. Tepelné čerpadlá zem/voda (Geotermálne)

Tepelné čerpadlo zem-voda patrí medzi najúspornejšie a najspoľahlivejšie spôsoby vykurovania. Teplo zo zeme je stabilný zdroj, ktorý presúva energiu. Zemský masív má počas celého roka stabilnú teplotu vďaka ukladaniu energie pod povrchom. Prostredníctvom geotermálnych vrtov sa teplo zo zeme odoberá pomocou nemrznúcej kvapaliny, ktorá prúdi v uzatvorenom potrubí nazývanom geotermálna sonda. Sonda je systém, ktorá sa do hĺbky vrtu spúšťa a tvorí uzatvorenú časť primárnej energie. Táto energia uložená v zemi pomocou sondy a tepelného čerpadla zem-voda odoberá energiu, v kompresore znásobuje a následne je privádzaná do vykurovacej sústavy. Hlavnou výhodou tohto druhu tepelných čerpadiel je vysoký a stabilný tepelný faktor aj pri mrazoch, a tým pádom nižšie prevádzkové náklady.

Na získavanie tepla zo zeme sa používajú buď plošné kolektory alebo hĺbkové vrty:

• Zemný plošný kolektor: Hadice sú rozložené v hĺbke cca 1,5 až 2 metre na veľkej ploche záhrady. 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): Vertikálna sonda siahajúca do hĺbky 50 až 200 metrov. Zemný vrt využíva hlbinné teplo, ktoré je stabilnejšie po celý rok.

3. Tepelné čerpadlá voda/voda

Ich možnosti využitia v SR sú ale obmedzené. Tepelné čerpadlá voda/voda čerpajú tepelnú energiu z veľkých objemov podzemných vôd, ktorých je ale v SR nedostatok. Pri čerpaní podzemnej vody tepelné čerpadlo voda-voda vyžaduje studňu na odber vody a vsakovaciu studňu, kam sa voda po využití vracia. Ďalšou možnosťou je čerpanie tepelnej energie z vodných plôch, čo je možné ale iba v prípade, že sa vhodná vodná plocha nachádza v bezprostrednej blízkosti nehnuteľnosti. Navyše by ste k tomuto riešeniu potrebovali súhlas správcu vodnej plochy. Tepelné čerpadlá, ktoré využívajú povrchovú vodu, sú závislé od sezónnych zmien teploty vody. Podzemná voda má konštantne vysokú teplotu, čo zabezpečuje spoľahlivú prevádzku aj v zime.

4. Tepelné čerpadlá vzduch/vzduch

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. Okrem chladenia funguje aj reverzibilne, teda na účely vykurovania. Ide o cenovo veľmi dostupné typy čerpadiel, ktoré sú vhodné aj do starších domov bez rekonštrukcie a zateplenia. Prevádzka tohto čerpadla si nevyžaduje dobudovanie teplovodnej vykurovacej sústavy.

Ohrev teplej úžitkovej vody (TUV)

Tepelné čerpadlá sú stále populárnejším riešením aj na prípravu teplej úžitkovej vody. 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. 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. V poslednom kroku ohriata para chladiva odovzdá svoju tepelnú energiu zabudovanému zásobníku teplej vody, ochladí sa a skondenzuje.

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. Odvádzaný vzduch, ktorý sa ochladí počas ohrevu teplej vody, sa odvádza von ako odvádzaný vzduch.

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. Spolu s elektrickým dokurovaním možno úžitkovú vodu sterilizovať až pri teplote 75 stupňov Celzia.

Dodatočné funkcie a doplnková výbava

Okrem vykurovania a ohrevu TUV môžu moderné tepelné čerpadlá ponúkať aj ďalšie funkcie.

• Chladenie: Moderné tepelné čerpadlá s reverznou funkciou dokážu nielen vykurovať, ale aj aktívne chladiť interiér počas letných mesiacov. V tomto prípade cyklus funguje opačne - teplo je odoberané z interiéru a odvádzané do vonkajšieho prostredia, čím sa interiér ochladzuje. Tento princíp je podobný fungovaniu chladničky. S touto funkciou získate nízkoenergetickú klimatizáciu, ktorá je navyše úplne ekologická.
  • Pasívne chladenie: 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: Možné u všetkých typov tepelných čerpadiel. Pri aktívnom chladení sa kompresor tepelného čerpadla zapne a funguje podobne ako klimatizácia.
• Ohrev bazéna a rekuperácie: Jedno zariadenie môže efektívne slúžiť aj na ohrev bazéna alebo rekuperácie (vzduchotechniky).
• Inteligentná regulácia: Pre správnu reguláciu a optimalizáciu vykurovacieho systému odporúčame vybrať kvalitné riadiace jednotky, regulátory a inteligentné aplikácie. Tepelné čerpadlá možno prepojiť so systémami na ovládanie inteligentnej domácnosti ako Google Home.
• Kombinácia s fotovoltikou: Tepelné čerpadlá môžu optimálne využívať vlastnú energiu z fotovoltického systému, čo zvyšuje ich ekologickosť a znižuje prevádzkové náklady.

Výhody a nevýhody tepelných čerpadiel

Tepelné čerpadlá prinášajú množstvo výhod, ale je dôležité zvážiť aj ich potenciálne nevýhody:

Výhody

• Ekologickosť: Využívajú obnoviteľné zdroje energie, čím znižujú emisie CO2 a uhlíkovú stopu. Pri výrobe tepla pomocou tepelného čerpadla nedochádza k žiadnemu zásahu do prírody, ani k spaľovaniu.
• Úspora nákladov: Vďaka vysokému COP dokážu výrazne znížiť náklady na vykurovanie oproti tradičným systémom. Domy v Európskej únii majú až 40 % podiel na spotrebe energií a až 35 % podiel na tvorbe emisií, tepelné čerpadlo vie tieto čísla výrazne znížiť.
• Celoročný komfort: Zabezpečujú vykurovanie v zime a možnosť chladenia v lete (pri reverzných modeloch).
• Nízka náročnosť na údržbu: Vyžadujú minimálnu údržbu a majú dlhú životnosť (vzduch-voda 15-20 rokov, geotermálne až 25 rokov). Raz ročne sa odporúča vykonať odborný servis.
• Možnosť kombinácie: Možno ich kombinovať s fotovoltickými panelmi pre ešte vyššiu efektivitu alebo solárnym systémom na ohrev TUV.
• Odvlhčovanie priestorov: Tepelné čerpadlo na prípravu teplej vody, ak je nainštalované v pivničnej miestnosti, túto miestnosť aj odvlhčuje.

Nevýhody a dôležité faktory

• Počiatočné náklady: Inštalácia tepelného čerpadla môže byť finančne náročnejšia v porovnaní s klasickými kotlami. Avšak investícia sa zvyčajne vráti v priebehu 5 až 10 rokov.
• Závislosť od elektrickej energie: Na svoj chod potrebujú elektrickú energiu.
• Vplyv vonkajšej teploty (pre vzduch/voda): Efektivita tepelných čerpadiel vzduch/voda klesá s klesajúcou vonkajšou teplotou. Pri extrémnych mrazoch systém potrebuje viac elektriny na udržanie tepla.
• Hlučnosť: Vonkajšie jednotky niektorých typov môžu produkovať hluk (40 - 60 decibelov), ktorý je potrebné zohľadniť pri umiestnení, aby sa minimalizoval vizuálny a zvukový vplyv na susedov.
• Potreba priestoru: Niektoré typy (napr. zemné kolektory) vyžadujú dostatočný pozemok, iné si vyžadujú priestor na vrt. Vnútorné jednotky sú zvyčajne podobne veľké ako bežný kotol, plus zásobník na ohrev vody.
• Stavebné povolenia: Európske stavebné nariadenia vo všeobecnosti povoľujú inštaláciu tepelných čerpadiel v rámci ohlasovacej povinnosti, presné pravidlá sa však musia overiť na miestnom stavebnom úrade.

Mýty o tepelných čerpadlách

Napriek technologickému pokroku stále koluje o tepelných čerpadlách pár mýtov:

• Mýtus: Tepelné čerpadlá nefungujú v mrazoch. Realita: Teplo sa nachádza aj vo vzduchu s teplotou len -273 °C. Moderné tepelné čerpadlá určené pre chladné oblasti preto bez problémov fungujú aj pri teplotách -28 °C, pričom využívajú kompresory s variabilnou rýchlosťou a technológiu vstrekovania pary.
• Mýtus: Tepelné čerpadlá sú príliš drahé. Realita: Ľudia nie vždy berú do úvahy dlhodobé úspory, ktoré im tepelné čerpadlo prinesie, ani rôzne dostupné dotácie, ktorými si môžu znížiť počiatočnú investíciu.
• Mýtus: Potrebujú rozsiahle úpravy vykurovacieho systému. Realita: Nie, väčšina systémov funguje s už existujúcimi radiátormi a potrubím, aj keď nízkoteplotné systémy ako podlahové kúrenie sú pre ne ideálne.

Výber správneho tepelného čerpadla

Pri výbere tepelného čerpadla je dôležité zohľadniť viacero faktorov:

1. Typ tepelného čerpadla: Výber závisí od lokality, dostupných zdrojov energie a vašich potrieb.
2. Výkon tepelného čerpadla: Musí zodpovedať tepelným stratám budovy. Musí byť schopné poskytnúť dostatočné množstvo tepla počas najchladnejších dní v roku.
3. Účinnosť tepelného čerpadla (COP/SCOP): Vyšší koeficient znamená nižšie prevádzkové náklady.
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.
8. Úroveň izolácie: Profesionálny výpočet tepelných strát zabezpečí, že veľkosť vášho systému bude zodpovedať potrebám a úrovni izolácie vašej domácnosti. Kvalitná izolácia v celom objekte pomáha maximalizovať účinnosť tepelného čerpadla.
9. Certifikované inštalačné firmy: Vo väčšine krajín musia inštaláciu vykonať profesionálni certifikovaní technici, najmä ak využívate dotáciu. Skutočná efektivita a životnosť systému nezávisí len od samotného tepelného čerpadla, ale najmä od správne navrhnutého a odborne zrealizovaného primárneho okruhu (najmä u zem/voda systémov).

Trhové trendy a podpora

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. Kým v Európe majú dominanciu tepelné čerpadlá typu vzduch-vzduch, u Slovákov narastá záujem 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 tepelné čerpadlá vzduch-vzduch, ktoré vykurujú celoročne do vonkajšej teploty -15°C.

Na podporu využívania obnoviteľných zdrojov energie v domácnostiach sú k dispozícii rôzne dotácie. Napríklad, v rámci projektu "Zelená domácnostiam" sa očakáva uvoľnenie ďalších prostriedkov na príspevky pre domácnosti. Cieľom projektu zostane naďalej podpora využívania obnoviteľných zdrojov, je ale potrebné zohľadniť aj ich prínos k znižovaniu emisií CO2.

tags: #tepelne #cerpadlo #na #vykurovanie #a #ohrev