Tepelné čerpadlo je zariadenie, ktoré dokáže odoberať energiu z vonkajšieho prostredia a odovzdávať ju ako použiteľné teplo pre vykurovanie a ohrev teplej vody. V zemi, vo vode a vo vzduchu je obsiahnuté nesmierne množstvo tepla avšak jeho nízka teplotná hladina (-15°C až +40°C) neumožňuje jeho priame využívanie za účelom vykurovania. Preto sa musí táto energia previesť na vyššiu teplotu (+25°C až +65°C). V tomto článku si ukážeme ako to funguje.

Princíp práce tepelného čerpadla

Princíp práce tepelného čerpadla.

Tepelné čerpadlo predstavuje uzatvorený okruh. Na jednej strane sa odoberá teplo primárnemu médiu (vzduch, zem, voda) a na opačnej strane sa odovzdáva teplo do vykurovacieho systému, alebo na ohrev teplej vody. Zvýšenie teploty medzi primárnou a sekundárnou stranou sa dosiahne pomocou troch prvkov: 1- v okruhu prúdi médium (chladivo) vybrané tak, aby pre použité teploty bolo v stave kvapalnom aj plynnom (v závislosti od tlaku). 2- kompresor stláča médium na vyšší tlak. 3- expanzný ventil prepúšťa médium zo strany vysokého tlaku na stranu nízkeho tlaku.

Poradie prvkov v okruhu je na obrázku. Na ľavej (primárnej) strane „zohrejeme“ médium na teplotu zdroja (vzduchu, zeme, vody) napr. 15 °C. Kompresorom tento plyn stlačíme, čím sa zohreje na teplotu 55°C. Na pravej (sekundárnej) strane pomocou výmenníka odovzdáme teplo z plynu do vykurovacej vody a ochladíme tým plyn na teplotu 35°C. Takéto ochladenie pri danom vysokom tlaku spôsobí skvapalnenie plynu. Médium v kvapalnej forme prichádza k expanznému ventilu. Expanzný ventil prepúšťa kvapalinu na stranu nízkeho tlaku, čím sa znova médium dostáva do plynného skupenstva a rozpínaním sa jeho teplota zníži na 5°C. Cyklus sa uzavrie a znova „zohrejeme“ médium z 5°C na 15°C pomocou vonkajšieho vzduchu, čím načerpáme teplo z vonku a médium sa vracia na kompresor.

Takýmto cyklom dokážeme odoberať teplo z troch zdrojov: vonkajší vzduch, zemské teplo, teplo podzemnej vody. Tieto zdroje sú z pohľadu našej potreby nevyčerpateľné a ich pôvod je v slnečnej energii. Čerpanie týchto zdrojov nie je zadarmo. Potrebujeme k tomu mechanickú prácu kompresora, teda elektrickú energiu na jeho pohon. Pomer medzi elektrickou energiou, ktorú spáli kompresor a teplom, ktoré pri tom získame sa nazýva výkonové číslo. V anglickom ekvivalente je to coefficient of performance (COP). Toto výkonové číslo sa v závislosti od teploty primárnej strany pohybuje od 2 do 6. To znamená, že pri COP 3 kompresor odoberá zo siete výkon 1kW a do vykurovania dostávame 3kW tepla. Takže 2kW aktuálneho výkonu sú odoberané z vonkajšieho prostredia.

Tepelné čerpadlo Vzduch – Voda

Pri systéme vzduch-voda je primárnym zdrojom vonkajší okolitý vzduch. Teda označenie vzduch-voda znamená že odoberáme teplo vonkajšiemu vzduchu a ukladáme ho do vykurovacej vody.

Existujú tri druhy vyhotovenia tohto typu tepelného čerpadla. Prvým je kompaktná vonkajšia jednotka, teda primárna aj sekundárna strana vnútorného (chladiaceho) okruhu je v jednom kompaktnom zariadení. Hlavná výhoda tohto riešenia je v úspore priestoru technickej miestnosti. Druhé vyhotovenie je rovnaké, ale jednotka je umiestnená vo vnútri a primárny vzduch je nasávaný a vyfukovaný cez vzduchotechnické hadice na fasádu objektu. Výhoda oproti prvému riešeniu je v odolnosti proti zamrznutiu jednotky v prípade dlhodobého výpadku elektrickej energie. Tretím druhom je tzv. splitové tepelné čerpadlo, ktoré má rozdelený vnútorný okruh a vonku sa nachádza kompresor, vo vnútri sa nachádza hydrobox s výmenníkom a medzi nimi prúdi priamo chladivo. Táto kombinácia spája priestorovú výhodu vonkajšej jednotky a odbúrava problém so zamrznutím. Je však inštalačne náročnejšia kvôli nutnosti vákuovania a napustenia systému chladivom. Viac o konkrétnych rozdieloch a ich inštalácií nájdete v článku Inštalácia a prevedenie tepelného čerpadla.

Všeobecnou výhodou tepelného čerpadla vzduch-voda je nižšia investícia pri kúpe TČ. Nie sú potrebné žiadne zemné práce na primárnej strane ako je to pri ostatných typoch čerpadiel. Avšak hlavnou nevýhodou tohto typu je znižujúci sa topný faktor s klesajúcou vonkajšou teplotou. To znamená že tepelný výkon čerpadla pri podmienkach 2°C vonkajšieho vzduchu a 35°C vykurovacej vody (označenie A2/W35) je napr. 10kW tepelnej energie, ale pri poklese vonkajšej teploty na -10°C nám to isté tepelné čerpadlo vyrobí len 5kW tepelnej energie. A teda nám samotný kompresor nedokáže pokryť tepelnú stratu domu. Preto majú tieto tepelné čerpadlá integrovaný elektrokotol a pri nízkych vonkajších teplotách si „pomáhajú“ priamym elektrickým ohrevom vykurovacej vody.

To znamená že na celkové prevádzkové náklady má veľký vplyv priemerná teplota v oblasti inštalácie tohto tepelného čerpadla. Neodporúčame preto inštalovať tieto jednotky v horských oblastiach, prípadne v studených dolinách kde sa dlhodobo v zime pohybuje vonkajšia teplota pod -10°C.

V miernych oblastiach Slovenska, kde sa vyskytuje teplota pod -10°C len napr. dva týždne v roku je možným riešením kombinácia s krbovou vložkou. Klasickým príkladom je bungalov s obytnou plochou 140 m2, s inštalovanou krbovou vložkou v obývačke a s tepelným čerpadlom vzduch-voda. V čase silných mrazov môžeme krbovou vložkou zabezpečiť dostatok tepla v dome tak, aby nebolo nutné zapínať priamy elektrický ohrev. Táto kombinácia je podľa nášho názoru ideálna a odporúčame ju zákazníkom.

Tepelné čerpadlo Zem – Voda

Pri systéme zem-voda je primárnym zdrojom zemské teplo. Už v hĺbke cca 40 cm zem nezamŕza a v hĺbke 50 metrov je po celý rok konštantná teplota cca 15°C. Toto teplo môžeme odoberať dvoma spôsobmi. Zemným kolektorom, ktorý tvorí meander zakopaný v relatívne nízkej hĺbke a odoberá teplo z plochy pozemku. Toto riešenie je lacnejšie, avšak pri nedostatočnej ploche kolektora môže dôjsť k zamrznutiu celej plochy pozemku. Druhou možnosťou je hlbinný geovrt s hĺbkou 50 – 120 metrov. Je síce investične drahší (meter vrtu sa pohybuje od 42 do 50 €, teda napr. dva vrty po 50 metrov stoja 4200 eur) avšak touto investíciou dosiahneme stabilný zdroj tepla nezávislý na vonkajších poveternostných podmienkach. COP je teda počas celého roka rovnaké. Toto riešenie odporúčame pre väčšie domy, alebo polyfunkčné stavby, kde je potrebný stabilný zdroj a v objekte sa nenachádza žiadna záloha v podobe krbu. Viac o technickom riešení sa dočítate v článku Inštalácia a prevedenie tepelného čerpadla.

Tepelné čerpadlo Voda – Voda

Systém voda-voda odoberá teplo zo studničnej alebo povrchovej vody. Pri studničnej vode sa využívajú dve studne. Z prvej sa čerpadlom ťaží voda o teplote cca 10°C a do druhej sa vypúšťa tá istá voda ochladená na cca 5°C. Čerpanie z povrchovej vody sa u nás vyskytuje zriedka.

Výhoda tohto zdroja energie je vo vyššej teplote primárnej strany ako u systému zem-voda. Má však celý rad nevýhod. Na čerpanie vody sa musí použiť mechanická práca čerpadla (elektrická energia). Táto energia má celkom zásadný vplyv na celkové výkonové číslo systému, hlavne v prípade hlbokých studní. Jednoduchá predstava: pre stredne silné tepelné čerpadlo potrebujeme vyťažiť cca 33 litrov vody za minútu. To je 2 000 litrov za hodinu. A teda potrebujeme toľko elektrickej energie, aby sme každú hodinu zdvihli osobné auto do výšky 10 metrov.

Ďalšou zásadnou nevýhodou je obsah minerálov v spodnej vode v našich podmienkach. V reálnej prevádzke sa tento vodný kameň usádza v primárnom oddeľovacom výmenníku, ktorý je potom potrebné pravidelne rozobrať a vyčistiť. Preto v našich podmienkach tento typ tepelného čerpadla neodporúčame.