Obecný princip fungování

Tepelná čerpadla jako zdroj vytápění a chlazení dnes už asi každý zná, ale málo kdo si uvědomuje, na jakém principu vlastně fungují. Přitom princip fungování tepelného čerpadla je světu znám již více než 100 let.

Tepelná čerpadla jsou principiálně podobná často zde skloňované chladničce, jenže v režimu vytápění pracují opačným směrem. Chladnička teplo odebírá z vnitřního prostoru — tím potraviny ochlazuje a vnější místnost pomocí výměníku zahřívá (zkuste si sáhnout na zadní stranu vaší chladničky). Zatímco tepelné čerpadlo jímá energii ze země nebo obecně z okolního prostředí a ohřívá prostor vnitřní – vytápěný objekt. U zemních tepelných čerpadel je to konkrétně zemský masív (geotermální energie). Jako teplonosné medium zde slouží nemrznoucí kapaliny (nemrznoucí směs), které kolují v potrubním systému tzv. primárního okruhu (vrty, kolektory atd.)

Tepelná čerpadla země – voda a jejich princip fungování

Pojďme se tedy blíže zaměřit na zemní tepelná čerpadla, která převádí nízko-potenciální energii získanou z okolního prostředí na vyšší teplotní úroveň.

Nemrznoucí teplonosná kapalina odebere energii/teplo ze země vně objektu a je vedena potrubním systémem do výparníku tepelného čerpadla uvnitř budovy.
Výparník je první stěžejní součástí celého stroje – tepelného čerpadla. Zde je nízko-potenciální teplo ze země předáno chladivu, které mění své skupenství z kapalného na plynné díky velmi nízkému bodu varu.

Zajímá vás cena vrtu nebo zemního kolektoru? Chcete rámcový návrh primárního okruhu tepelného čerpadla? Jaké budou náklady na provoz domu s TČ země/voda? Vyzkoušejte naší online kalkulačku!

Chladivo přeměněné v páru je nasáváno kompresorem a následně dochází k jeho stlačení. Díky tomuto fyzikálnímu jevu se zvýší jeho teplota na cca 80 °C a z kompresoru odchází horký plyn. Tento jev by se dal velmi přeneseně přirovnat k nafukování pneumatiky kola pumpičkou. Všimněte si, že se při nafukování ventilek pneumatiky také rychle zahřívá vlivem stlačování.
Horký plyn poté putuje do kondenzátoru, kde předává své teplo vnitřní topné soustavě, která pomocí topné vody vyrábí teplo pro vnitřní prostor (ohřev topné vody, ohřev teplé vody, bazénu atd.).
Z kondenzátoru již odchází ohřáté zkapalněné chladivo, které odevzdalo velkou část tepla. To přechází potrubím zpět do výparníku přes expanzní ventil.
Expanzní ventil zajišťuje další fyzikální proces a tím je expanze — prudké snížení tlaku rozpínáním v prostoru, při kterém dochází k plnému zkapalnění již zkondenzovaných par chladiva a plnému ochlazení chladiva.
Celý cyklus se stále dokola opakuje.

Pokud bychom měli opravdu jednoduše a jednou větou popsat celý proces, tak „tepelné čerpadlo převádí kompresí nízko-potenciální teplo z vnějšího prostředí na vyšší teplotu a předává jej do vytápěného interiéru“.

Perpetuum mobile? Nikoliv, práce kompresoru – nutný příkon elektrické energie zde stále tvoří cca 20% z celkové vyrobené energie.

Oproti výrobě tepla přímotopy či elektrokotlem ale dokážeme snížit spotřebu elektrické energie i více než 5ti násobně!

Účinnost tepelného čerpadla země – voda

Účinnost tepelného čerpadla je jeden ze zásadních parametrů, který hraje důležitou roli v rozhodovacím procesu investorů, zdali si tepelné čerpadlo pořídí nebo ne. Čím vyšší je účinnost zdroje vytápění tím méně energie na vytápění spotřebujeme. Účinnost tepelných čerpadel je nejčastěji vyjádřena pomocí parametru COP (Coefficient of Performance), který nám udává poměr mezi vyrobenou energií a energií dodanou – odebranou ze sítě. Aby bylo možné jednotlivé výrobce a modely tepelných čerpadel srovnat, jsou tyto účinnosti spojeny vždy s konkrétními provozními parametry, nejčastěji B0/W35a B0/W55 dle jednotné metodiky měření např. dle EN14511. Co označení B0/W35 znamená? Jde o provozní stav, kdy na zdrojové části tepelného čerpadla – tedy ze země dostáváme teplotu 0 °C a naopak do systému vytápění pouštíme teplotu 35 °C.

Vzhledem k tomu, že teplota topné vody se v rámci otopné sezóny často mění s ohledem na venkovní teplotu a teplota získávaná ze země také, udávají výrobci též tzv. sezónní topný faktor SCOP, který již nelze v laboratoři přesně naměřit, ale dá se spočítat vzhledem k daným klimatickým podmínkám a způsobu vytápění. Teplota ze země rovna 0 °C (k níž většina výrobců udává své výkony a účinnosti) je krajní hodnotou samotného návrhu. Stejně tak teplota 35 °C (např. u podlahové vytápění) bývá horní hranicí teploty v otopné soustavě. Proto právě sezónní topný faktor SCOP je zpravidla vyšší než uváděné podmínky COP při krajních návrhových podmínkách.

Čím je to způsobeno? Čím vyšší teplotu ze země poskytnu tepelnému čerpadlu, tím méně práce bude mít kompresor se stlačením par chladiva a tím také méně elektrické energie spotřebuje. Stejně tak pokud navrhneme systém podlahového vytápění a obecně celou otopnou soustavu tak, aby nám postačilo např. pouze 30 °C v maximu i při těch nejkrutějších mrazech, opět snižuji spotřebu a tlak na práci kompresoru a účinnost vyjádřená SCOP mi roste.

Tyto základní principy je třeba si uvědomit již při samotné tvorbě projektové dokumentace. Primární okruh tepelného čerpadla (vrty, kolektory atd.) nelze předimenzovat! Pokud bude systém „předimenzovaný“ bude dražší, ale na druhou stranu mnohem bezpečnější, účinnější a vzhledem k jeho plánované životnosti bude též připraven na případné rekonstrukce/dostavby/změny způsobu užívání apod. Pro optimální návrh vždy kontaktujte odborníky v dané oblasti!

Tepelná čerpadla mají oproti jiným konvenčním zdrojům vytápění jednu zásadní výhodu. Kompresory a ostatní části tepelných čerpadel sami o sobě teplo nevytvářejí, ale pouze ho převádí na vyšší teplotu. Většina tepla je totiž odebírána z okolního prostředí. Jak již bylo zmíněno, tak u zemních tepelných čerpadel je to energie ze země. Tato čerpadla mají také v porovnání třeba se vzduchovými tepelnými čerpadly daleko menší spotřebu vstupní elektrické energie vlivem stálosti tepla v zemi i v zimních měsících s teplotou pod bodem mrazu, kdy vzduchová tepelná čerpadla musí brát teplo i z tohoto mrazivého vzduchu. V obou případech se však stále jedná o obnovitelný zdroj energie, neboť absolutní většina energie je čerpána z okolního prostředí.

Klíčové výhody tepelných čerpadel země – voda na závěr:

– Nižší spotřeba elektřiny – až o 30 % oproti vzduchovým tepelným čerpadlům (POZOR! z průkazu energetické náročnosti to bohužel nevyčtete)
– Vysoká účinnost a stabilní topný výkon nezávislý na venkovní teplotě
– Netrpí námrazou výparníku jako vzduchová tepelná čerpadla
– Technická spolehlivost a dlouhá životnost
– Nejsou hlučná a jsou bezúdržbová
– Investiční náklady (např. u plošných kolektorů cca srovnatelné s kvalitními vzduchovými čerpadly)
– Ekonomický a ekologický provoz bez emisí v místě spotřeby
– Vhodné pro starší objekty i novostavby
– V létě umí i chladit – v případě pasivního chlazení téměř zdarma