Tepelné čerpadlo jako plnohodnotný alternativní zdroj energie

Alternativní zdroje energií se u nás prosazují stále v širší míře. Ať již jde o kondenzační plynové kotle, solární systémy nebo moderní tepelná čerpadla, zájem stavitelů rodinných domů o ně každoročně vzrůstá. Není divu. Úspory nákladů za vytápění hrají při volbě topného systému jednu z rozhodujících rolí. 

Tepelná čerpadla se prosazují stále v širším měřítku
Tepelná čerpadla pracují na principu odebírání tepla z okolí (voda, země, vzduch) které s přispěním dodání minima elektrické energie dále využívají k ohřevu ať již vody v topném systému nebo i k ohřevu teplé užitkové vody. Úspor je dosaženo tím, že z jedné kWh přijaté energie dokáže tepelné čerpadlo vyrobit 3-4 kWh energie tepelné (odtud Topný faktor např. 4,0). Za příznivých klimatických podmínek i více. To neumí žádné jiné zařízení.

Jak funguje tepelné čerpadlo?
Z výše uvedeného je tedy zřejmé, jak tepelné čerpadlo funguje. Odebírá teplo ze svého okolí.  Ve výparníku dochází ke změně skupenství teplé kapaliny na páru, která ohřátá o několik stupńů je stlačena kompresí na mnohem vyšší teplotu. Záhřáté chladivo předá teplo pomocí druhého výměníku podlahovému vytápění nebo radiátorům. Získané teplo je jejich prostřednictvím předáno do místností a studená voda putuje okruhem zpět k opětovnému ohřátí a předání tepla. 

Historie a vznik tepelných čerpadel
Myšlenka, od níž byl odvozen princip tepelného čerpadla, bude v příštím roce stará přesně 165 let.  Přišel s ní Lord Kelvin již v roce 1852 ve své druhé termodynamické větě. Ten v jedné z jejich částí hovoří o způsobu šíření tepla, který je vždy a za všech okolností ve směru od teplejší ke studenější části. Tento objev byl pro pozdější vznik tepelného čerpadla zcela zásadní.

První tepelné čerpadlo
Prvnímu skutečnému tepelnému čerpadlu pomohla na svět náhoda.  Bylo dílem amerického vědce Robert C. Webbera, který na konci čtyřicátých let minulého století prováděl pokusy s hlubokým zamrazením. Když se dotkl náhodně výstupního potrubí mrazícího přístroje rukou, spálil se.

Napadlo ho propojit výstup z mrazáku s ohřívačem na teplou vodu. Další přebytek tepla využil k napojení horké vody na potrubní smyčku. S pomocí malého větráku pak začal vhánět teplý vzduch do domu.

Typy tepelných čerpadel
Základní typy tepelných čerpadel pracují na principech voda – voda, kdy je zbytkové teplo odebíráno z vody a s pomocí kompresoru a výměníku je s ním ohřívána topná voda, dále vzduch voda, kdy teplo pro ohřev topné vody je odebíráno z okolního vzduchu, země – voda, kdy země ohřívá vodu v kolektorech a ta následně vodu v topném systému a vzduch – vzduch, kdy nasátý vzduch slouží k ohřevu vzduchu přímo v místnosti.

Jak funguje tepelné čerpadlo  Voda – voda?
Odebírá teplo přímo z vody. Nejčastěji musí být k dispozici dvě studny, z nichž jedna z nich je zdrojová a druhá vsakovací. Čerpadlo pracuje tak, že voda ze zdrojové studny dodává teplo tepelnému čerpadlu, které po předání tepla vrátí studenou vodu do studny vsakovací. Takové řešení je náročné na dostatek kvalitní vody a nutný je také souhlas místního odboru životního prostředí.

Tepelné čerpadlo – vzduch – voda.  Jak funguje?
Výhodou tohoto systému je snadná instalace a univerzálnost použití. Jednoduchost instalace spočívá v tom, že odpadají nákladné zemní práce, což umožňuje nasazení těchto čerpadel na jakékoliv stavbě.  Výkon tepelného čerpadla je závislý na teplotě venkovního vzduchu. Se vzrůstající teplotou výkon tepelného čerpadla roste, je-li teplota nižší naopak výkon klesá. Ideální pro provoz těchto čerpadel je jejich doplnění tzv. bivalentním zdrojem (například elektrokotel), který při nižších teplotách (+5 až -7°C) dokáže zajistit potřebný topný výkon. U některých tepelných čerpadel s frekvenčně řízenými kompresory, si dokáže tepelné čerpadlo uchovat svůj výkon i pří nízkých venkovních teplotách. Nicméně je tak tomu za cenu výrazně zvýšeného elektrického příkonu. Minimální teplota, při které vzduchové tepelné čerpadlo ještě pracuje, je obvykle -20°C, lze se setkat i se stroji pracujícími až do -25°C. Při dlouhodobě nízkých teplotách pokrývá tepelnou potřebu pouze doplňkový zdroj a proto musí v lokalitách, kde se takto nízké teploty vyskytují, být schopen jeho výkon pokrýt potřebu tepla pro celý objekt. Tepelná čerpadla vzduch/voda se skládají buď  ze dvou jednotek a to venkovní a vnitřní ( tzv. Split), nebo z kompaktního provedení, kdy celé tepelné čerpadlo může stát vně nebo uvnitř objektu

Jak funguje tepelné čerpadlo Země – Voda?
Tento typ tepelných čerpadel díky uložení kolektorů v zemi (plošné kolektory horizontální nebo hlubinné vertikální) vykazuje nejmenší výkyvy topného účinku i při nižších teplotách (například – 4°C až -8°C). Je tomu tak z důvodu jejich uložení ve stabilních podmínkách nezámrzné hloubky. Kolektory, v nichž putuje chladivo, odebírají teplo ze země a předávají je vodě, která dodá teplo tepelnému čerpadlu a to je předá do nitra místností. Výhodou těchto čerpadel je vysoká úspora energie, která je ale vykoupena vysokými pořizovacími náklady spojenými zejména s realizací zemního kolektoru. U vrtů jsou náklady ještě mnohem vyšší. Výhodou je, že čerpadlo zvládne až na malé výjimky vytápět dům i v zimě s minimálním zapojením bivalentního zdroje.

Jak pracují tepelná čerpadla vzduch – vzduch?
Tepelná čerpadla vzduch/vzduch pracují na stejném principu jako tepelná čerpadla vzduch/voda.  Tepelný výkon ale není využíván k ohřevu topné vody, ale je jím ohříván přímo vnitřní vzduch domu. Tepelná čerpadla vzduch/vzduch mohou mít jednu vnitřní jednotku (split), popřípadě více vnitřních jednotek (multisplit). Tepelná čerpadla vzduch/voda s jednou vnitřní jednotkou se používají pro vytápění malometrážních bytů, či vytápění rekreačních objektů. Vnitřní jednotka dokáže vytopit zejména místnost, v níž je umístěna. Avšak při použití více vnitřních jednotek je možné tímto způsobem vytápět či klimatizovat celý dům.

Výhody tepelných čerpadel
Výhody tepelných čerpadel lze shrnout velmi jednoduše. Tepelná čerpadla dokáží zajistit vytápění objektů při nejnižší spotřebě energií. Jsou ekologická, bezpečná (nehrozí nebezpečí výbuchu), nevypouští do okolí domu žádné emise.  Při postupném globálním oteplování roste i počet dnů v roce, kdy dokáží vytápět dům bez nutnosti zapojení doplňkových zdrojů. S přibývající konkurencí klesá i jejich pořizovací cena a zrychluje se tudíž návratnost vložených prostředků na jejich nákup.

A co říci závěrem?
Ač se to v těchto měsících nezdá, nevyužité teplo je všude kolem nás. Teplota vzduchu se po většinu dne drží v kladných hodnotách. A vody určitě také. Je tedy zřejmé, že voda, země a vzduch pro nás budou hrát v budoucnu stále větší roli.

Ivo Románek