Tepelné čerpadlá - ekonomická a ekologická alternatíva kúrenia
Moderné tepelné čerpadlá, vďaka využitiu najmodernejších technológií, efektívne a spoľahlivo pokrývajú požiadavky na vykurovanie objektu a ohrev vody po celý rok. Niektoré typy tepelných čerpadiel pokrývajú aj potrebu chladenia. A navyše bez toho, aby svojou činnosťou produkovali čo len gram emisií. Ich ekonomická prevádzka je príťažlivá nie len pre ľudí, ktorí dom stavajú, ale aj pre vlastníkov už existujúcich budov. Ako tepelné čerpadlo funguje? Aký zdroj tepla je možné použiť? A čo treba vziať do úvahy pri jeho projektovaní a inštalácii?
Na pozadí neustále stúpajúcich cien fosílnych palív, zohráva hospodárnosť prevádzky vykurovania a celkové energetické náklady stále dôležitejšiu úlohu. To je hlavným dôvodom, prečo rastie počet majiteľov domov, ktorí sa rozhodujú pre vykurovacie systémy s tepelnými čerpadlami. Rovnako aj ľudia, ktorí chcú minimalizovať svoj negatívny vplyv na životné prostredie a čo najmenej využívať fosílne palivá, by mali zvážiť kúpu tepelného čerpadla.
Pre životné prostredie
Moderné tepelné čerpadlá dokážu použiť iba 1 kWh elektriny a vyrobiť z nej až 5 kWh tepelnej energie. To znamená, že tepelné čerpadlo použije minimum elektrickej energie na vygenerovanie veľkého množstva tepla. Navyše majú jednu ekologickú výhodu: ich prevádzka nemá za následok vypúšťanie žiadnych pevných častíc do ovzdušia, a taktiež výrazne znižuje emisie CO2 v porovnaní s konvenčnými vykurovacími systémami.
Európsky trh s tepelnými čerpadlami
V roku 2015 sa na európskom trhu predalo takmer 900 000 kusov tepelných čerpadiel. S viac ako 209 000 predanými kusmi je Francúzsko najväčším európskym trhom, nasleduje Taliansko so 124 000 kusmi a Švédsko so 103 000 predanými tepelnými čerpadlami. Hlavným dôvodom pre dlhú tradíciou tepelných čerpadiel vo Švédsku je hlavne vysoká cena vykurovacieho oleja. Tepelné čerpadlá v tejto krajine jednoznačne profitujú z pomerne nízkych nákladov na elektrinu. Táto technológia má tiež silnú tradíciu vo Švajčiarsku, kde bolo v roku 2015 inštalovaných viac ako 23 000 tepelných čerpadiel.
Historicky prvé tepelné čerpadlo bolo vynájdené na konci 19. storočia. Prečo tak dlho trvalo pokiaľ prišli prvé tepelné čerpadlá na trh? Jedným z dôvodov je materiál, výroba, údržba, životnosť a veľmi často spomínaná konkurencieschopnosť a efektivita vynaložených nákladov. Iba prostriedky dostupné v súčasnej dobe spravili túto technológiu konkurencieschopnú v porovnaní s konvenčnými systémami vykurovania: moderné tepelné čerpadlá sú schopné pokryť požiadavky na vykurovanie a ohrev vody po celý rok. Dnešné ceny energií dávajú výhodu tepelným čerpadlám, pretože spotrebovanú energiu získavajú z prírodných zdrojov (zem, voda, vzduch) a tie sú zadarmo. A v neposlednom rade sa zmenila i verejná mienka. A to natoľko, že pokiaľ ide o výber vykurovacieho systému, mnohí ľudia kladú väčší dôraz na ochranu životného prostredia ako na prvotné investičné náklady.
Podstata fungovania a súčasti tepelného čerpadla
Takmer v každej domácnosti sa nachádza chladnička. Funguje ticho a spoľahlivo mnoho rokov. Jej úlohou je odobrať teplo z potravín, ktoré sa nachádzajú vo vnútri a uvoľniť toto teplo do okolitého prostredia. Tepelné čerpadlo je založené na rovnakom princípe. Čerpadlo odoberá teplo z okolitého prostredia (pôda, voda alebo vzduch) a zásobuje ním vykurovací systém. Avšak, na rozdiel od chladničky, obyvatelia domu využívajú teplo a nie chlad. Tento systém vyžaduje tri uzavreté okruhy: ako príklad si uvedieme soľankové tepelné čerpadlo, ktoré využíva zem ako zdroj tepla. V tepelnom čerpadle je teplo zo zeme prenášané do chladiaceho okruhu pomocou tepelného výmenníka - výparníka. V dôsledku tepelného príkonu sa chladivo odparuje a mení sa z kvapaliny na plyn. Kompresor toto plynné chladivo privedie do vyššieho tlaku a tým aj do vyššej teploty. Druhý výmenník tepla - kondenzátor, uvoľní teplo do tretieho okruhu, ktorým je vykurovací systém.
Kompresor je centrálnym prvkom v okruhu tepelného čerpadla. Stláča plynné chladivo, čím zvyšuje jeho tlak a teplotu. Teplota kompresorom stlačeného chladiva je vyššia ako teplota potrebná pre vykurovanie a ohrev vody.
Na trhu sú dostupné rôzne typy kompresorov, ktoré sa líšia v oblasti ich použitia, životnosti a v koeficiente výkonnosti (COP číslo). Moderné tepelné čerpadlá používajú dva princípy: piestový a špirálový kompresor. Piestový kompresor používa piesty, ktoré svojim pohybom najskôr nasajú plynné médium a opačným pohybom ho následne stlačia. Nevýhodou piestových kompresorov je hluk, ktorý piesty vydávajú pri svojom pohybe. Špirálový kompresor má jeden pevný a jeden pohyblivý závit.
Pohyblivý závit sa pohybuje excentricky a tým stláča chladiace médium vnútri. Špirálové kompresory s ich neustále sa pohybujúcich závitmi sú oveľa tichšie ako piestových kompresory, a preto vhodnejšie pre tepelné čerpadlá. Medzi ďalšie výhody patrí :
- Robustnosť a spoľahlivosť - sú vysoko odolné proti potenciálnym hydraulickým tlakom
- Ideálna výkonová krivka pre tepelné čerpadlá
- Takmer žiadne tepelné straty
- Potenciál do budúcnosti, pretože spolupracujú aj s alternatívnymi vysokotlakovými chladivami
Druhý výmenník tepla v chladiacom okruhu sa nazýva kondenzátor. Jeho úlohou je odovzdať teplo do vykurovania, kde plynné chladivo následne kondenzuje. Teplo uvoľnené pri kondenzácii je odovzdávané vykurovacej vode vo vykurovacom okruhu. Ako kondenzátory sa najčastejšie používajú kompaktné ploché výmenníky tepla, ktoré vo vzťahu k ich objemu prenášajú veľké množstvo tepla.
Štvrtou zložkou z chladiaceho okruhu je expanzný ventil, ktorý znižuje tlak chladiva do pôvodného tlaku. Následne chladivo prúdi päť do výparníka, čím sa chladiaci okruh uzatvára.
V súčasnosti sú na trhu dva rôzne typy moderných systémov: Na jednej strane sú to modulárne systémy pre vykurovanie a ohrev teplej vody s integrovaným zásobníkom teplej vody, a na druhej strane kompaktné systémy bez akumulačnej nádrže, ktoré sú buď použité iba pre vykurovanie alebo majú možnosť na pripojenie externého zásobníka teplej vody.
Zdroje tepla
Tepelné čerpadlá môžu ako zdroj tepla využívať:
- Vzduch
- Podzemnú vodu
- Zem pomocou vertikálneho kolektora (vrty)
- Zem pomocou horizontálneho kolektora
Výhodou zemných vrtov (vertikálnych kolektorov) sú ich malé nároky na priestor a veľmi vysoký ročný index výkonnosti geotermálnych tepelných čerpadiel. Tieto kolektory môžu byť inštalované takmer kdekoľvek.
Horizontálne kolektory sa na prvý pohľad javia ako menej nákladné, pretože mnoho inštalačných prác môže svojpomocne vykonať aj majiteľ domu. Avšak inštalácia samotného systému musí byť vykonaná odborníkmi, aby sa zabránilo tvorbe vzduchových bublín v systéme. Odborne inštalovaný horizontálny kolektor zabezpečí dostatočne vysoký ročný index výkonnosti. Treba však myslieť na to, že časť pozemku určená pre horizontálny kolektor nesmie byť použitá na stavbu a dokonca aj použitie tejto časti pre záhradné účely podlieha určitým obmedzeniam.
Tepelné čerpadlá typu voda/voda, využívajúce ako zdroj tepla podzemnú vodu, smú byť inštalované len na miestach, kde to situácia a prítomnosť podzemnej vody umožňuje. Pre tepelné čerpadlá typu vzduch/voda žiadne podobné obmedzenia nie sú, môžu byť inštalované kdekoľvek. Zaberajú len málo miesta, majú nižšie kapitálové výdavky a nevyžadujú žiadne oprávnenia. Avšak, tepelné čerpadlá vzduch/voda majú nižší ročný index výkonnosti ako tepelné čerpadlá využívajúce iné zdroje tepla (tabuľka 1) . Okrem toho, ventilátor použitý v tomto type tepelného čerpadla je hlučnejší a filtre si vyžadujú častejšiu údržbu.
Základné charakteristiky najčastejšie používaných zdrojov tepla pre tepelné čerpadlá v rodinných a bytových domoch v rámci klimatických podmienok strednej Európy
-
Vertikálny kolektor
Možnosť inštalácie kdekoľvek Potrebný priestor malý Priemerná teplota zdroja tepla v zime +5° to +12°C Potreba stavebného povolenia takmer vždy Priemerný ročný index výkonnosti tepelného čerpadla do 4,8 -
Horizontálny kolektor
Možnosť inštalácie kdekoľvek Potrebný priestor veľký Priemerná teplota zdroja tepla v zime -5° to +15°C Potreba stavebného povolenia nie Priemerný ročný index výkonnosti tepelného čerpadla do 4,6 -
Podzemná voda
Možnosť inštalácie kdekoľvek Potrebný priestor malý Priemerná teplota zdroja tepla v zime +8° to +12°C Potreba stavebného povolenia áno Priemerný ročný index výkonnosti tepelného čerpadla do 6,1 -
Vzduch
Možnosť inštalácie kdekoľvek Potrebný priestor malý Priemerná teplota zdroja tepla v zime -25° to +35°C Potreba stavebného povolenia nie Priemerný ročný index výkonnosti tepelného čerpadla do 4,8
Tepelné čerpadlá zem/voda zvyčajne používajú tepelnú energiu z povrchových vrstiev pôdy do maximálnej hĺbky 100 metrov. Do tejto hĺbky je možné získať stavebné povolenie pomerne ľahko a rýchlo, zatiaľ čo hlbšie vrty vyžadujú ďalšie povolenia.
V závislosti od energetickej náročnosti domu a od miestnych geotermálnych podmienok, montážna firma vyvŕta jednu alebo viacej vrtov až do hĺbky 50 až 100 metrov. Sondy pozostávajúce z plastových rúrok v tvare U sa následne vkladajú do týchto vrtov. Soľanka vstupuje do zemnej sondy pri teplote asi 2 °C až 4 °C, ktorá je nižšia ako teplota pôdy. Teplota soľanky sa v pôde zvýši v priemere o 3 až 4 Kelviny, čo je výsledná teplota približne 6 °C až 8 °C. Pri tejto teplote sa soľanka dostáva do výparníka a poskytuje teplo potrebné pre odparenie chladiva.
Dlhodobé merania ukázali, že teplota pôdy v hĺbke nižšej ako 10 metrov je približne 10 °C a zostáva konštantná počas celého roku. Bližšie k povrchu, slnečné žiarenie a teplota vzduchu spôsobujú sezónne výkyvy teploty pôdy. Zatiaľ čo pôda na povrchu má v auguste teplotu 20 °C, vo februári teplota klesne až na 0 °C. Tieto výkyvy sú relevantné iba v horných vrstvách pôdy do hĺbky niekoľko metrov, a preto ich pri vrtoch o hĺbke 50 až 100 metrov môžeme zanedbať. Sú však dôležité pre horizontálne kolektory, ktoré sú inštalované v malých hĺbkach, a preto množstvo tepla, ktoré dokáže horizontálny kolektor získať zo zeme, sa mení s teplotou povrchu pôdy.
Energetické vlastnosti
Rozumieť tepelným čerpadlám si žiada poznať základné teoretické poznatky o tejto technológii. Bez týchto poznatkov by bolo pre kúrenárov veľmi ťažké interpretovať tvrdenia z brožúr výrobcov, ktoré sa zvyčajne chvália určitými hodnotami a výkonmi ktoré sú všeobecné a nie sú ušité na mieru konkrétnym podmienkam na mieste inštalácie. Na vysvetlenie funkčnosti tepelných čerpadiel sa používajú viaceré termodynamické princípy. Pri hodnotení kvality tepelných čerpadiel sa uvádzajú dve dôležité čísla. Pokúsime sa vysvetliť: koeficient výkonu alebo COP číslo (z angličtiny Coefficient of Performance) a index výkonnosti. Nasledujúce informácie sa týkajú tepelných čerpadiel s elektricky poháňaným kondenzátorom.
COP číslo je pomer medzi produkovaným tepelným výkonom v kilowattoch (výstup) a spotrebovávaným elektrickým príkonom v kilowattoch (vstup). Výsledná hodnota je bezrozmerné číslo, ktoré hodnotí okamžitú ziskovosť tepelného čerpadla. Index výkonnosti meria energetickú transformáciu za určité časové obdobie. Jedná sa o pomer medzi užitočným teplom v kWh a spotrebou elektrickej energie v kWh. V prípade, že sa výkonnostný index vypočíta za obdobie jedného roka, ide o ročný index výkonnosti.
COP číslo tepelných čerpadiel závisí od teploty, ktorá je nižšia ako prevádzková teplota tepelného čerpadla, tj teplotný rozdiel medzi teplotou na výparníku a teplotou na kondenzátore. Čím nižší je tento teplotný rozdiel, tým vyššie výsledné COP číslo bude. Pri teplotnom rozdiele 25 °C COP číslo môže dosiahnuť hodnotu približne šesť, v prípade zvýšenia teplotného rozdielu na 40 °C môže COP číslo klesnúť až na hodnotu štyri. Tieto hodnoty sú predpokladané v prípade ideálnych podmienok.
V závislosti na maximálnej teplote systému majú soľankové tepelné čerpadlá a tepelné čerpadlá vzduch/voda rôzne ročné indexy výkonnosti . Ročný index výkonnosti v prípade tepelných čerpadiel vzduch/voda klesá relatívne málo s rastúcimi teplotami systému. Index výkonnosti v prípade soľankových tepelných čerpadiel je síce vyšší ale klesá strmšie ako v prípade tepelných čerpadiel vzduch-voda.
