Tepelná čerpadla » Vytápění tepelnou energií z okolního prostředí
Zveřejněno: 1. 8. 2023 | Doba potřebná k přečtení: 8 minut
Globální oteplování, změna klimatu, emise CO2 a skleníkový efekt – tato dramaticky znějící slova vídáme v titulcích aktuálního zpravodajství bohužel stále častěji.
Proto je bezpodmínečně nutné omezit používání skleníkových plynů, jako jsou například fluoridované uhlovodíky, metan, oxid dusný a oxid uhličitý (CO2). Speciálně oxid uhličitý, který mnohé otopné systémy vypouštějí při spalování fosilních paliv (uhlí, olej nebo zemní plyn), přispívá mj. ke globálnímu oteplování a ke změně klimatu.
Z tohoto důvodu existuje velká poptávka po ekologicky šetrných, resp. klimaticky neutrálních alternativách z obnovitelných zdrojů. Pokud jde o téma vytápění, dříve nebo později padne výraz „tepelné čerpadlo“. Co to ale tepelná čerpadla jsou, jak fungují a jsou skutečně všelékem na klimatickou krizi? Tyto otázky bychom si zde rádi vyjasnili a současně bychom vám rádi předali další zajímavé informace k tomuto důležitému tématu.
Ve vzduchu, v půdě a také ve vodě je obsaženo velké množství tepla, které by bylo v ideálním případě možné využít k vytápění. Příčinou je sluneční záření, respektive horké jádro planety Země. Pokud odhlédneme od vroucích gejzírů na Islandu, je tepelná energie, která je k dispozici, bohužel nevhodná k přímému vytápění. V topné sezóně jsou totiž teploty vzduchu, vody nebo půdy výrazně nižší než potřebných 20 stupňů Celsia (°C), které Spolkový úřad životního prostředí doporučuje jako cílovou pokojovou teplotu.
Zde už je zapotřebí trocha technických znalostí, aby proces vytápění přesto fungoval a aby přitom zůstal efektivní a šetrný k životnímu prostředí. Používají se například tepelná čerpadla vzduch-voda (1) pro pozvednutí tepelné energie (2) ze vzduchu na výrazně vyšší úroveň (3).
Takto dosažená teplota, resp. zvýšení teploty se pak přenáší na okruh vody v topení (4). Jednotlivé budovy, celé místnosti nebo i kompletní plavecké bazény tak lze vytápět snadno a efektivně.
Geniální trik spočívá v tom, že většina získané energie pro vytápění pochází přímo ze životního prostředí. Pokud jde o náklady, hovoříme zde pouze o elektrické energii pro tepelné čerpadlo (5), která byla v ideálním případě získána z obnovitelného zdroje.
Tepelná čerpadla nejsou vynálezem 21. století. Skutečně, tepelná čerpadla existují již více než 100 let. V zásadě je totiž každá chladnička nebo mraznička také tepelným čerpadlem. Rozdíl je v tom, že se u těchto chladicích zařízení vytvořené snížení teploty používá uvnitř, a odpadní teplo vznikající na zadní straně se při tom nevyužívá. Abychom dokázali lépe porozumět způsobu fungování tepelného čerpadla, vysvětlíme si nejprve, jak funguje chladnička s kompresorem.
Fungování chladničky s kompresorem
Chladnička má uzavřený chladicí okruh, ve kterém se nachází plynné, resp. kapalné chladivo, jako je například isobutan. Isobutan nebo také R600a má velmi nízký bod varu a vypařuje se již při teplotě –11,5 °C.
Plynné chladivo (1) je stlačováno pomocí kompresoru (2), který se nachází mimo vnitřní prostor, který má být chlazen (Outside). Přitom se chladicí prostředek ohřívá na základě Joule-Thomsonova jevu na přibližně 60 až 100 °C. Horké chladivo pod tlakem je vedeno dále do chladicího okruhu, resp. tepelného výměníku (3) na zadní stěně chladničky. Tam je tepelná energie jednoduše odevzdána do okolního vzduchu.
Protože je teplota varu u chladiva pod tlakem výrazně vyšší než –11,5 °C, chladivo v chladicím okruhu kondenzuje a zkapalní. Proto odborníci také označují chladicí okruh jako kondenzátor nebo zkapalňovač.
Kapalné chladivo následně teče kapilárními trubičkami dovnitř chladničky (Inside). Kapilární trubičky slouží jako škrticí prvek, resp. uvolňovací ventil (4), který snižuje tlak a jemně rozprašuje chladivo. Trubičky následně zapojeného výparníku (5) poskytují chladicímu prostředku dostatek prostoru, aby vlivem snížení tlaku přešel zpátky do plynného stavu. Tepelnou energii potřebnou k vypařování (chlad způsobený vypařováním) odebírá výparník jako výměník tepla z vnitřního prostoru chladničky. Za výparníkem je chladicí prostředek znovu přiveden ke kompresoru, aby mohl celý proces začít zase od začátku. Regulaci teploty přebírá termostat, který se zapíná nebo vypíná v rámci určitého teplotního rozsahu kompresoru.
Fungování tepelného čerpadla
V tepelném čerpadle se rovněž nachází uzavřený chladicí okruh s chladicím prostředkem, dva výměníky tepla a jeden kompresor. Ovšem na rozdíl od chladničky se u tepelného čerpadla využívá zvýšení teploty, a ne snížení teploty.
Navíc je plynné chladivo (2) stlačováno kompresorem (1). Horké chladivo pod tlakem je přivedeno do prvního výměníku tepla, resp. zkapalňovače (3).
Tento výměník tepla má kromě trubiček pro chladicí prostředek ještě potrubí pro okruh chladiva (4).
Oba potrubní systémy jsou termicky vzájemně propojené. Teplo ze stlačeného chladiva tak lze efektivně předat do topného okruhu prostřednictvím systému rozvodu tepla a zásobníků.
Ochlazené a nyní kapalné chladivo je přes škrticí ventil (5) vedeno do druhého výměníku tepla, výparníku, resp. zařízení tepelného zdroje (6). Kromě potrubí pro chladicí prostředek se ve výparníku nacházejí také termicky propojená potrubní vedení pro chladicí okruh (7). Chladicí okruh je zpravidla naplněný nemrznoucím prostředkem a vodou a umí znovu vyvážit chlad vznikající při odpařování ve výparníku pomocí tepla z okolního prostředí. Z tohoto pohledu je okolní prostředí ochlazováno tepelným čerpadlem, což je jeho pozitivní efekt. Chladicí prostředek, který je nyní znovu v plynném stavu, je přiváděn do kompresoru, čímž se okruh znovu uzavře.
Podle toho, ze kterého média je energie pro vytápění získávána, existují různé druhy tepelných čerpadel. Nejběžnější typy bychom vám zde rádi představili blíže:
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
V případě tepelného čerpadla vzduch-voda nebo také u tepelného čerpadla vzduch-vzduch (viz výkres A) slouží jako zdroj tepla okolní vzduch. Částečně jsou instalována rozdělená zařízení, u kterých je kompresor, výparník a ventilátor umístěný venku a zkapalňovač s oběhovým čerpadlem a regulační technikou se nachází uvnitř v domě. Až do teploty vzduchu –20 °C lze tepelná čerpadla vzduch-voda provozovat ekonomicky.
Námi doporučované produkty pro tepelná čerpadla vzduch-voda
Tepelné čerpadlo solanka-voda
Tepelná čerpadla solanka-voda využívají přirozené teplo země jako zdroj energie. Za tím účelem se blízko povrchu zahrabou zemní kolektory (viz výkres B) nebo se provedou vrty (40–100 m) (viz následující výkres C). Přestože jsou náklady na instalaci výrazně vyšší, umožňují vyšší teploty země zpravidla vyšší účinnost tepelného čerpadla.
Tepelné čerpadlo voda-voda
V případě tepelného čerpadla voda-voda (viz výkres D) slouží jako zdroj tepla zpravidla spodní voda. K tomu tepelná čerpadla voda-voda potřebují vrt, z něhož mohou odebírat vodu, a vsakovací studnu pro odvádění spodní vody.
Protože je teplota spodní vody po celý rok, nezávisle na ročním období, konstantní, mohou tyto systémy pracovat velmi efektivně. Využívání spodní vody je ovšem na mnoha místech možné jen s příslušným povolením.
Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch
Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch využívá venkovní vzduch nebo také odpadní vzduch z domu jako zdroj tepla. Na rozdíl od tepelného čerpadla vzduch-voda, není teplo odevzdáváno do topného okruhu plněného vodou, ale do větracího systému. Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch se ideálně hodí pro pasivní domy a energeticky účinné budovy, u nichž má být nainstalován větrací systém s rekuperací tepla.
Tepelná čerpadla na teplou vodu
Tepelné čerpadlo na teplou vodu, resp. tepelné čerpadlo na užitkovou vodu je dimenzované speciálně k tomu, aby připravovalo teplou užitkovou vodu pomocí okolního vzduchu a technologie tepelného čerpadla. Tepelné čerpadlo a nádrž na vodu často tvoří jednotku. Tepelná čerpadla na teplou vodu částečně obsahují ještě dodatečné topné články, aby bylo v případě potřeby možné znovu výrazně zvýšit beztak už vysokou teplotu užitkové vody přibližně 65 °C. Alternativně existují také tepelná čerpadla na teplou vodu s dodatečnými přípojkami pro sluneční kolektory.
Námi doporučované produkty pro tepelná čerpadla na teplou vodu
Doplnění tepelného čerpadla o sluneční kolektory
Samozřejmě existuje možnost tepelné čerpadlo efektivně doplnit a podpořit slunečními kolektory. Přitom je možné sluneční kolektory používat buď přímo k získávání teplé vody, nebo je lze při nízkých teplotách použít ke zvýšení energetické úrovně tepelného čerpadla. Možnosti, které to přináší, jsou tak rozmanité, že se v každém případě vyplatí konzultace s odborníky.
Techniku tepelných čerpadel lze využít jak k vytápění, tak i k chlazení bytů a budov. Protože jsou léta čím dál teplejší, vídáme na stěnách domů čím dál více klimatizačních zařízení s technologií tepelných čerpadel. Dokonce mobilní použití ve vozidlech se už řadu let výborně osvědčuje.
S touto chytrou technikou pracuje také řada domácích spotřebičů. Například sušičky na prádlo jsou na jednu stranu komfortní a užitečné, na druhou stranu ale vyžadují také relativně hodně elektrické energie. Aby se při stejném sušicím výkonu snížila spotřeba energie, pracují moderní sušičky na prádlo s tepelným čerpadlem. V případě sušičky prádla s tepelným čerpadlem se musí ohřívat stále nový vzduch, který je po procesu sušení jednoduše odváděn do místnosti nebo do okolního prostředí. Čím dál častěji je vzduch pro sušení stále znovu používán v uzavřeném okruhu a díky integrovanému tepelnému čerpadlu je cíleně ohříván a ochlazován.
Stejně jako obě strany jedné mince mají i tepelná čerpadla mnoho silných stránek, ale také určité nedostatky, které vám nechceme zatajit. Asi největší předností na jedné straně je, že dochází ke spotřebování podstatného podílu tepelné energie získané z okolního prostředí, která je k dispozici v neomezeném množství. Pokud je proud pro pohon kompresoru získáván z obnovitelných zdrojů, jsou tepelná čerpadla ekologicky šetrnými poskytovateli energie. Na druhou stranu jsou pořizovací náklady navzdory státní podpoře nezanedbatelné. Navíc je integrace do stávajících budov kvůli nízké teplotě na vstupu často obtížná.
Výhody a nevýhody tepelných čerpadel v přehledu
Výhody:
✓ Ekologicky šetrný dodavatel energie
✓ Vysoká účinnost
✓ Téměř nevyčerpatelný zdroj tepla
✓ Vysoká flexibilita zdrojů energie
✓ Nízké provozní náklady, rychlá amortizace
✓ Téměř bezúdržbový provoz
✓ Topný i chladicí provoz
Nevýhody:
✗ Vyšší pořizovací náklady
✗ Omezená teplota na vstupu
✗ Nutnost kvalitní izolace budovy
✗ Optimální účinnost pouze při podlahovém vytápění
✗ Obtížný provoz s topnými tělesy
✗ Nutnost oddělení systému pro teplou vodu
✗ Plánování a projektování mohou provádět pouze odborníci
Účinnost vytápění udává poměr přiváděné energie a využitelného tepla. Jestliže plynové vytápění vytvoří z 10 000 kWh zemního plynu asi 9 000 kWh tepla, dosahuje účinnosti vytápění 0,9. U tepelných čerpadel se uvádí účinnost mezi 2 a 5! To znamená, že se z jedné kilowatthodiny (1 kWh) elektřiny, pokud možno získané z obnovitelného zdroje, vyrobí asi 2–5 kWh tepla.
Tepelná čerpadla ovšem nejsou kouzelné skříňky, které dokážou zázračně vyrobit energii z ničeho. Jejich vysoká účinnost spočívá zejména v tom, že je do výpočtu zahrnutý pouze potřebný elektrický proud, a už ne přiváděná energie z okolního prostředí.
To ale nakonec není relevantní, protože energie z okolního prostředí je k dispozici neomezené množství a protože tato energie nefiguruje na žádné faktuře za energie. V ideálním případě odpadají náklady na provoz, pokud provozovatel tepelného čerpadla vlastní také fotovoltaický systém, jímž vyrábí elektrický proud pro kompresor, ventilátor a čerpadla. Díky obnovitelným zdrojům energie pak lze vytápět zcela bez emisí CO2.
Aby obyvatelstvo při modernizaci nebo změně stávajícího topení, resp. starého topení přešlo na klimaticky neutrální tepelné čerpadlo, poskytuje spolková vláda finanční podporu na nové tepelné čerpadlo. Tato podpora je nicméně vázaná na splnění určitých kritérií. Kromě toho se podpora v průběhu času mění. Zájemci, kteří by při pořízení nového vytápění chtěli využít podporu, se mohou na internetové stránce Spolkového ministerstva pro hospodářství a ochranu klimatu informovat o aktuálních možnostech podpory.