Princip tepelného čerpadla

Princip tepelného čerpadla

Tepelná čerpadla využívají tepelné energie okolního prostředí a přeměňují ji na teplo vhodné k vytápění budov a ohřevu užitkové vody. Tepelná čerpadla jsou konstruována na principu kompresorového okruhu s vhodným chladivem, obdobně jako běžné kompresorové chladničky. Ty však transportují teplo z chlazeného vnitřního prostoru ven, zatímco tepelné čerpadlo odebírá teplo z venkovního prostředí (vzduch, spodní voda, zemní teplo) a předává ho dovnitř do budovy.

Princip tepelného čerpadla

Pro vhodné využití konkrétních podmínek se vyrábějí tepelná čerpadla vzduch-vzduch, vzduch-voda, voda-voda a voda-vzduch (nejméně častá). Pro posouzení efektivity tepelného čerpadla se zavádí tzv. topný faktor (někdy nazývaný jako výkonové číslo). Tento topný faktor je poměr celkové získané tepelné energie na výstupu z tepelného čerpadla k dodané elektrické energii. Tento topný faktor se obvykle pohybuje v rozmezí od 2 do 6 a je závislý zejména na teplotě venkovního prostředí a na teplotě topné vody.

Teplo ze vzduchu

Princip tepelného čerpadla

Teplo z okolního vzduchu využívají tepelná čerpadla vzduch-vzduch a vzduch-voda. Tato tepelná čerpadla mohou odebírat i teplo i z vnitřního vzduchu odvětrávaného z budovy (tzv. rekuperace). Současná tepelná čerpadla STIEBEL ELTRON již pracují s relativně dobrým topným faktorem i při podnulových venkovních teplotách, takže jsou dobře využitelná i zimních obdobích. Jejich velkou výhodou je to, že nepotřebují žádné zemní kolektory ani studny, jak je tomu u ostatních typů tepelných čerpadel.

Teplo ze země

Princip tepelného čerpadla

Téměř všude je možné využít teplo uložené do povrchových vrstev zemské kůry ze slunečního záření. Vzhledem k velké akumulační schopnosti zemského povrchu je teplota tohoto prostředí prakticky nezávislá na roční době. Přenos tepla ze země zajišťuje nemrznoucí teplonosné medium, které cirkuluje v plastovém potrubí zemního kolektoru. Tento kolektor se zpravidla umísťuje buďto horizontálně zhruba 1,5 až 2 m pod povrch země do ručně nebo mechanizací provedených výkopů, nebo formou zemních smyček do zemních vrtů hlubokých zpravidla 50 až 120 m. Horizontální zemní kolektory jsou při stejném tepelném výkonu asi o polovinu levnější než zemní vrty, avšak jejich nevýhoda je ta, že jsou poměrně náročné na rozlohu potřebného pozemku.

Teplo z podzemní vody

Princip tepelného čerpadla

Tepelná čerpadla pro tyto aplikace jsou stejné konstrukce jako tepelná čerpadla v předchozím případě. Rozdíl je pouze v tom, že přes primární okruh výparníku neprotéká teplonosné médium zemního kolektoru, ale přímo voda buďto z vhodné studny, nebo vodoteče. Podmínkou použití tohoto systému jsou vhodné hydrogeologické podmínky v dané lokalitě a dostatečná vydatnost pramenů. Voda se zpravidla čerpá z jednoho vrtu a po ochlazení v tepelném čerpadle se vpouští do vsakovací jímky popř. vrtu vzdáleného 15 až 20 m. Systémy čerpající teplo přímo z podzemní vody dosahují sice lepších topných faktorů než systémy čerpající teplo ze země, ale vyžadují některé další technické prvky a jejich údržbu (vodní filtry, hlídače zaplavení primárního čerpadla apod.).

Dimenzování tepelných čerpadel

Při dimenzování výkonu tepelného čerpadla pro vytápění například rodinného domu je třeba přihlížet k tomu, že tepelné čerpadlo je oproti klasickému zdroji tepla poměrně dražší investicí. Snažíme se proto, aby investice vložená do tepelného čerpadla byla smysluplně a v maximální míře využita. Ze statistických meteorologických pozorování víme, že dnů, v nichž průměrní denní teplota klesá pod –5°C je obvykle kolem deseti až patnácti v roce. Kdybychom dimenzovali tepelné čerpadlo na výpočtové tepelné ztráty budovy (energetická potřeba budovy na vytápění stanovená k tzv. výpočtové venkovní normativní teplotě –12, -15 nebo –18°C podle lokalizace budovy), byla by investice do tepelného čerpadla po zbytek roku poměrně málo využita. Výhodnější je dimenzovat výkon tepelného čerpadla na zhruba 55 až 75 % výpočtových tepelných ztrát, přičemž doplňková spotřeba se hradí z tzv.doplňkového zdroje (klasický elektrický, plynový apod. kotel). V takovém případě je tepelné čerpadlo maximálně využito po většinu topné sezóny a z ekonomického hlediska se investice do tepelného čerpadla nejvýhodněji umořuje. Situace je znázorněna dvěma obrázky,

Princip tepelného čerpadla Princip tepelného čerpadla

přičemž z jejich srovnání je dobře patrný pokles topného faktoru v zimním období u TČ získávajícího teplo ze vzduchu. Tato nevýhoda je však kompenzována tím, že v přechodném období vytápění TČ získává teplo z okolního vzduchu, jehož teplota je +5 až +15°C, zatímco u TČ získávajících teplo za země je teplota zemní smyčky poměrně stálá a pohybuje se kolem 0°C po celou dobu topné sezóny. Průměrný topný faktor za celou topnou sezónu je tak u kvalitních výrobků pro oba systémy srovnatelný.

Tepelná čerpadla