Tepelná čerpadla

www.energ.cz

Tepelné čerpadlo je zařízení, které odebírá teplo z vnějšího prostředí (z nízkoteplotního zdroje) a tak umožňuje využití nízkopotenciálního tepla, které nelze běžným přímým způsobem využít, protože má příliš nízkou teplotu.

Tepelné čerpadlo se používá k ohřevu či předehřevu topné vody, k ohřevu vody v bazénu, k přípravě teplé vody, k horkovzdušnému vytápění, atd.

V opačném režimu tj. chladícím odebírá teplo z vnitřního prostředí, které se ochlazuje (chlazení, klimatizace prostor).

V České republice jsou dobré podmínky pro využití tepelných čerpadel. Volba jednotlivých typů je závislá na místních podmínkách, předpokládaném způsobu využití a stávajícím či uvažovaném topném systému - druhu paliva.

Zdroje nízkopotenciálního tepla

Teplo je odebíráno z okolního prostředí pracovní látkou (vzduch, voda, glykol, solanka, atd.) a je přenášeno do výparníku. Tam je teplo odnímáno pracovní látce pomocí chladiva. Zahřátím kapalného chladiva dochází k jeho vypařování. Páry chladiva jsou odsávány a současně stlačovány v kompresoru. Tímto procesem se ještě zvýší jejich teplota. Páry jsou dále odváděny do kondenzátoru, kde předají teplo ohřívané látce, zchladí se a změní své skupenství na kapalné. Kapalné chladivo je zpět přiváděno přes expanzní ventil do výparníku. Celý cyklus se opakuje.

Okolní vzduch

Okolní vzduch, podzemní, povrchová voda, odpadní voda, geotermální voda, půda, technologické teplo.

Odpadní teplo

Zdrojem tepla je vzduch vně objektu. Vzduch je přiváděn do výměníku (umístěn mimo objekt), kde předává teplo teplonosné kapalině, ochlazuje se. Výkon tepelného čerpadla je značně závislý na teplotě vnějšího vzduchu, klesá v době, kdy je největší potřeba tepla (zimní měsíce).

Z povrchových vod

Teplo získávané z povrchových vodních toků (řeky, rybníky,...). Výměník s nemrznoucí kapalinou je umístěn přímo ve vodě nebo je zapuštěn v břehu. Je nutné zabránit úplnému zamrznutí toku a zanášení výměníků nečistotami. Potřebná plocha výměníku je 1 - 1,5m² na 1kW výkonu tepelného čerpadla. Před instalací je nutné mít povolení správce toku. Za odběr se platí poplatky správci toku.

Z půdy

Teplo se odebírá z půdy pomocí kolektorů – sběračů z plastových trubek v nichž cirkuluje solanka – či jiná ekologicky nezávadná nemrznoucí kapalina. Trubky se umisťují do hloubky 1,2 - 1,6m pod povrchem země, v nezámrzné hloubce, ve vzdálenosti 0,6 - 1m od sebe. Velikost plochy kolektorů by měla být 3 x větší než vytápěná plocha. Z 1m² je možné získat 10 – 35W energie. Na 1kW výkonu tepelného čerpadla se počítá cca 5 - 8m výkopu. Množství získaného tepla závisí na velikosti plochy kolektorů, na horninovém prostředí, atd.

Realizaci zemního kolektoru musí schválit místní vodohospodářský úřad.

Z hlubinných vrtů

Teplo se získává pomocí suchých nebo zvodnělých vrtů 120 - 150m hlubokých. Okolní prostředí je ochlazováno zapuštěným výměníkem z plastových trubek. Vrty se umisťují nejméně 10m od sebe. Na výkon 1 kW tepelného čerpadla je zapotřebí cca 12 - 18m vrtu. Množství odebraného tepla závisí na geologických podmínkách – složení hornin, hloubce vrtu, složení pracovní látky - solanky, atd. Běžně se počítá s měrným výkonem jímání 55W/m.

Před realizací vrtů s hloubkou do 100m je nutné požádat o schválení místní vodohospodářský úřad, pro hloubky větší jak 100m báňský úřad.

Měrné výkony jímání

Ze dvou studní

Z jedné studny je čerpána voda, která je zdrojem tepla. Po předání tepla se ochlazená voda vpouští do vratné (vsakovací) studny. Hloubka studní je závislá na hladině spodní vody, doporučuje se hloubka cca 10m. Pokud jsou studny ve svažitém terénu studna čerpaná musí být výše než vsakovací a vzdálenost mezi studnami by měla být nejméně 15m. Podmínkou pro použití jsou geologicky vhodné podmínky - dostatečný a stabilní průtok vody a její kvalita - chemické složení. Pro 20kW na topení se doporučuje vydatnost pramene 0,7l/s vody. Spodní voda je dobrým zdrojem tepla, protože si během roku (i v zimních měsících) zachovává poměrně stálou teplotu.

Použití spodní vody musí schválit příslušný vodohospodářský úřad.

Chemické vlastnosti vody (maximální hodnoty)

Geotermální prameny

Využívá se pramenů teplé podzemní vody. Tato voda má během roku stálou teplotu a má dosti velký tepelný výkon. Výskyt geotermálních pramenů vázán na specifické geologické podmínky (Karlovarsko, Krušnohorsko, paleovulkanity).

Rozdělení tepelných čerpadel

Nejčastěji se tepelná čerpadla rozdělují podle druhu ochlazovaného/ohřívaného média.

• vzduch / voda
• vzduch / vzduch
• voda / voda
• solanka / voda
• voda / vzduch

Charakteristiky tepelných čerpadel

Topný faktor

Topný faktor udává poměr tepelného výkonu tepelného čerpadla k elektrickému příkonu, který je potřebný k jeho provozu Hodnota topného faktoru se pro běžné účely pohybuje kolem hodnot 2,5 - 4. To znamená, že z 1kWh elektrické energie, které potřebuje tepelné čerpadlo pro provoz se vyrobí 2,5 - 4kWh tepla.

Velikost topného faktoru závisí: na vstupní teplotě z nízkoteplotního zdroje, na konečné teplotě (v topné soustavě, TUV), na chemických a fyzikálních vlastnostech chladiva, na technických parametrech tepelného čerpadla. Jeho hodnota je vždy vztažena k určitým provozním podmínkám (např. topný faktor 4,5 při vstupní teplotě 35°C a výstupní teplotě 40°C, topný výkon 9,9 kW, elektrický příkon 2,17 kW).

Tepelný výkon

Je dán součtem tepelné energie, která byla přenesena pracovní látkou (vodou, solankou, vzduchem, atd.) z okolního prostředí, předána chladivu ve výparníku a tepelné energie, která se získala stlačením chladiva v kompresoru, která odpovídá elektrické energii nutné pro pohon kompresoru.

Předběžné určení výkonu tepelného čerpadla

Pro vlastní orientační určení topného výkonu tepelného čerpadla je možné vycházet z roční spotřeby tepla na vytápění na 1m² obytné plochy.

Qa = (QH x A) / b

Qa     topný výkon (kW)

QH     roční spotřeba tepla (kWhm^-2/rok)

b     celková doba využívání zařízení (h/rok), střední hodnota 1 600 h/rok

A     vytápěná plocha (m²)

Provoz

Vzhledem k našim klimatickým podmínkám a nerovnoměrné spotřebě tepla v průběhu roku je vhodné tepelné čerpadlo provozovat s akumulací - zásobníkem tepla a s doplňkovým zdrojem tepla např. elektrokotlem. V chladnějších měsících s teplotami pod 0°C tepelné čerpadlo dodává pouze část potřebného tepla, zbytek tepla je vyráběn jiným zdrojem (kotel na elektřinu, plyn, pevná, kapalná paliva,...). Tento provoz je nazýván jako bivalentní.

Pro vytápění tepelným čerpadlem je důležité správně nadimenzovat topnou soustavu. Výhodné jsou nízkoteplotní topné soustavy (podlahové topení, velkoplošné radiátory), protože pro efektivní využití tepelného čepadla je nutné, aby rozdíl teplot mezi nízkopotenciálním zdrojem a topným okruhem byl co nejnižší.

Základní podmínky pro úspěšnou instalaci tepelného čerpadla

1) Základní podmínkou je pečlivá analýza výchozích podmínek a to nejen technických a ekonomických, ale i zvážení provozních podmínek (u podnikatelských subjektů, škol, rekreačních zařízení, atd.) a životního stylu (u majitelů rodinných domků, bytových domů).

2) Vhodná volba nízkopotencionálního zdroje tepla v dané lokalitě.

3) Zabránit zbytečným ztrátám energie - zateplit objekt (tepelnou izolací snížit tepelné ztráty až o 30%, a tak snížit spotřebu tepla).

• při venkovní instalaci tepelného čerpadla je třeba, aby spojovací potrubí bylo co nejkratší a řádně zaizolované.

4) Správná volba výkonu zařízení s ohledem na spotřebu tepla a teplé vody v množství a čase.

5) Optimálně dimenzovat topnou soustavu:

• správná volba topného systému, který umožní využívat topnou vodu ohřátou na nižší teploty.
• teplotní spád (podlahové vytápění 45/35°C, velkoplošné nízkoteplotní radiátory 50/45°C).

6) Zpracování ekonomické rozvahy, která vychází ze zjištění reálných způsobů přípravy teplé vody a vytápění pro daný objekt, investičních a provozních nákladů.

Výhody využití tepelných čerpadel

Při optimálním využití tepelného čerpadla pro přípravu TUV a vytápění domácnosti se tepelné čerpadlo v průběhu roku podílí 60 - 70% na celkové výrobě tepla.

Přínosem využití tepelného čerpadla je značná úspora energie vyrobené z pevných a plynných paliv.

S úsporou energie vyrobené s použitím fosilních paliv souvisí i snížení množství emisí škodlivých látek do ovzduší (SO₂, CO₂, NO_x, prachových částic).

Nevýhody využití tepelných čerpade

Návratnost vložených finančních prostředků je závislá na cenové úrovni použitého paliva před instalací tepelného čerpadla a na druhu a kapacitě nízkopotencionálního zdroje tepla (vzduch, voda, půda, odpadní teplo).

Při instalaci tepelného čerpadla do stávajícího objektu je návratnost investic závislá na rozsahu úprav, které je nutné provést před instalací tepelného čerpadla (zateplení, úprava topné soustavy, změna doplňkového zdroje).