Co jsou tepelná čerpadla?

Tepelné čerpadlo je jedním z nejekonomičtějších a nejúčinnějších systémů vytápění na trhu. Proto je velmi častým řešením topení v novostavbách i starších domech po rekonstrukci vytápění. Jenže každý dům je jiný a má jiné nároky. A protože tepelné čerpadlo nestojí zrovna pár korun, je velmi důležité sáhnout po perfektním stroji na první dobrou. 

Princip tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo (TČ) využívá fyzikální schopnosti některých látek měnit skupenství (vypařovat se a kondenzovat) při významně jiné (nižší) teplotě a tlaku, než je běžné např. u vody za atmosférických podmínek. Již za teplot pohybujících se pod bodem mrazu je tato pracovní látka (chladivo), jež obíhá v uzavřeném okruhu TČ, schopná se měnit z tekutiny v plyn, a tím do sebe absorbovat velké množství energie, kterou pak po stlačení kompresorem předává k cílenému využití na vyšší teplotní a tlakové úrovni (běžně 35 až 55 °C) přeměnou zpět do výchozího stavu tekutiny. 

Pro pohon kompresoru, který zajišťuje cirkulaci chladiva, je sice nezbytné dodání hnací energie zpravidla ve formě elektřiny, tento energetický vstup však čerpadlo zhodnotí výrobou několikanásobně většího množství energie ve formě tepla. 

Míra tohoto poměru mezi energií vyrobenou a spotřebovanou se nazývá topný faktor a závisí vedle typu a technologické úrovně tepelného čerpadla zvláště na velikosti rozdílu teplot primárního zdroje tepla a topného média, které má tepelné čerpadlo poskytovat. 

Druhy primárních zdrojů tepla 

Jako primární zdroj tepla pro chod tepelného čerpadla lze využít jak zdroje přírodního původu (vzduch, země, podzemní příp. povrchové vody), tak i odpadní teplo z průmyslových výrob a jiných, lidskou činností vyvolaných zdrojů, jsou-li produkovány v dostatečném množství (např. z větších objektů, vodovodní či kanalizační sítě apod.). 

Obecně platí, že čím má zdroj tepla vyšší teplotu, tím je jeho možné využití pro potřeby tepelného čerpadla ekonomicky zajímavější.
Podle empirických zkušeností má jeden stupeň teploty primárního zdroje, ať už v kladném, či záporném smyslu, asi 4% vliv na ekonomiku tepelného čerpadla. Výše teploty primárního zdroje je proto pro ekonomickou efektivnost investice do TČ velmi důležitá. Bohužel však zdroje s nejlepšími předpoklady bývají nejvíce problematické. Využívání podzemních vod, u nichž je v průběhu roku trvale relativně vysoká tep- lota (8, 10 i více °C), často naráží na malou vydatnost potenciálního zdroje a navíc je spojeno s velmi náročným povolovacím procesem a doprovodnými opatřeními, které musí vyloučit narušení přírodní rovnováhy podzemních vod v lokalitě. 

Využití tepla země hlubinnými vrty, které rovněž zabezpečují relativně vysokou teplotu pracovního média – nemrznoucí kapaliny přiváděné na výparník TČ, je také spojeno s posouzením, respektive vyloučením změn hydrogeologických poměrů v místě. 

I proto naprostá většina instalací tepelných čerpadel dnes využívá jako zdroje tepla zem (zemními kolektory) a stále častěji i vzduch. Zpravidla se však u nich nedosahuje takových hodnot topného faktoru, které by instalaci tepelného čerpadla opodstatnily z pohledu celkových nároků na primární zdroje energie. Dobrým kompromisem mezi zájmy ochrany životního prostředí a ekonomickou výhodností pro využití tepelných čerpadel tak může být odpadní teplo z průmyslových výrob, zemědělství či z nevýrobní sféry. Již i u nás lze nalézt instalace tepelných čerpadel využívajících např. teplo obsažené v odpadním vzduchu z průmyslových hal, potravinářských výrob či vodovodní a dokonce i kanalizační sítě, a to s relativně vysokými hodnotami topného faktoru (4 a více). 

Kritickou podmínkou nasaditelnosti tepelného čerpadla je proto nalézt dostatečně vydatný (a pro využití tepelného čerpadla akceptovatelný) primární zdroj tepla, ze kterého by bylo možné tepelnou energii trvale odebírat. 

Typy soustav s tepelným čerpadlem

Tepelná čerpadla se zpravidla typově člení podle druhu ochlazované a ohřívané látky. Nacházejí využití jako zdroje tepla, méně častěji chladu, pro soustavy ústředního vytápění, příp. chlazení budov nejrůznějšího účelu, ale i průmyslových provozů. 

S ohledem na skutečnost, že topné systémy jsou v našich podmínkách tradičně koncipovány jako teplovodní, významně u nás převažují provedení TČ typu země-voda a vzduch-voda. Méně obvyklé jsou instalace tepelných čerpadel do teplovzdušných soustav vytápění, která se prosazují u nových kancelářských objektů a nízkoenergetických staveb. Zde pak mohou být instalována čerpadla ohřívající přímo či nepřímo vzduch rozváděný poté vzduchotechnickými rozvody. Z pohledu účinnosti, vyjádřené velikostí topného faktoru, bývají pro tepelné čerpadlo nejvhodnější nízkoteplotní soustavy vytápění, jež potřebují topné médium o nízké teplotě (40 – 50 °C). Pokud má čerpadlo poskytovat teplo na vyšší teplotní úrovni nebo musí-li překonávat větší teplotní rozdíl, topný faktor rychle klesá. Mezní teploty, na kterých tepelné čerpadlo může teplo poskytovat k dalšímu využití, zpravidla nepřevyšují 60 – 65 °C. Limitem jsou především enormní tlakové poměry, které musí kompresor a expanzní ventil při takovýchto výstupních teplotách v pracovním okruhu vyvinout. Tepelné čerpadlo může samozřejmě rovněž sloužit i pro přípravu teplé vody, zde je však nutné si uvědomit, že teplotní požadavky bývají v tomto případě z důvodu hygieny na výše uvedených teplotních limitech. 

Potřeba vyšších teplot (či obecně množství tepla) se proto v praxi řeší doplněním TČ o další, tzv. bivalentní zdroj tepla, který pak zabezpečuje dohřev na požadovanou teplotu. Vedle tepla mohou tepelná čerpadla poskytovat i chlad. Umožňují to čerpadla, u kterých je chladící okruh přizpůsoben pro tzv. reverzní chod. Venkovní výparník pak pracuje jako kondenzátor a naopak. Při dobrém návrhu tak může čerpadlo plnit plnohodnotnou funkci zdroje chladu, což přináší významnou úsporu investic. 

Velmi efektivní je využití funkce chlazení zejména u provedení čerpadel se zemními vrty. V takovém případě můžebýt v letním období kompresor odstaven a chladící voda je získávána pouhou cirkulací pracovního média vrty při jejich současné regeneraci, která je navíc žádoucí. Topný, resp. chladicí faktor pak může dosahovat velmi vysokých hodnot (5 – 6). 

Klimatizace jako čerpadlo

Na popularitě získávají mezi uživateli i klimatizační jednotky, které jsou využívány jako hlavní zdroj chladu, ale i tepla současně.
U dělených klimatizačních jednotek je navíc možné vnitřní jednotku nahradit vhodným výměníkem chladivo-voda a klimatizace pak pracuje fakticky na shodném principu jako tepelná čerpadla vzduch-voda. Předpokladem k tomu nicméně je, aby použitá venkovní jednotka byla z důvodu nutnosti odtávání námrazy schopna provozu v režimu topení i chlazení. Dobré parametry co do účinnosti vytápění (tedy hodnoty topného faktoru) nicméně dosahují pouze klimatizace s kvalitnějším kompresorem typu scroll, který bývá součástí větších jednotek (od 8 – 10 kW topného výkonu). Nicméně díky velmi nízkým pořizovacím nákladům v porovnání se „skutečnými“ tepelnými čerpadly je upřednostnění klimatizačních jednotek tohoto typu pro chlazení i vytápění ekonomicky velmi zajímavou investicí.