Tepelné čerpadlo

Tepelné čerpadlo

Obsah kapitoly

1. 2.1 Historie tepelného čerpadla
2. 2.2 Princip tepelného čerpadla
3. 2.3 Zdroje tepla a druhy tepelných čerpadel
4. 2.4 Primární okruh tepelného čerpadla
5. 2.5 Chladivový okruh tepelného čerpadla
6. 2.6 Sekundární okruh tepelného čerpadla
7. 2.7 Stanovení potřebného výkonu tepelného čerpadla
8. 2.8 Náklady na energii v domácnosti a tepelné čerpadlo
9. 2.9 Ekologie provozu tepelného čerpadla
10. Testové otázky

2.1 Historie tepelného čerpadla

Jako první historický údaj uváděný v souvislosti s tepelnými čerpadly se obvykle udává rok 1824, kdy S. N. L. Carnot, v návaznosti na dílo svého otce, publikoval dílo „Úvahy o hybné síle ohně a strojích vyvolávajících tuto sílu“, kde mimo jiné popsal svůj známý cyklus, později pojmenovaný jeho jménem jako Carnotův cyklus. Na základě jeho prací roku 1852 formuloval William Thomson (známý jako lord Kelvin) princip tepelného čerpadla, avšak k jeho praktickému využití vedla ještě dlouhá cesta.

Původně veškeré snahy směřovaly k výrobě chladícího zařízení, které je samozřejmě také tepelným čerpadlem, avšak využívaným v obráceném směru než topná zařízení. Jako chladiva byla používána voda, dietyléter, metyléter, oxid uhličitý, oxid siřičitý a jiné. V roce 1834 sestrojil J. Perkins zařízení pracující s dietyléterem, v roce 1859 vzniklo první zařízení pracující se čpavkem.

Teprve počátkem dvacátých let 20. století se rozšířilo používání chladící techniky i do domácností. První prakticky použitelný chladicí systém byl uveden do provozu až v roce 1924 ve Švýcarsku. Většího rozšíření doznala chladící technika po roce 1932, kdy začala americká firma Kinetic Chemicals Inc. používat chladivo, kterému dala obchodní název freon. Tím nastal velký rozmach používání bezpečných, nejedovatých, a chemicky velmi stálých chladiv na bázi chlorovaných uhlovodíků. Bohužel se v této době ještě nic nevědělo o negativním vlivu těchto látek na životní prostředí. Během let jich bylo vyrobeno statisíce tun a jejich použití se rozšířilo i do oblasti mimo oblast chladící techniky a tepelných čerpadel. Současně s nimi se v chladicích zařízeních používal a dodnes používá čpavek. V osmdesátých letech 20. století, kdy byl zjištěn a prokázán negativní vliv chloru na ozónovou vrstvu Země, nastal postupný útlum výroby těchto látek a začalo hledání jiných, méně škodlivých sloučenin a jejich směsí, které by měly stejné nebo podobné termodynamické vlastnosti jako freony.

První tepelné čerpadlo sloužící k získávání tepla bylo sestrojeno v podstatě náhodou americkým vynálezcem Robertem C. Webberem na konci čtyřicátých let 20. Století. V okamžiku, kdy prováděl pokusy s hlubokým zamrazením, dotkl se omylem výstupního potrubí mrazícího přístroje a popálil si dlaň. Této náhodě vděčíme za odhalení funkce tepelného čerpadla jako zdroje tepla. Webber následně propojil výstup z mrazáku s bojlerem na teplou vodu. Jelikož měl stále přebytek tepla, napojil horkou vodu na potrubní smyčku a pomocí malého větráku začal vhánět teplý vzduch do domu. Následně zkusil úspěšně čerpat teplo ze země pomocí zemních kolektorů. Výsledky ho natolik příjemně překvapily, že v následujícím roce údajně prodal svůj starý kotel na uhlí.

Širšímu využívání tepelných čerpadel dlouhou dobu bránila vysoká cena zařízení vzhledem k nízkým cenám energií. To platilo obecně ve světě i u nás. Větší rozšíření tepelných čerpadel nastalo až v osmdesátých letech minulého století, kdy docházelo ke zvyšování cen energií.

V grafech jsou znázorněny počty instalací tepelných čerpadel ve Francii a Německu. Je zde patrný mimořádný nárůst kolem roku 1980 a následně prudký propad. Trvalo dlouhá léta, než se opět v období kolem roku 2000 počet instalací začal zvyšovat (obdobná situace byla i v dalších zemích západní Evropy).

Obr. 2.1: Vývoj počtu instalací tepelných čerpadel ve Francii

Obr. 2.2: Vývoj počtu instalací tepelných čerpadel v Německu

Tento vývoj zavinily dvě skutečnosti. V osmdesátých letech nebyly technicky vyřešeny všechny provozní stavy, které musí tepelné čerpadlo zvládnout. Je to zařízení, které z jednoho prostředí přenáší tepelnou energii do druhého prostředí, přičemž vstupní a výstupní parametry se průběžně mění. První tepelná čerpadla tyto požadavky dostatečně nezvládla, byla poruchová a nesplnila očekávání svých majitelů. Druhým významným faktorem, který negativně ovlivnil provozní zkušenosti s tepelnými čerpadly, byla jejich instalace. Tepelné čerpadlo totiž nelze zapojit do stávajícího topného systému a předpokládat, že systém bude vytápět objekt stejně. To si samozřejmě tehdy instalatéři neuvědomovali, a proto nevědomky přispěli k tomu, že tepelná čerpadla neplnila očekávání. Trvalo řadu let, než se důvěra v tepelná čerpadla opět obnovila.

V České republice bylo před rokem 1990 nainstalováno jen několik kusů tepelných čerpadel, a to zejména z propagačních či demonstračních důvodů. Teprve po roce 1990 se začaly objevovat skutečná tepelná čerpadla, převážně dovážená ze zemí, kde už s nimi měli své zkušenosti: ze Švédska, Německa a Rakouska. Následně se svojí produkcí připojili i tuzemští výrobci, kteří získávali své první zkušenosti. Prakticky se jednalo jen o desítky instalací ročně, později to již byly stovky. Skutečný rozvoj instalací však nastal až po roce 2000, jak je vidět v grafu.

Obr. 2.3: Vývoj počtu instalací tepelných čerpadel v ČR v minulých letech

Důvody, proč byl rozvoj v prvních deseti letech tak pomalý, souvisejí s ekonomikou provozu, která je navázána na cenu paliv a energií. Je-li cena paliva nízká, pak je nízká také částka ušetřená tepelným čerpadlem. Návratnost investice do tohoto zařízení je dlouhá a v začátcích využívání tepelných čerpadel často překračovala jejich životnost. Z ekonomického hlediska pak samozřejmě pro pořízení tepelného čerpadla nebyl důvod.

Změna nastala po roce 2000. V tomto období začaly existovat programy podporující instalace tepelných čerpadel:

• Vznikla Asociace pro využití tepelných čerpadel (AVČT), která byla partnerem při jednání s orgány státní správy.
• Státní fond životního prostředí ČR stanovil podmínky dotační politiky na instalace tepelných čerpadel.
• Pro tepelná čerpadla v rodinných domech byly zavedeny speciální sazby za elektrickou energii.
• Některá města začala poskytovat na tepelná čerpadla dotace.

Významnou roli sehrálo v tomto období současně zvyšování cen energií, které se promítlo do ekonomické návratnosti tepelných čerpadel – klesla na méně než 10 let (ve Francii se uvádí pouze 3 - 4 roky), což byla oproti dřívějšímu stavu přibližně polovina; před rokem 2000 návratnost investice do tepelného čerpadla běžně přesahovala 20 let.

Díky Asociaci pro využití tepelných čerpadel byl zahájen program osvěty mezi laickou veřejností a současně vzdělávací program pro odbornou veřejnost, aby se předešlo chybám, které v 80. letech přivodily propad instalací v západní Evropě. Proběhla řada seminářů určených pro instalační firmy, projektanty, výrobce a dovozce s cílem eliminovat poruchovost tepelných čerpadel a provozovat je za optimálních podmínek.

Realizace tepelných čerpadel zpočátku narážela na řadu problémů, které prakticky nikdo nepředpokládal. Stavební úřady vesměs neinformované o tom, co to je tepelné čerpadlo a co je nutné pro jeho provoz v horninách udělat, prakticky nic nevyžadovaly, což pak ve svém důsledku mohlo vést ke kontaminaci nebo ztrátě spodních vod. Proto se zpřísnily podmínky pro provádění těchto prací a byla uložena povinnost vypracovat odbornou projektovou dokumentaci, která musela být projednána a schválena dotčenými orgány. Druhou oblastí, kde instalovaná tepelná čerpadla narážejí na problémy, je hlučnost, která se týká především systémů vzduch - voda. Tepelná čerpadla některých výrobců se vyznačují vysokou úrovní provozního hluku. Hygienický předpis však stanovuje, jaké jsou přípustné hladiny hluku podle lokalit a podle denní doby.

Zpět na začátek

2.2 Princip tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo je zařízení, které umí využívat tzv. nízkopotenciální energii, které je kolem nás obrovské množství. Za nízkopotenciální tepelnou energii považujeme energii obsaženou v látkách o nízké teplotě, která se nehodí pro přímé použití. Obvykle se jako zdroj této energie používá vzduch, voda nebo povrchová vrstva země. Tepelné čerpadlo dokáže tuto energii převést do užitečné podoby. Ke svému provozu potřebuje určité množství energie, obvykle elektrické. Tepelné čerpadlo tedy energii nevyrábí, pouze ji „přečerpává“ na vyšší teplotní úroveň.

Většinou je každému jasné, že při ochlazení vody v topném systému například ze 70 °C na 65 °C se určité množství tepla předá do vzduchu, který se jím ohřeje. Bývá hůře představitelné, že totéž množství tepla získáme, ochladíme-li vodu o stejné hmotnosti s teplotou 10 °C na teplotu 5 °C. Podobně lze získat teplo i ochlazením nemrznoucích směsí a vzduchu, kde se můžeme pohybovat i v teplotách pod bodem mrazu. Získané teplo samozřejmě závisí na velikosti ochlazení a na druhu látky, které teplo odebíráme. Tepelné čerpadlo neporušuje žádný fyzikální zákon, jak se někdy s nadsázkou tvrdí. Fyzikální zákony platí stejně při všech teplotách, jen člověk má při různých teplotách jiné subjektivní pocity. Zákony termodynamiky i naše vlastní zkušenost nám říká, že teplo z chladnějšího tělesa nikdy samovolně nepřejde na těleso teplejší. Jak se tedy můžeme ohřát od zeminy s teplotou 8 °C? V uvedené větě je důležité slůvko samovolně. Pokud totiž dodáme nějakou vnější energii (v případě tepelného čerpadla je to elektřina pro pohon kompresoru), pak můžeme i teplo z relativně chladného tělesa převést (přečerpat) na vyšší teplotní hladinu. Třeba teplotu okolo 50 °C, kterou použijeme v radiátorech ústředního topení.

O funkci tepelného čerpadla se často říká, že je stejná jako funkce chladničky, pouze obrácená. Teplo, které chladnička odebírá potravinám, předává do vzduchu v bytě svojí zadní stranou. Trvale tak vytápí naši kuchyni. Co se stane, pokud bychom chladničku posadili do okna tak, aby dvířka směřovala ven a zadní strana do místnosti? Pokud dvířka zůstanou otevřená, bude chladnička celý den chladit venkovní vzduch a v místnosti topit. Tak získáme tepelné čerpadlo vzduch – vzduch, které nepochybně bude nějaký čas fungovat. Chladnička odebírá teplo z ochlazovaného prostoru a uvolňuje ho při vyšší teplotě do místnosti. Tepelné čerpadlo odebírá teplo z chladného venkovního prostředí (vody, vzduchu, půdy), toto prostředí se ochlazuje a získané teplo se předává při vyšší teplotě do topného systému. Funkce se liší pouze v tom, že u ledničky využíváme prostor, kde je teplo odebíráno, kdežto u tepelného čerpadla prostor, kde je teplo předáváno.

Tepelné čerpadlo využívá skutečnosti, že teplota varu látek závisí na tlaku. Například čpavek NH₃ se vaří při atmosférickém tlaku (100 kPa) již při 33 °C. Pokud ho ale stlačíme na tlak 2 MPa, začne vřít až při 50 °C. Čpavek je tedy možno použít jako chladivo pro tepelná čerpadla a je jednou z prvních hojně využívaných látek. V současné době je jeho využívání kvůli jedovatosti téměř opuštěné, můžeme se s ním setkat ve starších průmyslových zařízeních, nebo třeba u chlazení zimních stadionů.

Na vstupní, tzv. primární straně tepelného čerpadla, je vždy výměník tepla, nazývaný výparník. Sem se pomocí vhodné látky (vzduch, voda, nemrznoucí směs) přivádí nízkopotenciální teplo zvenku a do jeho druhé poloviny se tryskou termostatického expanzního ventilu vstřikuje pod velkým tlakem kapalné chladivo. Tlak za expanzním ventilem ve výparníku je nižší a kapalné chladivo se proto rychle odpařuje. Tím se celý výparník podchlazuje na teplotu nižší, než je teplota prostředí, ze kterého se odebírá teplo. Tak je dosaženo toho, že teplo ze „studené“ strany ohřívá podchlazený plyn a tento ohřátý, ale stále ještě studený plyn je nasáván kompresorem. Nasávaný plyn si s sebou nese zvenku získanou energii. Po stlačení kompresorem se plyn silně zahřeje. V kompresoru se k energii nesené plynem přidá další část energie získaná prací elektromotoru při stlačení plynu. Stlačený plyn vycházející z kompresoru dosáhne vyšší teploty než voda v topném systému a je veden do sekundárního výměníku, tzv. kondenzátoru, kterým proudí topná voda. Tam horký plyn zkapalní a předá teplo chladnější topné vodě. Kapalina je opět přivedena do expanzního ventilu. Celý cyklus běží spojitě stále dokola. V animaci jsou uvedeny přibližné teploty pro tepelné čerpadlo voda – voda.

Celé zařízení používající pro vytápění tepelné čerpadlo lze rozdělit na tři hlavní části:

• Primární okruh – část, která zprostředkovává přívod nízkopotenciálního tepla ze zdroje do výparníku.
• Chladivový okruh – hlavní část, která zajišťuje „přečerpání“ energie na vyšší teplotní úroveň. Druhy kapalin používané v tomto okruhu jsou stejné jako druhy kapalin používané u chladniček, proto se nazývají chladiva. Z toho také plyne název okruhu.
• Sekundární okruh – část, která slouží k rozvodu tepla pro vytápění.

Energetickou efektivitu většiny zařízení posuzujeme podle jejich účinnosti. To je poměr mezi získanou energií a energií dodanou. Každé zařízení má určité ztráty, proto je vždy účinnost menší než 100 %.

Připomeňme, že měřítkem energetické efektivity tepelného čerpadla je poměr celkové výstupní energie a energie pro pohon. Tento poměr je nazýván topný faktor K. Někdy se pro jeho označení používá zkratka COP (Coefficient of Performance). Topný faktor je bezrozměrné číslo, jeho velikost se pohybuje podle druhu tepelného čerpadla a provozních podmínek běžně v mezích 2,5–5, za mimořádně příznivých podmínek i více. Pokud bychom chtěli zjistit skutečnou účinnost tepelného čerpadla, museli bychom do vstupní energie zahrnout i teplo odebrané z okolního prostředí, takto stanovená účinnost by samozřejmě byla menší než 100 %. Pro nás je však podstatný topný faktor, jelikož teplo odebrané okolnímu prostředí získáváme bez jakýchkoliv nákladů, proto také můžeme hodnotu topného faktoru považovat za číslo, které udává, kolikrát jsou nižší náklady na získané teplo při použití tepelného čerpadla. Odebraná energie z přírody bývá obvykle 1,5 krát až 4 krát vyšší než vlastní spotřeba pro pohon.

Pro topný faktor K platí:

kde Q₁ je teplo dodané nízkopotenciálním zdrojem, W je práce vykonaná kompresorem, Q₂ = Q₁ + W je výsledné odevzdané teplo. Také platí

kde T₁ je termodynamická teplota na vstupu do tepelného čerpadla a T₂ je výstupní termodynamická teplota z tepelného čerpadla. Dále

kde P je elektrický příkon, P₁ je tepelný výkon z nízkopotenciálního zdroje tepla,
P₂ = P₁ + P je celkový výkon.

Tyto vztahy platí pro tepelné čerpadlo pouze přibližně, protože jeho cyklus neprobíhá přesně podle ideálního Carnotova cyklu, a to z celé řady příčin. Především jsou to nedokonalé vlastnosti použitých součástek a kapalin (tepelné a tlakové ztráty, tření a podobně). V praxi také zjistíme, že tepelné čerpadlo potřebuje elektřinu nejen pro pohon kompresoru, ale i pro oběhová čerpadla, případně ventilátory. Spotřeba oběhových čerpadel u tepelného čerpadla se zemním kolektorem nebo hlubinnými vrty je relativně malá, ale nelze ji zanedbat. Spotřeba ventilátorů u systémů ochlazujících venkovní nebo vnitřní vzduch je ještě vyšší. Pokud ji pomineme, může nás později nemile překvapit, že účty za elektřinu jsou vyšší, než jsme čekali. Rovněž u dotačních programů, kde je vyžadován určitý minimální topný faktor, může být rozdíl mezi teoretickým a skutečným topným faktorem rozhodující.

Spotřeba oběhového čerpadla vlastního ústředního topení je obvykle zanedbatelná, navíc by systém nejspíš potřeboval oběhové čerpadlo i v případě použití jiného zdroje, například plynového kotle. Proto se jeho spotřeba do celkového topného faktoru nezapočítává.

Příklad:

Vypočítejte teoretický topný faktor tepelného čerpadla, pokud teplota zdroje je 10 °C a výstupní teplota je a) 50 °C, b) 30 °C.

Topný faktor v prvním případě je 8, ve druhém 16.

Z tohoto příkladu je vidět vliv rozdílu teplot na výsledek. V praxi to znamená, že je výhodnější používat zdroje tepla o vyšší teplotě a teplo dodávat do systému o co nejnižší teplotě, jako je například podlahové vytápění.

Je také zřejmé, že se topný faktor mění podle okolních podmínek. Tepelné čerpadlo spotřebovává více energie při velkém rozdílu teplotních hladin. Teplota zdroje (vzduch, půda, voda) během roku kolísá, mírně může kolísat i výstupní teplota z tepelného čerpadla

Pro nízkoteplotní vytápěcí systémy v domech požadujeme teplotu 30–50 °C. Zdroje tepla pro tepelná čerpadla mají různé teploty. Aby byl rozdíl hladin co nejmenší, je tedy žádoucí ochlazovat co nejteplejší látku. Teoreticky můžeme ochlazovat cokoliv, pro běžnou praxi se teploty ochlazovaných látek pohybují kolem 0 °C.

Topný faktor tepelného čerpadla je silnou marketingovou zbraní prodejců tepelných čerpadel. Pro porovnání dvou tepelných čerpadel podle topného faktoru je vždy nutné znát podmínky, za kterých je uvedený topný faktor dosažen, tedy teploty vstupního a výstupního média. Například takto: topný faktor je 3,4 při teplotě vody vstup/výstup 0 °C/45 °C. Samotný údaj topného faktoru je zcela bezcenný. Podobně nelze říci, že tepelné čerpadlo s topným faktorem 4 při teplotě vody vstup/výstup 10°C/45°C je lepší než tepelné čerpadlo s topným faktorem 3,2 při teplotě vody vstup/výstup 0 °C/50 °C. Opak může být pravdou.

Seriózní dodavatelé tepelných čerpadel tyto podmínky vždy uvádějí. V ideálním případě jsou parametry uváděny podle požadavků normy ČSN EN 255. Pak jsou tepelná čerpadla vzájemně velmi dobře srovnatelná. U komerčně dodávaných tepelných čerpadel udávají výrobci topný faktor v několika provozních stavech, někdy i formou grafu. Protože teplota ochlazované látky během roku kolísá, je třeba správně odhadnout celoroční topný faktor.

Příklad:

Požadovaný výkon tepelného čerpadla je 10 kW, zdrojem tepla je podzemní voda, u které se předpokládá ochlazení o 4 °C. Velikost topného faktoru je 4. Určete: a) potřebný výkon zdroje tepla, b) potřebný průtok vody ze zdroje, c) příkon kompresoru.

Ze vzorce pro topný faktor odvodíme vztah pro výkon zdroje tepla:

Potřebný výkon zdroje tepla je 7,5 kW.

Teplo, které se uvolní z vody při jejím ochlazení a výkon zdroje tepla:

Vypočítáme hmotnost vody, kterou musíme ochladit každou sekundu, abychom získali potřebný výkon:

Potřebný průtok vody je 0,45 l/s, což je 27 l/min.

Příkon kompresoru určíme například ze vztahu:

Potřebný příkon kompresoru je 2,5 kW.

Stejný postup výpočtu potřebného průtoku jako v příkladu se volí i v případě zemních kolektorů. V těchto případech má tepelné čerpadlo nižší topný faktor a měrnou tepelnou kapacitu vody musíme nahradit měrnou tepelnou kapacitou solanky (nemrznoucí směs), která je asi o 10–15 % nižší.

Vypočtený výkon kompresoru je teoretický, přesná hodnota se stanoví na základě typu tepelného čerpadla a kompresoru a na základě termodynamických vlastností chladiva.

Zpět na začátek

2.3 Zdroje tepla a druhy tepelných čerpadel

Podle způsobů získávání tepla lze rozdělit tepelná čerpadla na několik skupin. Zdrojem energie může být:

• venkovní vzduch,
• vnitřní vzduch (vzduch odváděný větracím systémem budovy),
• povrchová voda (tekoucí voda, nádrže, rybníky a podobně),
• podzemní voda (vrty, studny, zavodněné šachty),
• půdní vrstva (zemní kolektory),
• suché zemské teplo hornin (suché zemní vrty).

Volba primárního zdroje tepla má zásadní vliv na konstrukci a vlastnosti tepelného čerpadla. V názvech systémů tepelných čerpadel vždy první slovo znamená zdroj nízkopotenciálního tepla, druhé slovo médium, do kterého se teplo předává.

Tepelné čerpadlo vzduch – voda

Tepelné čerpadlo vzduch – voda odebírá teplo z okolního nebo odpadního vzduchu a předává ho do topné vody. Okolní vzduch ohřívaný sluncem je k dispozici všude a zdarma. Jako zdroj tepla je nejdostupnější a prakticky nevyčerpatelný. Tento zdroj můžeme považovat za nejekologičtější.

Obr. 2.4 Vzduch jako zdroj energie (obrázek-animace)

Na primární straně tepelného čerpadla je lamelový výparník doplněný ventilátorem pro zlepšení přenosu tepla ze vzduchu. Obvyklá konstrukce tohoto tepelného čerpadla je dvoudílná (tzv. split). Venkovní a vnitřní část jsou spojeny tepelně izolovanými trubkami, ve kterých proudí chladivo.

V některých konstrukcích je ve venkovní části jen výparník, ventilátor a expanzní ventil. Zbývající díly včetně kompresoru jsou uloženy ve vnitřní jednotce. V některých konstrukcích je venku i kompresor a ve vnitřní jednotce je jen sekundární výměník. U těchto jednotek je nutné klást důraz na minimalizaci hluku ventilátoru společně s kompresorem a montovat je pouze v místech, kde nebude hluk vadit.

Obr. 2.5: Venkovní a vnitřní část tepelného čerpadla vzduch – voda

Obr. 2.6: Schéma děleného tepelného čerpadla

Existují také tzv. kompaktní tepelná čerpadla, která jsou dodávána výrobcem v celku. Celé tepelné čerpadlo je umístěné venku. Jednodušší instalace je komplikována tím, že může dojít k zamrznutí při výpadku elektrické energie, nebo se musí v celém topném systému použít nemrznoucí směs. Kompaktní tepelné čerpadlo lze také umístit dovnitř budovy, v tomto případě je nutné řešit přívod venkovního a odvod ochlazeného vzduchu.

Obr. 2.7: Kompaktní tepelné čerpadlo umístěné venku

U všech tepelných čerpadel vzduch – voda je nutné počítat s tím, že se na výparníku sráží voda a při nižších teplotách se tvoří námraza.

Jednoduchost instalace tohoto typu tepelných čerpadel a dostupnost vzduchu jako zdroje tepla je vykoupena tím, že s klesající venkovní teplotou klesá jejich výkon a efektivita. Efektivní využití sahá přibližně jen do teplot v rozmezí –5 °C až –10 °C. Proto se počítá s tím, že při nízkých venkovních teplotách pokryje další spotřebu energie jiný zdroj tepla. Obvykle je to malý elektrokotel, který je zařazen do výstupní větve sekundárního okruhu tepelného čerpadla, takže topná voda tekoucí z tepelného čerpadla se jím přihřívá. Při nejnižších teplotách se tepelné čerpadlo vypíná úplně a celý výkon dodává jen elektrokotel. V současné době se na trhu objevují tepelná čerpadla, která mají uspokojivý topný faktor i při nižších teplotách, ovšem přídavný zdroj tepla je stále jejich součástí.

Tepelné čerpadlo voda – voda

Tepelné čerpadlo voda – voda odebírá teplo z vody, která buď přímo protéká výměníkem na primární straně tepelného čerpadla (otevřený primární okruh), nebo pomocí kolektorů (uzavřený primární okruh). Teplo se předává do topné vody.

S ohledem na dosahovanou efektivitu může být voda při vhodném podzemním zdroji, například ze studny, nejlepším zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo. Tento systém má nejvyšší průměrný roční topný faktor při nejnižších nákladech. Teplota spodní vody je během celého roku relativně stálá, pohybuje se v mezích od 8 °C do 10 °C (v místech s termálními prameny lze čerpat vodu o teplotě až 20 °C). Dá se proto očekávat, že výkon tepelného čerpadla bude také relativně stálý i během zimních měsíců. Potřebný průtok vody lze velice snadno stanovit na základě požadovaného výkonu. Předpokládá se ochlazení vody v tepelném čerpadle asi o 3–5 °C. Ochlazení nesmí být příliš velké, aby nemohlo docházet k zamrzání vody ve výparníku. Tepelné čerpadlo také musí být chráněno proti výpadku zdrojové vody, jinak hrozí okamžité zamrznutí výměníku, případně jeho poškození.

Pouhé vložení nějakého výměníku do studny by v žádném případě k odběru tepla nestačilo. Došlo by k postupnému zamrznutí vody. Samovolný pohyb vody ve studni i většího průměru není dostačující. Podzemní voda musí proudit a odebírat teplo okolí. Stejně tak nelze čerpat vodu z jedné studny a do téže studny ji vracet.

PŘÍKLAD: Vypočítejte, za jak dlouho by se voda o teplotě 10 °C ve studni o objemu 2 m³ ochladila bez přítoku na 0 °C, při provozu tepelného čerpadla s odběrem tepla 10 kW.

Teplo, které se uvolní z vody při jejím ochlazení, výkon zdroje tepla a změna teploty:

Vypočítáme dobu, za kterou se voda ochladí na 0 °C:

Voda by se ochladila na 0 °C asi za 2 hodiny a 20 minut.

Na studny jako zdroje tepla jsou kladeny určité požadavky. Nejedná se jen o množství čerpané vody, ale také o její čistotu a chemické složení. Vyčerpaná voda se musí vracet do země pomocí druhé, tzv. vsakovací studny, která by měla být vzdálena od zdrojové studny asi 8 m – 10 m a pokud možno umístěna tak, aby tok podzemní vody směřoval od studny, ze které se voda čerpá oběhovým čerpadlem.

Obr. 2.8 Čerpací a vsakovací studna (obrázek-animace)

V praxi se jen zřídka vyskytne dostatečně vydatný zdroj v blízkosti vytápěného objektu. Pokud chceme provést vrt pro čerpání podzemní vody, musíme provést odborný hydrogeologický průzkum. Na jeho základě dostaneme od vodoprávního úřadu povolení k provedení vrtu a povolení k čerpání a vypouštění podzemních vod. Může se pochopitelně stát, že úřad vrt nepovolí, například kvůli ohrožení zdrojů pitné vody. Čerpání podzemních vod je obvykle zpoplatněné, čerpání pro účely ochlazení v tepelném čerpadle však zpoplatněno není.

Lokality ležící v I. ochranném pásmu lázní a minerálních vod mají absolutní zákaz provádět vrty a čerpat podzemní vody. Ve II. ochranném pásmu lázní a minerálních vod lze vrtat pouze s písemným povolením Inspektorátu lázní a zřídel (ČIL) při ministerstvu zdravotnictví ČR. Ve III. ochranném pásmu je ohlašovací povinnost ČIL při vrtu do hloubky nad 30 m. V těchto lokalitách je využití zemského tepla hlubinnými vrty nemožné nebo obtížné.

Vlastní vrt je podle zákona o vodách považován za vodní dílo, provádět ho může jen firma s patřičným oprávněním Báňského úřadu. Vodní dílo (tedy i vrt pro tepelné čerpadlo) vyžaduje územní rozhodnutí i stavební povolení příslušného stavebního úřadu. U novostaveb může být správní řízení související s vrtem spojeno se stavebním povolením pro stavbu domu. Vzhledem k novému stavebnímu zákonu, kdy je povolování staveb rodinných domů jednodušší, může být výhodnější obě řízení spíše oddělit, aby stavba domu nebyla brzděna složitějším řízením. Stavební úřad obvykle vyžaduje hydrogeologický průzkum, který lze nahradit vyjádřením osoby s odbornou způsobilostí. Pro provoz vrtu je nezbytné povolení k nakládání s vodami, které vydává příslušný vodoprávní úřad.

Před rozhodnutím pro stavbu tohoto typu tepelného čerpadla je nutné provést čerpací zkoušku, při které se pomocí vhodného čerpadla čerpá voda asi měsíc. Průtok vody se nastaví tak, aby odpovídal požadavkům na výkon tepelného čerpadla.

V tabulce jsou přibližné hodnoty pro stanovení potřebného průtoku vody při ochlazení o 5 °C v závislosti na výkonu tepelného čerpadla.

Výkon [kW]	Průtok vody [l/min]
4	8,3
6	13,3
8	18,3
10	21,7
12	26,3
14	30,0
16	35,0

Tab. 2.1: Potřebný průtok vody v závislosti na výkonu tepelného čerpadla

Studny s požadovanými parametry nelze vždy a všude zhotovit a náklady mohou být značně vysoké. Vrtané studny pro tepelná čerpadla mívají hloubku 10 m–30 m.

Výhodou systému voda – voda ze studny je dosažení vysoké efektivity. Použití tohoto systému je vhodné tam, kde je dostatek spodní vody vhodného chemického složení. Pokud je k dispozici jedna vhodná studna a její vydatnost je dostačující, dá se předpokládat, že i druhá vsakovací bude vyhovovat. Určitým rizikem je zhotovení dvou studní tam, kde dosud žádné nejsou.

Je zřejmé, že přírodní podmínky omezují využití tohoto systému, pro někoho může být překážkou i administrativa spojená s prováděním vrtu a nakládáním s vodami. K problémům přispívá někdy i obava sousedů – účastníků stavebního řízení – z toho, že dojde k ovlivnění spodní hladiny vody.

Systémy voda – voda je možné navrhnout a úspěšně používat jako monovalentní, to znamená, že je není pro vytápění třeba doplňovat jiným zdrojem tepla, a to ani v zimních měsících.

Jako zdroje tepla je také možno využít tekoucí nebo stojatou povrchovou vodu:

Přímý odběr tekoucí vody z potoků, řek a rybníků je vázán na povolení majitele či správce povodí. Teplota vody se během roku mění a v zimě může být teplota vody nižší než 4 °C. To může způsobovat zamrzání v primárním výměníku. Ochlazení může být jen velice malé, proto musí být zajištěn vyšší průtok, což klade nároky na výběr oběhového čerpadla.

Nepřímý odběr tepla z tekoucí vody pomocí kolektorů může být výhodnější. Uzavřený primární okruh s nemrznoucí směsí není závislý na čistotě tekoucí vody a pro čerpání solanky stačí oběhové čerpadlo s malým výkonem. Odpadnou také problémy s možným zamrzáním vody ve výparníku. Kolektory se uloží na dno toku.

Nepřímý odběr tepla ze stojaté vody položením výměníku na dno rybníka nebo jiného místa se může projevit vlivem na zamrzání vody. Ochlazení stojaté vody nesmí překročit určitou mez, aby neohrožovalo živočichy. Zřejmě i z tohoto důvodu není tento způsob odběru tepla příliš rozšířený.

Obr. 2.9 Výměník ve stojaté vodě (obrázek-animace)

Tepelné čerpadlo země – voda

Tepelné čerpadlo země – voda odebírá teplo z povrchové vrstvy zemského povrchu nebo z jeho hloubky pomocí kolektorů, zhotovených obvykle z plastu. Primární okruh tepelného čerpadla je vždy uzavřený a naplněný nemrznoucí směsí. Teplo se předává do topné vody.

Zemské jádro je žhavé a jeho energie prostupuje na povrch ve formě tepla. S rostoucí hloubkou pod povrchem tedy roste i teplota hornin. Možnosti odběru tepla se mění podle geologické situace. Teplota v zemi v hloubce pod 10 m je během roku téměř stabilní. V našich podmínkách se pohybuje okolo 10 °C až 12 °C. S rostoucí hloubkou roste teplota přibližně o 2–3 °C na 100 m.

Je zřejmé, že při stálém odběru tepla ze země dojde postupně v okolí vrtu k poklesu teplot. Dlouhodobé zkušenosti ze zemí, kde jsou tyto systémy v provozu již desítky let, ukazují, že se vždy v měsících, kdy odběr tepla klesá, stačí obnovit výchozí stav.

Průměrný tepelný tok (množství tepla, které projde jednotkovou plochou na zemském povrchu za jednotku času) na Zemi je 60 mW/m² ± 10 mW/m². Lokality s největším tepelným tokem v ČR mají až 90 mW/m² (např. Ostravsko, okolí obce Boží Dar v Krušných Horách), tato hodnota závisí na geologickém složení podloží, které udává jeho tepelnou vodivost.

Vodorovné zemní neboli plošné kolektory

V zemi, v hloubce asi 1,2–1,5 m ve vzdálenosti asi 60–80 cm od sebe jsou uloženy polyetylénové hadice naplněné solankou. Obvykle se udává, že plocha, ze které se teplo odebírá, by měla být asi třikrát až čtyřikrát větší, než je velikost vytápěné plochy. Samozřejmě zde existuje závislost na druhu a vlhkosti půdy.

Obr. 2.10 Zemní plošné kolektory (obrázek-animace)

Přívodní hadice se vedou v dostatečné hloubce, ve které teplota neklesá pod bod mrazu, do objektu. Po nezbytných terénních úpravách není na povrchu půdy nic vidět, ale je celkem pochopitelné, že půda je na jaře mnohem více prochladlá než jinde. To může mít negativní dopad na pěstování plodin i kořeny stromů.

V tabulce je závislost délky zemního kolektoru a využité plochy na druhu půdy pro 1 kW výkonu tepelného čerpadla.

Druh půdy	Délka na 1 kW výkonu [m]	Plocha na 1 kW výkonu [m2]
Suchá	160	100
Vlhká	70	42
Mokrá	40	29

Tab. 2.2: Závislost délky zemního kolektoru a využité plochy na druhu půdy

Vertikální zemní kolektory

Jde o plastový výměník vložený do hlubokého vrtu. Vrty, které mají poměrně malý průměr (obvykle 13 cm – 22 cm), jsou po vložení polyetylénových hadic vyplněny vhodnou hmotou. Nejčastěji se používá cementová nebo jílovocementová směs. Naprosto nevhodné je zasypání pískem nebo vytěženým materiálem. Důvodem je riziko, že vrt narazí na zásobárnu podzemní vody, do níž by se mohla neutěsněným vrtem dostat znečištěná povrchová voda, případně, že vrt spojí oblasti v různých hloubkách a naruší tak hydrogeologické poměry. Vrt je považován za vodní dílo (zákon č. 245/2001 Sb.), i když se z něj voda neodebírá. Musí jej povolit příslušný stavební a vodoprávní úřad.

Obr. 2.11 Vertikální a zemní kolektory (obrázek-animace)

Vrty mívají hloubku 50–150 m v závislosti na požadovaném výkonu a geologické situaci. V případě požadavků na větší výkon se vrtů zhotoví víc. Vzdálenost vrtů se doporučuje minimálně 5 m–10 m (také se udává 10 % hloubky vrtu), aby se vzájemně neovlivňovaly. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je potřeba 12–18 m hloubky vrtu. Tepelné čerpadlo o výkonu 10 kW tak vyžaduje průměrně 140 m hluboký vrt (nebo dva 70 m). Obecně je však lépe zvolit jeden hlubší než dva kratší vrty. Prvních 10 m vrtu má totiž poměrně malý energetický přínos. Skutečná délka vrtu závisí na konkrétních geologických podmínkách v místě a jeho návrh by měl zpracovat odborník.

Výhodou tohoto řešení jsou malé nároky na prostor, velmi dobrý topný faktor, který se během roku téměř nemění, a to, že tento zdroj tepla je při správném návrhu schopen pokrýt spotřebu tepla celoročně – není nutné jej doplňovat jiným zdrojem tepla. Nevýhodou jsou poměrně vyšší náklady na zhotovení vrtů.

V tabulce je závislost hloubky zemního kolektoru na druhu podloží pro 1 kW výkonu tepelného čerpadla.

Druh podloží	Hloubka na 1 kW výkonu [m]
Suché usazeniny	33
Pevná hornina, jíly	15
Hornina se spodní vodou	10

Tab. 2.3: Závislost hloubky zemního kolektoru na druhu podloží

Zpět na začátek

2.4 Primární okruh tepelného čerpadla

Primární okruh slouží k přenosu nízkopotenciálního tepla ze zdroje do tepelného výměníku tepelného čerpadla.

Otevřený primární okruh je takový, který odebírá teplo přímo ze zdroje nízkopotenciálního tepla, to znamená, že ochlazovaný vzduch nebo voda ze zdroje přímo prochází výměníkem na primární straně tepelného čerpadla. Využívá se u tepelného čerpadla vzduch – voda, u tepelných čerpadel typu voda – voda méně. Důvodem bývají především nečistoty přírodních vod, které vedou ke vzniku usazenin v tepelném výměníku, a také problémy spojené se zamrzáním vody.

Uzavřený primární okruh je takový, který teplo ze zdroje nízkopotenciálního tepla odebírá pomocí kolektorů, což jsou nejčastěji plastové trubky nebo polyetylénové hadice. Pomocí proudící tekutiny v kolektorech se teplo přenáší k tepelnému výměníku na primární straně tepelného čerpadla.

Solanka

Pro přenos tepla pomocí kolektorů všech provedení se používají uzavřené primární okruhy plněné nemrznoucí směsí, které se říká bez ohledu na její složení obecně solanka. Mělo by jít o nejedovatou ekologicky nezávadnou látku. Je třeba si uvědomit, že objem této směsi v primárním okruhu je 250 až 400 litrů. Pro účely tepelných čerpadel se obvykle používají následující druhy směsí:

• Polyetylenglykol a voda – směs ve složení 30 % objemu polyetylenglykolu a 70 % vody má výhodné vlastnosti až do teploty –15 °C. Nevýhodou je vyšší hydraulický odpor v potrubí a nižší tepelná kapacita. Navíc je roztok jedovatý, a proto se používají nejedovaté látky, například polypropylenglykol, který má podobné vlastnosti.
• Alkohol a voda – používá se směs 25 % objemu etylalkoholu a 75 % vody. Metylalkohol se pro svou jedovatost nepoužívá. Také v tomto případě roste hydraulický odpor (s klesající teplotou) a klesá tepelná kapacita. Dále je nutné si uvědomit, že při smíchání etylalkoholu a vody bude vlivem chemických vazeb výsledný objem směsi nižší než součet objemů před smícháním. Po smíchání 2 litrů vody a 1 litru etanolu bude výsledný objem směsi asi 2,8 litrů. Etanol se z důvodů jeho ceny používá v denaturované podobě.

V tabulce jsou uvedeny vlastnosti vodných roztoků polyetylenglykolu, polypropylen-glykolu a etylalkoholu

Polyetylglykol ve vodě [%]	teplota tuhnutí [°C]	c [kJ.kg-1.K-1]
20	-10	3,85
34	-20	3,51
52	-30	3,04
Polypropylenglykol ve vodě [%]	teplota tuhnutí [°C]	c [kJ.kg-1.K-1]
25	-10	3,93
38	-20	3,68
47	-30	3,45
Etylalkohol ve vodě [%]	teplota tuhnutí [°C]	c [kJ.kg-1.K-1]
10	-6,0	4,39
20	-11,5	4,37
30	-17,5	4,18
40	-25,5	3,99
50	-33,5	3,64

Tab. 2.4: Teplota tuhnutí a měrná tepelná kapacita roztoků polyetylenglykolu, polypropylen-glykolu a etylalkoholu

Výměníky tepla

Výměník tepla je konstrukční prvek, který zprostředkovává přenos, neboli výměnu tepla mezi médii tak, aby nedošlo k jejich kontaktu. Pro výměnu tepla platí druhá termodynamická věta, která říká, že teplo se předává pouze z prostředí o vyšší teplotě do prostředí o nižší teplotě.

V tepelném čerpadle slouží výměníky tepla k předávání tepla z vnějšího prostředí, tedy ze zdroje tepla do chladiva v primárním okruhu a z chladiva pak do vody topného systému v sekundárním okruhu. Podle použití se nazývají výparníky nebo kondenzátory. Každý výměník je charakterizován celou řadou parametrů. Jedním z hlavních parametrů je plocha, přes kterou se obě média stýkají. Obvykle se jako dostačující uvádí 0,25 m² teplosměnné plochy na 1 kW výkonu čerpadla pro kondenzátory a 0,36 m² plochy na 1 kW výkonu čerpadla pro výparníky. Dalším důležitým parametrem je závislost tlakových ztrát na průtoku média. Tato závislost není lineární a vyjadřuje se obvykle graficky.

Výpočty týkající se výměníků jsou poměrně složité. Výrobci tepelných čerpadel mají obvykle pro tyto účely speciální programy.

Existuje celá řada různých typů výměníků. Pro přenos tepla mezi médii kapalina – chladivo se v tepelném čerpadle obvykle používají deskové a trubkové výměníky, pro přenos tepla vzduch – chladivo lamelové výměníky, doplněné ventilátorem.

Deskový výměník tepla

Deskový výměník se obvykle skládá ze skupiny nerezových desek, které mají speciálně tvarované prolisy. Jejich tvar je takový, že při složení na sebe vytvoří dvě skupiny kanálků, kterými pak odděleně od sebe proudí teplonosná média. Desky jsou k sobě na mnoha místech spájeny, takže výměník tvoří kompaktní celek a snáší vysoké provozní tlaky. Pájené výměníky jsou nerozebíratelné a počet desek se už nedá změnit. Na obrázku je výměník rozebíratelný, ve kterém jsou desky k sobě přišroubovány. Vývody z výměníků bývají upraveny pro přišroubování nebo připájení, přičemž obě sekce nemusejí mít shodné provedení vývodů. Deskové výměníky s vyšším počtem desek bývají v provedení s rozdělovačem chladiva, který zajišťuje rovnoměrné rozdělení chladiva mezi všechny desky.

Obr 2.12: Rozebíratelný deskový výměník tepla

Výhodou deskových výměníků je jejich velká účinnost a vysoký přenášený výkon při malých rozměrech. Snadno se montují, snesou vysoké tlaky, jsou chemicky odolné a dobře se tepelně izolují. Mezi nevýhody patří jejich vyšší tlakové ztráty a poměrně malé mezery mezi jejich deskami. Snadno se mohou zanést nebo ucpat nečistotami. Proto se příliš nehodí pro použití u otevřených primárních okruhů, kde se mohou zanášet nečistotami z vody. U svařovaných typů je pak čištění obtížné.

Deskové výměníky jsou nejčastěji využívané tepelné výměníky v tepelných čerpadlech, i přes jejich relativně vyšší cenu.

Trubkový výměník tepla

Existuje celá řada trubkových výměníků. Popíšeme dvě nejjednodušší a nejčastěji používané konstrukce.

V prvním případě se jedná o výměník, který se skládá z válcové nádoby většího průměru, do které je vložena spirálovitě svinutá druhá trubka nebo celý svazek trubek. Ty jsou paralelně propojeny do jedné. Tím se dosáhne velké teplosměnné plochy. Ve svazku trubek proudí jedno médium, obvykle chladivo, ve velké nádobě kolem nich pak druhé, voda nebo solanka. Výhodou je jednoduchá konstrukce a velmi malé tlakové ztráty v okruhu vody či solanky. Tento druh výměníku se dá použít i pro znečištěné kapaliny, protože se dá při vhodném konstrukčním provedení rozebrat a vyčistit.

Druhý typ výměníku je „trubka v trubce“ (nebo více trubek v trubce). Do jedné trubky většího průměru je vsunuta druhá vystředěná trubka menšího průměru, nebo svazek několika slabších trubek. V mezerách mezi trubkami proudí voda nebo solanka, ve vnitřní trubce nebo trubkách je chladivo.

Obr 2.13: Trubkový výměník tepla

Pro dosažení velké výměnné plochy musí být trubky značně dlouhé, a proto bývají tyto výměníky svinuty do kruhů přiměřeného průměru. Trubkové výměníky mívají povrchy trubek žebrované pro dosažení větší plochy určené k výměně tepla, tím je možné zkrátit jejich délku.

Lamelový výměník tepla

Obr 2.14: Lamelový výměník tepla

Lamelové výměníky se skládají z jedné nebo častěji z více řad měděných trubek. Ty jsou obvykle opatřeny hliníkovými lamelami, aby se zvětšil jejich povrch, čímž se zvýší přenos tepla. Trubkové okruhy se často paralelně spojují.

Pokud jsou tyto výměníky použity jako výparníky v tepelném čerpadle vzduch – voda, musí být na jejich vstupu vedoucím od expanzního ventilu instalován rozdělovač vstřikovaného chladiva. Na druhé straně výparníku jsou sekce obvykle spojeny do větší trubky. Rozdělovač zajišťuje rovnoměrné rozdělení chladiva z expanzního ventilu.

Vzduch je přes tyto výměníky proháněn ventilátorem. Podle konstrukce vnější jednotky a výkonu mohou být použity i dva ventilátory. Důležitou vlastností je nejen jejich výkon a účinnost, ale i hlučnost. Z tohoto důvodu jejich elektromotory mívají možnost přepnutí počtu otáček. Přes den mohou ventilátory běžet rychleji a v noci se přepnou na nižší výkon.

Oběhové čerpadlo primárního okruhu

Obr 2.15: Oběhové čerpadlo primárního okruhu

Jako oběhová čerpadla primárního okruhu se používají stejné typy jako u topných soustav. Obvykle vyhovují typy s výkonem 100–150 W, výjimečně více, nejlépe s možností přepínání počtu otáček.

Při volbě výkonu se musí stanovit tlakové ztráty celého okruhu a musí se brát v úvahu parametry solanky při nejnižší teplotě, protože její viskozita s klesající teplotou roste – snižuje se tekutost (velmi dobře je to vidět na tekutosti alkoholu, která je při teplotě kolem – 15 °C srovnatelná s tekutostí řídkého oleje).

Expanzní nádrž

Vzhledem k tomu, že primární okruh je uzavřený a kapalina mění svůj objem v závislosti na teplotě, musí v něm být instalována vhodná expanzní nádržka. Doporučuje se používat uzavřené typy. Vhodný objem expanzní nádržky je asi 2 l na 100 l solanky. Větší velikost není na závadu.

Obr 2.16: Expanzní nádrž

Zpět na začátek

2.5 Chladivový okruh tepelného čerpadla

Chladivový okruh tepelného čerpadla je jeho hlavní část, která zajišťuje „přečerpání“ energie z nízkopotenciálního zdroje tepla na vyšší teplotní úroveň.

Chladivový okruh tepelného čerpadla voda (země) – voda

V animaci je znázorněno typické zapojení chladivového okruhu voda (země) – voda.

Animace 2.2 Jednoduchý chladivový okruh tepelného čerpadla voda (země) – voda

Do dolní části výparníku je tryskou termostatického expanzního ventilu vstřikováno kapalné chladivo. Za expanzním ventilem ve výparníku je nízký tlak a kapalné chladivo se proto rychle odpaří, podchladí se a odebere teplo z primární strany okruhu, v našem případě ze solanky nebo vody. Takto ohřátý plyn je nasáván kompresorem a po stlačení se zahřeje. V kompresoru se k energii nesené plynem přidá další část energie získaná z práce elektromotoru při stlačení plynu. Výtlačné potrubí kompresoru vede do horního vývodu kondenzátoru. Tam horký plyn zkapalní a předá teplo chladnější topné vodě. Chladivo se již jako kapalina shromažďuje ve sběrači kapalného chladiva, kde se zbaví bublinek. Trubkou vedenou ode dna sběrače je kapalina vedena přes filtrdehydrátor, elektromagnetický uzavírací ventil a průhledítko do termostatického expanzního ventilu. Celý cyklus běží spojitě stále dokola.

Obr 2.17: Nákres komplexního tepelného čerpadla voda (země) – voda s obchodním označením FIGHTER 1240. Skládá se z jednotky tepelného čerpadla, zásobníku teplé užitkové vody, elektrokotle, oběhových čerpadel a řídicího systému.

PŘÍKLAD: Vypočtěte, jak se změní objem a teplota plynu při průchodu kompresorem. Počítejte pro chladivo R22, pro které je tlak v sání kompresoru přibližně 0,3 MPa a na výtlaku kompresoru 1,4 MPa. Vstupní teplota je 0 °C. Stlačování plynu považujte za adiabatický děj, Poissonova konstanta je asi 1,2.

Z Poissonova zákona plyne:

Objem se zmenší na 27,7 % původní hodnoty.

Ze stavové rovnice pro ideální plyn stálé hmotnosti zjistíme:

Teplota plynu po průchodu kompresorem bude 80 °C.

Základní části chladivového okruhu:

Termostatický expanzní ventil

Termostatický expanzní ventil bývá někdy nazýván vstřikovací ventil. Jeho úkolem je vstřikovat do výparníku správné množství kapalného chladiva tak, aby byl výparník správně plněn a měl optimální provozní režim. Konstrukční provedení je víceméně ustálené a u různých výrobců se liší jen detaily. Hlavní část expanzního ventilu je tryska, která je otvírána silou, vzniklou vzájemným působením několika veličin. Tyto síly jsou vytvářeny tlakem plynů na membránu ventilu a pružinou regulačního šroubu.

Obr 2.18: Termostatický expanzní ventil

Důležitou částí expanzního ventilu je teplotní čidlo, nazývané tykavka. Je to malá nádobka naplněná vhodným plynem, u kterého se při zvyšování teploty zvyšuje tlak. Tlak se přenáší pomocí kapiláry na membránu ventilu. Tlak nad membránou se zvyšuje s rostoucí teplotou tykavky, tlak pod membránou roste s vypařovací teplotou. Rozdíl těchto tlaků odpovídá přehřátí chladiva a vytváří sílu, která působí proti síle pružiny a otevírá trysku ventilu. Když přehřátí chladiva ve výparníku vzroste, ventil se otevírá a opačně. Síla potřebná k otevření ventilu se dá měnit otáčením šroubu na ventilu. Po konečném nastavení se regulační šroub uzavře speciální zaslepenou maticí, aby kolem jeho ucpávky nemohlo unikat chladivo. Trysky expanzního ventilu jsou výměnné a jejich velikost je volena podle požadovaného výkonu a druhu chladiva. Rovněž náplň tykavky se pro různá chladiva liší.

Tykavka expanzního ventilu se umísťuje k rovné části sacího potrubí těsně za výparník. Musí být dobře tepelně spojena s potrubím a současně ji nesmí ovlivňovat okolní vzduch. Upevňuje se pomocí spony se šroubem a po uchycení je tepelně zaizolována.

Obr 2.19: Umístění tykavky

Pro použití expanzního ventilu v případech, kdy je tlaková ztráta ve výparníku vysoká, se použije expanzní ventil s tzv. vnějším vyrovnáním tlaku. Místo, kde se snímá tlak z výparníku, pak není přímo ve ventilu za tryskou, ale na výstupu výparníku. Informace o tlaku je do ventilu přivedena kapilárou. Tímto způsobem vyloučíme vliv tlakové ztráty ve výparníku.

Existuje také elektronicky řízený expanzní ventil, který se liší od běžných tím, že nemá tykavku ani membránu. Obsahuje jen trysku příslušné velikosti, která se pomocí elektromagnetu naplno otvírá či zavírá. Množství vstřikovaného chladiva se řídí poměrem času otevření a zavření. Ovládací elektromagnet řídí elektronická jednotka na základě údajů ze snímačů teplot za ventilem a za výparníkem, případně i jinde.

Kompresor

Kompresor slouží v tepelném čerpadle ke stlačování par chladiva, které vznikají ve výparníku. Stlačené páry se silně zahřejí a vedou se do kondenzátoru, kde předají teplo topné vodě a zkapalní.

Tlaky v sacím a výtlačném potrubí závisí na použitém chladivu a nastavených pracovních podmínkách. Obvykle se pohybují v těchto mezích: sací tlak 0,1–0,5 MPa, výtlak 0,5–2,5 MPa. Poměr výtlačného a sacího tlaku se nazývá kompresní poměr.

Teploty nasávaných par se pohybují obvykle v mezích – 20 °C až 10 °C, výtlačné teploty se pohybují v mezích 60 °C až 100 °C.

Důležitým parametrem kompresorů bez ohledu na typ je sací výkon. Udává se v m³/h přečerpaného plynu. Jedná se o objem nasávaných par vztažených k tlaku v sacím hrdle kompresoru.

Typy kompresorů, se kterými se můžeme setkat:

Hermetické provedení kompresoru má ve společné nádobě a na společné hřídeli elektromotor i kompresor. Olejová náplň je také společná. Výhodou je naprostá těsnost, z nádoby vede jen sací ventil a výtlačné potrubí. Nemůže tedy docházet k únikům chladiva.

Hermetický pístový kompresor je nejrozšířenějším druhem, hlavně v malých provedeních. Používá se prakticky ve všech typech domácích chladniček a mrazících pultů. Vyrábějí se již desítky let, jejich konstrukce jsou proto vyzrálé, mají vysokou životnost – dvacet i více let. Elektromotor je chlazen parami nasávaného chladiva, olejová náplň je společná. Jako jejich nevýhoda bývá uváděno to, že nesnesou bez poškození nasátí kapalného chladiva a poněkud vyšší hlučnost. Z tohoto důvodu bývají obalené tlumícím krytem.

Obr 2.20: Hermetický spirálový kompresor

Hermetický spirálový kompresor, nebo též kompresor scroll, je moderní typ, vyráběný poměrně krátkou dobu, i když jeho princip byl patentován už začátkem 20. století. Dnes se běžně používá ve většině tepelných čerpadel. Kompresor scroll se skládá ze dvou kovových spirál, které jsou vloženy do sebe. Jedna je pevná a má uprostřed otvor spojený s výtlačnou trubicí. Druhý díl krouží v prvním, tím se mezi spirálami v místech s odlišným zakřivením vytvářejí plynové kapsy, které se neustále posouvají ke středu spirál a zmenšují svůj objem. Jejich cesta končí u středního otvoru horní spirály.

Obr 2.21: Kovové spirály hermetického spirálového kompresoru

Ceny těchto kompresorů na stejné výkonové hladině jsou asi o 30 % až 50 % vyšší než u pístových typů. U spirálových kompresorů se musí na rozdíl od pístových dodržet směr otáčení motoru. Mají však nižší vibrace, tišší chod, jednodušší konstrukci, protože obsahují méně pohyblivých dílů a jsou odolné proti nasátí kapalného chladiva.

Polohermetické provedení kompresoru má elektromotor i kompresor na jedné hřídeli v hermetické skříni, takže mezi sebou nepotřebují žádná těsnění. Elektromotor je přístupný po demontáži krycích vík.

Otevřené provedení představuje samotný kompresor. Jeho hřídel je utěsněna ucpávkou proti úniku chladiva a vychází ven ze skříně. Pohon může zajišťovat nejen elektromotor, ale také spalovací nebo jiný motor.

Výběr kompresoru závisí na typu a výkonu tepelného čerpadla, na vstupní a výstupní teplotě a na typu použitého chladiva. Polohermetické a otevřené kompresory nejsou pro tepelné čerpadlo příliš vhodné, vykazují vždy tepelné ztráty. Můžeme se s nimi setkat pouze u starších typů tepelných čerpadel.

PŘÍKLAD: Vypočtěte objem plynu, který musí kompresor tepelného čerpadla země – vzduch přečerpat každou hodinu. Chladící výkon výparníku je 10 kW. Jako chladivo zvolte R22. Vypařovací teplota je –10 °C, kondenzační teplota je 40 °C.

Potřebné hodnoty pro chladivo R22 určíme z tabulky 2.39

Teplo, které se uvolní během jednoho cyklu z 1 kg chladiva:

Teplo, které je nutné získat za 1 hodinu (3 600 sekund):

Hmotnost chladiva, které okruhem musí protéct za 1 hodinu:

Objem plynu při teplotě – 10 °C připadající na 1 kg chladiva

Objem plynu, který musí přečerpat kompresor za 1 hodinu:

Kompresor musí přečerpat 15,4 m³ plynu za hodinu. Podle tohoto údaje výrobce zvolí vhodný typ podle tabulek údajů o kompresorech.

Presostat

Presostat je nastavitelný tlakový spínač, který v případě poruchy vypíná kompresor. Podle použití se presostaty dělí na sací a výtlačné, které se vzájemně liší jen rozsahem možného nastavení vypínacích tlaků.

Presostat pro vysoký tlak se aktivuje tehdy, přeruší-li se odvádění tepla z kondenzátoru vinou poruchy oběhového čerpadla nebo z jiné příčiny, která způsobí omezení průtoku topné vody. Teplota v kondenzátoru se začne zvyšovat a bude narůstat i kondenzační tlak. Ten nesmí překročit povolenou hranici 2,5 MPa.

Presostat pro nízký tlak plní pojistnou funkci na primární straně tepelného čerpadla. Pokles sacího tlaku je zaviněn poklesem teploty vstupního média a to je opět poruchový stav. Dojde-li například k přerušení nebo omezení oběhu primární vody, teplota ve výparníku silně poklesne. Pokles teploty je provázen poklesem sacího tlaku a nízkotlaký presostat vypne kompresor. Příčinou poklesu sacího tlaku může také být únik chladiva ze systému.

Obr 2.22: Presostat

Sběrač kapalného chladiva

Sběrač je tlaková nádoba, která slouží jako zásobník celého množství kapalného chladiva v tepelném čerpadle a odlučovač bublin. Zajišťuje, aby do termostatického expanzního ventilu přicházela pouze kapalina. Výstup čisté kapaliny tvoří trubka, která sahá až ke dnu. Sběrač má obvykle objem několik litrů. Bývá konstruován na výšku, ale může to být také vodorovná nádoba. Sběrač bývá dimenzován na nejvyšší možný provozní tlak systému. Pro tepelné čerpadlo s výkonem 10 kW je objem chladiva v tepelném čerpadle asi 2,5 l, podle toho se také volí objem sběrače. Pokud je to konstrukčně možné, umísťuje se sběrač tak, aby do něj mohlo kapalné chladivo z kondenzátoru volně vytékat.

Obr 2.23: Sběrač kapalného chladiva

Filtrdehydrátor

Obr 2.24: Filtrdehydrátor

Filtrdehydrátor slouží k pohlcování škodlivin z okruhu chladiva, vody a také drobných pevných částic. Na obalu je označen směr průtoku kapalného chladiva, který se musí dodržet. Montuje se ve svislé poloze z důvodu rovnoměrnějšího průtoku chladiva tak, aby přívod kapaliny byl nahoře. Pokud se v systému objeví vlhkost, musí se filtrdehydrátor co nejdříve vyměnit.

Obr 2.25: Schéma filtrdehydrátoru

Elektromagnetický ventil

Obr 2.26: Elektromagnetický ventil

Do kapalinového potrubí před termostatický expanzní ventil se zařazuje elektromagnetický ventil, který po odstavení kompresoru uzavře přívod kapalného chladiva. Ventil se znovu otevře až při spuštění kompresoru.

Průhledítko

Obr 2.27: Průhledítko

Průhledítko slouží ke sledování toku kapaliny v potrubí. Mívá také indikátor vlhkosti. Přítomnost vlhkosti se projeví změnou barvy mezikruží. Po vysušení chladiva, například po výměně filtrdehydrátoru, se barva indikátoru vrátí na původní. Průhledítko se zařazuje za sběrač chladiva a filtrdehydrátor, blízko vstupu do expanzního ventilu. V tomto místě už nesmí být v chladivu bublinky. Jejich přítomnost signalizuje závadu, málo chladiva nebo zúžení potrubí nějakou překážkou.

Trojcestný ventil

Obr 2.28: Trojcestný ventil bez vývodu pro manometr

Je to ručně ovládaný ventil, který slouží k občasnému uzavření okruhu chladiva nebo jako vývod pro servisní účely. K ovládání se používá vhodný klíč. Jeden servisní vývod slouží pro účely čerpání a plnění chladiva a je v klidovém stavu uzavřen. Druhý je naopak otevřen a je stále propojen s okruhem chladiva. Používá se například pro připojení manometru. Někdy je na trojcestném ventilu jen jeden, obvykle plnící vývod. Bývá to hlavně u menších agregátů.

Obr 2.29: Schéma trojcestného ventilu

Chladiva a mazací oleje

Chladivo je nositelem energie v tepelném čerpadle, bez něj by systém nemohl fungovat. Je celá řada chladiv, ale pro použití v tepelném čerpadle se hodí jen některá z nich. Mohou to být čisté jednosložkové sloučeniny nebo směsi dvou a více sloučenin. Chladiva dělíme podle jejich charakteristických vlastností.

Označování chladiv

Písmeno R je první písmeno anglického slova refrigerant, chladivo. Písmeno C u některých chladiv má význam cyklický (cyclic). V tabulce jsou popsány jednotlivé skupiny podle číselného označení.

R10 až R50	skupina na bázi metanu
R110 až R170	skupina na bázi etanu
R216 až R290	propanová skupina
RC316 až RC318	skupina cyklických uhlovodíků
R400 až R411B	zeotropní směsi chladiv
R500 až R509	azeotropní směsi chladiv
R600 až R620	ostatní organické sloučeniny
R630 až R631	sloučeniny dusíku
R702 až R764	anorganická chladiva
R1112 až R1270	nenasycené uhlovodíky

Tab. 2.5: Označování chladiv

Rozdělení chladiv podle fyzikálních vlastností

Podle teplotních vlastností a poměru složek lze chladiva rozdělit na azeotropní a zeotropní.

Azeotropní chladiva jsou taková, která se chovají jako čisté kapaliny. Během fázové přeměny z páry na kapalinu se složení par a kapaliny nemění. Mohou to být chladiva jednosložková, ale i vícesložková.

Zeotropní chladiva jsou směsi nejčastěji dvou až čtyř druhů chladiv, která mají během fázové přeměny z páry na kapalinu proměnné složení. Pokud je rozdíl teplot nasycených par složek velmi malý, nazývají se blízce azeotropními. U zeotropních chladiv se udává tzv. teplotní skluz, což je rozdíl teplot varu při stejném tlaku. Bývají to desetiny, ale i desítky °C.

Chladiva a životní prostředí

Vliv plynů a par a tedy i chladiv na poškozování ozónové vrstvy Země popisuje koeficient ODP (Ozone Depletion Potential). Je to relativní číslo. Za jeho základ byl vzat freon R11. Jeho koeficient byl stanoven jako 1. Kolikrát je koeficient ODP dané látky menší, tolikrát je vliv na poškozování ozónové vrstvy nižší.

Vliv látek na skleníkový efekt, který je jednou z příčin dlouhodobého oteplování Země, se označuje pomocí koeficientu GWP (Global Warming Potential). Číslo je vztahováno k CO₂ za 100 let, u kterého je stanoven koeficient 1. Kolikrát je koeficient GWP dané látky vyšší, tolikrát vyšší je její negativní vliv.

Rozdělení chladiv podle chemických vlastností

Podle chemického složení se chladiva rozdělují ne skupiny CFC, HCFC, HCF a HC.

CFC: jsou to plně halogenizované uhlovodíky a jejich směsi, tj. všechny atomy vodíku v molekule jsou nahrazeny atomy prvků ze skupiny halogenidů, tedy chlorem, fluorem, někdy i bromem. Někdy se nazývají tvrdé freony. Mají vysoký ODP i GWP.

HCFC: jsou to chorofluorované uhlovodíky, mají v molekule i atomy vodíku. Říká se jim měkké freony. Jejich ODP je relativně nízký, GWP střední až vysoký.

HFC: nemají v molekule atomy chloru, jen fluor. Mají ODP nulový, ale mohou mít značně vysoký koeficient GWP.

HC: přírodní uhlovodíky a jejich směsi, jsou zcela bez halogenidů, ale jsou hořlavé. Nemají žádný škodlivý vliv na ozón a minimální vliv na skleníkový efekt.

Existují i další skupiny, jako anorganická chladiva (CO₂, vzduch, voda), nebo sloučeniny dusíku (čpavek – NH₄). Ta ale nejsou z různých důvodů pro tepelná čerpadla vhodná. Čpavkové okruhy například nesmí obsahovat jako konstrukční materiály měď a jiné slitiny, v praxi se používá ocel. Čpavek je jedovatý, ale pro své výhodné termodynamické vlastnosti a nízkou cenu se stále používá ve velkých chladicích systémech, například pro chlazení ledových ploch stadionů.

V posledních letech se stal strašákem název freon. Freon je ale jen obchodní označení skupiny chladiv CFC a HCFC firmy Du–Pont. Chladiv je celá řada a jiné firmy je vyráběly i pod jinými obchodními názvy. U nás byly používány pod obchodním názvem Ledon. Byly používány velmi dlouho a to nejen jako chladiva, ale i jako hnací plyny sprejů a nadouvadla pěnových hmot. Po zjištění jejich negativního vlivu na zeslabování ozónové vrstvy Země došlo k výraznému omezení jejich výroby a používání. Tvrdé freony se v nových zařízeních nepoužívají. Používání měkkých freonů se omezuje.

Každé chladivo použité v tepelném čerpadle vyžaduje jiný mazací prostředek, protože se musí v oleji dokonale rozpouštět. Malé množství oleje je neustále unášeno chladivem po celém okruhu. Olej se stále vrací zpět do kompresoru a musí jej tam být stále dostatečné množství. Nejčastěji se v tepelných čerpadlech využívají minerální, alkylbenzenové nebo polyolesterové oleje.

Výběr druhu chladiva

Druh chladiv pro tepelné čerpadlo se volí podle celé řady kritérií, kterými jsou:

• požadovaná oblast použití s ohledem na provozní podmínky,
• požadovaný výkon s ohledem na vlastnosti kompresoru,
• doporučení výrobce kompresoru,
• cena chladiva,
• dostupnost chladiva,
• ekologická nezávadnost.

Charakteristiky nejpoužívanějších chladiv

Na našem trhu jsou nejčastěji používána chladiva R12, R22, R134a, R404a, R407c, R410a.

Chladivo R12

Patří do skupiny tvrdých freonů CFC. Je to dichlordifluormetan CCl₂F₂. Používá se s minerálním a alkylbenzenovým olejem. Obvykle se s ním srovnávají vlastnosti nových chladiv, je to tzv. referenční chladivo. Bod varu je při atmosférickém tlaku – 29,8 °C, je azeotropní. Index ODP je 1, GWP je 8500. Chladivo R12 je známo od roku 1932 a jeho používání bylo velice rozšířeno. Používá se pro vypařovací teploty od – 60 °C do 0 °C. Je chemicky velmi stabilní, nehořlavé, nevýbušné, v kapalném i plynném stavu bezbarvé. Je netečné téměř ke všem konstrukčním materiálům kromě hořčíku a jeho slitin. Negativní vlastností je jeho přítomnost chlóru v molekule a tím jeho nebezpečnost pro ozónovou vrstvu Země. Při teplotách nad 330 °C se rozkládá na jedovaté látky, jako je chlorovodík, fluorovodík a stopy fosgenu. V nových zařízeních se již nesmí používat, ale dá se najít téměř ve všech domácích chladicích a mrazicích agregátech vyrobených asi do roku 1995.

Chladivo R22

Patří do skupiny tzv. měkkých freonů HCFC. Je to chlordifluormetan CHClF₂. Používá se se všemi typy olejů. Obchodní název je například FORANE 22. Bod varu při atmosférickém tlaku je – 40,8 °C, je azeotropní, ODP je 0,05 a GWP 1700. Je to bezbarvá kapalina i plyn. R22 je nehořlavé a nevýbušné. Není jedovaté a nenapadá žádné běžně používané konstrukční prvky. Má výhodné termodynamické vlastnosti. Jeho použití sahá až do vypařovacích teplot až – 70 °C. Při teplotách nad 330 °C se také rozkládá na chlorovodík, fluorovodík a stopy fosgenu.

Chladivo R134a

Patří do skupiny bezchlorových chladiv typu HFC. Je to tetrafluoretan C₂H₂F₄ a používá se pouze s polyolesterovými oleji. Obchodními názvy jsou například FORANE, HFC, Genetron – vždy s označením 134a. Bod varu je při atmosférickém tlaku – 26,3 °C, je azeotropní, ODP je 0 a GWP 1600. Není jedovaté, je nehořlavé a nevýbušné. V kapalné i plynné formě je bezbarvé. Není agresivní vůči kovům. Má o něco nižší kompresní tlaky než R12, které lze chladivem R134a nahradit i v některých starších kompresorech, je však nutná výměna minerálního oleje za polyolesterový. Někteří výrobci tuto změnu chladiva nedovolují.

Chladivo R404a

Patří do skupiny HFC. Jde o zeotropní směs ve složení R125/R134a/R143a v poměru 11:13:1. Používá se jen s polyolesterovými oleji. Bod varu při atmosférickém tlaku je – 46,4 °C, jedná se o blízce azeotropní chladivo, ODP je 0, GWP 4540. Nahrazuje chladivo R22.

Chladivo R407c

Patří do skupiny HFC, jde o směs R32/R125/R134a v poměru 23:25:52, používá se pouze s polyolesterovými oleji. Obchodní názvy jsou například FORANE, SOLKANE 407c. Bod varu při atmosférickém tlaku je – 43,8 °C. Má velký teplotní skluz, asi 6 °C, je tedy zeotropní, ODP je 0, GWP 1980. Termodynamické vlastnosti jsou podobné R22. Velký teplotní skluz částečně omezuje možnosti jeho použití. Je poměrně často používané v tepelných čerpadlech země – voda a voda – voda.

Chladivo R410a

Patří do skupiny látek HFC. Je to směs R32/R125 v poměru 1:1, používá se pouze s polyolesterovými oleji. Bod varu při atmosférickém tlaku je – 51,6 °C, teplotní skluz je asi 0,1 °C, jde o blízce azeotropní směs, ODP je 0, GWP 2340. Není hořlavé, výbušné ani jedovaté, má podobné termodynamické vlastnosti jako R22 a R407c, udává se u něj vyšší chladicí faktor, vyžaduje však také vyšší tlaky, proto se pro něj používají modifikované kompresory a kondenzátory pro vyšší provozní tlaky. Díky vyšším tlakům vychází systémy s R410a pro stejný výkon rozměrově menší.

Pro každé chladivo lze v tabulkách nalézt jeho nejdůležitější termodynamické parametry. Jako příklad uveďme tabulku chladiva R22.

Teplota	Tlak nasy-cených par	Hustota kapaliny	Měrná entalpie kapaliny	Hustota syté páry	Měrná entalpie plynu
[°C]	[kPa]	[kg/m3]	[kJ/kg]	[kg/m3]	[kJ/kg]
-70	20,5	1 493	124,7	1,06	374,1
-60	37,4	1 466	134,6	1,86	379,0
-50	64,3	1 438	144,9	3,08	383,8
-40	104,9	1 409	155,3	4,86	388,5
-30	163,5	1 380	168,1	7,36	393,1
-20	244,8	1 349	177,1	10,77	397,4
-10	354,3	1 317	188,4	15,30	401,5
0	497,6	1 284	200,0	21,21	405,4
10	680,7	1 250	211,9	28,81	408,8
20	909,9	1 213	224,1	38,46	412,0
30	1 192	1 173	236,8	50,66	411,6
40	1 534	1 131	249,8	66,05	416,7
50	1 942	1 084	263,4	85,69	418,0
60	2 427	1 032	277,8	111,01	418,3
70	2 996	970	293,3	145,16	417,07

Tab. 2.6: Termodynamické parametry chladiva R22

Chladivový okruh tepelného čerpadla vzduch – voda

Tepelná čerpadla vzduch – voda mají zapojení chladivového okruhu poněkud složitější.

Čtyřcestný ventil slouží k přepnutí funkce tepelného čerpadla. V normálním režimu kompresor vhání stlačený plyn do kondenzátoru a nasává plynné chladivo z výparníku sventilátorem. Včinnosti je první termostatický expanzní ventil. Kondenzující kapalné chladivo protéká otevřeným zpětným ventilem do sběrače a postupuje přes filtrdehydrátor, elektromagnetický ventil a průhledítko zpět do termostatického expanzního ventilu.

Dojde-li ke vzniku námrazy na výparníku, je nutné ji odstranit odtáním. To se provede přepnutím čtyřcestného ventilu. Kompresor bude tlačit horký vzduch do výparníku, kde vzduch odevzdá své teplo, a tím způsobí odtání nežádoucího ledu. Kapalné chladivo poteče tentokrát opačným směrem otevřeným zpětným ventilem, průhledítkem, elektromagnetickým ventilem a filtrdehydrátorem do sběrače a odtud do druhého termostatického expanzního ventilu. Do kondenzátoru bude vstřikováno kapalné chladivo, které se v něm odpaří a bude odebírat teplo z topné vody. Takto ohřátý plyn bude nasáván kompresorem.

Tento režim je jen krátkodobý a trvá jen do doby odstranění námrazy. Pak se čtyřcestný ventil vrátí zpět do původní polohy.

Odlučovač kapalného chladiva v sacím potrubí kompresoru slouží k bezpečnému odpaření kapaliny před jeho vstupem, kam by se část kapaliny mohla dostat při přepnutí čtyřcestného ventilu z režimu topení do režimu odtávání a naopak.

Ve sběrači kapalného chladiva musí být obě trubice umístěny pod hladinou kapaliny. Filtrdehydrátor je určený pro obousměrný provoz. Lze také použít běžnější jednosměrné typy, které se řadí do série s příslušnými termostatickými expanzními ventily.

Čtyřcestný ventil

Obr 2.30: Čtyřcestný ventil

Čtyřcestný ventil je speciální elektromagnetický ventil pro změnu funkce agregátu. Používá se u klimatizačních jednotek pro změnu režimu chlazení a ohřevu. U tepelného čerpadla vzduch – voda slouží pro přepnutí režimu topení na režim pro odtávání námrazy. Ventil zamění výtlak kompresoru za jeho sání a sání za výtlak. Je to obdoba přepínače polarity v elektrotechnice.

Zpětný ventil

Obr 2.31: Zpětný ventil

Funkce zpětného ventilu je jasná z názvu. Propouští kapalné chladivo jen jedním směrem. Používá se jako obtokový ventil termostatického expanzního ventilu. Při změně funkce agregátu tepelného čerpadla pomocí čtyřcestného ventilu zpětný ventil automaticky překlene ten termostatický expanzní ventil, který není pro funkci potřeba a tím jej vyřadí z činnosti. Proto bývají v tepelném čerpadle použity dva kusy. Nejčastěji se používá kuličkové provedení zpětných ventilů.

Odlučovač kapalného chladiva

Při obrácení funkce tepelného čerpadla vzduch – voda, kdy se pomocí čtyřcestného ventilu zamění vývody kompresoru, by se mohlo stát, že do kompresoru vnikne sacím potrubím kapalné chladivo. Proto se do sacího potrubí před kompresor zařazuje malý odlučovač kapalného chladiva. Jeho funkce je opačná než u sběrače kapalného chladiva před expanzním ventilem. Jde o nádobku s přívodem a odvodem v horní části, takže případné kapalné chladivo zůstane dole a pak se odpaří.

Obr 2.32: Odlučovač kapalného chladiva

Rozdělovač chladiva

Obr 2.33: Rozdělovač chladiva

Rozdělovač chladiva se používá u výparníků složených z více sekcí, aby se chladivo dokonale rozdělilo. Umísťuje se přímo za termostatický expanzní ventil a je třeba dbát na jeho správnou polohu. Musí se umístit tak, aby se využíval vliv gravitace. Jeho osa musí být svislá a chladivo se přivede shora. Všechny vývody z rozdělovače do jednotlivých sekcí výparníku musí být stejně dlouhé.

Obr 2.34: Zapojení rozdělovače chladiva

Tlaková zkouška

Před uvedením tepelného čerpadla do provozu a naplněním jeho sekundárního okruhu chladivem je nutné provést tlakovou zkoušku. Tím se zjistí případná místa úniku a je možné je opravit ještě před naplněním.

Pro tlakovou zkoušku se používá vždy netečný plyn, například dusík nebo CO₂. V obvodu se otevřou všechny ventily a přes trojcestný ventil se naplní plynem. Tlak se nesmí znatelně snižovat ani po několika dnech. I malý pokles tlaku signalizuje netěsnost, která by se projevila postupnou ztrátou chladiva za provozu. Během zkoušky se mohou projevit jen mírné výkyvy tlaku způsobené změnou teploty okolí.

Při vypouštění plynu je nutné dávat pozor a plyn vypouštět dostatečně pomalu. Jeho prudkým únikem by se totiž plyn uvnitř ochladil a vodní pára v něm obsažená by zkondenzovala a nedostala se ven.

Pokud by se pro tlakovou zkoušku použilo přímo chladivo a v systému by bylo i v kapalné fázi, pak je zjištění případného úniku pomocí manometrů nevhodné. V potrubí bude totiž stálý tlak nasycených par chladiva odpovídající teplotě okolí. K poklesu tlaku by došlo až po úplném odpaření kapalného skupenství chladiva.

Zpět na začátek

2.6 Sekundární okruh tepelného čerpadla

Sekundární okruh tepelného čerpadla slouží k rozvodu tepla pro vytápění, případně k rozvádění teplé vody.

Připojení tepelného čerpadla k topnému systému

Tepelné čerpadlo se v topném systému chová trochu jinak než jiné zdroje tepla. Jeho výkon nebývá předimenzován tak jako u běžně instalovaných zdrojů tepla, kdy zejména u starších systémů není výjimkou výkon 200 % skutečné potřeby.

Aby tepelné čerpadlo pracovalo co nejefektivněji, měla by být výstupní teplota topné vody co nejnižší. Většina tepelných čerpadel dodává do topné soustavy vodu o teplotě maximálně 55 °C. Mnohem výhodnější z hlediska topného faktoru je, pokud teplota výstupní vody nepřesahuje 40 °C. To může být problém, chceme-li tepelné čerpadlo osadit do starší budovy. V minulosti se tepelné soustavy dimenzovaly na teplotu 90 °C na přívodu a 70 °C na odvodu, tj. spád 90/70 °C. Při tomto spádu postačuje poměrně malá plocha těles radiátorů. Má-li mít tepelná soustava spád 55/45 °C, je nutno plochu radiátorů více než zdvojnásobit. To znamená další finanční zátěž a také zásah do interiéru bytu. Vzhledem k dřívějším často nadměrným rozměrům radiátorů není někdy nutné jejich plochu zvětšovat nijak radikálně. Nejvhodnější je nechat tepelnou soustavu přepočítat specialistou, který nejen zkontroluje velikost těles, ale současně vypočítá hydraulické poměry v systému a navrhne odpovídající regulaci.

S problémem výstupní teploty je vhodné zmínit použití podlahového vytápění, které s tepelným čerpadlem velmi dobře spolupracuje, protože pracuje v nízkém teplotním spádu, obvykle 40/35 °C nebo nižším. Teplota podlahy nemá z hygienických důvodů překročit 29 °C, pro rodinné domy by měla být asi 25 °C (v koupelnách a chodbách až 32 °C). Ve starších, nezateplených budovách je někdy podlahové topení navrženo nesprávně, takže je během zimy nutné ho vyhřívat na vyšší teplotu, což může vést k nepříjemným pocitům i zdravotním problémům.

Výkon tepelného čerpadla se také nedá jednoduše regulovat, a to ani směrem dolů. V podstatě jediný možný způsob regulace je změna počtu otáček kompresoru. K tomu jsou třeba poměrně drahé frekvenční měniče a ne všechny typy kompresorů snesou regulaci otáček ve velkém rozsahu, obvykle lze docílit změny frekvence pouze v rozsahu 90 % až 120 %. Bohužel ceny měničů frekvence se blíží cenám kompresorů. Větší tepelná čerpadla mohou mít dva kompresory, pak se dá výkon regulovat skokově zapnutím jednoho z nich nebo obou současně. Obvykle ale výkon tepelného čerpadla neodpovídá potřebě odběru tepla topnou soustavou. Tepelné čerpadlo potřebuje na výstupu stálý průtok vody. Pokud se v topném systému používají termostatické ventily nebo jiná zařízení, která omezují průtok vody, může se voda v sekundárním okruhu tepelného čerpadla začít rychle přehřívat. Pak dochází k častému zapínání a vypínání tepelného čerpadla, což není vhodné vzhledem ke snižování životnosti kompresoru.

Mezi tepelné čerpadlo a topný systém se proto zařazuje akumulační nádrž. Tepelné čerpadlo pak vyhřívá tuto nádrž a průtok jeho sekundárního okruhu je stálý bez ohledu na množství odebírané vody topným systémem. Teplota odebírané vody z nádrže může být řízena například trojcestným směšovacím ventilem.

Na obrázku je schematicky naznačené připojení tepelného čerpadla k topnému systému prostřednictvím akumulační nádrže.

Obr 2.35: Připojení tepelného čerpadla k topnému systému

Prodejci doporučují objem akumulační nádrže přibližně 20 litrů na 1 kW výkonu čerpadla. Pro účely akumulace po dobu vypnutí tepelného čerpadla je tento objem malý, jak ukážeme na příkladu. Pro pohon tepelných čerpadel obvykle využíváme nízký tarif ceny pro elektrickou energii, při kterém se počítá s tím, že odběr je denně na dvě hodiny přerušen. Toto přerušení bývá rozděleno do dvou časových úseků, nejčastěji dvakrát po jedné hodině. Po dobu jedné hodiny by tedy měla energii pro vytápění dodávat akumulační nádrž. S ohledem na výši topného faktoru (snižuje se s rostoucí výstupní teplotou) předpokládejme ohřátí vody v nádrži jen o 5 °C nad provozní teplotu topné vody.

Příklad:
Vypočtěte dobu, po kterou je schopna dodávat teplo akumulační nádrž o objemu 140 l topnému systému o výkonu 7 kW, pokud je voda v nádrži ohřátá na teplotu o 5 °C vyšší, než je provozní teplota topné vody. Měrná tepelná kapacita vody je 4180 J.kg^-1.K^-1.

Teplo uvolněné z vody při jejím ochlazení o 5 °C:

Ze vzorce pro výkon určíme hledanou dobu:

Množství tepla při ochlazení tohoto množství vody o 5 °C by stačilo asi na 7 minut provozu.

Příklad:
Určete objem vody v akumulační nádrži, která by byla schopna topnému systému o výkonu 7 kW nepřetržitě dodávat teplo po dobu 1 hodiny. Předpokládejte opět ochlazení této vody o 5 °C.

Teplo dodané topnému systému je:

Potřebné množství vody:

Potřebné množství vody by bylo asi 1 200 l, což odpovídá přibližně 170 l na 1 kW výkonu tepelného čerpadla.

Pokud neexistuje možnost přestavět topný systém na nízkoteplotní nebo máme tepelné čerpadlo s malým výkonem, může tepelné čerpadlo pouze předehřívat vodu, která vstupuje do dalšího zdroje tepla, kterým je například elektrokotel. Na obrázku je ukázka připojení tepelného čerpadla k topnému systému s vyšším teplotním spádem. Samozřejmě může být topné těleso umístěné přímo v akumulační nádrži. Často se také využívá propojení se solárním ohřevem vody.

Obr 2.36: Připojení tepelného čerpadla k topnému systému s vyšším teplotním spádem

Tepelné čerpadlo lze také kromě vytápění používat pro ohřev teplé užitkové vody. Po technické stránce není jeho připojení do okruhu problém. Na obrázcích je toto připojení a jeho schéma.

Obr 2.37: Tepelné čerpadlo, akumulační nádrž, nádrž na teplou vodu

Obr 2.38: Schéma zapojení tepelného čerpadla pro ohřev teplé užitkové vody

Na tomto místě je vhodné podotknout, že pro ohřev teplé užitkové vody nestačí běžný kombinovaný elektrický bojler, který se dříve používal v kombinaci s klasickým ústředním topením. Ten je konstruován pro vysokoteplotní systémy a plocha jeho výměníku tepla je malá. Proto se vyrábějí zásobníky s podstatně většími výměníky, obvykle se jedná o měděné trubky svinuté do spirály, které jsou vloženy do nádob z nerezu s tepelnou izolací. Hotové výměníky jsou poměrně drahé. Ve všech je také elektrické topné těleso, protože tepelné čerpadlo neohřeje užitkovou vodu na více než 50 °C. Při takové teplotě musí být výstupní teplota vody z tepelného čerpadla vyšší asi o 5 °C – 10 °C, a proto klesá jeho výkon. Také je nutné si uvědomit, že kdo se rozhodne pro ohřev užitkové vody tepelným čerpadlem, musí tepelné čerpadlo dimenzovat na větší výkon, jak ukazuje příklad.

Příklad:
Rodina průměrně spotřebuje 200 l teplé užitkové vody denně. Předpokládáme, že tepelným čerpadlem budeme tuto vodu ohřívat z 15 °C na 50 °C, měrná tepelná kapacita vody je 4180 J.kg^-1.K^-1. Výkon tepelného čerpadla je 7 kW. Jak musíme tento výkon navýšit, aby nedošlo k poklesu tepla sloužícího k vytápění?

Teplo, které přijme 200 l vody při ohřátí o 35 °C:

Teplo, které denně odebereme z tepelného čerpadla (je v provozu 22 hodin denně):

Potřebujeme tedy navýšit uvolněné teplo o 29,26 MJ oproti původním 554,4 MJ. To je v procentech zvýšení o

Ve stejném poměru je nutné zvýšit výkon čerpadla:

Výkon tepelného čerpadla musíme zvýšit asi o 5,3%, to znamená asi na 7,4 kW, což není mnoho. Ve skutečnosti se s ohledem na pokles výkonu musí výkon tepelného čerpadla zvýšit asi o 10%.

Zpět na začátek

2.7 Stanovení potřebného výkonu tepelného čerpadla

Pro stanovení požadovaného výkonu tepelného čerpadla a tím i výkonu jeho kompresoru a řešení celé konstrukce tepelného čerpadla je nutné znát celkovou spotřebu energie pro vytápění při nízkých venkovních teplotách.

U tepelného čerpadla vzduch – voda se vždy počítá s tím, že musí být doplněno druhým zdrojem tepla, který pokryje potřebu při nízkých venkovních teplotách. Tímto zdrojem může být stávající kotel nebo malý elektrokotel. Tepelné čerpadlo se pak dimenzuje na 60 % – 70 % tepelných ztrát pro venkovní teploty kolem 0 °C. Tepelné čerpadlo země – voda nebo voda – voda je možno navrhnout tak, aby svým výkonem pokrylo celou potřebu tepla. Původní zdroj tepla může zůstat jen jako záloha.

Dříve instalované topné systémy na pevná paliva nebo plyn mívají kotle výkonově značně předimenzované, takže z těchto informací nelze vycházet. Tepelné ztráty se dají vypočítat na základě konstrukce objektu, to je ale složité a obtížné i z toho důvodu, že mnohdy není snadné zjistit fyzikální vlastnosti materiálů, ze kterých je dům postaven. Pak jsou všechny výsledky pouze odhadem. Existují i různé zjednodušené výpočty na základě velikosti vytápěné plochy, objemu, typu domu, jeho umístění a podobně.

Mnohem jednodušší a zároveň dostačující je stanovení potřebného výkonu tepelného čerpadla ze skutečné spotřeby energie pro vytápění. Tato měření se musí provádět v zimě v době nízkých venkovních teplot. Optimální je sledovat spotřebu paliva několik dní po sobě při venkovních teplotách asi – 12 °C až – 18 °C. Skutečná potřeba energie se stanoví ze znalosti množství energie uvolněné ze spotřebovaného paliva s ohledem na účinnost kotle. Účinnost kotlů se dá zjistit z jejich dokumentace, pohybuje se asi od 70 % pro kotle na pevná paliva až do 103 % pro plynové kondenzační kotle. Účinnost vyšší než 100 % vychází z metodiky výpočtu, nejde o žádné perpetuum mobile, jen o teplo navíc, získané při kondenzaci vodní páry ve spalinách.

Pro stanovení spotřeby energie jsou potřebné informace o výhřevnosti paliv. Obvyklé hodnoty jsou uvedeny v tabulce za příkladem.

Příklad:
Spotřeba zemního plynu na vytápění domu od 5. ledna 2011 12.00 hod. do 9. ledna 2011 20.00 hod., tj. za 104 hodin, při venkovních teplotách – 10 °C až – 16 °C byla 95 m³ při účinnosti kotle 80 %. Určete potřebný výkon tepelného čerpadla.

Průměrná spotřeba plynu za 1 hodinu je

Z 1 m³ zemního plynu získáme teplo

Spotřeba energie na vytápění domu za 1 hodinu je tedy

což se rovná průměrným tepelným ztrátám ve sledovaném období. Tento výpočet je vhodné provést za více časových období, aby byl výsledek přesnější.

Výkon tepelného čerpadla je

Obvykle se ještě počítá s využitím snížených sazeb za elektrický proud, kde se předpokládá, že tepelné čerpadlo bude v provozu 22 hodin denně, proto je potřebný výkon:

V tomto případě se dá použít například tepelné čerpadlo země - voda s výkonem 7,5 kW bez přídavného elektrického topného tělesa.

Podobně se stanoví potřeba tepla výpočtem ze spotřeby jiných paliv, případně je do výpočtu ještě nutné zahrnout energii potřebnou pro ohřev teplé užitkové vody.

Palivo	Výhřevnost
černé uhlí	23,5 MJ/kg
hnědé uhlí	16,0 MJ/kg
koks	27,5 MJ/kg
kusové dřevo	14,6 MJ/kg
dřevěné pelety	18,0 MJ/kg
zemní plyn	34,0 MJ/m3
propan - butan	46,1 MJ/m3
topný olej	42,2 MJ/m3
elektřina	3,6 MJ/kWh

Tab. 2.7: Výhřevnost paliv

Pokud jde o využití tepelného čerpadla vzduch – voda, je situace poněkud složitější. Výkon těchto tepelných čerpadel klesá s venkovní teplotou, a proto je nezbytný dodatečný zdroj tepla. Opět je možné ponechat jako doplňkový stávající zdroj tepla, nebo vzhledem k nízké sazbě za elektrickou energii doplnit elektrická topná tělesa, která se dají i lépe regulovat. Výkon tepelného čerpadla pak může pokrývat potřebu tepla do venkovních teplot asi 0 °C až – 5 °C podle jeho výkonu. Pod bodem bivalence, tj. pod teplotou, kde se vyrovnají tepelné ztráty objektu a výkon tepelného čerpadla se musí zapínat pomocný zdroj energie.

Konstrukce topného systému vzduch – voda se může zdát jednodušší, ale vzhledem k venkovním výparníkům a problémům s odtáváním námrazy je konstrukčně spíše náročnější, přičemž jeho energetický přínos je menší. Výhodou jsou však nižší pořizovací náklady.

Obr 2.39: Spotřeba tepla a teplo dodávané z tepelného čerpadla vzduch - voda v závislosti na teplotě, P - výkon, t - venkovní teplota

Zpět na začátek

2.8 Náklady na energii v domácnosti a tepelné čerpadlo

Pro posuzování výhodnosti či nevýhodnosti různých zdrojů tepla hrají roli především pořizovací a provozní náklady. Při zjišťování pořizovacích nákladů je třeba správně zvolit srovnávací parametry. V místech, kde není zaveden zemní plyn, by bylo absurdní porovnávat náklady na vytápění tepelným čerpadlem a plynem. Podobně nelze porovnávat třeba tepelné čerpadlo s vytápěním polenovým dřevem, jestliže je pro nás nepřijatelný systém, který vyžaduje určitou obsluhu (příprava paliva, přikládání, vybírání popela). Tepelné čerpadlo nelze jednoduše srovnávat ani s elektrickým topením. Není-li v místě dostatečně kapacitní elektrická přípojka, nepřipadá přímotopné vytápění v úvahu (popřípadě musíme započíst náklady na posílení přípojky). V tabulce jsou uvedeny přibližné náklady na pořízení zdroje tepla včetně ohřevu vody pro dům s tepelnou ztrátou 7,5 kW (jsou započítány veškeré investice: kotel, komín, elektroinstalace, přípojka plynu, bojler atd.).

Zdroj tepla	Náklady
Elektrokotel	80 000
Kondenzační kotel na plyn	175 000
Kotel na pelety	195 000
Tepelné čerpadlo vzduch/voda	305 000
Tepelné čerpadlo země/voda (plošný kolektor)	325 000
Tepelné čerpadlo země/voda (vrt)	395 000

Tab. 2.8: Náklady na pořízení zdroje tepla včetně ohřevu TUV (dům se ztrátou 7,5 kW)

Často se uvádí, že starší budova by se měla před instalací tepelného čerpadla zateplit. Nejdůležitějším důvodem je snaha o snížení investice do tepelného čerpadla a snížení ceny vytápění. Nejde jen o to, že tepelné čerpadlo nezatepleného domu musí mít větší výkon, ale vyšší jsou i náklady na zdroj – hlubinné vrty nebo plošný kolektor. S rostoucí velikostí zdroje rostou pochopitelně také náklady na spotřebu energií oběhových směsí a podobně. I když jsou náklady na zateplení vždy vyšší, než by bylo navýšení ceny za výkonnější tepelné čerpadlo, zateplený dům spotřebuje méně energie a náklady na zateplení se budou postupně vracet, kdežto peníze za výkonnější tepelné čerpadlo se nevrátí nikdy. V tabulce jsou uvedeny náklady na tepelné čerpadlo pro zateplený a nezateplený dům.

	Náklady pro zateplený dům [Kč]	Náklady pro nezateplený dům [Kč]
Tepelné čerpadlo	270 000	314 000
Náklady na vrty (zemní kolektory)	104 000 (45 000)	203 000 (84 000)
Celkem náklady	374 000 (315 000)	517 000 (398 000)
Roční náklady na vytápění	14 000	21 000

Tab. 2.9: Náklady na tepelné čerpadlo pro zateplený a nezateplený dům

Dalším důvodem pro zateplení je zvětšení komfortu bydlení v domě. Nezateplené obvodové stěny mají nižší povrchovou teplotu, která se kompenzuje vyšší teplotou radiátorů. Při použití nízkoteplotní tepelné soustavy hrozí, že topení nebude schopno zajistit v místnostech dostatečnou teplotu.

U moderních, dobře izolovaných rodinných domů se tepelná ztráta pohybuje do 10 kW. V takovém případě lze uvažovat i o monovalentním provozu tepelného čerpadla. Zvýšení investičních nákladů proti bivalentnímu provozu není nijak výrazné. Výhodou je to, že systém nemusí spolupracovat s dalším zdrojem. Monovalentní provoz není možný u tepelného čerpadla vzduch – voda, které při nízkých teplotách ztrácí svůj výkon.

Tak jako ostatní elektrická vytápění umožňuje tepelné čerpadlo využívat výhody nízkého tarifu. V sazbě pro tepelná čerpadla má spotřebitel k dispozici levnější proud po dobu 22 hodin denně. To znamená, že většina spotřeby elektřiny domácnosti připadá na dobu nízkého tarifu (NT). U ostatních elektrických vytápění je doba nízkého tarifu kratší. Tím roste i podíl ostatní spotřeby v domě, která bude placena za vyšší ceny. Pokud je dům vytápěn jinak než elektřinou, je veškerá sazba pouze ve vysokém tarifu (VT). Spotřeba běžné domácnosti je od 3 do 5 tisíc kWh ročně. Rozdíl v nákladech je značný, jak je vidět z tabulky.

Sazba	Použití	Doba trvání NT	Doba trvání VT	Cena v NT [Kč/kWh]	Cena ve VT [Kč/kWh]
D 01	domácnosti s malou spotřebou		24 h/den		5,085
D 02	domácnosti s vyšší spotřebou		24 h/den		4,354
D 25	akumulační ohřev vody	8 h/den	16 h/den	1,655	4,957
D 35	pro ak. ohřev vody a vytápění	16 h/den	8 h/den	2,016	3,103
D 45	pro přímotopné vytápění	20 h/den	4 h/den	2,194	2,923
D 56	pro tepelné čerpadlo	22 h/den	2 h/den	2,199	2,926

Tab. 2.10: Sazby a ceny společnosti ČEZ pro odběr elektřiny pro domácnosti (rok 2010). Ceny jsou včetně DPH. Ceny ostatních společností se mohou mírně lišit.

Je zřejmé, že při použití tepelného čerpadla klesají náklady na domácnost o několik tisíc Kč ročně. Maloodběratelé (mimo domácností), kteří vytápějí tepelným čerpadlem, mají již dnes dva elektroměry – jeden pro zdroj tepla (tepelné čerpadlo, elektrokotel a příslušenství) a druhý pro ostatní spotřebiče. Pokud se toto opatření v budoucnu rozšíří i na domácnosti, ztratila by se podstatná výhoda levné elektřiny pro provoz domácnosti a možná i část motivace pro pořízení tepelného čerpadla. V grafu a tabulce jsou uvedeny náklady na energie pro různé případy vytápění a ohřevu teplé vody v rodinném domku se čtyřčlennou rodinou a spotřebou tepla na otop 70 GJ/rok, tepla na teplou vodu 10 GJ/rok a elektřiny 10 GJ/rok. Celková spotřeba je 90 GJ/rok. Ceny jsou z roku 2010, spotřeba odpovídá průměrným hodnotám české domácnosti.

Obr 2.40: Průměrné náklady na energie v domku se čtyřčlennou rodinou

Druh paliva [kč/rok]	Vytápění [kč/rok]	Ohřev vody [kč/rok]	Ostatní elektro-spotřebiče [kč/rok]	Celkové náklady [kč/rok]
Palivové dřevo	12 320	6 505	11 792	30 616
Tepelné čerpadlo	20 540	3 041	7 211	30 793
Hnědé uhlí	21 085	6 505	11 792	39 382
Dřevěné pelety	22 530	6 505	11 792	40 827
Zemní plyn	28 058	3 697	15 083	46 839
Dálkové teplo	31 950	4 730	15 083	51 746
Černé uhlí	36 380	6 505	11 792	54 677
Elektřina	45 245	6 364	11 218	62 826

Tab. 2.11: Průměrné náklady na energie v domku se čtyřčlennou rodinou

V budoucnu lze očekávat další růst cen energií. Nelze však seriózně předvídat ceny energií na 20, nebo dokonce 50 let dopředu. Přitom ale právě růst cen je jedním z hlavních přesvědčovacích argumentů pro instalaci tepelného čerpadla. Pro zhodnocení návratnosti investice do tepelného čerpadla není důležitý absolutní růst cen (v posledních letech okolo 4 %), ale relativní nárůst, tedy zdražení vzhledem k růstu ostatních cen, případně vzhledem k inflaci. Optimistické odhady mluví o návratnosti do 20 let, pokud budeme mít na mysli navrácení celkové částky investované do tepelného čerpadla.

Další finanční výhodou při zřizování tepelného čerpadla je možnost získání dotace. Státní fond životního prostředí poskytuje dotace na tepelná čerpadla z programu Zelená úsporám. Dotaci lze získat jak na náhradu neekologického zdroje tepelným čerpadlem, tak na instalaci tepelného čerpadla do novostavby. Žadatel o dotaci může žádat předem i po instalaci. Podmínkou je, že tepelné čerpadlo musí být zapsáno na Seznamu výrobků a technologií a musí ho namontovat firma ze seznamu odborných dodavatelů. Výše dotace závisí na typu tepelného čerpadla a může dosahovat výše až 75 tis. Kč. Dotační programy pro obnovitelné zdroje často zřizují i kraje, obce a města.

V reklamních letácích firem zabývajících se prodejem a instalacemi tepelných čerpadel se často dočteme o návratnosti investice za pouhých 5 let. Úvahy vedoucí k tomuto číslu jsou následující. Cena tepelného čerpadla je přibližně 325 tisíc Kč. Po odečtení dotace 75 tisíc Kč zaplatíme 250 tisíc Kč. Náklady na instalaci plynové kotelny (přípojka, kotel, komín, elektroinstalace, bojler atd.) jsou asi 160 tisíc Kč. Rozdíl je tedy 90 tisíc Kč. Díky tepelnému čerpadlu jsme za energie schopni ušetřit 18 tisíc Kč ročně, což za dobu 5 let dělá 90 tisíc Kč.

Zpět na začátek

2.9 Ekologie provozu tepelného čerpadla

Emise z výroby energie

Pokud porovnáme spotřebu primární energie (energie uvolněná spalováním uhlí) pro vytápění elektrickou energií vyrobenou v tepelné elektrárně se spotřebou kotle v rodinném domě, lze dokázat, že tepelné čerpadlo poháněné elektrickou energií snižuje spotřebu primární energie již od průměrného ročního topného faktoru 2,2. Je to dáno tím, že pokud v elektrárně spálíme uhlí, vzniklou tepelnou energii přeměníme na elektrickou, tu přivedeme do domácnosti a opět přeměníme na teplo určené k vytápění, bude takto získané teplo tvořit asi 27 % tepla uvolněného při spálení uhlí. Při použití kotle na uhlí přímo v domě je využití uvolněné energie asi 60 %. Jinak řečeno, spálíme-li uhlí v kotli na uhlí s účinností 60 %, získáme stejné množství tepla, které by dodalo tepelné čerpadlo s topným faktorem 2,2 poháněné elektrickou energií vyrobenou v elektrárně ze stejného množství uhlí. Porovnání vypouštěných emisí bude pro tepelné čerpadlo ještě příznivější, neboť elektrárny jsou vybaveny odsiřovacími a odprašovacími jednotkami.

Uvedené informace platí pro případ, kdy je elektřina pro tepelné čerpadlo vyrobena v uhelných elektrárnách. Ve skutečnosti se elektřina vyrábí i z jiných zdrojů – především v jaderných elektrárnách, elektrárnách na zemní plyn a část také z obnovitelných zdrojů.

Obr 2.41: Emise produkované při dodávce energie 90 GJ

	Hnědé uhlí	Palivové dřevo	Zemní plyn	Elektřina přímotop	Tepelné čerpadlo
Tuhé látky [kg/rok]	104,8	102,7	0,1	9,9	3,1
SO2 [kg/rok]	177,9	8,2	0,0	49,3	15,6
NOx [kg/rok]	27,3	24,7	4,8	41,8	13,2
CO [kg/rok]	409,1	8,2	1,0	10,5	3,3
CXHY [kg/rok]	80,9	7,3	0,2	0,0	0,0
CO2 [kg/rok]	15,3	8,4	5,9	23,6	7,5

Tab. 2.12: Emise produkované při dodávce energie 90 GJ

Stanovit skutečné emise připadající na elektřinu pro provoz tepelného čerpadla není jednoduché, ale je důležité si uvědomit, že i tepelné čerpadlo se podílí na těžbě uhlí a produkci emisí, i když méně výrazně.

Vliv na ozónovou vrstvu

Pracovní látkou (chladivem) ve většině tepelných čerpadel jsou freony. Ty lze rozdělit na tzv. tvrdé a měkké.

Tvrdé freony (CFC) velmi účinně ničí ozónovou vrstvu. Tvrdé freony se v ČR vyskytují prakticky jen ve starých tepelných čerpadlech a chladicích zařízeních. Zde je důležité, aby freony neunikaly při opravách nebo likvidaci zařízení. V moderních zařízeních se s nimi nesetkáme, jejich dovoz je zakázán.

Měkké freony můžeme rozdělit na dvě skupiny. První (HCFC) poškozuje ozónovou vrstvu také, ale mnohem méně – asi o 95 % ve srovnání s tvrdými freony. Druhá (HFC) je pro ozón zcela neškodná, patří však, stejně jako všechny freony mezi skleníkové plyny.

I když je v tepelném čerpadle pro rodinný dům obsah chladiva poměrně malý, je vždy potřeba dbát při opravách a likvidaci na to, aby chladivo neuniklo do atmosféry. Servisní firmy proto freony odsávají speciálním zařízením a předávají k likvidaci nebo recyklaci.

Vliv na hydrogeologickou situaci

Tepelné čerpadlo voda – voda, případně země – voda, vždy alespoň částečně naruší hydrogeologické poměry. Proto je při jeho stavbě obvykle vyžadován hydrogeologický průzkum a je nutné získat patřičná povolení od úřadů. Pokud tepelné čerpadlo splňuje všechny náležitosti, pak jeho samotný provoz do přírodních poměrů zasahuje minimálně. Teplota půdy, která v důsledku jeho provozu klesá, se v letních měsících vrací zpět na původní hodnotu.

Zpět na začátek

Testové otázky

Zpět na začátek