Tepelné čerpadlo podstatnou část energie čerpá z okolního prostředí. Při jeho provozu platíme pouze elektrickou energii, která pohání jeho motor. Princip přenosu energie je vcelku jednoduchý a je založený na pochodech spojených se změnou skupenství v závislosti na tlaku chladiva (přenosového média). Teplo z okolního prostředí (tzn. z venkovního vzduchu o teplotě -20 ÷ +30°C případně ze zemních vrtů nebo zemního kolektoru o teplotě okolo 0 °C je přivedeno do výparníku. Zde se jeho chladivo o nízkém pracovním tlaku ohřeje. Páry chladiva jsou nasáty do kompresoru a stlačeny. Změnou tlaku vzroste silně teplota chladiva. Horké stlačené páry chladiva jsou přivedeny do kondenzátoru, kde předají teplo topné soustavě a zkapalní. Cyklus končí na expanzním ventilu, kde zchlazené kapalné médium prudce sníží tlak a tím se silně ochladí. A může zpět do výparníku převzít teplo z okolního prostředí.
U tepelného čerpadla je důležitým ukazatelem topný faktor. Je to je koeficient, který říká, kolikrát méně spotřebujeme elektrické energie pro motor tepelného čerpadla než čerpadlo dodá pro vytápění domu. Podle provedení čerpadla a provozních podmínek se průměrně pohybuje mezi 2 až 5, tj. z 1 kWh odebrané z elektrické sítě vytvoříme 2 - 5 kWh tepla pro dům.
Topný faktor závisí na vstupní a výstupní teplotě, typu kompresoru a dalších faktorech. Důležité také je aby byla započítána spotřeba energie oběhových čerpadel nutných pro provoz tepelného čerpadla. Pro minimální spotřebu energie na provoz tepelného čerpadla platí:
- Teplota zdroje tepla má být co nejvyšší, nesmí však přesáhnout maximální teplotu uváděnou výrobcem.
- Vydatnost zdroje musí být dostatečná.
- Rozdíl teplot na vstupu a výstupu má být co nejnižší, maximální teplota na výstupu zhruba 55°C. Tepelné čerpadlo je výhodné kombinovat s nízkoteplotním vytápěcím systémem (např, podlahové vytápění). Čím menší rozdíl tepelných hladin, tím méně energie tepelné čerpadlo spotřebuje.
Spotřeba tepla na vytápění se v průběhu roku mění, pokrytí celé spotřeby tepelným čerpadlem zvyšuje pořizovací náklady. Je nutné například instalovat větší tepelné čerpadlo nebo větší vrty. Celý systém se obvykle doplňuje dalším zdrojem tepla nejčastěji elektrokotlem. Ten slouží jako záloha pro případ výpadku tepelného čerpadla. Lze použít i kamna, krb nebo jiné topidlo které nemusí být napojeno na systém vytápění. V době kdy je například příliš velký mráz běží kromě tepelného čerpadla i druhý zdroj tepla. Znamená to, že instalovaný výkon tepelného čerpadla je menší než maximálně potřebný.
U správně navrženého systému bivalentní zdroj dodává pouze 10-15% celkové spotřeby tepla. U tepelného čerpadla vzduch-voda je bivalentní zdroj nezbytný aby bylo možné vytápět i v době kdy je venkovní teplota hluboko pod bodem mrazu (-15°C). Je pravda že schopnost čerpadla vzduch voda pracovat i za hlubokých mrazů se každým rokem zvyšuje.
U domů se ztrátou nižší než 10kW lze tepelné čerpadlo navrhnout jako jediný zdroj tepla. Výhoda je krom menších vstupních investic i úspora provozních nákladů. Pokud tepelné čerpadlo není doplněno elektrokotlem stačí menší příkon elektřiny a tím pádem i jiná velikost jističe a nižší cena za něj. Velikost jističe lze snížit i použitím neelektrického bivalentního zdroje.
Typy tepelných čerpadel podle zdroje tepla
Tepelné čerpadlo typ vzduch
Vzduch obsahuje tepla poměrně málo proto tepelná čerpadla používající za zdroj tepla vzduch je nutný výkonný ventilátor. Ten je zdrojem zvýšené hladiny hluku a je třeba zvolit vhodné místo pro venkovní jednotku, aby nerušila obyvatele objektu. Také při nízkých teplotách se tvoří na výparníku námraza, kterou je nutné odstranit. Tepelné čerpadlo by odstranění námrazy měla zvládnout automaticky ovšem energie k tomu potřebná zhoršuje topný faktor.
- Vzduch - vzduch tepelné čerpadlo odebírá teplo z venkovního vzduchu bez omezení venkovní teplotou a předává teplo vzduchu uvnitř objektu. Tento systém se hodí pro přitápění v domech nebo bytech vytápěných přímotopy, temperace chat, vytápění a klimatizace zimních zahrad. Výhoda je nízká vstupní cena, možnost klimatizace v létě, čištění vzduchu. Při nižších teplotách je nutné zapnout další bivalentní zdroj.
- Vzduch - voda tepelné čerpadlo odebírá teplo z venkovního vzduchu do teplot až -10 °C. Tepelným čerpadlem je ohřívána topná voda až na 55 °C. vhodné na vytápění rodinného domu, ohřev TUV, ohřev vody v bazénu. Výhodou je nižší pořizovací cena, rychlá a levná instalace.
Tepelné čerpadlo typ země
Odebírat teplo ze země je rozšířené. Zde jsou typy používaných tepelných čerpadel.
- Země - voda zemní kolektor. Polyethylenové potrubí plněné nemrznoucím médiem se uloží do výkopu v nezámrzné hloubce poblíž vytápěného objektu. Trubky se pokládají na souvislou plochu nejblíže však 0,6m od sebe. Velikost plochy je asi trojnásobek vytápěné plochy. Používají se i jiné systémy výkopů například potrubí ve tvaru smyček do hlubokých rýh. Tímto způsobem lze vytápět a ohřívat TUV v objektech všech velikostí. Výhodou jsou menší investiční náklady v porovnání s vrty, vyšší v porovnání s tepelným čerpadlem vzduch-voda. Nelze instalovat u domů s malým pozemkem. Nutno také počítat s tím, že pozemek ochlazujeme odebíráním tepla, proto v zimě zůstává sníh ležet delší dobu. V létě lze pozemek nabíjet teplem, pokud je tepelné čerpadlo používáno v létě pro chlazení.
- Země - voda hlubinné vrty. Využívá teplo hornin v podloží. Jedná se o rozšířený způsob. Vrty hluboké až 120m nejméně 10m od sebe se vrtají v blízkosti objektu. Na 1kw výkonu tepelného čerpadla je potřeba 12-18m hloubky vrtu podle geologických podmínek. Výhodou je stabilní teplota zdroje tepla z vrtu (cca 8°C), vysoký topný faktor a možnost instalovat téměř ve většině lokalit v ČR. Nevýhodou je vysoká pořizovací cena. Je taky vhodné zajistit si hydrologický průzkum, aby nedošlo k narušení hydrologických poměrů.
Tepelné čerpadlo typ voda
Zdroj tepla u těchto typů tepelného čerpadla je voda.
- Povrchová voda - voda. Zde se využívá vody v řece či rybníku pomocí výměníku umístěným přímo ve vodě nebo zapuštěným v břehu. Vždy se umisťuje tak, aby nedošlo k promrznutí. Teoreticky lze přivádět vodu přímo k tepelnému čerpadlu a vypouštět ji zpět, v praxi je to však spojeno nejen s technickými, ale i administrativními překážkami. Pro rodinný dům rodinný dům je potřebná plocha 150 až 350 m². Výhodou jsou nižší investiční náklady v porovnání s vrty a plošnými kolektory, vysoký topný faktor. Nevýhodou je potenciální riziko poškození potrubí v případě povodně, výlovu nebo jiné pohromy.
- Podpovrchová voda - voda. Tepelné čerpadlo odebírá teplo ze spodní vody. Spodní voda je vyčerpávána z jedné studny, v tepelném čerpadle je ochlazena a pak zavedena do druhé vsakovací studny. Podmínkou je geologicky vhodné podloží umožňující čerpání i vsakování vody. Výhodou je nižší pořizovací cena v porovnání s vrty, velmi vysoký topný faktor. Nevýhodou je, že spodní voda musí mít teplotu min. 7 °C a musí vyhovět její chemický rozbor. Větší riziko poruch, nutnost instalace a čištění filtrů.
Zásady pro dimenzování a výběr lokality
Tepelná čerpadla pro vytápění lze použít téměř všude, záleží na typu. Pro dimenzování je důležité znát spotřebu tepla a teplé vody. Další podmínky pro instalaci tepelného čerpadla jsou:
- Elektrická přípojka musí mít dostatečný výkon umožňující připojení tepelného čerpadla.
- Pokud u objekt, kde má být instalované tepelné čerpadlo, provedete zateplení objektu, bude stačit menší a levnější technologie. Menší výkon čerpadla, méně hluboké vrty atd.
- Vzduchová čerpadla pro drsné klimatické podmínky, kde teploty klesají pod -15°C.
- U vzduchových čerpadel také počítat s vhodným umístěním kvůli hlučnosti.
- V případě hlubinných vrtů je dobré udělat geologický průzkum podloží, kvůli poškození vrtu. Navíc vrty v ochranných pásmech lázní a minerálních vod podléhají zvláštním předpisům.
- Podmínkou využití podpovrchové vody je dostatečná vydatnost zdroje a chemické složení. To kvůli zarůstání výměníku
- Při využití povrchových vod se platí poplatky správci toku, případně stočné.
Tepelná čerpadla je dlouhodobým a trvalým řešením, které přináší dlouhodobé úspory. Používá se velice jednoduše a nepotřebuje mnoho místa, obvykle zabírá méně než půl metru čtverečního podlahové plochy. Výhodou je, že tepelným čerpadlem můžeme nejen vytápět, ale i chladit. Čím více budeme schopni využívat alternativní zdroje, tím lepší budeme mít vliv na životní prostředí.
