Princip tepelného čerpadla: jak funguje?

Princip fungování tepelného čerpadla je podobný tomu, na kterém pracuje lednička. Lednička odebírá teplo potravinám a pomocí chladícího okruhu ho předává do vnějšího prostoru. Tepelné čerpadlo odebírá teplo okolnímu prostředí a pomocí chladícího okruhu ho předává do otopné soustavy. Tepelné čerpadlo je vlastně uzavřený  chladicí okruh s dalším příslušenstvím, ve kterém cirkuluje chladivo.

Jako příklad uvedeme tepelné čerpadlo vzduch-voda. Jeho jádrem je chladicí okruh, ve kterém cirkuluje chladivo. To má na studené straně ve výparníku tak nízkou teplotu, že může odebírat teplo ze vzduchu i v zimě při teplotách pod -20 °C. Chladivo, „obohacené“ o energii odebranou venkovnímu vzduchu, je následně prudce stlačeno kompresorem, což způsobí zvýšení jeho teploty na hodnoty potřebné pro vytápění. Chladivo pak celkovou energii ze vzduchu i elektrickou energii z kompresoru předá v kondenzátoru topné vodě.

Pro jasnější představu se podívejte na video, jak funguje tepelné čerpadlo vzduch-voda:

Tepelná čerpadla vzduch-voda získávají teplo z venkovního vzduchu a využívají ho k vytápění a ohřevu vody. Tento typ tepelných čerpadel je známý svou flexibilitou a jednoduchou instalací.

Fungují na principu přenosu tepla z venkovního vzduchu přes výparník, kde se teplo absorbuje a následně se přenáší do topné vody pomocí kondenzátoru. Mezi hlavní výhody tepelných čerpadel systému vzduch-voda patří, že nevyžadují složité zemní práce ani přístup k podzemní vodě. Instalace je méně nákladná ve srovnání se systémy země-voda nebo voda-voda. Lze je instalovat téměř kdekoli.

Na trhu se setkáváme se dvěma hlavními typy těchto zařízení – monoblok a split. Každý z nich má své výhody a specifika, která závisí na způsobu instalace a technologii distribuce chladiva. Níže uvádíme charakteristiku obou typů.

Tepelné čerpadlo typu monoblok

Tepelné čerpadlo typu monoblok se vyrábí a montuje jako jeden celek v továrně. Všechny komponenty chladícího systému, jako je ventilátor, výparník, kompresor, expanzní ventil a kondenzátor, jsou součástí jednoho kompaktního zařízení.

Systém je již ve výrobě hermeticky uzavřen a podroben důkladným testům těsnosti, což minimalizuje riziko úniku chladiva.

Klíčovou výhodou řešení monoblok je to, že chladivo je již naplněno a hermeticky uzavřeno během výroby, což znamená, že při instalaci není potřeba přítomnost odborníka na chladicí systémy pro manipulaci s chladivem. Tento aspekt usnadňuje instalaci, snižuje náklady na montáž a eliminuje možné riziko nesprávné manipulace s chladivem.

Tepelné čerpadlo typu split

V případě splitového řešení jsou komponenty chladicího systému rozděleny mezi venkovní a vnitřní jednotku. Toto rozdělení znamená, že chladivo není naplněno během výroby, ale až při instalaci na místě.

Tento postup může být výzvou, protože je potřeba provést precizní manipulaci s chladivem přímo na místě instalace, což vyžaduje odborné dovednosti. Při montáži splitového systému je tedy nutné zapojit nejen topenáře, ale také specialistu na chladicí systémy, který zajistí správné naplnění a seřízení systému. Vzhledem k tomu, že chladicí systém se skládá přímo na místě, mohou vzniknout drobné odchylky v účinnosti, protože nastavení systému není předem zaručeno jako u monobloků.

Tepelné čerpadlo země-voda funguje na principu hermeticky uzavřeného chladicího okruhu s kompresorem, který využívá nízkopotenciální energii uloženou v zemině. Tato energie je následně přeměněna na teplo, které lze využít pro vytápění a ohřev vody.

Tento systém patří mezi obnovitelné zdroje energie (OZE), protože využívá přirozené teplo ze země.

Existují dva hlavní způsoby, jak získávat teplo ze země:

• Zemní plošný kolektor

• Zemní vrt (sonda)

Zemní plošný kolektor

Zemní plošný kolektor funguje jako akumulátor tepla – v podstatě jde o obrovský solární kolektor. Teplo získává ze slunce během teplejších měsíců a ukládá ho do půdy.Během topné sezóny se toto teplo odebírá a využívá pro vytápění.

Tento systém je umístěn kousek pod povrchem (v nezámrzné hloubce), což znamená, že pro jeho instalaci je potřeba větší pozemek.

Při použití plošného kolektoru se počítá s tím, že je nutné mít pozemek o velikosti přibližně 1,5 až 2násobku obytné plochy domu. Například pro běžný čtyřpokojový bungalov je potřeba zhruba 300 až 400 m² pozemku pro instalaci kolektorů.

Nevýhodou tohoto řešení je, že na místě, kde jsou kolektory, již není možné hlouběji kopat nebo stavět základy, aby nedošlo k poškození systému. Pozemek lze využít pouze pro pěstování trávy nebo rostlin s mělkými kořeny, které nezasahují hluboko do půdy a neohrozí kolektor.

Zemní vrt (sonda)

Zemní vrt využívá hlubinné teplo, které je stabilní po celý rok. Vrt obvykle dosahuje hloubky mezi 80 a 130 metry, přičemž průměr vrtu je přibližně 175 mm.

Do vrtu jsou vloženy jedna nebo dvě trubky ve tvaru U, vyrobené ze speciálního plastu, které jsou naplněny nemrznoucí směsí. Tento systém je vhodný pro menší pozemky, ale vyžaduje vyšší investici do instalace.

Přibližná cena za 1 metr hloubky zemního vrtu se liší v závislosti na několika faktorech, jako je typ půdy, přístupnost terénu, hloubka vrtu a použitá technologie. 

Tepelné čerpadlo voda-voda je podobné systému země-voda, ale teplo se odebírá z vodního zdroje místo ze země.

Jako zdroj mohou sloužit:

• Studna,

• Povrchový vodní tok (potok, řeka), nebo

• Větší vodní plochy, jako jsou rybníky a jezera.

Tento typ systému dokáže efektivně využívat energii z vody, ale vyžaduje specifické podmínky a dostatečné množství vody pro zajištění efektivity.

Čerpání podzemní vody

Tepelné čerpadlo voda-voda, které využívá podzemní vodu, potřebuje odběrnou studnu a vsakující studnu, kam se voda po využití vrací. Tento systém je vysoce účinný, ale jeho instalace vyžaduje geologickou analýzu a povolení k využívání vodonosných vrstev.

Hlavní výhodou podzemní vody je její stabilní teplota po celý rok, což zajišťuje konzistentní výkon tepelného čerpadla.

Čerpání povrchové vody

Tepelná čerpadla, která využívají povrchovou vodu, jsou závislá na sezónních změnách teploty vody. V zimě, kdy teplota vody klesá k bodu mrazu, může být účinnost nižší, protože je nutné čerpat velké množství vody, aby se dosáhlo ochlazení o několik desetin stupně.

Navíc pro využívání povrchových vodních zdrojů je nutné povolení od správců těchto zdrojů, což může být administrativně náročné.

Účinnost tepelného čerpadla se hodnotí pomocí ukazatelů, jako jsou COP (Coefficient of Performance), SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) a SPF (Seasonal Performance Factor).

COP (Coefficient of Performance)

COP označuje výkonový koeficient tepelného čerpadla a udává, kolikrát více tepelné energie dokáže tepelné čerpadlo vyrobit, než kolik spotřebuje elektrické energie.

Například, pokud má tepelné čerpadlo COP 4, znamená to, že na každou spotřebovanou jednotku elektrické energie vyprodukuje čtyři jednotky tepla.

SCOP (Seasonal Coefficient of Performance)

SCOP je sezónní hodnota účinnosti, která zohledňuje výkyvy provozních podmínek během celého roku. Tento ukazatel bere v úvahu rozdílné venkovní teploty a odráží tak reálnou efektivitu tepelného čerpadla během celé topné sezóny.

SCOP je považován za přesnější hodnotu než COP, protože lépe odpovídá skutečnému provozu zařízení.

SPF (Seasonal Performance Factor)

SPF vyjadřuje nejen výkon samotného tepelného čerpadla, ale zahrnuje také celkovou účinnost celého topného systému. Tento ukazatel zahrnuje všechny ztráty, včetně těch, které vznikají během distribuce a regulace tepla v systému.

U tepelných čerpadel vzduch-voda se můžete setkat u hodnot výkonových parametrů například se zkratkou A2/W35 (EN 14511). To znamená, že hodnota topného výkonu, el. příkonu nebo topného faktoru je změřena při teplotě vzduchu 2℃ a teplotě otopné vody 35℃. U tepelných čerpadel vzduch-voda se výkonové parametry udávají pro teplotu topné vody 35°C a teplotu vstupního vzduchu +2℃ (A2/W35) a -7℃ (A-7/W35). U systému země-voda se výkonové parametry udávají nejčastěji v bodě B0/W35, tzn. při teplotě nemrznoucí směsi z vrtu nebo plošného kolektoru 0℃ a teplotě topné vody 35℃. Při porovnávání tepelných čerpadel je nutné porovnávat výkonové parametry ve stejném nominálním bode (např. u země-voda B0/W35). Stejné pravidlo platí pro chladící faktor.

Tepelná čerpadla mohou nejen vytápět, ale také chladit prostory. Toho lze dosáhnout dvěma hlavními způsoby: pasivním chlazením a aktivním chlazením.

Pasivní chlazení

Pasivní chlazení je dostupné pouze u tepelných čerpadel typu voda-voda a země-voda. Tento způsob využívá nízkých teplot ze země nebo podzemní vody, které jsou přes výměník tepla přenášeny do vytápěcího systému. Kompresor tepelného čerpadla není aktivní, práci vykonávají oběhová čerpadla.

Jedná se o velmi energeticky úsporný způsob chlazení, protože samotné čerpadlo spotřebuje minimum energie.

Aktivní chlazení

Aktivní chlazení je možné u všech typů tepelných čerpadel. Při tomto způsobu se zapne kompresor tepelného čerpadla, který pracuje obdobně jako klimatizace. Systém aktivně odvádí teplo z místnosti do venkovního prostředí.

Tento způsob spotřebuje více energie než pasivní chlazení, ale je účinný i v horkých letních dnech.

Reverzibilní modely

Většina modelů tepelných čerpadel od společnosti STIEBEL ELTRON je reverzibilních, což znamená, že dokážou přepínat mezi režimem vytápění a chlazení. Tyto modely mohou využívat buď pasivní, nebo aktivní chlazení podle potřeby a podmínek.

Tepelná čerpadla fungují odlišně v závislosti na ročním období, přičemž jejich efektivita a provozní režim se přizpůsobují klimatickým podmínkám.

Kdy klesá účinnost tepelného čerpadla a jak tomu předejít

Účinnost tepelných čerpadel v zimě může klesat v případě extrémních mrazů, kdy systém potřebuje více elektrické energie na udržení tepla. Pro zvýšení účinnosti v zimních měsících se doporučuje kombinace s doplňkovým topným systémem nebo využití tepelného čerpadla se stabilním zdrojem energie, jako je například zemní teplo.

Tepelná čerpadla typu země-voda a voda-voda jsou díky stabilním teplotním zdrojům (země a voda) energeticky efektivní po celý rok.

Tepelné čerpadlo tak během celého roku funguje v závislosti na klimatických podmínkách, přičemž jeho výkon a účinnost se mění v souladu s venkovními teplotami. Systém však může být navržen tak, aby maximalizoval úspory a komfort během všech ročních období.

Tepelné čerpadlo v zimě

V zimě tepelné čerpadlo pracuje na principu odebírání nízkopotenciálního tepla z venkovního prostředí (vzduch, země nebo voda) a jeho následného zvýšení kompresí na teplotu potřebnou pro vytápění interiéru. I když je venkovní teplota nízká, moderní tepelná čerpadla dokáží efektivně fungovat až do teploty -25 °C.

Tepelné čerpadlo prochází několika fázemi:

• Odebírání tepla: Z venkovního prostředí (vzduch, země nebo voda) se teplo nasává pomocí výparníku a následně předává do chladicího média.

• Kompresní proces: Chladicí médium je stlačeno kompresorem, čímž se zvyšuje jeho teplota.

• Předávání tepla: Ohřáté médium předává teplo do topného systému (podlahové/stropní/stěnové vytápění, radiátory).

Během zimního období mohou tepelná čerpadla typu vzduch-voda potřebovat odmrazování výparníku, protože kondenzace vlhkosti na studeném povrchu vytváří námrazu. Moderní tepelná čerpadla jsou vybavena automatickými odmrazovacími cykly, což zajišťuje kontinuální a efektivní provoz.

Vliv nízkých teplot

S klesajícími venkovními teplotami se účinnost tepelného čerpadla snižuje, což zároveň snižuje i koeficient výkonnosti (COP). K vyprodukování stejného množství tepla je tak zapotřebí více elektrické energie.

Tepelná čerpadla typu země-voda a voda-voda jsou v tomto ohledu méně ovlivněna, protože teplota země nebo podzemní vody je stabilnější a méně kolísá než teplota vzduchu.

Tepelné čerpadlo v létě

Některá tepelná čerpadla mohou v létě sloužit jako chladicí systém. Funguje to tak, že místo odebírání tepla z venkovního prostředí odvádějí teplo z interiéru ven.

Existují dva režimy chlazení:

• Pasivní chlazení

• Aktivní chlazení

V létě se koeficient výkonnosti (COP) zvyšuje, protože venkovní teploty jsou vyšší a tepelné čerpadlo nemusí tolik „bojovat“ proti nízkým teplotám. Pro tepelná čerpadla vzduch-voda je toto období optimální, protože rozdíl mezi venkovní a požadovanou vnitřní teplotou je menší, což snižuje spotřebu energie.