Tepelné čerpadlo pro vytápění a ohřev vody

Tepelné čerpadlo je zařízení, které odnímá teplo ze svého okolí a s využitím tlaku dokáže natolik zvýšit jeho termální hladinu, že je následně lze využít k vytápění a ohřevu vody. Podle toho, odkud je čerpáno výchozí teplo, rozlišujeme čtyři typy tepelných čerpadel: vzduch-voda, vzduch-vzduch, voda-voda a země-voda. Princip fungování je však do značné míry pro všechny typy stejný.

Princip fungování tepelného čerpadla

V každém z výše zmíněných prostředí se přirozeně nachází tepelná energie, kterou lze s využitím vhodných technologií odebrat a dále zužitkovat. Zjednodušeně si tepelné čerpadlo můžeme představit jako chladničku v obráceném provozu. U chladničky se prostřednictvím kompresoru odebírá teplo z vnitřního prostoru a ohřívá se jím výměník na zadní straně spotřebiče a následně i jeho okolí, u tepelného čerpadla se získává teplo z daného okolního prostředí a přes kompresor se jím naopak vyhřívá vnitřní prostor, tedy například rodinný dům.

Výparník, kompresor, výměník, expanzní ventil

Výparník tvoří jednu ze čtyř důležitých součástí tepelného čerpadla. Jedná se o soustavu trubek, takzvaný primární okruh, jimiž proudí chladivo, které má vždy nižší teplotu než jeho okolí, a dokáže díky tomu absorbovat teplo. Teplota chladicí kapaliny může dosahovat až -25 °C, takže princip funguje i při venkovních teplotách pod bodem mrazu. „Ohřáté“ chladivo putuje do kompresoru, kde se velmi silně stlačí, čímž se prudce zvýší jeho teplota i na 120 °C, a rovněž dojde ke změně skupenství chladiva z kapalného na plynné. Horký plyn se dostává do výměníku, kde předá svou energii vodě v sekundárním okruhu využívaném v topném systému, případně pro ohřev teplé užitkové vody. Tím se horké chladivo ochladí a opět změní své skupenství na kapalné. Pomocí expanzního ventilu se znovu podchladí natolik, aby mohlo přijímat teplo z okolí, a celý cyklus se opakuje.  

Typy teplených čerpadel

Určující pro typ tepelného čerpadla je prostředí, z něhož zařízení odnímá teplo pro vytápění příslušného objektu. Jednotlivé typy se liší účinností, náročností na realizaci a v neposlední řadě pořizovacími a provozními náklady a z nich vyplývající návratnosti celé investice.

Tepelné čerpadlo vzduch/voda

Jak už název napovídá, odebírají nasáváním teplo z venkovního vzduchu a následně je používají pro ohřev otopné vody nebo zásobníku teplé užitkové vody. Jde o nejméně nákladný, a proto nejrozšířenější typ tepelného čerpadla. Dále jsou rozdělené na takzvané split systémy – venkovní a vnitřní jednotku propojuje potrubí s chladivem, a monoblokové systémy, které mají chladivo jen ve venkovní jednotce. Propojení s vnitřní jednotkou je realizované prostřednictvím potrubí s otopnou vodou. Tepelná čerpadla vzduch/voda lze instalovat relativně snadno a rychle, s minimálními nároky na prostor. Nejefektivněji fungují napojená na nízkoteplotní podlahová vytápění. Ta absorbojí teplo ze vzduchu při venkovní teplotě až -20 °C , i když s nižší účinností než při teplotách nad nulou. Kromě toho patří k nevýhodám tohoto systému vyšší spotřeba elektřiny než u tepelných čerpadel země-voda a také hluk produkovaný venkovní jednotkou.

Tepelné čerpadlo vzduch/vzduch

Tento typ tepelného čerpadla nasává do venkovní jednotky okolní vzduch a získané teplo přes chladivový okruh ohřívá vzduch uvnitř budovy. Systémy vzduch/vzduch vynikají snadnou a rychlou instalací i nižšími pořizovacími náklady. Slouží většinou jako doplňkový zdroj tepla při vytápění elektrickými přímotopy nebo elektrokotlem. Disponují i funkcí klimatizace a odvlhčování. Díky vestavěnému filtru s ionizátorem čistí vzduch v interiéru od alergenů, virů a dalších škodlivin. Tímto typem tepelného čerpadla není možné ohřívat teplou vodu. Bez výrazných stavebních úprav s ním nicméně lze snížit náklady na vytápění.

Tepelné čerpadlo země/voda – plošný kolektor

Získávají teplo pod zemským povrchem, kam se dlouhodobě samovolně ukládá působením sluneční energie. Do velké plochy pod zemí je rozvedená soustava plastového potrubí s nemrznoucí směsí. Ta přenáší teplo mezi zemí a tepelným čerpadlem. Plošný kolektor dokáže „vytěžit“ až 98 % akumulovaného tepla a na provoz tepelného čerpadla mu ročně stačí jen 2,5 % této energie. Instalace systému je poměrně náročná. Mimo jiné vyžaduje zhodnocení kvality zeminy. Velké kameny, skalnaté podloží, případně písek přitom představují problém. Je totiž nutné provést celou řadu výkopů do požadované hloubky pro osazení potrubního systému a pozdější zásahy do systému již nejsou možné. Plošný kolektor přitom předpokládá využitelný pozemek o rozloze 200 až 400 m₂.

Tepelné čerpadlo země/voda – vrty

Toto tepelné čerpadlo odebírá teplo prostřednictvím vrtu z hloubky pod povrchem. Do vrtu s průměrem 12 až 16 cm se instaluje plastová sonda s nemrznoucí směsí, která přenáší teplo mezi zemí a tepelným čerpadlem. Obvyklý je jeden nebo i více vrtů do hloubky 80 až 250 m nejlépe v tvrdém podloží. Náklady na instalaci systému jsou poměrně hodně vysoké. Vrty je navíc třeba následně udržovat, aby nedošlo k jejich nevratnému vyčerpání a následnému zamrznutí.

Tepelné čerpadlo voda/voda – studny

Zdrojem tepla je v tomto případě spodní nebo geotermální voda, většinou ze studny. Systém vyžaduje studny dvě. Jednu pro čerpání a druhou pro vsakování vody, kdy se voda mezi nimi převádí přes výparník, odkud se čerpá teplo. Tento systém je v České republice nejméně využívaný.

Účinnost tepleného čerpadla a topný faktor

Účinnost tepelného čerpadla nejpřesněji vyjadřuje takzvaný topný faktor (COP), který udává poměr mezi spotřebovanou elektřinou a vyprodukovanou tepelnou energií. Tepelná čerpadla vzduch-voda vykazují topný faktor v intervalu 2 až 4. U tepelných čerpadel země–voda se pohybuje od 3 do 5. Pokud je tedy COP například 3, znamená to, že na každé 3 kWh tepla se potřebuje 1 kW elektřiny.