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.

Tepelná čerpadla 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 jej dělíme na takzvané split systémy, kdy venkovní a vnitřní jednotku propojuje potrubí s chladivem, a monoblokové systémy, které mají chladivo jen ve venkovní jednotce a propojení s vnitřní jednotkou je realizováno 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. Jsou schopná absorbovat 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.

Tepelná čerpadla vzduch/vzduch

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

Tepelná čerpadla země/voda – plošný kolektor

Získávají teplo pod zemským povrchem, kam se dlouhodobě samovolně ukládá působením sluneční energie. Do velké plochy je pod zemí rozvedena soustava plastového potrubí s nemrznoucí směsí, která 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 a vyžaduje zhodnocení kvality zeminy. Velké kameny, skalnaté podloží, případně písek přitom představují problém, protože je nutno 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.

Tepelná čerpadla 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 velmi vysoké, vrty je navíc třeba následně udržovat, aby nedošlo k jejich nevratnému vyčerpání a následnému zamrznutí.

Tepelná čerpadla 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.

Dotační programy pro tepelná čerpadla

Vláda podporuje přechod na ekologičtější způsoby vytápění a konkrétně na instalaci tepelného čerpadla se vztahují dva dotační programy. Nová zelená úsporám poskytuje podporu na pořízení a instalaci nového hlavního zdroje tepla pro vytápění s případným ohřevem teplé vody včetně příslušenství a jeho zapojení do otopné soustavy výměnou za stávající hlavní zdroj tepla. Žádat mohou vlastníci stávajících i dokončených rodinných domů, nejvýhodnější jsou podmínky pro domácnosti s nižšími příjmy. Druhou dotační výzvou, kterou lze na pořízení tepleného čerpadla využít, jsou takzvané Kotlíkové dotace pro domácnosti s nižšími příjmy.