Splitové tepelné čerpadlo nebo kompaktní monoblok?

Úvod

Podle statistických šetření prodejů tepelných čerpadel prováděných MPO dosáhl v roce 2023 podíl monoblokových tepelných čerpadel 51 % a na splitová řešení zbylo 49 %. Tento výsledek je nutné brát s určitou rezervou. Neboť se týká jen „teplovodních“ tepelných čerpadel, tedy těch, která vyrobené teplo, v některých případech chlad, předávají prostřednictvím otopné vody. V pořadí dle prodejů to byla tepelná čerpadla vzduch-voda (95,1 %), země-voda (4,7 %) a voda-voda (0,17 %).

Kromě teplovodních tepelných čerpadel se každoročně prodávají i desítky tisíců kusů klimatizací, což jsou tepelná čerpadla vzduch-vzduch. Mnohé z nich jsou reverzibilní, umožňují přepnutí z režimu chlazení do režimu vytápění. Tato „teplovzdušná“ tepelná čerpadla jsou řešena jako splitová.

Průměrný prodejní podíl splitových teplovodních tepelných čerpadel, viz tabulku 1, je za posledních 6 let cca 52,8 % a monoblokových teplovodních tepelných čerpadel 47,2 %.

Rozdíl mezi splitem a kompaktem

Z hlediska principu činnosti je mezi splitovou a monoblokovou konstrukcí kompresorového tepelného čerpadla jen malý rozdíl. Obě konstrukce mají pracovní okruh s jeho základními čtyřmi prvky, tedy kompresorem, tepelným výměníkem – kondenzátorem, expanzním ventilem a tepelným výměníkem – výparníkem. V pracovním okruhu cirkuluje chladivo. Jediný, na první pohled viditelný, rozdíl je v podstatě jen v délce potrubí s chladivem a tedy i v množství chladiva.

Obr. 1 Monobloková konstrukce tepelného čerpadla má celý pracovní okruh v jednom bloku

Obr. 2 Příklad typické sestavy monoblokového tepelného čerpadla vzduch-voda a vnitřní jednotky s integrovaným zásobníkem pro přípravu teplé vody (Zdroj: Brilon a.s.)

Obr. 3 Splitová konstrukce má pracovní okruh rozdělený mezi dva bloky. Venkovní blok nejčastěji obsahuje jen výparník a ventilátor. Blok s kompresorem, kondenzátorem a expanzním ventilem je pak uvnitř budovy.

Obr. 4 Příklad typické sestavy splitového tepelného čerpadla vzduch-voda a venkovních bloků s vodorovně umístěným výparníkem, která je výhodná s ohledem na odtávaní námrazy na výparníku a má též výhodnější prostorový diagram šíření hluku více směrem nahoru. (Zdroj: PZP Heating a.s.)

Obr. 5 Takto je řešena konstrukce většiny splitových klimatizací a i některých tepelných čerpadel vzduch-voda. Výparník, kompresor a expanzní ventil je ve venkovním bloku a kondenzátor v jednom vnitřním bloku, případně i více vnitřních blocích (interiérových jednotkách).

Obr. 6 Splitové řešení, ve kterém je teplo k jednomu nebo více vnitřním blokům rozváděno prostřednictvím horkého chladiva, umožňuje nejen vytápět, ale i ohřívat vodu (Zdroj: Daikin Airconditioning Central Europe - Czech Republic spol. s r.o.)

Z obrázku 1 je zřejmé, že konstrukci monobloku, respektive pracovního okruhu, má plně ve svých rukách výrobce. Při splitové konstrukci, viz obr. 3 a obr. 5, výrobce dodá dva, případně i více bloků. Ty musí v místě instalace propojit potrubím s chladivem instalační firma s potřebnou kvalifikací, neboť jde nejen o tlakovou těsnost a konstrukční pevnost spojů, ale i zacházení s chladivem.

Schématické příklady v obrázcích zobrazují tepelná čerpadla vzduch-vzduch. Pokud by šlo o tepelné čerpadlo vzduch-voda, tak by byla použita odlišná konstrukce kondenzátoru pro přestup tepla z chladiva nikoliv do vzduchu jako na obrázcích, ale do vody. V případě splitu země-voda by měl odlišnou konstrukci nejen kondenzátor, ale i výparník, viz níže.

Pro úplnost je třeba dodat, že existuje i splitové řešení tepelného čerpadla země-voda, které má výparník řešený ve formě smyčky z měděného potrubí vložené do zemního vrtu, které tudíž nepotřebuje ventilátor ani oběhové čerpadlo. Tržní podíl je však minimální.

Tepelná čerpadla země-voda, voda-voda jsou majoritně řešena monoblokově. Teplo z obnovitelného zdroje je do monobloku umístěného uvnitř budovy přiváděno prostřednictvím cirkulující vody, případně směsi vody a nízkotuhnoucí tekutiny, která v daných podmínkách nezamrzá. Může se čerpat voda z přírodního zdroje, z jedné studny, a do druhé zasakovací je vracena. Častěji však jde o cirkulaci vody skrz zemní vrt nebo podzemní plošný kolektor.

Krátce z historie

Tepelné čerpadlo je odvozeno od chladicího stroje. Chladicí stroje byly a jsou majoritně konstruovány jako splitové. Proto za zaváděním tepelných čerpadel do praxe nejdříve stály instalační firmy, které měly zkušenosti s chladicími stroji. Běžnou praxí pro ně bylo spojovat potrubí pro chladiva a vytvářet těsné okruhy, ze kterých chladivo nemůže unikat, ověřovat těsnost vytvořených okruhů jejich napuštěním inertním plynem s vysokým tlakem, odsávat aneb vakuovat okruhy od všech plynů, a pak je plnit požadovaným množstvím chladiva. Tyto firmy uváděly chladicí zařízení do provozu, prováděly servis a opravy. Vzhledem k poměrně vysokým nárokům na kvalifikaci byl počet těchto firem relativně omezený. V počátcích zájmu o tepelná čerpadla omezené kapacity chlaďařských firem nevadily.

Na růst zájmu o využití tepelných čerpadel dokázali výrobci reagovat zvýšením výrobních kapacit, ale stále větší brzdou byly kapacity chlaďařských firem. Přitom mezi topenářskými firmami zprvu příliš velký zájem o rekvalifikaci nebyl.

Proto výrobci tepelných čerpadel zvolili jinou taktiku a ve velkém měřítku nabídli trhu monobloková tepelná čerpadla vzduch-voda. Zásadní inovativní krok tohoto počinu spočívá v tom, že instalaci monobloku může provést topenář-instalatér bez kvalifikace na chladicí stroje, protože nijak nezasahuje do pracovního okruhu s chladivem. Teprve po ukončení instalace je zapotřebí specialista, který nastaví potřebné parametry a tepelné čerpadlo uvede do provozu. Šetří se tak čas specialisty, který zvládne uvést do provozu více tepelných čerpadel.

Výhody – nevýhody

V zásadě je nutné volit mezi splitovým a monoblokovým tepelným čerpadlem jen u druhu vzduch-voda. Z hlediska základního principu funkce mezi nimi není rozdíl, ale určité odlišnosti jsou a je nutné je při výběru tepelného čerpadla a jeho instalaci zohlednit.

a) Transport tepla do budovy – split

Při splitové konstrukci, viz obr. 3, je ve venkovním bloku, a tedy ve venkovním prostředí výparník. Teplo se z venkovního i velmi chladného vzduchu získá tím, že se ve výparníku odpaří chladivo. Vzniklý plyn o tlaku v jednotkách barr je přiváděn potrubím do vnitřního bloku ke vstupu do kompresoru. Protože odpařené chladivo nemůže být teplejší než venkovní vzduch, na tomto potrubí nevznikají úniky tepla.

Chladivo z výparníku ve venkovním bloku přenáší ke kompresoru ve vnitřním bloku jen teplo odebrané vzduchu. Tedy sice větší, ale jen část tepla, které následně dodá tepelné čerpadlo do napojené soustavy. Menší zbytek se totiž přidá do chladiva až v kompresoru ve vnitřním bloku. Tam se přibližně 80 až 90 % elektrické energie spotřebované na pohon kompresoru mění na tepelnou energii, o kterou se zvýší energie získaná odpařením chladiva ze vzduchu.

Odpařené chladivo je potrubím přivedeno ke kompresoru, kde je stlačeno, zvýší se tlak a stoupne jeho teplota. Následně v kondenzátoru chladivo předá teplo otopné vodě a zkondenzuje, zkapalní. Při tom se ochladí na teplotu, která je o jeden až max. několik stupňů vyšší než teplota zpátečky otopné vody z napojené soustavy. Přibližně s touto teplotou se chladivo, po průchodu expanzním ventilem, vrací zpět do venkovního bloku s výparníkem. Až k výparníku je však v kapalném skupenství, tudíž má menší objem než plyn a potrubí, kterým proudí, může mít menší dimenzi. Proto i únik tepla ve venkovním prostředí ze sice teplejšího potrubí, ale s menším povrchem je malý. Samozřejmě, obě potrubí s chladivem jsou vždy opatřena tepelnou izolací.

Vysokotlaká část (desítky bar) pracovního okruhu s chladivem je celá ve vnitřním bloku. Nízkotlaká část (jednotky bar) okruhu za expanzním ventilem přes výparník až ke vstupu do kompresoru spojuje vnitřní blok s venkovním, což jen hlediska instalace výhodné.

Možná délka potrubí s chladivem mezi venkovním boxem a vnitřním boxem může být běžně v řádu desítek metrů, v extrémních případech až stovek metrů.

Při splitové konstrukci viz obr. 5 se prostřednictvím chladiva transportuje nejen teplo získané při odpaření chladiva ze vzduchu, ale i teplo z elektrické energie. Tedy všechno teplo, které bude prostřednictvím kondenzátoru ve vnitřním bloku předáno napojené soustavě. Na rozdíl od splitu na obr. 3, v tomto případě je chladivo nesoucí teplo z venkovního do vnitřního bloku ve formě plynu s vysokým tlakem (desítky bar) a teplotou, která může přesahovat i 100 °C. Tlaku i teplotě musí odpovídat konstrukce potrubí a tepelné izolace.

b) Transport tepla do budovy – monoblok

Monoblokové tepelné čerpadlo je umístěno ve venkovním prostředí. Z toho vyplývá, že transport tepla do budovy neprobíhá prostřednictvím chladiva, ale jiné látky. Tou je buď jen voda, nebo směs vody s nízko tuhnoucí tekutinou pro zabránění zamrznutí. Vzhledem k doporučeným maximálním rychlostem proudění vody musí mít potrubí, která propojují monoblok se soustavou uvnitř budovy, větší dimenzi než potrubí s chladivem.

Monoblokové tepelné čerpadlo má na svém výstupu tepelný výkon odpovídají potřebě napojené soustavy. Přívodní potrubí do budovy vede vodu s teplotou buď na úrovni potřebné pro vytápění, která je zpravidla dána ekvitermní křivkou vyžadovanou regulací otopné soustavy, nebo teplotou potřebnou pro přípravu teplé vody. Zpáteční potrubí vede vodu o teplotě zpátečky z otopné soustavy. Vzhledem k teplotám, dimenzím potrubí, potřebě co nejvíce omezit úniky tepla a většinou i potřebě chránit potrubí proti zamrznutí je nutné, aby tato potrubí byla co nejkratší, velmi dobře tepelně izolována a izolace byla dokonale chráněna proti klimatickým vlivům, vnikání vlhkosti, působení ultrafialového záření a rovněž proti mechanickému poškození.

Pokud je k transportu tepla použita směs vody a nízko tuhnoucí tekutiny, pak se zpravidla monoblok pracující se směsí odděluje od otopné soustavy, která pracuje s vodou, vložením teplovodního výměníku. S tím souvisí nutnost přidat jedno oběhové čerpadlo. Navíc je nutné na vloženém výměníku udržovat teplotní spád, tedy o několik stupňů vyšší teplotu než bez výměníku. To však částečně snižuje energetickou efektivitu tepelného čerpadla. Proto výrobci doporučují preferovat použití vody s tím, že se volí umístění monobloku co nejblíže u budovy. Vodní okruh se chrání proti případnému zamrznutí při nečinnosti tepelného čerpadla například samočinným elektrickým ohřevem, nebo se do potrubí instaluje samočinná armatura, která zajistí vypuštění vody z mrazem ohrožené části potrubí při poklesu její teploty pod zvolenou mez.

Doporučená délka potrubí mezi monoblokem a napojením na otopnou soustavu v budově je v řádu jednotek metrů.

c) Vliv umístění na servis

Zcela jistě je servis příjemnější u splitů viz obr. 1, neboť většina servisních prací, případně výměn pokažených prvků se provádí uvnitř budovy a nemusí se brát ohled na aktuální počasí. Moderní tepelná čerpadla, monobloky i splity, nabízí možnost vzdálené správy, která pomáhá předcházet havarijním stavům a přináší možnost vhodně načasovat servisní zásah na základě vyhodnocení postupně se zhoršujících provozních parametrů.

d) Hluk a vibrace uvnitř i venku

Obávat se hlučnosti od technicky kvalitně řešených tepelných čerpadel uvnitř budovy není nutné bez ohledu na splitové nebo monoblokové provedení. Nicméně, umístění bloku s kompresorem v obytných místnostech se obecně nedoporučuje.

Zdrojem vibrací je činnost kompresoru, a proto se pro instalaci uvnitř domu musí vibrace významně utlumit. Kvalitní zařízení tlumí přenos vibrací ve dvou úrovních, z kompresoru na rám a z rámu do konstrukce domu.

Hluk ve venkovním prostředí je nutné řešit jak u teplovodních splitů, tak monobloků vzduch-voda i vzduch-vzduch. Některé splity (viz obr. 1) mají výhodu v tom, že venkovní blok neobsahuje kompresor a může tak být o něco tišší než monoblok. Teplovzdušné splity, reverzibilní klimatizace, mají ve venkovním boxu i kompresor, a tak jsou z hlediska vzniku hluku a vibrací podobné teplovodním monoblokům.

Přenosu vibrací do domu je nutné věnovat pozornost i při venkovní instalaci. Monoblok nebo venkovní blok se na připravený základ upevňují pomocí antivibračních prvků. Zvláštní pozornost je nutné věnovat instalaci na konzoli upevněné na konstrukci stěny či střechy domu, při umístění na balkoně atp.

e) Chladivo

Splity, vzhledem k delším propojovacím potrubím okruhu s chladivem, obsahují hmotnostně více chladiva. U méně ekologických chladiv s vysokým potenciálem tvorby skleníkového efektu GWP se tak může tepelné čerpadlo i pro rodinný dům vyžadující větší tepelný výkon nebo s větší délkou chladivových potrubí dostat do skupiny, ve které je nutné provádět pravidelné kontroly těsnosti pracovního okruhu z hlediska možných úniků chladiva. S postupným zateplováním budov a opouštěním takových chladiv pravděpodobnost povinných kontrol klesá. Nicméně je žádoucí tento pro provozovatele negativní stav z hlediska budoucích nákladů předem prověřit. Rozhodování split – monoblok může ovlivnit i cena náplně chladiva, pokud není započtena v nákupní ceně a její vývoj do budoucnosti.

Při instalaci, zvláště pokud jsou potrubí s chladivem dlouhá a překonávají větší výškové rozdíly, je nutné dodržet pokyny pro jejich instalaci a rovněž je důležité volit takové umístění potrubí s chladivem, aby se snížilo riziko jejich možného poškození. Případně instalovat ochranný kryt, který může být doporučen i v případě splitu viz obr. 5, kde by mohlo hrozit riziko popálení pokožky nechtěným dotykem.

U monobloků pod vlivem evropské legislativy, která postupně v několika etapách do roku 2050 omezí možnost použití chladiv s vyšším potenciálem skleníkového efektu GWP, se jako chladivo prosazuje propan. Je hořlavý, a proto je jeho masové použití ve splitech zatím nepravděpodobné. Bezpečnost použití propanu řeší výrobce vícestupňovou ochranou v konstrukci monobloku. Vlastnosti propanu, je těžší než vzduchu, přináší drobná omezení z hlediska umístění monobloku vzhledem k otvorům do domu, kanalizačním vpustem, zabránění poškození pracovního okruhu s propanem atp. Je třeba myslet na to, že propan jako chladivo pro tepelná čerpadla musí být čistý. Nemůže obsahovat smradlavou látku (odorant), kterou bychom cítili i při velmi malém úniku, jak je to běžné u propanu využívaného pro sporáky, kotle, lokální topidla, ale i různá outdoorová zařízení. Podobné omezení z hlediska umístění mají i venkovní jednotky s chladivem R32.

Shrnutí

Splitová i monobloková teplovodní čerpadla využívají stejný funkční princip. Přesto jsou mezi nimi rozdíly. Zájemce o tepelné čerpadlo by měl být o nich informován a mělo by mu být nabídnuto řešení, které bude pro dané konkrétní podmínky nejvhodnější.

Poděkování

Děkuji Ing. Vladimíru Šulcovi, Ph.D., ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí, za konzultaci článku.