Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Jak doopravdy fungují tepelná čerpadla?

Pro toho, kdo uvažuje o tepelném čerpadle, je jeho rozhodnutí do jisté míry závazkem téměř na celý život.

Vzhledem k tomu, že tepelné čerpadlo, respektive celá instalace, je investičně poměrně náročné a jeho funkci se zpravidla podřídí i návrh otopné soustavy, hraje volba systému zásadní roli. Budoucí vlastník tepelného čerpadla je konfrontován s reklamními hláškami firem, jakých topných faktorů jejich tepelná čerpadla (zpravidla to ovšem bývá jediný typ) dosáhla na zkušební stolici. Zcela evidentní je "souboj" firem, zabývajících se tepelnými čerpadly vzduch/voda proti výrobcům tepelných čerpadel systému země/voda. Obdobně se snaží prosadit systémy s přímým vypařováním, nebo dokonce další extrém - i s přímou kondenzací, kdy v podlahovém topení necirkuluje voda, ale chladivo. Do tohoto rozhodování dále vstupují internetové diskuze, kde se čile debatuje o tom, jak "to" komu topí či netopí, nebo zda je nutné použít akumulační zásobník i v případě podlahového vytápění apod. Najít v této změti informací správné technické řešení je pro laika (a často i pro odborníka) velmi obtížné a hlavně, jak již bylo řečeno, prakticky závazné na (téměř) celý život.

Asi nejobjektivnější obrázek poskytují testy tepelných čerpadel různých systémů přímo v reálném provozu, kdy jsou nainstalována a provozována v rodinných domech. V sousedním Německu byly v poslední době publikovány dva plošné testy instalací tepelných čerpadel. Výsledkem bylo zejména stanovení ročního topného faktoru (tzv. JAZ - Jahresarbeitszahl), což je poměr roční dodávky energie na vytápění (kWh) k celkové spotřebované elektrické práci (kWh, kompresor + dotopový zdroj + regulace + oběhové čerpadlo primární strany + případně ventilátor a režim odmrazování výparníku u tepelného čerpadla vzduch/voda). Dále byl v souvislosti s výsledky posuzován vliv na životní prostředí z pohledů emise CO2. Všeobecně platí , že v soustavě s ročním topným faktorem menším než 3 je přínos pro ochranu životního prostředí (z hlediska emise CO2) vzhledem k současné skladbě výroby elektrické energie velmi sporný.


TEST 1
Prováděný společností E-ON München v průběhu dvou topných sezón 2006/2007

Během testu bylo proměřeno a vyhodnoceno celkem 29 tepelných čerpadel. Většinou byla zastoupena systémem země/voda, tedy instalace se zemním vrtem nebo plošným kolektorem. Sledovány a vyhodnoceny byly i instalace vzduch/voda, voda/voda a odpadní vzduch/voda. Výsledky byly shrnuty do následujícího grafu. Je zřejmé, že tepelná čerpadla vzduch/voda dosahují uspokojivých výsledků pouze v kombinaci s podlahovým vytápěním. Průměrná hodnota JAZ byla u těchto systémů 2,9, u instalace s radiátorovou soustavou byla průměrná hodnota ročního topného faktoru pouze 2,3. Zcela propadla tepelné čerpadla pro přípravu TUV (v ČR se téměř nepoužívají). Tato čerpadla neuspoří ani 50 % energie, což plně zpochybňuje návratnost investice za dobu jejich životnosti o ekologickém přínosu např. proti zemnímu plynu ani nemluvě. Na druhém pólu se pohybovala tepelná čerpadla země/voda.

V testu bylo u nejpočetněji zastoupené kategorie země/voda dosaženo následujících výsledků

průměrná vytápěná plocha 142 m2
výpočtové hodnoty:
roční spotřeba na vytápění 7.888 kWh
roční spotřeba na přípravu TUV 1.771 kWh
spotřeba energie celkem 9.659 kWh
měrná spotřeba energie na m2 71 kWh
skutečné naměřené hodnoty:
roční spotřeba na vytápění 11.232 kWh
roční spotřeba na přípravu TUV 1.820 kWh
spotřeba energie celkem 13.052 kWh
měrná spotřeba energie na m2 92 kWh
naměřený topný faktor (průměr 14 měřených instalací země/voda)
okruh chladiva 4,22
okruh chladiva a dotopový zdroj 4,20 *
JAZ kompletní instalace 3,57

* Zde je nutno podotknout, že SRN, Švýcarsko a Rakousko navrhují u rodinných domů instalace téměř výhradně monovalentně, tedy na 100% pokrytí tepelné ztráty objektu tepelným čerpadlem, proto se pokles ročního topného faktoru po započtení elektrokotle téměř neprojevil.

Bylo zajímavé sledovat vliv montáže na celkovou funkci (a potažmo úspory) instalace. Zatímco u stejného typu tepelného čerpadla bylo dosaženo u jedné instalace ročního topného faktoru pouhých 2,7, podařilo se u správně navržené jiné instalace dosáhnout JAZ ve výši 3,7.

Jako špička ledovce vyčnívalo nad ostatními instalacemi tepelné čerpadla firmy Waterkotte. Velmi kvalitním dimenzováním s vrtem společnosti TERAMEX, dále absencí akumulačního zásobníku a optimálně nastaveným regulátorem bylo dosaženo ročního topného faktoru ve výši 4,5.


TEST 2
Plošný test prováděný společnostmi Lokale Agenda 21 - Gruppe Umwelt/Energie Lahr a Ortenauer Energieagentur Offenburg v topné sezóně 2006/2007

Celkem bylo proměřeno 37 tepelných čerpadel instalovaných v obytných objektech. Cílem testu bylo nejenom informovat vlastníky instalací o skutečném fungování jejich soustavy, ale poskytnout důležité informace a závěry, využitelné pro plánování a technické poradenství poskytované prostřednictvím energetických agentur a pro montážní firmy.

Tepelná čerpadla pocházela od 11 výrobců a bylo proměřeno 13 zařízení vzduch/voda, 13 ks země voda a 7 instalací voda/voda. Ostatní technická řešení byla nestandardní, většinou pro přípravu TUV- tedy taková, která v ČR prakticky nenajdete. Celkem 24 tepelných čerpadel bylo konstruováno s integrovaným zásobníkem teplé vody, 9 jich mělo externí zásobník TUV. Pouze 6 tepelných čerpadel pracovalo bez akumulačního zásobníku (!) a 22 instalací bylo navrženo s podlahovým topením. V následujícím grafu jsou znázorněny průměrné topné faktory v jednotlivých měsících se započtením všech pomocných energií (elektrokotel, oběhová čerpadla, regulace atp.)

Obě černé křivky ukazují vývoj topného faktoru systému vzduch/voda. V instalaci s podlahovým vytápěním bylo dosaženo přijatelného JAZ = 2,95, u radiátorové soustavy jen 2,3. Z hodnot je zřejmé, že instalace tepelného čerpadla vzduch/voda v kombinaci s radiátory je velmi špatnou volbou - celková roční spotřeby je o 28 % a o ekologickém vytápění se již zdaleka nedá hovořit. Pouze tři instalace systému vzduch/voda přesáhla v testu hodnotu 3, což je hodnota obecně přijatelná z hlediska produkce CO2 v případě použití elektrické energie na vytápění.

Oproti tomu tepelná čerpadla země/voda (hnědé křivky) s hodnotami 3,24 pro radiátorovou soustavu a 3,54 u podlahového vytápění leží bezpečně nad hodnotou 3. Je zřejmé, že zde zaplatí "radiátorový" vlastník pouze o 10% více za spotřebu elektrické energie než majitel objektu s podlahovým vytápěním. Lze říci, že systém země voda je s ohledem na volbu sekundární strany daleko tolerantnější.

Modrá křivka znázorňuje systém voda/voda s podlahovým vytápěním. S ročním topným faktorem 3,36 nedosahuje úrovně srovnatelné instalace země/voda. Zdůvodnění je velmi jednoduché - účinnost celé soustavy degraduje vysoký příkon ponorného čerpadla, který je zpravidla o150 - 200 W větší, než oběhové čerpadlo systému země/voda v obdobném objektu. Současně není často udržován v čistotě filtr čerpané vody a rozevírající se nůžky teplotní diference primární strany a tedy v tomto důsledku nižší střední hodnota teploty čerpané vody účinnost dále zhoršují.

Závěrem lze tedy konstatovat, že tepelná čerpadla mají v současné době své opodstatnění. Kvalitně navržené soustavy mohou v praxi dosáhnout JAZ > 4. Záleží ale více než na výrobci tepelného čerpadla (COP je zpravidla výrobci deklarováno v rozsahu 10%) na komplexním návrhu od primárního zdroje až po otopnou soustavu. V ČR je situace zhoršena faktem, že většina firem navrhuje tepelná čerpadla bivalentně. Ve snaze ušetřit na primárním zdroji (nebo z neznalosti problematiky) se vrt či kolektor dimenzuje na chladicí výkon tepelného čerpadla bez ohledu na spotřebu objektu. V praxi je pak velkou část zimy primární zdroj podchlazen na teploty okolo bodu mrazu - nezřídka je teplota media vstupujícího do tepelného čerpadla 2 -3°C pod bodem mrazu. Jen pro srovnání, v praxi se většina instalací v německy mluvících zemích i v únoru pohybuje +2°C- +5°C. Výsledky firmy Waterkotte s topným faktorem vysoko nad 4 v obou testech přesvědčivě dokazují, že systémovým návrhem instalace bez akumulačního zásobníku s kvalitně dimenzovaným vrtem a otopnou soustavou lze opravdu ušetřit až často uváděných 75% energie na vytápění. I tepelná čerpadla vzduch/voda mají své opodstatnění. Jsou logickým východiskem tam, kde není možno instalovat zemní kolektor či vrt. Uspokojivě fungují zejména v kvalitně zateplených objektech s nízkoteplotní soustavou. V rodinných domech s vysokou teplotou topné vody, což se týká zejména rekonstrukcí, může potenciální zákazník očekávat reálnou úsporu okolo 50%. Tepelná čerpadla systému voda/voda nedosahují hodnot systému země/voda. Pro rodinné domy nejsou příliš vhodnou alternativou. Potenciální problémy jako jsou zanášení filtrů a výparníku. V důsledku složení čerpané vody jsou často poruchová ponorná čerpadla. Kolísání průtoku či teploty v oblasti kolem 5°C již přímo ohrožují životnost tepelného čerpadla vzhledem k možnosti zamrznutí výparníku. Těžko říci, jestli oba testy a jejich závěry pomohly zájemcům v jejich rozhodování při volbě soustavy s tepelným čerpadlem. V každém případě je výhodné neotálet s návštěvou vybraného dodavatele a jeho projektanta. V případě, kdy na zdi visí radiátory dimenzované pro teplotní spád 70°C/50°C a v zahradě je čerstvě zaseto, je již zpravidla pozdě.

Oba testy najdete pod následujícími odkazy:
http://www.eon-avacon.com/ContentFiles/Internet/Downloads/Broschuere_Waermepumpe_Feldtest.pdf
http://www.waterkotte.de/down/EWP_Bericht.pdf

HENNLICH s.r.o.
logo HENNLICH s.r.o.

Systémy vytápění a chlazení s tepelnými čerpadly Waterkotte - tepelná čerpadla voda/voda, země/voda a vzduch/voda. Aplikace od rodinných domů až po profesionální řešení velkých výkonů v průmyslových objektech, administrativních budovách, hotelích, školách, ...