Tepelná čerpadla pro každého (I)

Úvod
V následujícím textu jsou obsaženy základní obecné informace pro všechny zájemce o tepelná čerpadla. Cílem není podrobně a zcela exaktně vysvětlit veškeré podrobnosti o fungování tepelných čerpadel nebo jejich projektování. Chceme přiblížit tepelná čerpadla širší veřejnosti jako zdroj energie, o jehož využití se určitě vyplatí uvažovat a to zejména při novostavbách nebo rekonstrukcích spojených s modernizací topného systému.

Tepelná čerpadla jsou jedním ze státem podporovaných zdrojů energie. Na instalaci tepelných čerpadel lze získat dotaci od Státního fondu životního prostředí (SFŽP) ve výši například až 30% investičních nákladů (pro fyzické osoby). Podrobnosti o dotacích najdete ve třetím díle seriálu.

Co je to tepelné čerpadlo
Tepelná čerpadla se řadí mezi alternativní zdroje energie. Odnímají teplo z okolního prostředí (vody, vzduchu nebo země), převádějí ho na vyšší teplotní hladinu a následně umožňují teplo účelně využít pro vytápění nebo ohřev teplé vody. Tepelná čerpadla se v zahraniční využívají pro vytápění naprosto běžně již několik desítek let, a proto lze s jistotou říci, že se nejedná o žádnou módní technicky dosud nevyspělou záležitost. Jejich většímu rozšíření u nás dosud bránily velmi nízké ceny energií, které prodlužovaly ekonomickou návratnost vyšších pořizovacích nákladů. Nutná počáteční investice ve výši přibližně 200-400 tisíc Kč je následně vyvážena velmi nízkými provozními náklady. Porovnat skutečné provozní náklady na vytápění tepelným čerpadlem s ostatními palivy můžete v interaktivní porovnávací tabulce.

Tepelné čerpadlo se většinou skládá ze dvou částí - venkovní a vnitřní. Vnitřní jednotku na první pohled nerozeznáte od běžného plynového kotle nebo ohřívače vody. Nemá žádné zvláštní nároky na umístění ani velikost prostoru a zajišťuje předávání tepla do topného systému. Venkovní část zajišťuje odebírání tepla ze zvoleného "zdroje" (země, vzduchu, vody). Velikost a podoba venkovní části závisí na tom z jakého zdroje se teplo získává. U tepelných čepadel využívajících teplo ze země nebo z vody není venkovní část součástí dodávky od výrobce. U čerpadel, která využívají venkovního vzduchu, je venkovní jednotka a propojovací potrubí vždy součástí dodávky od výrobce. Někteří výrobci konstruují tepelná čerpadla využívající venkovního vzduchu v kompaktním provedení. V tomto případě má tepelné čerpadlo pouze jednu část, která se dodává ve vnitřním nebo venkovním provedení.

Princip funkce
Princip tepelného čerpadla byl popsán již v 19. století anglickým fyzikem - lordem Kelvinem. Přestože se ve své podstatě jedná o chladící zařízení (stejné jako známá lednička), využíváme jej jako zdroj tepla. V zemi, ve vodě i ve vzduchu je obsaženo nesmírné množství tepla, avšak jeho nízká teplotní hladina neumožňuje přímé využití pro vytápění nebo ohřev vody. Pokud chceme využít teplo látek o nízké teplotě (nízkopotenciální teplo), musíme je převést na teplotu vyšší. Podobně jako vodní čerpadlo přečerpává vodu z nižší hladiny na vyšší, tepelné čerpadlo dělá totéž s teplem.

Prakticky dochází k tomu, že látku (zemi, vodu nebo vzduch) ochladíme o několik málo stupňů, čímž odebereme teplo, a tuto energii využijeme při ohřevu jiné látky jako je voda v bazénu, teplá užitková voda, či voda v topné soustavě, kterou ohřejeme také o několik málo °C, ale na úrovni pro nás přijatelné. Ochladíme tedy např. půdu na naší zahradě z 10°C na 5°C a tepelné čerpadlo zajistí ohřátí topné vody z 40°C na 45°C. Slunce společně s energií akumulovanou v okolní půdě potom zajistí dohřátí půdy na naší zahradě zpět na 10°C.

Tepelné čerpadlo pracuje na principu uzavřeného chladicího okruhu obdobně jako chladnička. Teplo se na jedné straně odebírá a na druhé předává. Chladnička odebírá teplo z vnitřního prostoru potravin a předává je kondenzátorem na své zadní straně do místnosti. Požadovaným efektem je snížení teploty ve vnitřním prostoru chladničky a ohřívání vzduchu v místnosti je nezbytným důsledkem. Tepelné čerpadlo místo potravin ochlazuje například venkovní vzduch, zemskou kůru nebo podzemní vodu. Teplo odebrané těmto zdrojům předává do topných systémů. Požadovaným efektem je právě zvýšení teploty.

Pro přečerpání tepla na vyšší teplotní hladinu, tedy i pro provoz tepelného čerpadla, je třeba dodat určité množství energie. Prakticky to znamená, že tepelné čerpadlo spotřebovává pro pohon kompresoru elektrickou energii. Protože její množství není zanedbatelné, lze tepelné čerpadlo považovat za alternativní zdroj tepla pouze částečně. Samozřejmě záleží na tom z čeho je elektrická energie vyráběna, ale v našich podmínkách se jedná většinou o spalování uhlí nebo energii z jaderných elektráren.

Zjednodušeně lze říci, že tepelné čerpadlo spotřebovává přibližně jednu třetinu svého výkonu ve formě elektrické energie. Zbývající dvě třetiny tvoří teplo, které je odnímáno z ochlazované látky (vzduchu, země, vody).

Technický princip tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlo obsahuje čtyři základní části chladícího okruhu: výparník, kompresor, kondenzátor a expanzní ventil. Teplo odebrané venkovnímu prostředí se ve výparníku předává pracovní látce (kapalnému chladivu) při relativně nízké teplotě. Zahřátím chladiva dojde k jeho odpaření a páry jsou následně stlačeny v kompresoru na vysoký tlak. Stlačené chladivo je přiváděno do kondenzátoru, kde při kondenzaci předává teplo do topné vody za vyšší teploty než bylo teplo ve výparníku odebráno. V expanzním ventilu se cyklus uzavírá a dochází ke snížení tlaku chladiva na původní hodnotu ve výparníku.