Čo je tepelné čerpadlo?

Tepelné čerpadlá využívajú dostupné teplo zo vzduchu,  zeme alebo z vody. Tešia sa stále väčšiemu záujmu. Aj preto, že toto teplo je k dispozícii zadarmo a možno ho energeticky veľmi efektívne zhodnotiť.

Ako pracuje tepelné čerpadlo?

Princíp je v podstate opačný ako pri chladničke, ktorej účelom je „vytvoriť zimu" vo vnútri. Von sa teplo odvádza cez chladič umiestnený na zadnej strane chladničky. Tepelné čerpadlo, naopak, odoberá teplo z vonkajšieho chladnejšieho prostredia a pri vyššej teplote ho odovzdáva do vykurovacieho systému. Premena prebieha efektívnejšie vtedy, ak je rozdiel teplôt čo najmenší.

Užívajte si energetické výhody.

Pri použití 1 kWh energie, najčastejšie vo forme elektriny na pohon kompresora, možno získať 2- až 5-násobok energie na vykurovanie, ohrev teplej vody alebo chladenie. Tepelné čerpadlá sa najviac používajú v rodinných domoch, ale vhodné sú aj pre verejné budovy, prípadne aj pre výrobné podniky.

Z čoho sa skladá tepelné čerpadlo?

SIEA_TEP1-640-tepelne-cerpadlo-rez.jpg

 

Rez tepelného čerpadla typu zem/voda:
  1. kompresor
  2. kondenzátor (doskový výmenník vykurovacieho okruhu)
  3. expanzný ventil
  4. výparník (doskový výmenník kolektorového okruhu)
  5. čerpadlo kolektorového okruhu (soľanka)
  6. čerpadlo vykurovacieho okruhu
  7. prepínací ventil (vykurovanie/TV)
  8. ovládací panel

 

Ako to funguje

Srdcom tepelného čerpadla je kompresor (1). Najčastejšie je poháňaný elektromotorom, alternatívou môže byť plynový motor. Kompresor stláča pary pracovnej látky, ktoré sa kompresiou ohrejú na približne 70 °C. Vo výmenníku tepla (2) skondenzujú na kvapalinu, pričom sa kondenzačné teplo odovzdá vykurovacej vode. Pracovná látka sa schladí na cca 40 °C. Po prechode cez expanzný ventil (3) do zóny s nízkym tlakom sa výrazne ochladí až na -10 °C. Vo výparníku (4) sa ohreje teplom získaným z okolitého prostredia na bod varu cca -3 °C a odparí sa. Na jej ohriatie stačí zdroj tepla s nízkou teplotou, napríklad zem s teplotou +2 °C. V kompresore sa pary opäť stlačia a dopravia do teplej vysokotlakovej časti tohto uzavretého okruhu.

 

Okamžité výkonové číslo – COP

 

Pomer výstupného tepelného výkonu k energetickému príkonu na vstupe vyjadruje COP (Coefficient Of Performance). Do slovenčiny ho možno preložiť ako výkonové číslo. Niekedy sa používa aj termín vykurovací faktor. COP vyjadruje hlavnú výhodu tepelného čerpadla oproti iným technológiám používaným na výrobu tepla. COP udáva každý výrobca v katalógu. Nemožno ho porovnávať bez poznania podmienok jeho určenia, je to totiž len jeden bod na skutočnej prevádzkovej charakteristike zariadenia. Napríklad to isté čerpadlo v režime teplôt A7 (teplota primárneho média 7 °C) /W35 (teplota výstupnej vykurovacej vody 35 °C) môže mať COP 3,90. Takto je to lákavejšie tvrdenie, ako keby bolo uvedené COP 3,22 v režime teplôt A2/W35 alebo len 2,95 pre A2/W55.

 

Závislosť prevádzkových parametrov tepelné čerpadla od vonkajšej teploty

  SIEA_TEP2-530-tepelne-cerpadlo-rez.jpg

Sezónne výkonové číslo – SPF

Pomer tepla na výstupe z čerpadla v priebehu jedného roka k celkovej spotrebe energie vyjadruje SPF(Seasonal Performance Faktor). Niekedy sa označuje aj ako β. SPF uvádzajú len niektorí výrobcovia, pretože je potrebné poznať, resp. zohľadniť aj podmienky inštalácie. Je však kľúčovým parametrom systému, pretože pri hodnotení dosiahnutých reálnych výsledkov a návratnosti investície záleží na celkovej energetickej a nákladovej bilancii. SPF je presnejším a komplexnejším ukazovateľom efektívnosti inštalácie ako COP. Vyjadruje schopnosť tepelného čerpadla pracovať energeticky efektívne aj pri čiastočnej záťaži, to znamená prispôsobiť energetickú náročnosť meniacej sa potrebe vykurovacieho výkonu v závislosti od zmeny vonkajšej teploty. Pre jeho správne určenie by mala bilancia spotreby zahŕňať všetku energiu potrebnú v súvislosti s používaním čerpadla. Zohľadniť treba aj spotrebu elektriny na pohon ventilátorov, čerpadiel vody alebo soľanky.

 

S rozdielnymi teplotami

Pre dosiahnutie priaznivých výsledkov je lepší zdroj okolitého tepla s vyššou teplotou. Pozor však na neoverené vlastné experimenty. Príliš vysoká teplota primárneho média môže čerpadlo poškodiť, ak nie je na to skonštruované.

A/W (Air/Water) – vzduch/voda
  vzduchové čerpadlo – teplota výrazne závisí od počasia

B/W (Brine/Water – zem/voda
  zemný vrt – cirkulačná voda 7 °C až 13 °C.

  plošný zemný kolektor –   cirkulačné médium (soľanka) -2 °C až +2 °C.

W/W (Water/Water) – voda/voda
  podzemná voda – teplota 8 °C až 13 °C.

 

Ktorý primárny zdroj tepla zvoliť? Vzduch, zem alebo vodu?

 

Orientačné pomery sezónnych výkonových čísiel SPF v závislosti od druhu primárneho zdroja tepla a požadovanej výstupnej teploty sú uvedené v tabuľke. Hodnoty sú iba informatívne. Pre namodelovanie reálnej prevádzky treba použiť výpočet a následne projekt. No aj zo všeobecných údajov je možné zistiť vhodnosť jednotlivých kombinácií. Výhodné napríklad je, ak pri čerpadle vzduch/voda vymeníme klasický vykurovací systém za podlahové vykurovanie. Získame tak viac, ako keby sme radiátory ponechali a zvolili si čerpadlo zem/voda.

SIEA_TEP3-640-tabulka.jpg

Pri tepelnom čerpadle s kompresorom poháňaným elektromotorom sezónne výkonové číslo nezahŕňa elektrinu spotrebovanú na dokurovanie. Použitie bivalentného spôsobu prevádzky pre čerpadlo vzduch/voda zodpovedá teplote -7 °C, pri iných druhoch sa uvažovalo iba s monovalentným spôsobom. Príprava teplej vody nebola zohľadnená.

Údaje sú orientačné. Výpočet pripravila SIEA na základe verejne dostupných informácií od výrobcov čerpadiel.

 

 

Výkony podľa noriem

Norma EN 14 511 udáva výkon tepelného čerpadla vzduch/voda pri teplote okolitého vzduchu +2 °C, +7 °C alebo až  -7 °C  v kombinácii s výstupnou teplotou vody 50 °C pre radiátorové vykurovanie a 35 °C pre podlahové vykurovanie. Tieto teplotné režimy sa potom označujú číselne za písmenom média, napr. A2/W35. Podobne pre zemné BO/W35 a vodné čerpadlá W10/W35. Norma EN 14825 stanovuje postup merania a výpočtu sezónneho výkonového čísla.

 

Tepelné čerpadlá vzduch/voda s oddeleným výparníkom

 

Oddelený výparník sa umiestňuje do exteriéru budovy. Je prepojený s hlavnou jednotkou tepelného čerpadla v budove okruhom pracovnej látky, ktorú nazývame aj teplonosné médium či chladivo. Toto usporiadanie kladie menšie požiadavky na priestor v interiéri a dovoľuje variabilnejšie umiestnenie výparníka.

 

Rozmrazovanie výparníka

Pri určitých atmosférických podmienkach a vlhkosti vzduchu namŕza na výparníku ľad, ktorý vytvorí tepelnú izoláciu a bráni odberu tepla zo vzduchu. Rozmrazovanie býva automatické. Cyklus teplonosnej pracovnej látky sa nakrátko obráti, kým sa výparník zohreje a námraza roztopí. Strata výkonu je len krátkodobá. Dostatočne ju kompenzuje zlepšená účinnosť oproti stavu, ak by bol výparník pokrytý ľadom.

Jednoduché a lacné

Čerpadlá vzduch/voda sú na trhu najobľúbenejšie kvôli jednoduchej montáži a nízkym nákladom na prípravné práce. Teplo zo vzduchu je zadarmo. Nepotrebujú veľký pozemok, ani zdroj vody.Preto sú zaujímavým riešením aj tam, kde pre iné druhy nie sú vhodné podmienky.

 

Druhy

 
split – oddelený výparník, ktorý sa umiestňuje do exteriéru budovy 
kompakt – kompaktné jednotky určené na montáž v interiéri 
outdoor – kompaktné jednotky určené na montáž v exteriéri

 

Princíp zapojenia tepelného čerpadla vzduch/voda

 

 SIEA_TEP4-530-dom_vzduch-split.jpg

  1. tepelné čerpadlo
  2. oddelený vzduchový výparník
  3. zásobník tepla na vykurovanie
  4. zásobník teplej vody s výmenníkom tepla
  5. rozdeľovač podlahového vykurovania s obehovým čerpadlom a reguláciou
  6. zberač podlahového vykurovania

 

 

Kam dať výparník?

Vonkajšiu jednotku výparníka treba umiestňovať ku stene. Ak by bola na otvorenom priestore, bola by viac ochladzovaná a jej prevádzka by bola menej efektívna. Dôležité je dbať aj na to, aby v zime nebol prietok vzduchu obmedzovaný snehom. Ak sa čerpadlo nepoužíva v lete na chladenie, odporúča sa umiestnenie na južnej strane budovy, kde je vzduch počas dňa teplejší. Zároveň treba myslieť na to, aby hluk z jednotky obyvateľov nevyrušoval. Zvuk ventilátora vonkajšej časti výparníka síce nie je výrazný, ale v nočných hodinách môže byť obťažujúci. Preto by výparník nemal byť v blízkosti okien spálne ani domu suseda.

 

 

Kompaktné tepelné čerpadlá vzduch/voda

 

V kompaktnom systéme sú všetky technické zariadenia osadené pod jedným krytom.

Pri umiestnení v interiéri je vzduch privádzaný aj odvádzaný dvoma „hadicami" alebo otvormi v stene budovy priamo do a z čerpadlovej jednotky. V exteriéri nie je inštalovaná žiadna časť technológie. Zariadenie je skryté v dome, vďaka čomu je chránené pred prípadnými zásahmi vandalov. Výhodou je aj nižšia hlučnosť v exteriéri. Je však potrebné vyriešiť odhlučnenie v interiéri.

V exteriéri môže byť celá jednotka nainštalovaná napríklad na plochej streche budovy. Umiestnenie mimo budovy sa využíva väčšinou až vtedy, ak sú iné riešenia obmedzené. Aj preto, že v exteriéri je riziko poškodenia zariadenia vandalmi väčšie. Výhodou sú minimálne nároky na priestor a takmer nulová hlučnosť v interiéri.

 

Vzduch/vzduch

Na trhu sú aj malé tepelné čerpadlá typu vzduch/vzduch (napr. podokenné jednotky), ktoré dokážu vykurovať aj chladiť. Pri vykurovaní sú účinnejšie ako klimatizačné zariadenia, ktoré často taktiež ponúkajú obe funkcie. Technické požiadavky na takéto čerpadlá sú uvedené v nariadení Európskej komisie č. 206/2012.

 

Dôležitá regulácia

Spotreba elektriny čerpadla riadeného obyčajným termostatom môže byť až o 20 % vyššia ako pri kvalitnej regulácii podľa vonkajšej a prípadne aj vnútornej teploty.

Ovládanie tepelného čerpadla a iných zariadení v domácnosti je ideálne pripojiť na nadradený riadiaci systém. Môže ním byť napríklad systém inteligentného riadenia technických zariadení domu. Tento dokáže optimálne manažovať využitie viacerých zdrojov energie. Je užitočný najmä pri obnoviteľných zdrojoch, pri ktorých môže byť zložité uplatnenie priority ich využívania. Samozrejme, je nevyhnutné, aby riadiaci člen čerpadla bezproblémovo komunikoval s celkovým riadiacim systémom.

Princíp zapojenia kompaktného čerpadla

 SIEA_TEP5-530-dom_vzduch-kompakt.jpg

  1. kompaktné tepelné čerpadlo vzduch/voda
  2. zásobník tepla na vykurovanie
  3. zásobník teplej vody s výmenníkom tepla
  4. rozdeľovač podlahového vykurovania s obehovým čerpadlom a reguláciou
  5. zberač podlahového vykurovania

 

Bivalencia

V extrémnych zimách môžu pomáhať čerpadlám vzduch/voda dosiahnuť požadovaný tepelný výkon potrebný na vykurovanie aj iné zdroje tepla. Najčastejšie je to vstavané elektrické dokurovanie, možno však využiť napríklad i výstup z krbovej vložky. Hovoríme o bivalentných systémoch. V miernejšom II. klimatickom pásme stredného Slovenska zvyčajne na potrebné dokurovanie pripadá okolo 10 % z ročnej potreby tepla na vykurovanie. To neplatí pre špeciálne typy čerpadiel s technológiou zníženia výtlačnej teploty kompresora alebo dvojstupňovej kompresie, prípadne kaskádnych okruhov, ktoré sú schopné dodávať dostatok tepla na vykurovanie bez prikurovania aj pri veľmi nízkych vonkajších teplotách. Adekvátne sa to však odráža v ich nákupnej cene.

 

zdroj: www.siea.sk