Tepelná čerpadla a jejich použití v otopných soustavách (I)
Úvod
Tepelná čerpadla se v dnešní době pomalu zařazují mezi obvyklé zdroje tepla. K rozšíření jejich použití přispělo velkou
měrou narovnávání cen energií, které výrazně začalo zasahovat do rodinných i firemních rozpočtů. Velký díl práce odvedli domácí výrobci a zástupci zahraničních výrobců tepelných čerpadel, kteří neúnavně informují odbornou i laickou
veřejnost o smyslu jejich použití.
Význam tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlo je zařízení, které dokáže využít přírodní teplo o nízké teplotě obsažené ve vodě, zemi nebo vzduchu
běžnými způsoby pro vytápění nevyužitelné. Toto přírodní, tzv. nízkopotenciální teplo, které je obnovitelným a tedy ekologickým energetickým zdrojem, však může být pomocí tepelného čerpadla převedeno na teplo s vyšší teplotou vhodnou pro vytápění nebo pro přípravu teplé vody.
Princip tepelného čerpadla - ekologického zdroje
Základem tepelného čerpadla (obr. 1) je chladicí okruh, jehož hlavním prvkem je kompresor poháněný zpravidla elektromotorem. Dalšími důležitými prvky jsou dva výměníky (výparník a kondenzátor) a expanzní ventil. Tepelné čerpadlo odebírá z prvního výměníku (výparníku) teplo z prostředí nízkopotenciálního tepla (voda, země, vzduch), tím
prostředí ochlazuje a pomocí hnací elektrické energie pohánějící kompresor ho předává do prostředí s vyšší teplotou
(otopný systém, teplá voda), tím ho ohřívá. Teplo převáděné z výparníku do kondenzátoru se přitom zvětšuje o teplo, na které se v kompresoru mění hnací elektrická energie. Topný výkon tepelného čerpadla je dán součtem vložených
energií - energie nízkopotenciální a energie elektrické. Poměr topného výkonu tepelného čerpadla a jeho elektrického
příkonu je vždy větší než jedna a nazývá se topný faktor.
Obr. 1
Poměr mezi získanou přírodní energií ve formě nízkopotenciálního tepla a dodanou ušlechtilou energií elektrickou se obvykle pohybuje 2,5 až 3,5 : 1. Znamená to, že z 1 kWh elektrické energie lze získat 2,5 až 3,5 kWh energie tepelné. Za výhodných podmínek lze získat i více (4 až 5 kWh). Pracovní látkou chladicího okruhu je tzv. chladivo, které v zařízení trvale obíhá a cyklicky mění své skupenství (z kapalného na plynné a naopak). Ve výparníku tepelného čerpadla při odebírání přírodní nízkopotenciální energie dochází k přeměně skupenství z kapalného na plynné. Chladivo se v kompresoru stlačí, tím se zahřívá na vyšší teplotu, a v kondenzátoru kondenzuje, tedy při odevzdávání tepla zpět mění plynné skupenství na kapalné. Použité chladivo v tepelném čerpadle musí splňovat ekologické, bezpečnostní a hygienické požadavky. Výrobci šetrní k okolnímu prostředí používají bezfreonová chladiva, která při případném úniku do ovzduší nemohou narušit ozónovou vrstvu Země. Mezi neekologická chladiva obsahující freon, která vytvářejí skleníkový efekt, se řadí například stále používané chladivo R 22.
Připomeňme si termíny zákazů používání chladiv s freony z Nařízení č. 2037/2000 Evropského parlamentu a Rady ze dne 29. 6. 2000 o látkách, které způsobují vyčerpávání ozónové vrstvy Země:
Od 1. 1. 2004 - zákaz používání chladiv s freony v nových zařízeních.
Od 1. 1. 2010 - zákaz používání nově vyrobených chladiv s freony pro údržbu a servis stávajících zařízení.
Od 1. 1. 2015 - zákaz používání zařízení s těmito chladivy.
Před 31. 12. 2008 bude přezkoumána možnost dřívějšího zákazu používání zařízení s těmito chladivy. Tepelné čerpadlo je ekologickým zdrojem tepla a mělo by pracovat s ekologickým chladivem.
Hlavní důvody proč použít tepelné čerpadlo
1. Energetický a ekonomický důvod
Tepelné čerpadlo svým provozem snižuje energetickou potřebu zdroje tepla u výrobce elektrické energie a tím i celkové provozní náklady za vytápění v objektu.
2. Ekologický důvod
Tepelné čerpadlo z 60 až 70 % využívá přírodní energii. Přispívá ke snižování emisí tím, že samo žádné emise neprodukuje a zařízení vyrábějící potřebnou elektrickou energii pro chod tepelného čerpadla ji může vyrobit méně právě o tu část, kterou získá z přírodních zdrojů.
Princip úspornosti tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlo je při svém provozu nejvíce úsporné, pokud může odebírat nízkopotenciální teplo s nejvyšší možnou
teplotní úrovní a předávat ho do topného systému s nejnižší teplotní úrovní. Výhodnější tedy bude například použití tepelného čerpadla, které bude odebírat teplo z vody o teplotě +10 °C a předávat ho do otopného systému s podlahovým vytápěním s teplotním spádem 45/35 °C, než použití tepelného čerpadla, které bude odebírat teplo ze země pomocí nemrznoucí kapaliny o teplotě 0 °C a předávat ho do otopného systému s otopnými tělesy s teplotním spádem 55/45 °C.
Parametry tepelného čerpadla nejsou určeny jen topným faktorem, ale i teplotami nízkopotenciálního zdroje tepla a teplotním spádem otopného systému. Maximální teplotní úroveň topné vody bývá v rozmezí 50 až 55 °C. Tato omezení určují především pevnostní hlediska chladicího okruhu a energetická hlediska, sledující pokles topného faktoru.
Zdroje nízkopotenciálního tepla
 Obr. 2 |
Voda bývá zdrojem tepla, který napadne většinu lidí při prvním kontaktu s tepelným čerpadlem. Je to možný zdroj tepla, který rozdělujeme na vodu podzemní (studniční) a na vodu povrchovou. Podzemní voda může být za určitých podmínek přímo využita v tepelném čerpadle, tzn. že se přímo ochlazuje ve výparníku zařízení a jako ochlazená se vrací zpět do podzemí (obr. 2). Voda musí být dostatečně čistá, nesmí způsobovat zanášení výměníku v tepelném čerpadle, její teplota musí být minimálně +8 °C a musí jí být dostatečné množství.
Pro využití podzemní vody je nutné připravit dvě studny. Jedna studna je jímací (obr. 3) a druhá je vsakovací (obr. 4). Voda nesmí být vypouštěna z tepelného čerpadla na povrch nebo do vodoteče či kanalizace. Z ekologicky hodnotnější vody by se stala méně hodnotná voda povrchová. Voda cirkuluje mezi studněmi a tepelným čerpadlem a nedochází k jejím ztrátám. Voda bývá v tepelném čerpadle ochlazena zpravidla o 4 K. Použití vody s nižší teplotou než +8 °C by mohlo způsobit zamrznutí výparníku v tepelném čerpadle a je na kvalitě regulace tepelného čerpadla, zda by došlo k jeho odstavení nebo poškození.
 Obr. 3 |
 Obr. 4 |
Povrchová voda musí splňovat stejné požadavky pro provoz tepelného čerpadla jako voda podzemní. Tyto požadavky však bývají jen velmi těžko splnitelné. Dále při využití vody jako nízkopotenciálního zdroje tepla pro tepelné čerpadlo je nutné dodržet příslušná legislativní opatření.
Voda jako zdroj tepla pro tepelné čerpadlo je z energetického a ekonomického hlediska výhodným zdrojem, avšak podmínky pro její větší využitelnost na území České republiky jsou velmi omezené.
 Obr. 5 |
2. Geotermální teplo
Teplo obsažené v zemi lze využít jako zdroj nízkopotenciální energie pro tepelné čerpadlo pomocí trubkového absorbéru. Teplo se získává nepřímo, prostřednictvím nemrznoucí ekologicky nezávadné kapaliny, která je tepelným čerpadlem vychlazena na teploty -2 až -3 °C.
Průtokem teplejším prostředím - zemí se kapalina ohřeje na teplotu 0 °C a přivádí geotermální teplo do tepelného čerpadla (obr. 5).
Absorbér je tvořen plastovým potrubím z nízkohustotního nebo vysokohustotního polyetylénu, které je uloženo svisle do hlubinných vrtů nebo vodorovně v plošném kolektoru.
Vrty bývají v hloubkách 60 až 120 m a může jich být pro jedno tepelné čerpadlo několik podle požadovaného výkonu zařízení (obr. 6, obr. 7).
 Obr. 6 |
 Obr. 7 |
 Obr. 8 |
Plošný kolektor je ukládán v hloubkách 1,5 až 2 m a jeho délka bývá třikrát větší než je délka smyčky ve vrtech pro daný výkon zařízení (obr. 8). Při ukládání potrubí pro jímání tepla ze země je třeba stále myslet na to, že teplota v trubkovém absorbéru může být nižší než 0 °C, protože vedení tepelně nezabezpečeného potrubí v blízkosti základů objektu či dokonce pod objektem by mohlo vážně poškodit statiku objektu.
Totéž platí i při křížení trubkového absorbéru s vodovodním a kanalizačním potrubím. V žádném případě není možné ukládat plošný kolektor podél venkovní kanalizace, kde není zajištěn stálý průtok splaškových vod (např. z rodinného domu či skupiny rodinných domů) tak, jak uváděly v odborných časopisech některé "odborné" firmy.
3. Vzduch
Venkovní vzduch, obsahující nízkopotenciální teplo, přímo proudí přes výparník tepelného čerpadla (obr. 9, obr. 10). Tento zdroj tepla je nejsnáze přístupný, neomezený a nejméně omezuje vnější prostředí, neboť teplo odebrané vnějšímu prostředí prostřednictvím vzduchu je zpět vráceno tepelnými ztrátami objektu. Vzhledem k tomu, že je teplota vzduchu v průběhu otopného období proměnná, dochází i k proměnlivosti topného výkonu a topného faktoru tepelného čerpadla (od +35 % do -30 %).
 Obr. 9 |
 Obr. 10 |
 Obr. 11 |
Díky vhodnému typu kompresoru (spirálovému kompresoru Scroll) a ekologického chladiva s nízkým bodem vypařování (R 404A) je dnes možné použití tepelného čerpadla pro plnohodnotné vytápění objektu v celém topném období. Omezujícími provozními teplotami bývají teploty -20 až -25 °C, dle teploty topné vody, přičemž pokles topného faktoru při poklesu teploty vnějšího vzduchu z teploty 0 °C na teplotu -15 °C je jen do 30 % (obr. 11).
Tepelná čerpadla vzduch - voda obsahující kvalitní komponenty, které mohou docílit tyto provozní parametry, se stala velmi vážným konkurentem tepelným čerpadlům odebírajícím teplo ze země.