Efektivní využívání tepelných čerpadel

Využití tepelných čerpadel pro vytápění rodinných domů se již i u nás stalo běžnou záležitostí. Vždyť jen v loňském roce bylo těchto úsporných zařízení v České republice instalováno více než 1 200. V zahraničí, například ve Švédsku nebo ve Švýcarsku, kde mají s tepelnými čerpadly dlouhodobé zkušenosti, je v poslední době patrný zvýšený důraz na efektivitu využití tepelného čerpadla a snížení množství elektrické energie, kterou tepelné čerpadlo spotřebovává. Samo použití tepelného čerpadla nemusí vždy znamenat, že je v objektu energie využívána efektivně. Prvky vedoucí k opravdu efektivnímu využívání tepelných čerpadel nejsou u většiny u nás instalovaných tepelných čerpadel zatím příliš uplatňovány.

Bohužel efektivitu provozu tepelného čerpadla nelze bez instalace drahých měřičů spolehlivě změřit tak jako například spotřebu pohonných hmot při provozu osobního vozu, kde si každý sám dokáže jednoduše spočítat, kolik jeho auto "žere". Díky tomu si žádný výrobce nedovolí prodávat vozy, které by měly spotřebu o 4 až 7 litrů vyšší než konkurenční srovnatelné auto se stejně výkonným motorem. I kdyby takové auto bylo levné, těžko by si ho někdo koupil. U tepelných čerpadel je to ovšem poměrně běžná situace. Mnozí dodavatelé nabízejí tepelná čerpadla s až dvojnásobnou spotřebou elektrické energie než srovnatelné konkurenční výrobky. Paradoxní je, že majitel takovéhoto neekonomického tepelného čerpadla s ním bývá velmi často spokojen, protože stále platí za energie výrazně méně než jeho sousedé nebo než platil dříve při jiném způsobu vytápění. Netuší, že při použití kvalitnějšího tepelného čerpadla nebo jiného technického řešení kotelny a topného systému by mohl platit o dvacet, třicet, někdy i o padesát procent méně než platí.

Pro srovnání různých přístupů k využívání tepelných čerpadel a jejich ekonomických následků jsme připravili tři vzorové příklady.

Prvním příkladem je nevhodné využití tepelného čerpadla. Typickým reprezentantem této kategorie jsou levná tepelná čerpadla obvykle vybavená málo účinnými trubkovými výměníky nebo různé chladicí jednotky, které sice umějí pracovat v režimu tepelného čerpadla, ale nejsou pro tento typ provozu optimalizovány. Teplo je odebíráno ze zemních sběračů, které jsou z důvodu úspory zemních prací uloženy na malé ploše. U těchto zařízení nebývá obvykle dodávána vhodná regulace schopná řídit dotopový zdroj nebo ohřev teplé vody. Z tohoto důvodu se často využívá akumulační nádrže v kotelně, která je pomocí jednoduché termostatické regulace nahřívána na konstantní teplotu a z ní se pak bere teplo pro topný systém nebo bojler. Teplá voda je tepelným čerpadlem pouze předehřívána a dohřev je řešen elektřinou. Často je také teplá voda vyráběna pouze v zimě, kdy se topí, a v létě je pak TUV připravována v elektrickém bojleru. Za této situace pracuje tepelné čerpadlo převážně v nevhodných provozních podmínkách a pokud se některému dodavateli tepelných čerpadel podaří na jedné instalaci spojit všechny výše uvedené nešvary dohromady, může klesnou průměrný topný faktor systému i na hodnoty 1,6 až 2.

Příkladem standardní instalace je v současné době kvalitní tepelné čerpadlo dodávané s ekvitermní regulací, které ohřívá vodu v topném systému v závislosti na venkovní teplotě. Tato regulace umožňuje automatické řízení dotopového kotle v závislosti na potřebě tepla v domě a celoroční ohřev teplé vody je oddělený teplotně od topného systému. Pro ohřev teplé vody není potřebný další elektrický zdroj. Pokud je použita akumulační nádrž, teplota v ní je řízena podle venkovní teploty. Topný systém je obvykle kombinací radiátorů a podlahového topení. Zemní sběrače jsou dimenzovány podle doporučení a zkušeností výrobce použitého tepelného čerpadla s ohledem na kvalitu zeminy a množství odebírané energie. Tepelné čerpadlo pracuje v dobrých provozních podmínkách a průměrný topný faktor systému se pohybuje v rozmezí 2,7 až 3.

Pokud budeme chtít získat od systému s tepelným čerpadlem maximum, musíme sladit a optimalizovat všechny prvky, které mají na spotřebu energie zdroje tepla vliv.

V první řadě musíme vybrat tepelné čerpadlo se špičkovým topným faktorem. Přední výrobci tepelných čerpadel (IVT, NIBE, STIEBEL ELTRON, KKW) nabízejí mimořádně úsporná tepelná čerpadla, která dosahují topného faktoru až 3,5 (0/50) nebo 4,8 (0/35). S těmito čerpadly jsou dodávány speciální regulátory, které zajistí úsporný provoz celého zdroje tepla. Druhým rozhodujícím prvkem pro úsporný provoz je použití podlahového vytápění s nízkou teplotou topné vody. Díky kvalitním tepelným izolacím nových budov nejsou výjimkou topné systémy, v nichž teplota topné vody nepřesáhne ani při velmi nízkých venkovních teplotách 35°C a během roku se teplota vody v topném systému pohybuje i pod 30°C. Použití podlahového topení snižuje i spotřebu tepla v domě a díky akumulaci tepla v betonové podlaze se snižuje i potřeba provozu dotopového zdroje. Výběr tepelného čerpadla s vysokým topným faktorem nebo instalace nízkoteplotního podlahového vytápění nepředstavuje výrazný technický nebo cenový problém. Největším oříškem je zvýšení teploty primárního nízkoteplotního zdroje tepla. Jednou z možností, jak toho dosáhnout, je předimenzování sběračů tepla. U vrtů je jejich předimenzování velmi drahé a tak se obvykle využívá plošných kolektorů, kdy místo obvyklých 250 - 350 m² zvýšíme plochu kolektoru na 500 - 800 m². Díky relativně nízké ceně výkopových prací a nízké ceně pokládané hadice není při předimenzování plošného kolektoru obvykle omezujícím faktorem cena kolektoru, ale velikost pozemku. Druhou možností, jak získat pro tepelné čerpadlo vhodnější nízkoteplotní zdroj energie, je využití odpadního větracího vzduchu použitého v domě. V tomto případě je ovšem nutné instalovat v domě nucené větrání. Na rozdíl od běžných systémů, zde ale není použit rekuperační výměník a teplo z odpadního vzduchu je využíváno přímo tepelným čerpadlem. V době, kdy je v chodu větrací systém, ale není potřebný chod tepelného čerpadla, je přebytečné teplo z větracího vzduchu ukládáno v primárním okruhu tepelného čerpadla. Teplota primárního okruhu je tak celoročně vysoká. Takto zapojené tepelné čerpadlo pracuje v nejlepších možných provozních podmínkách a průměrný topný faktor systému se pohybuje v rozmezí 3,7 až 4.

I majitel tepelného čerpadla musí počítat s tím, že ceny energií a tím i náklady na provoz systému s tepelným čerpadlem v budoucnu porostou. Měl by proto volit taková technická řešení, která i když budou zpočátku investičně náročnější, přinesou z dlouhodobého pohledu zisk. Rozdíl ve spotřebě elektrické energie mezi nevhodnou a optimální variantou zapojení tepelného čerpadla z výše uvedeného příkladu je u domu s tepelnou ztrátou 14 kW přibližně 7000 kWh/rok, což při aktuální průměrné ceně elektrické energie 1,30 Kč/kWh představuje velmi solidní roční úsporu 9 000 Kč. Pokud budeme uvažovat 20 let provozu technologie s průměrnou cenou elektrické energie 3 Kč/kWh, ušetří optimalizovaná instalace tepelného čerpadla oproti nevhodnému zapojení skoro neuvěřitelných 420 000 Kč. Při srovnání optimální instalace tepelného čerpadla se standardní vykazuje standardní řešení vyšší spotřebu energie o 30 - 40 %. Roční úspora provozních nákladů pak je cca 3 100 Kč.

Spotřeba elektrické energie při různých způsobech zapojení tepelného čerpadla.
(Pro spotřebu tepla 20 000 kWh na vytápění a 4 500 kWh pro ohřev teplé vody.)

Tepelné čerpadlo IVT Greenline, odebírající teplo
z plošného kolektoru a současně z odpadního větracího vzduchu.