Tepelné čerpadlo - topení budoucnosti

Tepelné čerpadlo je zařízení, které dokáže získávat tepelnou energii z okolního prostoru; ze vzduchu, z vody, ze země. Děje se to pomocí zemních sond nebo kolektorů, čerpáním vody ze studní, a v případě tepelných čerpadel REGULUS odebíráním tepelné energie ze vzduchu.

Toto zařízení máte každý z vás doma v kompresorové ledničce. V ní se přečerpává energie chlazených potravin na teplo, které se odvětrává radiátorem na zadní stěně ledničky. Přečerpává tedy nízkou teplotu uvnitř ledničky na teplotu vyšší než teplota v místnosti.

Tepelné čerpadlo přečerpává energii o nižší teplotě na vyšší teplotu, využitelnou pro topení nebo ohřev vody. Aby se zvýšil teplotní potenciál, je nutné dodat určitou energii kompresoru, který stlačuje pracovní látku.

Obr. 1

Princip funkce tepelného čerpadla je na obr.1. Stlačené kapalné teplonosné médium se rozpíná v expanzním ventilu a ve výparníku mění své skupenství na plyn (páru). Tím se ochladí na nízkou teplotu a přejímá teplo ze svého okolí (z vody, země nebo vzduchu) a ohřívá se. Plynné teplonosné médium je nasáváno kompresorem a stlačeno v kondenzátoru, kde zkapalní a zvýší teplotu kondenzátoru - obvykle na 55^oC. Kondenzátor je konstruován jako výměník, ve kterém proudí voda do okruhu vytápění. Tento pracovní cyklus se opakuje.

Topný faktor

Efektivnost pracovního cyklu tepelného čerpadla vyjadřuje topný faktor. Je to poměr elektrického příkonu kompresoru a tepelného výkonu, který z tepelného čerpadla získáme. V obvyklých aplikacích se topný faktor pohybuje kolem čísla 3. To znamená, že na 3 kW spotřebované energie kompresorem získáme 9-10 kW tepelné energie.

Tento topný faktor je závislý na teplotě zdroje tepla, v našem případě na teplotě vzduchu. Díky použití kompresoru typu Scroll je však možné provozovat zařízení i při velmi nízkých teplotách. Tepelné čerpadlo REGULUS pracovalo ještě při teplotě -25°C, topný faktor však byl velmi nízký. Průběh výkonu tepelného čerpadla v závislosti na venkovní teplotě je na obr.2.

Obr. 2

Při teplotách venkovního vzduchu od -5 °C do 7 °C se tvoří na spodní části vzduchového výparníku námraza z vlhkosti vzduchu. Ta se odstraňuje reverzací - asi na dvě minuty se obrací oběh tepelného čerpadla, ventilátor se zastaví, teplo se odebírá z topné soustavy a výparník se ohřívá, led odtaje a spadne. Při teplotách nižších než -5 °C se námraza již netvoří, protože vzduch je suchý. Při teplotách vyšších než 7°C se námraza také netvoří, vzduch je teplý, pouze okapává voda. Automatika tepelného čerpadla také zamezuje častému spínání tepelného čerpadla tak, aby nebyl přetěžován motor kompresoru a byla zachována ekonomika provozu.

Tepelná čerpadla vzduch - voda

U tepelného čerpadla REGULUS se odebírá teplo ze vzduchu výparníkem, který bývá umístěn na volném prostranství. Výparník má nízkou hlučnost a tak v obytných zónách nerušil sousední obytné domy. Nevýhoda poklesu topného faktoru v minusových teplotách musí být vyvážena náhradním zdrojem vytápění (např.elektrokotlem). V přechodném topném období, kdy venkovní teplota dosahuje plusových teplot má tato koncepce výrazně vyšší topný faktor, tedy i lepší ekonomiku provozu. To ocení zejména uživatelé s ohříváním teplé vody nebo bazénu

Výhodou je, že vzduchu je všude dostatek a zařízení zabírá málo místa, montáž je rychlá a velmi jednoduchá.

Další využití

Tepelné čerpadlo může navíc sloužit zároveň jako chladící zařízení pro klimatizaci a odvedené teplo využít například pro ohřev užitkové vody nebo bazénu.

Klimatické poměry a potřeba tepla

Topná sezóna trvá asi 210-240 dnů v roce. Podle změny venkovní teploty se mění i množství tepelné energie potřebné k vytápění daného objektu. Toto množství tepla je vyjádřeno tepelnou ztrátou objektu v kW k venkovní teplotě dané klimatickým pásmem, ve kterém se objekt nachází. V okolí Prahy je to např. -12^oC. Takže například pro běžný rodinný dům je potřeba tepelného zdroje o výkonu 15 kW při venkovní teplotě - 12^oC. Při venkovní teplotě 0 °C je potřeba k vytápění už jen 9,5 kW. Při tom z dlouholetých meteorologických měření vyplývá, že počet dnů s průměrnou teplotou nižší než 0^oC je v Praze jen 43 dnů a s teplotou -5°C a nižší jen 11 dní v roce.

Venkovní teplota	Potřeba tepla	Počet dnů s nižší teplotou	Teplota topné vody
- 12°C	15 kW	2	55 °C
- 5°C	12 kW	11	48 °C
0°C	9,5 kW	43	40 °C

Dimenzování

Z klimatických poměrů vyplývá, že objekt využívá maximálního výkonu tepelného zdroje jen několik dní v roce. Z tohoto důvodu se tepelné čerpadlo dimenzuje na 70-80 % výkonu k tepelné ztrátě objektu a zbytek energie dodá přídavný zdroj tepla. Tím klesnou pořizovací náklady jak na tepelné čerpadlo, tak i na jeho vlastní provoz.

Bivalence

Tepelné čerpadlo většinou nekryje celý topný výkon při nejnižších teplotách venkovního vzduchu. Toto tzv. monovalentní provedení by bylo zbytečně předimenzované. V chladnějších měsících s teplotami pod teplotou bivalence (kolem 0° až -5°C) tepelné čerpadlo dodává pouze část potřebného tepla, zbytek tepla je vyráběn jiným zdrojem (kotel na elektřinu, plyn, pevná, kapalná paliva,...). Tento provoz je nazýván jako bivalentní. Doba trvání velkých mrazů je v topném období velmi krátká, proto se bivalentní zdroj podílí na spotřebě energie jen asi 1/10 celkové potřeby tepla (obr.3).

Obr. 3

Topná soustava

Pro vytápění tepelným čerpadlem je důležité správně nadimenzovat topnou soustavu. Výhodné jsou nízkoteplotní topné soustavy (podlahové topení, velkoplošné radiátory), protože pro efektivní využití tepelného čerpadla je nutné, aby rozdíl teplot mezi nízkopotenciálním zdrojem a topným okruhem byl co nejnižší. Proto je nejvhodnější použití podlahového vytápění s teplotním spádem 35/30°C. Pokud jsou použity radiátory, pak ještě vyhoví velkoplošné typy s teplotním spádem nejvíce 55/45°C. Starší otopné soustavy s teplotou dimenzovanou na 90/70°C bývají často velmi předimenzované a je nutné ověřit, jestli postačí teplota topné vody z tepelného čerpadla, která je 55°C. Je možné, že po např. zateplení objektu nebude potřeba stávající radiátory měnit.

Obr. 4

Výkon bivalentního zdroje

S klesající venkovní teplotou klesá výkon tepelného čerpadla a současně ekvitermní řízení teploty otopné vody zvyšuje žádanou teplotu otopné vody. Pokud ji tepelné čerpadlo není schopno dodat, zapíná se bivalentní zdroj tepla (např.elektrokotel). S dále klesající venkovní teplotou klesá ještě více výkon tepelného čerpadla a bivalentní zdroj zvyšuje teplotu otopné vody a tím i teplotu vratné vody.

Návrh vytápěcího systému

Teplota topného média je ve vytápěcích systémech s tepelným čerpadlem omezena nejvyšší teplotou otopné vody 55°C. Toto omezení je dáno jednak tím, že s teplotou teplonosné látky souvisí tlak v kompresoru a ten je omezen jeho konstrukcí a při větších teplotách navíc dochází k poklesu topného faktoru.

Z důvodu omezení teploty je nutno použít systém s nižším rozdílem teplot otopné a vratné vody v topném systému. Aby se předala potřebná energie, je nutné zajistit vyšší průtok teplonosné látky. Na tyto podmínky je nutno navrhnout nebo upravit otopnou soustavu.

Obr. 5

Připojení bivalentního zdroje

Připojení je možné dvěma způsoby. Pokud je bivalentní zdroj samostatný kotel, připojí se do topného okruhu za akumulační nádrž. V případě nové instalace je výhodné instalovat do horní části akumulační nádrže topnou vložku tak, aby přes ní byl zajištěn průtok topného média před výstupem do topné soustavy.

Úspory

Jako příklad můžeme uvést větší rodinný dům s tepelnou ztrátou např. 15 kW (dům z pórobetonových tvárnic o obytné ploše asi 200 m2) spotřebuje asi 39000 kW tepla za rok. Pak lze sestavit níže uvedenou tabulku

Tepelná ztráta objektu	15	kW
Roční spotřeba tepla pro vytápění	39 000	kWh
Roční spotřeba tepla pro přípravu TUV	4 000	kWh
Roční spotřeba energie pro další účely (vaření, praní, ostatní domácí spotřebiče)	4 800	kWh
Jistič	do 3x32A

	ELEKTŘINA PŘÍMOTOP	TEPELNÉ ČERPADLO	ZEMNÍ PLYN	KAPALNÝ PROPAN	TOPNÝ OLEJ
Náklady za rok [Kč]	60 800	25 500	45 300	99 200	73 700
	239%	100%	178%	459%	289%
Úspora za rok [Kč]	35 300	0	19 800	73 700	48 208

Z přehledu je vidět porovnání cen za energie a další platby s odběrem dané energie spojené (stálé platy, nájmy,..). S uvážením všech těchto vlivů je zřejmé, že návratnost instalace tepelného čerpadla je výrazně nižší, než většina zákazníků předpokládá.

Zvýhodněná sazba elektřiny

Tepelné čerpadlo je počítáno při použití speciální sazby pro tepelná čerpadla, kterou energetické závody zavádějí od nového roku ještě výhodněji.

	Sazba D55 "tepelná čerpadla"	Sazba D45 "přímotopy"
Stálý plat - jistič do 32 A ročně	3300,- Kč	7644,- Kč
Doba trvání nízkého tarifu	22 h	20 h
Cena za kWh v nízkém tarifu	1,-Kč	1,10 Kč

Jen možností zavedení této sazby ušetří provozovatel 4344,- ročně na stálých platech a dále další 10% za elektrickou energii v nízkém tarifu, kterou má navíc o 2 hodiny denně déle - což představuje další úspory při spotřebě spotřebičů v domácnosti.

Ceny instalace

Cena tepelného čerpadla pro běžný rodinný domek činí 130 až 150 tisíc korun. K tomu je nutno připočítat cenu za montáž elektroinstalace a topenářské práce. Její výše je ovlivněna především složitostí umístění a celkovou připraveností topného systému.

Je to tedy výhodné

Srovnání si udělejte z uvedených údajů sami ...

Tepelná čerpadla regulus

Výkony jsou uvedeny pro teplotu vzduchu 10°C a vody 35°C/40°C.

Model REGULUS		TC10	TC15	TC17	TC28	TC32	TC48
Výkon	kW	10,25	15,52	16,91	28,57	31,12	47,45
Příkon	kW	3,23	4,11	4,48	8,57	9,23	13,92
Topný faktor		3,17	3,78	3,77	3,33	3,37	3,41
Napětí	V/Hz	3 x 400 / 50
Výměník		deskový, nerezová ocel
Optim. průtok	m3/h	1,5	2,0	2,5	4,0	5,0	6,3
Rozměry v/š/h	mm	1350/1040/560			1740/1090/1290
Hlučnost	dB(A)	58	58	71	65	65	74
Hmotnost	kg	150	155	160	350	365	380

Obr. 6

Tepelná čerpadla REGULUS jsou vybavena oběhovým čerpadlem, vyrovnávacím zásobníkem a vestavěným nerezovým výměníkem pro ohřev topné vody. Přepnutím na letní provoz mohou i chladit.

Výhodou jejich kompaktní konstrukce je velmi jednoduchá montáž a to i pro stávající topné systémy a nízké pořizovací náklady.

Tepelná čerpadla REGULUS jsou vybavena digitální mikroprocesorovou regulací s hlášením provozních stavů a možností nastavení požadovaných výstupních teplot.

Naši technici jsou připraveni Vám navrhnout optimální řešení Vašeho topného systému, ohřevu teplé užitkové vody a bazénu včetně regulace, akumulačních nádrží apod.