Moderní a úsporné řešení vytápění - tepelná čerpadla v kombinaci s podlahovým vytápěním

Základní rámec, ve kterém se pohybujeme, vytvářejí u nově navrhovaných domů hodnoty potřeby tepla na vytápění 20 až 50 W/m² v otopném období a 30 až 60 W/m² v letním období s potřebou chladit. Potřeba chladu je výrazně závislá nejen na velikosti prosklení, tedy ploch, kterými do budovy může pronikat sluneční záření, ale i na orientaci budovy, umístění v terénu, zastínění vzrostlými stromy, okolními budovami aj., na provozu domácích spotřebičů, přítomnosti osob, a její velikost může být v nových objektech větší, než je potřeba tepla. Zejména při aktuálním trendu přechodu na budovy s téměř nulovou spotřebou energie ve zkratce označovaných jako nZEB (Near Zero Energy Building).

Ve spojitosti s využitím tepelných čerpadel nabízí tyto varianty zdrojů tepelné energie:

• země
• vrty (TČ umístěno uvnitř objektu)
• plošné kolektory (TČ umístěno uvnitř objektu)
• vzduch (TČ umístěno uvnitř nebo vně objektu)
• voda (TČ umístěno uvnitř objektu)

Na straně otopné soustavy pak stojí:

• otopná tělesa (radiátory, konvektory aj.)
• plošné systémy předávání tepelné energie (lze snadno využít i pro chlazení)
  - podlahové
  - stěnové
  - stropní

Na výsledné tepelné pohodě člověka se podílí nejen teplota vzduchu, ale také střední teplota stěn, které ho obklopují. Při vytápění radiátory dominuje ohřev vzduchu, od kterého se ohřívají okolní stěny. Při plošném vytápění dominuje střední teplota stěn a teplota vzduchu může být proto nižší.

V novostavbách se často oba způsoby kombinují, v části objektu se realizuje jen podlahové vytápění, v jiné části oba způsoby a v některých částech se ponechává jen otopné těleso. Tyto kombinace však nemusí z pohledu ekonomiky provozu s tepelným čerpadlem nejvýhodnější. Je to dáno tím, že při plošném vytápění stačí k dosažení tepelné pohody teplota vzduchu nižší o 2 až 3 °C. Tím se snižuje únik tepla z objektu přes stěny sousedící s vnějším prostředím a tyto tepelné úspory mohou dosáhnout až 9 % energie potřebné na vytápění s otopnými tělesy.

Pro člověka je ideální, pokud je v místnosti nejvyšší teplota vzduchu v úrovni nohou a postupně směrem nahoru klesá, například v rozmezí od cca 22 °C dole k 16 °C nahoře. Přiblížit se tomuto ideálu dokáže jen podlahové vytápění se zdrojem tepla dole v podlaze. Pokud jsou k vytápění použita otopná tělesa, tak teplota u podlahy je vždy nejnižší. Tento fakt chladna odspodu většinou lidi řeší zvyšováním teploty vzduchu a s tím jsou spojeny již zmíněné ztráty tepla přes venkovní stěny.

Na ekonomiku provozu tepelného čerpadla má velký vliv způsob, jakým docilujeme tepelnou pohodu. K posouzení se používá tzv. topný faktor. Čím je vyšší, tím lépe. U tepelných čerpadel vzduch voda ho sledujeme v rozsahu teplot vnějšího vzduchu od -20 °C do +35 °C, tedy v rámci v současnosti běžného pracovního rozsahu tohoto druhu tepelných čerpadel. Víme, že s klesající vnější teplotou vzduchu a potřebou dodávat do objektu teplo s vyšší teplotou topný faktor klesá. U tepelných čerpadel země - voda je na primární straně tepelného čerpadla sice menší rozdíl teplot, ale na výstupní straně do otopné soustavy zůstává stejný, tak i u těchto tepelných čerpadel s klesající vnější teplotou vzduchu a potřebou dodávat do objektu teplo s vyšší teplotou topný faktor klesá. Podobně jako tepelná čerpadla země - voda jsou na tom i tepelná čerpadla voda - voda. Zatímco vstupní vnější přírodní podmínky pro činnost tepelného čerpadla můžeme ovlivnit jen stěží, můžeme významně ovlivnit podmínky na straně výstupní. A to snížením požadované výstupní teploty otopné vody z tepelného čerpadla do otopné soustavy. Pro vytápění s radiátory potřebujeme přibližně počítat s výstupní teplotou 50 °C. Pro plošné systémy postačí výstupní teploty 35 °C. Toto snížení výstupní teploty představuje zvýšení topného faktoru o cca 25 %.

Nejčastěji se jako plošný systém používá podlahové vytápění. Pro vytápění a případné chlazení místností je výhodnější kombinace se stěnovým vytápěním nebo instalace plošného systému na strop. Ve velkých administrativních budovách se prosazují plošné systémy zabudované do betonových konstrukcí, které z původně pasivních prvků stavby dělají tepelně aktivní. Tyto systémy mohou působit obousměrně, tedy jak z podlahy, tak ze stropu. Pro vytápění je příkladně počítáno s výkonem od podlahy nahoru okolo 11 W/K.m² a od stropu dolů zhruba s polovinou. V případě chlazení se poměr otočí. Tento fakt pomáhá co nejvíce se blížit ideálnímu rozvrstvení teplot v místnosti, tedy tepleji dole a chladněji nahoře.
Příznivým faktorem u plošných systémů je jejich velká samoregulační schopnost. To znamená rychlý pokles výkonu vytápění při náhlém vzrůstu vnitřní teploty v místnosti i v malém teplotním rozmezí například 2 °C, typicky od slunečního záření.

Výhoda schopnosti tepelného čerpadla pracovat v opačném režimu, tedy v režimu chlazení, je zajímavá pro tepelná čerpadla země - voda. Neboť nežádoucí teplo z objektu vrací do vrtu, zemního kolektoru, tedy zemního masivu a tím zlepšuje jeho připravenost na otopnou sezónu.

Zemní vrty, kolektory atp. nabízejí možnost je využít pro tzv. pasivní chlazení. Tedy bez základní činnosti tepelného čerpadla, jeho chladicího okruhu. V povozu zůstává oběhové čerpadlo mezi vrtem a výměníkem a oběhové čerpadlo otopné, respektive v této fázi chladicí, soustavy mezi výměníkem a plošným systémem. V podstatě lze pasivní chlazení doinstalovat i na již provozované stávající systémy s tepelným čerpadlem země - voda.

Základními výhodami pasivního chlazení je:

• pouze jedna soustava pro předávání tepla a chladu
• nízké náklady na úpravu strojovny pro chlazení (většina potřebných prvků je instalována pro vytápění)
• odpadá problém s hlukem
• odpadá problém s prouděním studeného vzduchu v místnostech s instalovanými klimatizacemi pracujícími na principu pouze ochlazování vzduchu, neboť tyto systémy musí pracovat s mnohem nižší teplotou vzduchu vraceného do místností
• nevysušuje se vzduch
• při chlazení neběží kompresor
• pro získání chladu vyžaduje pasivní chlazení jen energii oběhových čerpadel, zatímco při aktivním chlazení musí běžet kompresor chladicího stroje, tedy i tepelného čerpadla v obráceném režimu s potřebou energií mnohonásobně vyšší.

Nevýhody jsou:

• nelze docílit tak nízkých teplot, jako s aktivním chlazením
• zpravidla není možné odvést celou tepelnou zátěž místnosti v krátkém čase (toto ale většinou vyřeší nepřetržitý provozní režim pasivního chlazení s akumulací chladu do stavebních konstrukcí)
• jsou zapotřebí velké teplosměnné plochy, celý strop, někdy i stěny
• potřeba nejlépe využívat zemní vrty, protože teplota v povrchových kolektorech může významně omezit funkci chlazení (nevýhoda realizace vrtů je relativní, neboť na druhé straně jsou výhodné pro chod tepelného čerpadla ve fázi vytápění)

Pasivní chlazení je výhodné i jako základ, který bude jen v exponovaných místnostech doplněn aktivními způsoby chlazení, ale s potřebou mnohem menších výkonů, spotřeb energií a menšími investičními náklady.

Ing. Smrž v přednášce představil i několik ukázkových realizací. Například zahraniční administrativní budovu 1800 m², a plošnými systémy v betonových konstrukcích, s topným výkonem 109 kW, chladicím výkonem 58 kW využívající 8 zemních vrtů aj. V tuzemsku je aktuálním příkladem škola v Líbeznici u Prahy, kde je 6 zemních vrtů o celkové délce 780 m s topným výkonem 57,6 kW. Plošnou soustavu tvoří trubky zalité v betonové konstrukci stropu sloužící jak pro vytápění, tak chlazení. (Pamětníci realizací soustavy Crittal ve školách v minulém století mohou jen zamáčknout slzu u oka, že tehdy neměli k dispozici současné technické prostředky).

Aktivní chlazení s tepelnými čerpadly přichází do úvahy především u tepelných čerpadel vzduch - voda napojených opět na plošné systémy především stěnové, stropní. Některé typy tohoto druhu tepelných čerpadel již jsou na přepínání funkcí připraveny od výrobce a dodávají se jako reverzibilní. Energeticky jsou tato tepelná čerpadla ve fázi chlazení velmi podobná klimatizacím. Výhodou jsou investiční náklady z pohledu celku a stejně jako u pasivního chlazení absence hluku, proudění vzduchu.

Volba otopné soustavy z velké míry ovlivňuje nejen ekonomiku provozu tepelného čerpadla při vytápění, ale i rovněž možnost využití obrácené funkce, tedy chlazení. Proto je velmi důležité věnovat pozornost nejen samotnému tepelnému čerpadlu, ale i otopné - chladicí soustavě.