Znalosti o tepelných čerpadlech ve 4 blocích: Porozumění tepelným čerpadlům (I)
Technologie a legislativa se mění stále rychleji a nároky na pracovní místa a odbornou kvalifikaci se zvyšují. Energetická účinnost budov je žhavým tématem – v podnikání, průmyslu i politice. To způsobuje, že již probíhající přechod od fosilních paliv k tepelným čerpadlům, hybridním vytápěcím systémům a solárním termickým systémům bude pokračovat. Kromě digitálních dovedností je potřeba také hluboké porozumění měnícímu se trhu a technologiím. V sérii článků věnovaných tepelným čerpadlům bychom Vám rádi přiblížili základní principy a systém jejich fungování.
Blok 1: Porozumění tepelným čerpadlům
Tepelná čerpadla jsou v běžném životě stále důležitější. Vytápějí budovy, v případě potřeby mohou chladit a nebo ohřívat vodu z vodovodu pro sanitární účely. Tepelná čerpadla mohou prokázat své výhody oproti alternativním nebo fosilním otopným soustavám, pokud jsou ideálně dimenzována, celá soustava je optimálně navržena a obyvatelé domu je provozují správně. Při pravidelné údržbě a provozu na zelenou elektřinu – nejlépe z vlastního fotovoltaického systému – chrání tepelná čerpadla nejen životní prostředí, ale i peněženku zákazníka.
Venkovní jednotka tepelného čerpadla
Tepelná čerpadla se používají hlavně v obytných budovách. V závislosti na požadavcích na vytápění se topný výkon zařízení pohybuje mezi 5 až 20 kW. Takovými typy použití se se zabývá tato praktická příručka. Tepelná čerpadla jsou mezi topnými zařízeními největším segmentem, který vykazuje nejvyšší tempo růstu. Větší zařízení pro vytápění nebo pro procesní chlazení až do megawattového rozsahu se používají v obchodu a průmyslu, v nákupních centrech, v hotelech, kancelářských a administrativních budovách nebo ve volnočasových zařízeních, jako jsou bazény nebo víceúčelové haly. Existují také čistá teplovodní tepelná čerpadla, která se používají výhradně pro sanitární účely. Tepelná čerpadla pracují podle následujícího principu: Uvnitř je hermeticky uzavřený potrubní systém, chladicí okruh. U dělených konstrukcí je tento okruh pomocí měděných trubek rozšířen k externí jednotce a cirkuluje v něm chladivo. Jedná se o provozní tekutinu, která absorbuje teplo při nízké teplotě a nízkém tlaku a při vyšším tlaku a teplotě jej znovu uvolňuje. Tyto takzvané kompresní chladicí okruhy se skládají ze čtyř hlavních komponent a jsou stručně popsány níže. Provozními kapalinami tepelného čerpadla jsou chladivo, olej v kompresoru a solanka nebo podzemní voda jako teplonosné médium. Volba chladiva závisí na dostupné nabídce, ekologických a bezpečnostních aspektech, možnostech dotace, ale především na rozhodnutí zákazníka.
1. Zdroj tepla – chladič – hranice soustavy
Tepelná čerpadla odebírají teplo z různých zdrojů při nízké teplotní úrovni a zvyšují jej na požadovanou výstupní teplotu. V soukromých budovách se používají následující zdroje tepla:
- Vzduch
- Země (solanka)
- Voda
Nejčastěji používaným a stále častějším zdrojem tepla je vzduch. Za ním je geotermální teplo ze solanky v sondách, zemních kolektorů nebo jiných technik, jako jsou geotermální energetické koše. Zcela výjimečně se používá podzemní nebo studniční voda. Každý zdroj tepla má své výhody a nevýhody, které popisuje následující tabulka. Zdá se však, že se tepelná čerpadla vzduch-voda stávají akceptovatelnými v novostavbách rodinných a bytových domů, a to především kvůli jejich neomezené dostupnosti a nižším investičním nákladům. Podobný trend se objevuje také u stávajících budov. Důvodem je, že vzduch je nejsnadněji získaným zdrojem tepla. A navíc: Nové generace modulačních tepelných čerpadel nyní poskytují přijatelné sezónní výkonnostní faktory pro starší budovy.
(Zdroj: Maximize Market Research PVT. LTD.)
| Zdroj tepla | Výhody | Nevýhody |
|---|---|---|
| Vzduch | Dostupný všude Snadná realizace Vhodný i pro renovace Nízké investiční náklady |
Nutné odtávání Hluk šířený vzduchem Kolísání teplot Nutné velmi dobré plánování |
| Země/solanka | Vysoká teplota vstupního média (cca 10 °C) Konstantní teplota Vysoká výtěžnost (přenos tepla) Velmi dobré sezónní výkonnostní faktory |
Náročná realizace Vysoké náklady na realizaci Potřeba odběrového místa Ochlazování půdy |
| Voda | Relativně konstantní teplota Relativně vysoká teplota Možnost pasivního chlazení Dobré faktory sezónní výkonnosti |
Vysoké náklady na realizaci Není k dispozici všude Riziko opotřebení Dodržování předpisů na ochranu životního prostředí |
(Zdroj: ©NutzWort)
Místo přenosu tepelné energie z chladicího okruhu se nazývá chladič a v praxi je to obvykle vyrovnávací nádrž. Z té se pak teplo přenáší prostřednictvím hydraulického systému do radiátorů, podlahového, nástěnného nebo stropního vytápění v místnostech budovy. Alternativně je možné ohřívat vzduch v místnosti konvektory, i když v rodinných a bytových domech se používají jen zřídka. Teplá voda pro použití v koupelně nebo kuchyni může být podle způsobu provedení napojena na stejný nebo na samostatný zásobník, nebo může být vyráběna čistě teplovodním tepelným čerpadlem.
Čím menší je teplotní rozdíl mezi zdrojem tepla a chladičem, a tedy čím nižší jsou výstupní teploty, tím efektivněji může tepelné čerpadlo pracovat. Chladiče, hydraulické zásobování budovy, ani výměníky tepla (systém rozvodu a akumulace tepla) nejsou na následujících stránkách blíže rozebírány, ale jsou zásadní pro energetické plánování otopné soustavy s tepelným čerpadlem.
Hranice soustavy je zakreslena kolem tepelného čerpadla a systému zdroje tepla. Hlavní důraz je kladen na vzduch, protože je zdaleka nejčastěji používaným zdrojem tepla.
2. Návrhy
Existují dva základní typy tepelných čerpadel:
- Monoblok
- Dělené provedení
Monoblok
Monoblok znamená, že je celý chladicí okruh je umístěn uvnitř tepelného čerpadla. Existují monobloková tepelná čerpadla pro vnitřní i venkovní instalaci.
Umístění tepelného čerpadla v budově se praktikuje pro všechny známé zdroje tepla. V případě vzduchu je tepelné čerpadlo propojeno s okolím dvěma kanály pro přívod a odvod vzduchu. Musí být zabráněno nevhodnému vzájemnému umístění přívodních a odvodních výustí, aby nedocházelo ke zkratu proudění vzduchu. Stejně tak je třeba odbornou izolací kanálů zabránit vzniku tepelných mostů. Teplo se ze země odebírá pomocí sond, zemních kolektorů nebo košů. Připojení k tepelnému čerpadlu uvnitř je realizováno přes okruh solanky, který izolovaný od okolí. Při použití vody je však soustava otevřená. Ze zdrojové studny se spodní voda čerpá přímo do tepelného čerpadla a vrací se zpět přes vsakovací studnu.
Systém tepelného čerpadla (Zdroj: BWP)
Venkovní instalace monobloku, které používají vzduch jako zdroj tepla, se často používá pro rodinné a bytové domy. Rekuperované teplo se pak dostává do akumulační nádrže v budově přes dobře izolovaný okruh solanky. Proto také různí výrobci označují tuto variantu jako dělenou (splitovou) technologii s děleným okruhem chladiva. U jednotky instalované venku je třeba zvážit různé aspekty. Měla by být umístěna co nejblíže vnitřní jednotce, aby nedocházelo k tepelným ztrátám přes potrubí solanky. V zimě může výparník namrzat, a proto se bude pravidelně odmrazovat. Rozmrazená voda musí mít možnost odtékat a nesmí pod tepelným čerpadlem vytvářet nebezpečné náledí. Kromě toho nesmí hluk kompresoru způsobovat rušení okolního prostředí.
Výhody:
- Není nutný žádný zásah do chladicího okruhu
- Malý objem náplně chladiva
- Žádný hluk z kompresoru při vnitřní instalaci
Nevýhody:
- Ztráta účinnosti v důsledku přídavného výměníku tepla v okruhu solanky
- Pro vnitřní instalaci je nutné zvukové oddělení budovy a rozvodné sítě
- Při venkovní instalaci je možná námraza a emise hluku do sousedních budov
Dělená konstrukce (Split)
Dělené provedení s uzavřeným chladicím okruhem je speciální konstrukce tepelných čerpadel vzduch-voda. Ve venkovní jednotce je umístěn kompresor, výparník a expanzní ventil. Kondenzátor je uvnitř, často kombinovaný s hydraulikou a malou vyrovnávací nádrží pod jedním krytem. Existují také jednotky, které mají pouze výparník a ventilátor ve venkovní jednotce se zbytkem chladicího okruhu ve vnitřní části. V obou případech však musí být venkovní a vnitřní jednotka propojeny potrubím vedoucím chladivo, které dohromady tvoří chladicí okruh. Venkovní jednotka by měla být umístěna co nejblíže vnitřní jednotce, aby byl udržován malý objem náplně chladiva. Pokud jde o námrazu a emise hluku, platí stejné požadavky jako pro monoblok instalovaný venku.
Pro instalaci utěsněných propojovacích potrubí mezi venkovní a vnitřní jednotkou, pro evakuaci, plnění a také pro uvedení do provozu potřebuje odborný technik odborné znalosti v oblasti chlazení.
Výhody:
- Uzavřený chladicí okruh uvnitř i venku
- Lepší koeficient výkonu tepelného čerpadla
- Všechny hlučné komponenty jsou většinou mimo budovu
Nevýhody:
- Větší množství náplně chladiva
- Nezbytné odborné znalosti v oblasti chlazení
- Emise hluku a námraza venkovní jednotky
3. Provozní režimy
Pokud zajišťuje tepelné čerpadlo kompletní dodávku tepla a teplé vody do budovy, označuje se jako monovalentní systém. Použitá hnací energie je pak výhradně elektrická energie. Tehdy se například integrované topné těleso jako přímotop stává součástí plánování potřeby tepla. To může být užitečné, aby tepelné čerpadlo pracovalo s optimálním koeficientem výkonu během hlavní provozní doby, ale pak nezvládá špičkové zatížení při velmi nízkých teplotách zdroje tepla. Přesto dosahuje soustava během roku lepšího faktoru sezónního výkonu, než je tomu v monovalentním provozu. Druhou možností může být krátkodobý ohřev zásobníku teplé vody z hygienických důvodů. Určení, který z těchto dvou provozních režimů daný typ tepelného čerpadla poskytuje, a který je pro zákazníka tou správnou volbou, kromě emisí CO2 také s ohledem na provozní náklady, vyžaduje zkušenosti s plánováním a v případě pochybností konzultaci s výrobcem.
Další možností je bivalentní provoz tepelného čerpadla. Zde pokrývá potřebu tepla kromě elektrické energie také další primární zdroj energie. Při rekonstrukci budovy tak může být stávající otopná soustava nadále používána souběžně s novým tepelným čerpadlem, například pouze pro přípravu teplé vody nebo pro kompenzaci špičkového zatížení. Další variantou je spojování energie prostředí k pokrytí potřeby tepla. Příkladem je použití solárního termického systému, kamen na pelety nebo dřevo, nebo zdroj tepla u budov zásobovaných dálkovým vytápěním. Takové soustavy jsou často označovány jako hybridní soustavy tepelných čerpadel. Kromě toho existují hybridní jednotky, které kombinují tepelné čerpadlo a plynový kotel v jednom obalu. Jsou primárně určeny pro budovy po rekonstrukcích a dokáží zjistit, zda je ekologičtějším nebo ekonomičtějším způsobem provozu elektrická energie nebo plyn.
Pokud chce majitel domu tepelným čerpadlem také chladit, existují na trhu řešení. Jedná se o reverzibilní systémy, které lze přepínat. Tyto nároky kladou na odborného technika při plánování další požadavky, zejména z pohledu absorpce tepla v budově a také z pohledu kontrolních aspektů. Pokud jsou povrchy, jako například podlahy, stěny a stropy, již od počátku správně navrženy, mohou být využity také pro chlazení místnosti. Dobrým alternativním řešením jsou pro vytápění a chlazení jsou konvektory. Teplota přívodu v každé místnosti musí být pečlivě monitorována. Pokud je příliš nízká, může ve stavebním materiálu vznikat kondenzát a vlhkost.
Z pohledu investic jsou reverzibilní systémy také nákladnější než čistá tepelná čerpadla.
4. Praktická chladiva
Teoreticky lze pro chladicí okruhy použít různá chladiva. Ne vše, co je na trhu, je však pro tepelné čerpadlo vhodné: Termodynamika, různé bezpečnostní požadavky v budově, dostupné vybavení, ekologické aspekty a také záměr zákazníka, to vše omezuje volbu vytápění. V současné době neexistuje žádné chladivo, které by pokrylo všechny požadavky. To znamená, že je vždy nutný kompromis.
V posledních letech význam přírodních chladiv pro vytápění výrazně vzrostl – a to nejen od doby, kdy celosvětově vstoupily v platnost přísnější předpisy (např. nařízení EU o F-plynech 517/2014). U tepelných čerpadel mezi ně patří nejen oxid uhličitý (R 744), ale také uhlovodíkové plyny, jako je propen (R 1270) a zejména propan (R 290). Jak z hlediska termodynamiky, tak z hlediska jejich uhlíkové stopy jsou tato přírodní chladiva dlouhodobými a klimaticky šetrnými pracovními médii. Navíc se nejedná o halogenované plyny, a proto nejsou regulovány nařízením o F-plynech. Vzhledem k vysoké hořlavosti halogenovaných uhlovodíkových plynů (bezpečnostní třída A3) musí být na „bezpečnost“ kladen zvláštní důraz při plánování, instalaci i provozu. Protože však tepelná čerpadla obvykle vyžadují pouze malá množství chladiva nebo lze u dělené konstrukce chladicí okruh instalovat i venku, je potenciální riziko uvedeno do perspektivy, ale nesmí být přehlíženo. Odborné znalosti v oblasti chlazení jsou předpokladem pro manipulaci s chladivy, jako je propan.
Dosud bylo v tepelných čerpadlech nejrozšířenější syntetické chladivo R410A. Nicméně jeho vysoká hodnota GWP 2088, očekávané zvýšení cen a potenciální omezené dodávky z něj činí čím dál méně atraktivní variantu pro nová tepelná čerpadla. Jako překlenovací technologie s výrazně nižšími hodnotami GWP nabízejí výrobci tepelných čerpadel různá řešení využívající syntetická přechodová chladiva. Trh je rozdělen na dvě části: Za prvé jsou to dodavatelé asijské provenience a R32 jako řešení. Za druhé, mnoho výrobců zahrnulo do svého sortimentu různé směsi chladiv. Se sníženým potenciálem globálního oteplování jsou buď stále nehořlavé (bezpečnostní třída A1), nebo s velmi nízkými hodnotami GWP patří do bezpečnostní třídy A2L „mírně hořlavé“. Proto je nutné i pro tyto látky dodržovat stanovené bezpečnostní požadavky.
5. Hodnota GWP
Ukazatel vlivu na globální oteplování (GWP – Global Warming Potential) je číselná hodnota, která popisuje dopad látky na atmosféru a tím její příspěvek ke skleníkovému efektu a globálnímu oteplování. CO2 s číselnou hodnotou 1 se používá jako základ.
Tato hodnota vyjadřuje, jak 1 kg chladiva v atmosféře přispívá ke globálnímu oteplování ve srovnání s 1 kg CO2.
To znamená, že hodnota GWP představuje ekvivalent CO2.
| Chladivo | GWP | Třída bezpečnosti |
|---|---|---|
| Syntetické | ||
| R410A | 2088 | A1 |
| (50% R32 / 50% R125)* | ||
| R407C | 1774 | A1 |
| (23% R32 / 25% R125 / 52% R134a) | ||
| R466A | 733 | A1 |
| (49%R32 / 11,5% R125 / 39,5% CF3l)* | (Menší hodnota ODP) | |
| R32 | 675 | A2L |
| (Čistá látka) | ||
| R513A | 631 | A1 |
| (44% R134a / 56% R1234yf)* | ||
| R454B | 466 | A2L |
| (68,9% R32 / 31,1 % R1234yf)* | ||
| R454C | 148 | A2L |
| (21,5% R32 / 78,5% R1234yf)* | ||
| R455A | 148 | A2L |
| (21,5% R32 / 75,5% R1234yf / 3% CO2)* | ||
| Přírodní | ||
| R290 | 3 | A3 |
| (Propan) | ||
| R1270 | 3 | A3 |
| (Propen) | ||
| R744 | 1 | A1 |
| (CO2) | ||
| *: Smíšené komponenty; Tabulka bez nároku na úplnost | ||
(Tabulka: ©NutzWort)
Hodnoty GWP známých chladiv a jejich vliv na atmosféru
6. Parametry účinnosti tepelných čerpadel
COP – Topný faktor
Dobrou srovnávací hodnotou pro tepelná čerpadla je COP (Coefficient Of Performance). Tato hodnota popisuje tepelný výkon v pracovním bodě v porovnání se spotřebovanou elektrickou energií. Stanovuje se v laboratorních podmínkách.
Důležité, ale často nepřehledné: COP se vztahuje výhradně na tepelné čerpadlo, a ne na celou otopnou soustavu, což je důležité při ročním vyúčtování elektrické energie, kdy se uvažuje vyprodukované teplo zaznamenané měřičem tepla ve vztahu ke spotřebě elektrické energie. Jedná se o sezónní topný faktor.
Sezónní topný faktor
Sezónní topný faktor vyjadřuje skutečný provozní scénář po dobu 12 měsíců. Zaznamenává se teplo vyzařované celou otopnou soustavou měřené měřičem tepla – a je porovnáváno se skutečnou spotřebou energie, včetně veškeré pomocné energie. Patří sem například oběhová čerpadla v okruhu solanky nebo podzemní vody přicházející ze zdroje tepla a také pro distribuci tepla v celém objektu. Zahrnuje se také topné těleso pro nouzový provoz nebo pro pokrytí špičkové zátěže. V grafu jsou uvedeny všechny ovlivňující faktory, které jsou rozhodující pro faktor sezónního výkonu vytápění.
(Zdroj: BWP)
Digitální měřicí přístroje: teploměry, vlhkoměry, měřiče proudění; přístroje pro zaregulování vzduchotechniky; systémy pro validaci čistých prostorů, měření turbulencí, kvality ovzduší, hlukoměry, luxmetry, analyzátory kouřových plynů; detektory, ...