Jak doopravdy fungují tepelná čerpadla?
Pro toho, kdo uvažuje o tepelném čerpadle, je jeho rozhodnutí do jisté míry závazkem téměř na celý život.
Vzhledem k tomu, že tepelné čerpadlo, respektive celá instalace, je investičně poměrně náročné a jeho funkci se zpravidla podřídí i návrh otopné soustavy, hraje volba systému zásadní roli. Budoucí vlastník tepelného čerpadla je konfrontován s reklamními hláškami firem, jakých topných faktorů jejich tepelná čerpadla (zpravidla to ovšem bývá jediný typ) dosáhla na zkušební stolici. Zcela evidentní je "souboj" firem, zabývajících se tepelnými čerpadly vzduch/voda proti výrobcům tepelných čerpadel systému země/voda. Obdobně se snaží prosadit systémy s přímým vypařováním, nebo dokonce další extrém - i s přímou kondenzací, kdy v podlahovém topení necirkuluje voda, ale chladivo. Do tohoto rozhodování dále vstupují internetové diskuze, kde se čile debatuje o tom, jak "to" komu topí či netopí, nebo zda je nutné použít akumulační zásobník i v případě podlahového vytápění apod. Najít v této změti informací správné technické řešení je pro laika (a často i pro odborníka) velmi obtížné a hlavně, jak již bylo řečeno, prakticky závazné na (téměř) celý život.
Asi nejobjektivnější obrázek poskytují testy tepelných čerpadel různých systémů přímo v reálném provozu, kdy jsou nainstalována a provozována v rodinných domech. V sousedním Německu byly v poslední době publikovány dva plošné testy instalací tepelných čerpadel. Výsledkem bylo zejména stanovení ročního topného faktoru (tzv. JAZ - Jahresarbeitszahl), což je poměr roční dodávky energie na vytápění (kWh) k celkové spotřebované elektrické práci (kWh, kompresor + dotopový zdroj + regulace + oběhové čerpadlo primární strany + případně ventilátor a režim odmrazování výparníku u tepelného čerpadla vzduch/voda). Dále byl v souvislosti s výsledky posuzován vliv na životní prostředí z pohledů emise CO2. Všeobecně platí , že v soustavě s ročním topným faktorem menším než 3 je přínos pro ochranu životního prostředí (z hlediska emise CO2) vzhledem k současné skladbě výroby elektrické energie velmi sporný.
TEST 1
Prováděný společností E-ON München v průběhu dvou topných sezón 2006/2007
Během testu bylo proměřeno a vyhodnoceno celkem 29 tepelných čerpadel. Většinou byla zastoupena systémem země/voda, tedy instalace se zemním vrtem nebo plošným kolektorem. Sledovány a vyhodnoceny byly i instalace vzduch/voda, voda/voda a odpadní vzduch/voda. Výsledky byly shrnuty do následujícího grafu. Je zřejmé, že tepelná čerpadla vzduch/voda dosahují uspokojivých výsledků pouze v kombinaci s podlahovým vytápěním. Průměrná hodnota JAZ byla u těchto systémů 2,9, u instalace s radiátorovou soustavou byla průměrná hodnota ročního topného faktoru pouze 2,3. Zcela propadla tepelné čerpadla pro přípravu TUV (v ČR se téměř nepoužívají). Tato čerpadla neuspoří ani 50 % energie, což plně zpochybňuje návratnost investice za dobu jejich životnosti o ekologickém přínosu např. proti zemnímu plynu ani nemluvě. Na druhém pólu se pohybovala tepelná čerpadla země/voda.
V testu bylo u nejpočetněji zastoupené kategorie země/voda dosaženo následujících výsledků
| průměrná vytápěná plocha | 142 m2 |
| výpočtové hodnoty: | |
|---|---|
| roční spotřeba na vytápění | 7.888 kWh |
| roční spotřeba na přípravu TUV | 1.771 kWh |
| spotřeba energie celkem | 9.659 kWh |
| měrná spotřeba energie na m2 | 71 kWh |
| skutečné naměřené hodnoty: | |
| roční spotřeba na vytápění | 11.232 kWh |
| roční spotřeba na přípravu TUV | 1.820 kWh |
| spotřeba energie celkem | 13.052 kWh |
| měrná spotřeba energie na m2 | 92 kWh |
| naměřený topný faktor (průměr 14 měřených instalací země/voda) | |
| okruh chladiva | 4,22 |
| okruh chladiva a dotopový zdroj | 4,20 * |
| JAZ kompletní instalace | 3,57 |
* Zde je nutno podotknout, že SRN, Švýcarsko a Rakousko navrhují u rodinných domů instalace téměř výhradně monovalentně, tedy na 100% pokrytí tepelné ztráty objektu tepelným čerpadlem, proto se pokles ročního topného faktoru po započtení elektrokotle téměř neprojevil.
Bylo zajímavé sledovat vliv montáže na celkovou funkci (a potažmo úspory) instalace. Zatímco u stejného typu tepelného čerpadla bylo dosaženo u jedné instalace ročního topného faktoru pouhých 2,7, podařilo se u správně navržené jiné instalace dosáhnout JAZ ve výši 3,7.
Jako špička ledovce vyčnívalo nad ostatními instalacemi tepelné čerpadla firmy Waterkotte. Velmi kvalitním dimenzováním s vrtem společnosti TERAMEX, dále absencí akumulačního zásobníku a optimálně nastaveným regulátorem bylo dosaženo ročního topného faktoru ve výši 4,5.
TEST 2
Plošný test prováděný společnostmi Lokale Agenda 21 - Gruppe Umwelt/Energie Lahr a Ortenauer Energieagentur Offenburg v topné sezóně 2006/2007
Celkem bylo proměřeno 37 tepelných čerpadel instalovaných v obytných objektech. Cílem testu bylo nejenom informovat vlastníky instalací o skutečném fungování jejich soustavy, ale poskytnout důležité informace a závěry, využitelné pro plánování a technické poradenství poskytované prostřednictvím energetických agentur a pro montážní firmy.
Tepelná čerpadla pocházela od 11 výrobců a bylo proměřeno 13 zařízení vzduch/voda, 13 ks země voda a 7 instalací voda/voda. Ostatní technická řešení byla nestandardní, většinou pro přípravu TUV- tedy taková, která v ČR prakticky nenajdete. Celkem 24 tepelných čerpadel bylo konstruováno s integrovaným zásobníkem teplé vody, 9 jich mělo externí zásobník TUV. Pouze 6 tepelných čerpadel pracovalo bez akumulačního zásobníku (!) a 22 instalací bylo navrženo s podlahovým topením. V následujícím grafu jsou znázorněny průměrné topné faktory v jednotlivých měsících se započtením všech pomocných energií (elektrokotel, oběhová čerpadla, regulace atp.)
Obě černé křivky ukazují vývoj topného faktoru systému vzduch/voda. V instalaci s podlahovým vytápěním bylo dosaženo přijatelného JAZ = 2,95, u radiátorové soustavy jen 2,3. Z hodnot je zřejmé, že instalace tepelného čerpadla vzduch/voda v kombinaci s radiátory je velmi špatnou volbou - celková roční spotřeby je o 28 % a o ekologickém vytápění se již zdaleka nedá hovořit. Pouze tři instalace systému vzduch/voda přesáhla v testu hodnotu 3, což je hodnota obecně přijatelná z hlediska produkce CO2 v případě použití elektrické energie na vytápění.
Oproti tomu tepelná čerpadla země/voda (hnědé křivky) s hodnotami 3,24 pro radiátorovou soustavu a 3,54 u podlahového vytápění leží bezpečně nad hodnotou 3. Je zřejmé, že zde zaplatí "radiátorový" vlastník pouze o 10% více za spotřebu elektrické energie než majitel objektu s podlahovým vytápěním. Lze říci, že systém země voda je s ohledem na volbu sekundární strany daleko tolerantnější.
Modrá křivka znázorňuje systém voda/voda s podlahovým vytápěním. S ročním topným faktorem 3,36 nedosahuje úrovně srovnatelné instalace země/voda. Zdůvodnění je velmi jednoduché - účinnost celé soustavy degraduje vysoký příkon ponorného čerpadla, který je zpravidla o150 - 200 W větší, než oběhové čerpadlo systému země/voda v obdobném objektu. Současně není často udržován v čistotě filtr čerpané vody a rozevírající se nůžky teplotní diference primární strany a tedy v tomto důsledku nižší střední hodnota teploty čerpané vody účinnost dále zhoršují.
Závěrem lze tedy konstatovat, že tepelná čerpadla mají v současné době své opodstatnění. Kvalitně navržené soustavy mohou v praxi dosáhnout JAZ > 4. Záleží ale více než na výrobci tepelného čerpadla (COP je zpravidla výrobci deklarováno v rozsahu 10%) na komplexním návrhu od primárního zdroje až po otopnou soustavu. V ČR je situace zhoršena faktem, že většina firem navrhuje tepelná čerpadla bivalentně. Ve snaze ušetřit na primárním zdroji (nebo z neznalosti problematiky) se vrt či kolektor dimenzuje na chladicí výkon tepelného čerpadla bez ohledu na spotřebu objektu. V praxi je pak velkou část zimy primární zdroj podchlazen na teploty okolo bodu mrazu - nezřídka je teplota media vstupujícího do tepelného čerpadla 2 -3°C pod bodem mrazu. Jen pro srovnání, v praxi se většina instalací v německy mluvících zemích i v únoru pohybuje +2°C- +5°C. Výsledky firmy Waterkotte s topným faktorem vysoko nad 4 v obou testech přesvědčivě dokazují, že systémovým návrhem instalace bez akumulačního zásobníku s kvalitně dimenzovaným vrtem a otopnou soustavou lze opravdu ušetřit až často uváděných 75% energie na vytápění. I tepelná čerpadla vzduch/voda mají své opodstatnění. Jsou logickým východiskem tam, kde není možno instalovat zemní kolektor či vrt. Uspokojivě fungují zejména v kvalitně zateplených objektech s nízkoteplotní soustavou. V rodinných domech s vysokou teplotou topné vody, což se týká zejména rekonstrukcí, může potenciální zákazník očekávat reálnou úsporu okolo 50%. Tepelná čerpadla systému voda/voda nedosahují hodnot systému země/voda. Pro rodinné domy nejsou příliš vhodnou alternativou. Potenciální problémy jako jsou zanášení filtrů a výparníku. V důsledku složení čerpané vody jsou často poruchová ponorná čerpadla. Kolísání průtoku či teploty v oblasti kolem 5°C již přímo ohrožují životnost tepelného čerpadla vzhledem k možnosti zamrznutí výparníku. Těžko říci, jestli oba testy a jejich závěry pomohly zájemcům v jejich rozhodování při volbě soustavy s tepelným čerpadlem. V každém případě je výhodné neotálet s návštěvou vybraného dodavatele a jeho projektanta. V případě, kdy na zdi visí radiátory dimenzované pro teplotní spád 70°C/50°C a v zahradě je čerstvě zaseto, je již zpravidla pozdě.
Oba testy najdete pod následujícími odkazy:
http://www.eon-avacon.com/ContentFiles/Internet/Downloads/Broschuere_Waermepumpe_Feldtest.pdf
http://www.waterkotte.de/down/EWP_Bericht.pdf
Systémy vytápění a chlazení s tepelnými čerpadly Waterkotte - tepelná čerpadla voda/voda, země/voda a vzduch/voda. Aplikace od rodinných domů až po profesionální řešení velkých výkonů v průmyslových objektech, administrativních budovách, hotelích, školách, ...