Jak fungují plošné zemní kolektory pro tepelná čerpadla v praxi?

Dotazování uživatelů tepelného čerpadla probíhalo na přelomu března a dubna, kdy se nejnižší denní teploty pohybovaly v rozmezí -3°C až +3°C. Tomuto období předcházel leden, který byl o 1,2°C chladnější než dlouhodobý normál, a únor, který teplotně odpovídal dlouhodobému normálu. Funkce plošných kolektorů tedy byla ověřena po studenější zimě, než odpovídá dlouhodobému průměru. Původně mělo být do průzkumu zahrnuto 40 instalací, ale po zjištění, že uváděné teploty v kolektorech se liší jen minimálně, byl sběr dat ukončen již po získání dat z 20 instalací.

Všechny plošné kolektory zahrnuté do průzkumu byly navrženy podle návrhového software společnosti Tepelná čerpadla IVT. Technické provedení bylo "skandinávské", tzn. dimenze potrubí 40 x 3,7, délka smyček až 300 m, rozteč mezi potrubím 1 m. Hloubka uložení se podle lokality pohybovala od 1,1 do 1,5 m. (s jednou výjimkou, o které bude řeč níže).

Průzkumem bylo zjištěno, že u 70 % zkoumaných plošných kolektorů se teplota na výstupu z kolektoru (tj. na vstupu do tepelného čerpadla), pohybovala na konci zimy v rozmezí od 0 do + 2,6°C. Průměrná teplota na výstupu z kolektoru u všech sledovaných instalací pak byla + 1,3°C. Průměrná teplota na výstupu z tepelného čerpadla do kolektoru byla - 1,7°C.

Od průměru se výrazněji odchýlilo 30% instalací, z toho 15 % mělo vyšší teplotu než 2,6°C a 15 % teplotu nižší než 0°C. Nejvyšší výstupní teplotu +5,6°C vykázal experimentální plošný kolektor, uložený v hloubce 2 m, který je ale zásobován i odpadním teplem z klimatizace domu. Nejde tedy čistě o plošný kolektor jako v ostatních případech, a proto je i uložen hlouběji, než je u běžných kolektorů doporučeno. Nejhorší kolektor pracoval s výstupní teplotou - 1,5°C. V tomto případě bylo podrobnějším zkoumáním příčin této odchylky zjištěno, že kolektor je ze zhruba poloviny uložen v písku a štěrku a je oproti návrhovému programu IVT o přibližně 15 % poddimenzován. V tomto případě ale nešlo o chybu projektanta nebo dodavatele tepelného čerpadla. Viníkem byly hodně nestandardní geologické podmínky pozemku, kdy část pozemku měla normální hliněné podloží a část byla náplava štěrků a písků, o které se dopředu nevědělo. Díky velikosti pozemku nebylo možné plochu kolektoru dodatečně zvětšit. Pozitivní je, že i při takto výrazném poddimenzování není teplota z kolektoru nějak kritická a tepelné čerpadlo pracuje jen s přibližně o 5 % nižším topným faktorem, než byl celkový průměr.

Aby byly zohledněny oblasti s různou výpočtovou venkovní teplotou, byly do průzkumu zahrnuty i instalace v horách. Zdíkov (-18°C, 750 m.n.m) a Borová Lada (-21°C, 900 m.n.m) na Šumavě a tři instalace v Jizerských horách s výpočtovou teplotou -18°C. U těchto instalací ležících v oblastech s extrémně nízkými teplotami byla průměrná teplota z kolektoru +0,4°C! Naopak, když ze zkoumaných instalací vybereme pouze kolektory ležící v teplejších oblastech s výpočtovou teplotou -12°C, byla průměrná teplota na výstupu z kolektoru +2,7°C.

V průzkumu byly zařazeny instalace, které jsou v provozu minimálně dvě a maximálně 10 topných sezon. Starší instalace nebyly zařazeny, protože tehdy dodávaná tepelná čerpadla neměla regulaci schopnou zobrazovat teploty primárního okruhu a měření by se muselo provádět komplikovaně ručně. Součástí průzkumu byl i dotaz, zda kolektor nějak zásadně ovlivňuje stav zahrady. U všech dotazovaných provozovatelů k žádným zásadním negativním změnám nedošlo. U některých plošných kolektorů došlo v prvních letech provozu k mírnému poklesu terénu nad výkopy, což je způsobeno nedostatečným zhutněním při zásypu výkopů. Další zjištěným jevem na více instalacích byla změna kvality a barvy trávy nad kolektorem, která je hustší a zelenější. Tento jev je způsoben větší vlhkostí v okolí trubek kolektoru, která trávě prospívá. Vlhkost vzniká postupným rozpouštěním ledu vytvořeného v průběhu zimy v okolí trubek. U několika instalací sledovali uživatelé, že nad kolektorem se drží na jaře sníh o jeden až dva dny déle než na okolních plochách.

Zažitou mylnou představou je, že se v případě plošných kolektorů jedná o geotermální vytápění. Kolektor totiž odebírá ze země "pod sebou" pouhá 2 % energie, zbývajících 98 % odebere z vrstvy zeminy "nad sebou". Tam ale není geotermální teplo ze země, ale akumulovaná solární energie ze slunce. Plošný kolektor je tak v podstatě rozměrný sluneční kolektor s nízkou účinností, doplněný o obrovský "hliněný" akumulátor tepla s ročním cyklem nabíjení a vybíjení. Na 1 m² povrchu země dopadne ročně asi 2 000 kWh tepelné energie ze slunce, přitom plošný kolektor za rok ze stejné plochy odebere pouhých 40 až 70 kWh, což je jen 2,5 % z toho, co mu slunce dodá. Po pochopení tohoto principu je tedy jasné, že dobře provedený plošný kolektor se nemůže ani v dlouhodobém horizontu energeticky vyčerpat, protože během léta vždy s bohatou rezervou 100% regeneruje. Zároveň je to i odpověď na "nucenou odstávku pro regeneraci" plošného kolektoru během léta. Žádná není potřebná, energie dodávaná v létě ze slunce je tak vysoká, že kolektor s rezervou zvládá zároveň svojí regeneraci i dodávku tepla pro ohřev teplé vody nebo třeba pro bazén.

Velikost plošného kolektoru závisí na tepelné ztrátě vytápěného objektu, typu zeminy a typu topného systému. V běžných podmínkách pro dům s tepelnou ztrátou 9 kW postačí plocha pro kolektor kolem 320 m². Takto velké kolektory lze obvykle umístit na stavební parcelu o celkové velikosti od 500 m², což je velikost, kterou většina stavebních parcel splní.

Zemní kolektor lze ve většině lokalit položit pomocí drážkovačky, která minimalizuje potřebný objem zemních prací.

Pokládka zřejmě největšího plošného kolektoru v ČR o ploše 15 000 m2.

Tento průzkum potvrdil zkušenosti a poznatky, které měli jeho autoři s více než 1 500 plošnými kolektory instalovanými za posledních 17 let v ČR podle metodiky IVT. Tepelná čerpadla s plošnými kolektory si v zimě zachovávají vysoký výkon a topný faktor jako čerpadla s vrty a v přechodných obdobích mají dokonce topný faktor výrazně lepší než u vrtů. Negativní jevy, jako zamrznutí kolektoru nebo zásadní ovlivnění vegetace nad kolektorem se objevují pouze u instalací, kde nejsou dodrženy základní parametry kolektorů, jako je správná hloubka a velikost. Správně navržené plošné kolektory jsou tou nejlepší volbou u objektů, kde je technicky možné je instalovat.