Tepelná čerpadla pro každého (III) - výkon, spotřeba elektřiny a topný faktor

Tepelný výkon, spotřeba elektřiny a topný faktor
Tepelný výkon tepelného čerpadla je dán součtem energie odebrané z okolního prostředí (ze země, vody nebo vzduchu) a elektrické energie dodané pro pohon kompresoru. Uvedená definice samozřejmě neplatí úplně přesně, protože při provozu dochází ke ztrátám určité části energie do okolního prostředí.
Pro porovnání efektivity provozu jednotlivých tepelných čerpadel slouží tzv. topný faktor. Topný faktor je bezrozměrné číslo, které lze přirovnat k účinnosti udávané běžně u ostatních zdrojů tepla. Většinou se hodnota topného faktoru pohybuje v rozsahu 2,5 až 5 a čím je toto číslo větší, tím je provoz tepelného čerpadla efektivnější. Matematicky topný faktor udává poměr získané tepelné energie a spotřebované elektrické energie. Například hodnota 4 znamená, že se spotřebovala 1 kWh elektrické energie a celkově se získaly 4 kWh tepelné energie, přičemž z venkovního prostředí (vzduch, voda, země) se ke spotřebované 1 kWh elektrické energie přidaly 3 kWh tepelné energie. Okamžitá hodnota topného faktoru se neustále mění podle provozních podmínek, a proto se pro celkové hodnocení používá tzv. sezónní (nebo také průměrný) topný faktor za celou topnou sezónu.

Topný faktor příznivě ovlivňují následující skutečnosti:

Co nejvyšší teplota nízkoteplotního zdroje, ze kterého je teplo odebíráno. Z tohoto hlediska je nejvýhodnějším primárním zdrojem podzemní voda (příp. geotermální prameny).

Co nejnižší teplota teplonosné látky (topné vody nebo vzduchu) v topné soustavě. Vhodné je tedy podlahové nebo stropní vytápění, nízkoteplotní velkoplošná tělesa, případně konvektory s podporou proudění vzduchu ventilátory.

Vhodné fyzikální a chemické vlastnosti chladiva, které však prakticky nemůžeme nijak ovlivnit, ale jsou dány použitým chladivem od výrobce.

Dobré konstrukční provedení tepelného čerpadla, které rovněž závisí pouze na výrobci.

Běžně dosahovaná hodnota topného faktoru by měla být minimálně 3. Při porovnání topných faktorů tepelných čerpadel od různých výrobců je třeba dávat pozor, aby byly shodné provozní podmínky, při kterých daný topný faktor platí. Zejména je třeba dát pozor na údaje v energetickém štítku, které nemusí mít jednotnou metodiku výpočtu. U hodnoty topného faktoru udávaného v technických parametrech musí být vždy uvedeny následující výchozí podmínky: teplota nízkoteplotního zdroje teplota, teplota topné vody (vzduchu), skutečný tepelný výkon a ideálně i celkový elektrický příkon zahrnující i chod čerpadel, ventilátoru aj.

Topný faktor se nejčastěji označuje řeckým písmenem ε (epsilon).

Vhodná topná soustava pro tepelné čerpadlo
V předchozím textu již bylo uvedeno, že pro provoz tepelného čerpadla je nejvhodnější tzv. nízkoteplotní topná soustava. Omezením je i fakt, že tepelné čerpadlo je schopno ohřívat topnou vodu většinou maximálně na 60 až 65°C (to je dáno vlastnostmi chladiva a konstrukcí tepelného čerpadla. S rostoucí požadovanou teplotou otopné vody klesá topný faktor a tedy rostou náklady na provoz. Běžně projektovaný tepelný spád pro soustavu s otopnými tělesy (radiátory) byl ještě nedávno 75/65°C (75°C je teplota ohřáté vody z kotle, 65°C je teplota ochlazené vody - zpátečky od otopných těles). Pokud tedy chceme tepelné čerpadlo použít pro soustavu s otopnými tělesy, je třeba již při zhotovení projektu požadovat od projektanta návrh těles s ohledem na nízkoteplotní soustavu s tepelným čerpadlem (např. pro teplotní spád 55/45°C). Při snížení teploty topné vody musíme použít dostatečně velká otopná tělesa, čímž by mohly vzrůst investiční náklady do topného systému. Současné požadavky na nízké tepelné ztráty domů však negativní faktor silně potlačují. Volba teploty otopné vody je tedy vždy určitým kompromisem, který musí rozhodnout zkušený projektant s ohledem na mnoho faktorů.
Vhodnější než otopná tělesa je pro tepelné čerpadlo použití podlahového, stěnového nebo i stropního vytápění, kde se standardně používají podstatně nižší teploty topné vody (většinou 35-45°C). Čím nižší je teplota topné vody, tím vyšší je topný faktor a tedy úspornější provoz.
U rekonstruovaných zateplených objektů se často ukazuje, že pro tepelné čerpadlo vyhovují původní otopná tělesa (např. i litinové články). Tělesa byla totiž původně navržena pro nezateplený objekt a navíc se počítalo s velkou výkonvou rezervou na zkrácení zátopu po nočním či jiném útlumu vytápění. Po snížení tepelných ztrát zateplením objektu lze použít podstatně nižší teplotu topné vody, kterou dodává tepelné čerpadlo, a zároveň ušetřit za nová tělesa. I v tomto případě je ale třeba nechat provést výpočet od projektanta, který ověří vhodnost této varianty.

Volba výkonu tepelného čerpadla, kombinace s dalším zdrojem tepla
Potřebný výkon pro vytápění objektu je dán vypočtenou tepelnou ztrátou ve Wattech. Tepelná ztráta objektu udává potřebný výkon pro vytápění určený pro tzv. venkovní oblastní výpočtovou teplotu (podle ČSN pro různé oblasti -12, -15 nebo -18°C). Celý výkon vypočtený podle tepelných ztrát je tedy třeba pro vytápění dodávat pouze při nejnižších venkovních teplotách, které trvají jen několik málo dní v roce. Abychom nemuseli instalovat dražší tepelné čerpadlo, jehož výkon bude po většinu topné sezóny nevyužit, používá se často kombinace s druhým zdrojem tepla.
Kombinace tepelného čerpadla s druhým zdrojem, který je v provozu pouze při nízkých venkovních teplotách, se nazývá bivalentní zapojení. Nejčastěji se jako druhý zdroj používá elektrokotel, plynový kotel, ale možnosti nabízí i moderní kotle na dřevěné pelety atp. Mnoho moderních tepelných čerpadel má v sobě elektrokotel vestavěný, takže nevyžaduje žádné další investiční náklady na druhý zdroj tepla. Pokud se tepelné čerpadlo navrhuje na krytí přibližně 60 % tepelných ztrát domu, pak jeho výkon postačuje přibližně do venkovní teploty kolem -2 °C (tzv. teplota bivalence). Při nižších teplotách dochází k automatickému sepnutí druhého zdroje tepla. U domu s tepelnou ztrátou např. 12 kW tedy můžeme instalovat tepelné čerpadlo s výkonem 7 kW. Zbylých 5 kW, které jsou potřeba pouze při nízkých venkovních teplotách, bude dodávat druhý zdroj. Provoz druhého zdroje se projeví na celkových nákladech zvýšením pouze asi 10 - 20% (podle druhu tepelného čerpadla).
Výkony tepelných čerpadel pro běžné rodinné domy se většinou pohybují v rozsahu 4-10 kW. U tepelných čerpadel vzduch/voda je třeba počítat s tím, že jeho výkon klesá s venkovní teplotou.

Stále více se prosazují tepelná čerpadla s regulací výkonu, řádově v rozsahu 30 až 100 % jmenovitého výkonu, která jsou schopná pracovat s plným výkonem i při teplotách venkovního vzduchu pod -2O °C. U nich se snižují nároky na případnou doplňkovou akumulační nádobu vyrovnávající rozdíly mezi aktuální potřebou tepla v domě a aktuálním výkonem tepelného čerpadla.

V každém případě platí, že bez odborné rozvahy může skončit náhrada kotle tepelným čerpadlem velkým zklamáním.