Vykurovanie tepelnými čerpadlami

Tepelné čerpadlá sú fenoménom dnešnej doby. Žiadna novostavba sa dnes nezaobíde bez obnoviteľného zdroja energie a zvlášť pre vykurovanie sú zaužívané tepelné čerpadlá pre ich vysokú účinnosť a nízke prevádzkové náklady.

Pre koho sú tepelné čerpadlá vhodné?

Vykurovanie a chladenie tepelnými čerpadlami je obzvlášť vhodné pre novostavby, ktoré sú na tento zdroj tepla (chladu) pripravené. Dajú sa však použiť aj v prípade rekonštrukcií, po zohľadnení ďalších nutných stavebných úprav.

Tepelné čerpadlo je nízko teplotný zdroj, funguje teda najlepšie, ak je rozdiel teploty potrebnej na vykurovanie a teploty prostredia z ktorého je teplo získavané, čo najmenší. Pre rodinné domy sa ako zdroj získavania energie najčastejšie využíva okolité prostredie – vzduch. Aj podľa tohto zdroja sa najpoužívanejšie tepelné čerpadlá označujú ako vzduch – voda, čo znamená že energiu získanú z okolitého vzduchu tepelné čerpadlo prevedie do vykurovacej vody.

Aké výkonné a aké účinné sú tepelné čerpadlá vzduch – voda?

Celkový tepelný výkon tepelného čerpadla je súčtom energie potrebnej na pohon kompresora a energie získanej z vonkajšieho prostredia. Výkonové číslo COP je pri rôznych typoch a značkách tepelných čerpadiel najčastejšie uvádzané medzi 3 a 4,5. To znamená, že tepelné čerpadlo v priemere z každej spotrebovanej kilowatt hodiny elektrickej energie dodá 3 – 4,5 kilowatt hodiny tepla

Číslo je väčšie, ak je vonkajšia teplota vyššia a naopak teplota vo vykurovacom systéme najnižšia. Ak vonkajšia teplota klesá, teplota vo vykurovacom systéme naopak stúpa a výkonnostné číslo COP sa zhoršuje.

Štandardné rezidenčné tepelné čerpadlá sa vyrábajú s tepelnými výkonmi od 4kW do 16kW. Moderné monoblokové tepelné čerpadlá sú dostupné až do výkonov 24kW a sú ta vhodné aj pre staršie rodinné domy s horšími tepelno-izolačnými vlastnosťami.

Musí byť tepelné čerpadlo pripojené na podlahové vykurovanie, alebo môžu byť použité aj radiátory?

Pri použití podlahového vykurovania v nízko energetickej stavbe sa najčastejšie uvažuje o teplotnom spáde vykurovacej vody 35°C/31°C.  Radiátory potrebujú spravidla vyššiu teplotu, napr. 55°C/50°C. Z predošlej odpovede je zrejmé, že pri použití podlahového vykurovania bude tepelné čerpadlo o niečo účinnejšie. Napriek tomu, vysokoteplotné tepelné čerpadlá sú vhodné aj k radiátorovému vykurovaniu. Zabezpečia ekonomickú prevádzku aj pri vyšších výstupných teplotách.

Moderné stavby majú v porovnaní so staršími nízku potrebu dodanej energie na vykurovanie. Pri nízko energetických stavbách je to menej ako 30W/m2. Špičkové systémy  podlahového vykurovania dokážu odovzdať až 60-120W/m2. V dobre nadimenzovanom systéme je tak nábeh rýchly a systém sa dá priebežne regulovať. Práve v systéme ktorý je schopný odovzdať viac energie sa môžeme dostať s vykurovacou teplotou na najnižšie hodnoty, čo je u tepelných čerpadiel najvhodnejšie.

Pri použití radiátorov je dobré uvažovať o veľkoplošných, viac radových radiátoroch, ktoré rovnako dokážu odovzdať teplo celou svojou plochou a aj prúdením vzduchu, ktoré zabezpečí konštrukcia radiátora. Staršie liatinové alebo plechové radiátory majú prúdenie slabé, väčšina energie sa odovzdáva sálaním. Nové konštrukcie, ktoré zospodu nasávajú chladnejší vzduch a zhora teplý odovzdávajú, prúdenie podporujú a teplotná výmena je tak rýchlejšia.

Tepelné čerpadlo je vhodným riešením na vykurovanie pomocou solárnych panelov

Tepelné čerpadlo ponúka oproti tradičnému ohrevu vody pomocou elektrického kotlu viacero výhod, ktoré robia z neho preferovanú voľbu pre moderné vykurovanie pomocou solárnych panelov.

• Efektivita: Tepelné čerpadlá sú vysoko efektívne, pretože na každý dodaný kilowatt elektrickej energie dokážu vyprodukovať viacnásobne viac tepelnej energie. Táto vysoká účinnosť vedie k nižším prevádzkovým nákladom v porovnaní s tradičnými systémami ohrevu vody.
• Ekologickosť: Využívaním obnoviteľných zdrojov energie, ako je teplo zo zeme, vody alebo vzduchu, tepelné čerpadlá výrazne znižujú uhlíkovú stopu domácnosti. Pri kombinácii so solárnymi panelmi je ich prevádzka takmer úplne uhlíkovo neutrálna.
• Univerzálnosť: Tepelné čerpadlá nie sú len na vykurovanie, ale v letných mesiacoch môžu slúžiť aj ako chladiaci systém, čím zabezpečujú komfortné bývanie počas celého roka.
• Nižšie prevádzkové náklady: Aj keď je počiatočná investícia do tepelného čerpadla vyššia, vďaka vysokej efektivite a nízkym prevádzkovým nákladom sa investícia rýchlo vráti. Navyše, v niektorých krajinách existujú dotácie a finančné stimuly na inštaláciu tepelných čerpadiel.
  
• Dlhšia životnosť: Tepelné čerpadlá majú obvykle dlhšiu životnosť než tradičné vykurovacie systémy, čo znamená menej výdavkov na údržbu a výmenu zariadenia.

Ako tepelné čerpadlo vlastne funguje? Ako získava energiu z vonkajšieho prostredia?

Fungovanie tepelného čerpadla môžete porozumieť z nasledujúceho obrázku:

Pre chod tepelných čerpadiel sa používajú chladivá, ktoré majú pri bežnom atmosférickom tlaku veľmi nízku teplotu varu (vyparovanie), väčšinou – 25°C až -50°C. Pre ich skvapalnenie je potrebné tlak zvýšiť.

Chladivo sa vo vonkajšej časti, tzv. výparníku zohreje na vonkajšiu teplotu (napríklad na -10°C alebo na +15°C) a zmení tak svoje skupenstvo z kvapaliny na paru. Takto „ohriate“ chladivo získalo určitú časť energie zadarmo, z prostredia v okolí. Pri iných typoch tepelných čerpadiel môže energia pochádzať zo zeme alebo z vody, ktoré majú aj v zimnom období, na rozdiel od vzduchu, stálu teplotu nad 5°C.

Takto obohatená para prechádza do kompresora tepelného čerpadla, ktorý paru stlačí. Vysoký tlak zvýši teplotu tejto pary na požadovanú teplotu, napr. 50°C a viac.

Horúca para vchádza do kondenzátora (vnútorná jednotka tepelného čerpadla), ktorý je taktiež tepelným výmenníkom, tentoraz medzi vykurovacou vodou a chladivom a tam odovzdá časť svojej teploty do vykurovacieho systému. Tým že časť teploty prejde do vykurovania, para začne kondenzovať späť na kvapalinu. Následne sa cez expanzný ventil zníži tlak v okruhu chladiva . Znížením tlaku klesne aj teplota chladiva. Ak je vonkajšia teplota napr. +5°C, tlak za expanzným ventilom sa zníži na takú úroveň, aby teplota chladiva zostala na -2°C (tak, aby bol dosiahnutý teplotný rozdiel približne 7°K).

Jeden cyklus je týmto uzatvorený a začína sa nový. Kvapalné chladivo s teplotou -2°C vchádza do výparníka, kde sa opäť zahreje na teplotu prostredia +5°C a tým sa vyparí. Kompresor paru stlačí, čím zvýši tlak a teplotu pary, horúca para skondenzuje v kondenzátore a odovzdá tým teplo vykurovaciemu systému v dome, expanzný ventil zníži tlak, čím chladivo stratí teplotu. Cyklus sa opakuje.