Pomoc při výběru

Vybíráme tepelné čerpadlo: Jaký systém se hodí právě pro váš dům?

Budeme-li si pořizovat tepelné čerpadlo, musíme se zorientovat v nabídce a vybrat vhodný typ. Jaké hlavní výhody a nevýhody jednotlivé systémy tepelných čerpadel přináší?

Vzduch-voda je nejpoužívanější systém

Tepelná čerpadla vzduch-voda jsou založena na získávání tepla z okolního vzduchu. Vzniklé teplo je předáváno do topné vody. Patří v současnosti v Evropě k nejprodávanějším. Mezi největší výhody patří relativně nízké investiční náklady, rychlá a nenáročná instalace a snadná dostupnost primárního zdroje energie: okolní vzduch se vyskytuje všude kolem nás.

Nevýhodou může být hlukové nebo estetické narušení okolí našeho domu. Námi dodávaná tepelná čerpadla se pyšní nízkými hodnotami hluku a líbivým vzhledem. Tepelná čerpadla vzduch-voda jsou vhodná nejen pro vytápění, celoroční ohřev teplé vody nebo ohřev bazénu, ale také pro chlazení objektu. Z hlediska účinnosti vytápění či chlazení je systém vzduch-voda méně účinný než země-voda či voda-voda. Na snížené účinnosti vytápění se nejvíce podílí spotřeba energie na odtávání námrazy na výparníku, která vzniká při nižších venkovních teplotách.

Tepelné čerpadlo navrhujeme jako monovalentní zdroj tepla, investice se vrací v kratším časovém horizontu. Dnes je doba technicky pokročilá natolik, že námi dodávaná tepelná čerpadla to zvládají. Všechna námi dodávaná tepelná čerpadla mají pro případ extrému zabudovaný bivalentní zdroj v podobě elektrokotle.

Instalaci systému vzduch-voda lze doporučit především do objektů s nižší spotřebou energie. Nicméně i domy s velkou tepelnou ztrátou, včetně bytových domů a velkých objektů, lze účinně vytápět či chladit vzduchovým tepelným čerpadlem, pokud zde není možné instalovat systém země-voda.

 

Split (dělená konstrukce)

Tepelné čerpadlo je rozděleno na vnitřní část - část tepelného čerpadla obsahující kondenzátor, oběhové čerpadlo, bivalentní zdroj, regulační elektroniku je umístěna uvnitř objektu, a venkovní část - část s výparníkem, ventilátorem a kompresorem, je vně domu. Tepelná čerpadla Master Therm mají kompresor umístěný ve vnitřní jednotce. 

Split konstrukce vyžaduje při instalaci chladírenskou montáž (propojení chladícího okruhu mezi oběma částmi zařízení).

 

Venkovní kompakt (monoblok)

Výhodou monobloku je nenáročnost na vnitřní prostory domu a zjednodušená instalace zařízení. Celá technologie tepelného čerpadla je obsažena v jedné skříni umístěné vně domu. Hydraulický okruh vytápění je veden z objektu do tepelného čerpadla a zpět. Velkou výhodou monobloku je absence chladírenské montáže při instalaci zařízení: do chladícího okruhu se při montáži nijak nezasahuje.

Na druhé straně, s ohledem na vedení topné vody ven z domu, je nutné ochránit topnou vodu a tepelné čerpadlo proti zamrznutí pro případ dlouhodobého výpadku el. energie v mrazivém počasí. Jde o napuštění okruhu vytápění nemrznoucí směsí nebo jiné opatření.

 

Vnitřní kompakt

K tepelnému čerpadlu vzduch-voda, které je celé umístěné ve strojovně, je venkovní vzduch přiveden vzduchotechnickým potrubím a po ochlazení je veden zpět do venkovního prostoru. Hlavní předností je úplná eliminace venkovního hluku a zcela nerušený vzhled domu a jeho okolí.

Naopak prostorové a hlukové nároky na strojovnu jsou vyšší. Provedení celého zařízení je náročnější na kvalitní tepelnou izolaci s ohledem na kondenzaci vzdušné vlhkosti z důvodu přívodu chladného venkovního vzduchu, z čehož vyplývají vyšší pořizovací náklady. Strojovna také musí být vybavena odvodem kondenzátu.

 

Země-voda: Vyšší investice do dokonalejšího řešení

Systém tepelného čerpadla země-voda má delší tradici a ve významnějším rozsahu se v Evropě používá od 2. poloviny 20. století. Primární okruh tvoří nemrznoucí směs obíhající v zemním kolektoru z plastových (PE) trubek, která odebírá teplo ze země a předává jej do výparníku tepelného čerpadla. Výhodou systému země-voda je teplotní stabilita zdroje (země), která je podle typu kolektoru zcela nebo téměř nezávislá na ročním období. Díky stabilnímu zdroji, absenci odtávání výparníku a menší čerpací práci primárního okruhu má země-voda oproti systému vzduch-voda vyšší průměrnou účinnost vytápění.

Lepší účinnost nabízí systém země-voda i v režimu chlazení. Výhodou čerpadla typu země-voda jsou v dlouhodobém pohledu nižší servisní náklady a delší životnost. Hlavní nevýhodou jsou investiční náklady na vybudování kolektoru. Podle typu rozlišujeme svislý nebo vodorovný kolektor.

 

Země-voda s plošným kolektorem

Instalace plošného kolektoru je cca 2-3× levnější než u svislého kolektoru. Na 1 kW tepelné ztráty u domů ve středním klimatu je potřeba 35-40 m² pozemku. Kolektor ve formě plastového horizontálně uloženého potrubí se umisťuje obvykle do hloubky 1,2 m pod povrch pozemku. V kolektoru cirkuluje nemrznoucí směs, která teplo země předává tepelnému čerpadlu. Teplo kolektor získává nepřímo ze slunečního záření.

Systém je možné využít jak pro vytápění, tak pro účinné chlazení tepelným čerpadlem v letním období (tzv. reverzační chlazení).

 

Země-voda se svislým kolektorem (vrtem)

Výhodou vrtu je malá prostorová náročnost. Hloubka vrtu bývá typicky do 100 m, běžně až do 200 m, v případě potřeby většího výkonu se realizuje více vrtů. Do vrtu je umístěna výstroj v podobě PE potrubí, ve kterém obíhá nemrznoucí směs a odebírá zemní teplo. Na 1 kW tepelné ztráty u domů ve středním klimatu je potřeba obvykle 15-20 m vrtu. Další výhodu nabízí svislý kolektor při chlazení objektu.

Tepelné čerpadlo země-voda s pasivním modulem chlazení umožňuje přímou výměnu chladící energie mezi zemí a objektem, bez potřeby běhu kompresoru (tzv. pasivní chlazení).

 

Investice do kolektoru není na 15 let

Častým argumentem pro odmítnutí tepelného čerpadla země-voda jsou náklady na kolektor. Pro objektivní porovnávání investice do tepelného čerpadla vzduch-voda a země-voda je třeba zohlednit délku investice. Zatímco životnost tepelných čerpadel se pohybuje cca v rozmezí 15-20 let, životnost kolektoru (plošného, svislého) se pohybuje okolo 100 roků. Vybudovaný kolektor má charakter stavební investice, zvyšuje hodnotu objektu a bude sloužit jako zdroj levného tepla (chladu) násobně déle než instalované tepelné čerpadlo.

Voda-voda se uplatňuje stále méně

Tepelná čerpadla voda-voda se principem příliš neliší od země-voda. Primárním zdrojem tepla je nejčastěji spodní voda čerpaná ze zdrojové studny do výparníku tepelného čerpadla, a poté vrácená zpět do země pomocí studny vsakovací. Výhodou takového systému je relativně vysoká teplota zdrojové vody (8-10 °C), která vede k vysoké účinnosti vytápění.

Instalace tepelných čerpadel voda-voda je vhodná v oblastech s vysokou hladinou spodní vody, klade ale značné nároky na její množství a kvalitu a je nejnáročnější z hlediska schvalovacího procesu při stavebním řízení. Úprava tepelného čerpadla země-voda na provedení voda-voda je u tepelných čerpadel Master Therm výbava na přání. V omezené míře se vyskytují i systémy se zdrojem tepla v podobě vody povrchové, ať již stojaté či tekoucí, zde je ale odběr tepla realizován pomocí kolektorů obdobně jako u typu země-voda.

Poté, co jsme se seznámili s jednotlivými systémy tepelných čerpadel, dále se na ně podíváme podrobněji – zaměříme se na správný způsob návrhu výkonu a na jejich účinnost.

Vše, co potřebujete vědět o tepelném čerpadle vzduch-voda.

Systém tepelných čerpadel vzduch-voda, který byl ještě před 20 lety prakticky neznámý, se v poslední době s rozvojem elektronického vstřikování chladiva a technologie plynulého řízení výkonu podstatně technicky vylepšil. Jde o nejdostupnější typ tepelného čerpadla vhodný pro vytápění, ohřev teplé vody, s možností letního chlazení a se snadnou a rychlou instalací. V porovnání s jinými systémy tepelných čerpadel ale dosahuje typ vzduch-voda nižší účinnosti, proto doporučujeme instalaci zejména do zateplených objektů s nižší spotřebou energie.

 

Účinnost (COP) vytápění a chlazení             

 

Někteří prodejci vzduchových čerpadel občas překrucují realitu a nadhodnocují jejich účinnost. Nicméně z fyzikální podstaty vyplývá, že tato čerpadla mají poněkud nižší efektivitu při vytápění a také při chlazení než konkurenční systémy země-voda nebo voda-voda. Je to dáno několika faktory:

 

U tepelných čerpadel vzduch-voda se vytváří námraza na výparníku při venkovní teplotě přibližně +4 °C a nižší. Námrazu je nutné cyklicky odtávat dodatečným teplem (obvykle reverzací chodu). Přibližně 70 % tepla na vytápění, které tepelné čerpadlo v průběhu topné sezóny vyprodukuje, je zatíženo touto prémií v podobě dodatečné spotřeby energie.

Vzduch má malou tepelnou kapacitu, díky čemuž je vypařovací teplota chladiva vůči teplotě okolního vzduchu výrazně snížená, běžně o 8-12 °C. Při venkovní teplotě +2 °C je tedy vypařovací teplota chladiva pouze cca -8 °C, což zvyšuje příkon kompresoru a zhoršuje COP.

Při extrémně nízkých teplotách klesá účinnost a výkon tepelného čerpadla vzduch-voda do té míry, že je buď nezbytné přivádět dodatečné teplo z jiného zdroje – obvykle elektrokotle, nebo se využije vysoký příkon kompresoru při maximálních otáčkách. Výsledek je podobný: významně se zvýší hodnota elektrického příkonu a zhorší topný faktor.

V režimu reverzačního chlazení je logicky mnohem efektivnější mařit odváděné teplo do chladné země (země-voda) nebo vody (voda-voda) než do okolního vyhřátého vzduchu, proto je účinnost letního chlazení vzduchovým tepelným čerpadlem horší.

Dimenzování a zapojení tepelného čerpadla vzduch-voda        

 

Specifickou výhodou tepelného čerpadla vzduch-voda je vysoká účinnost vytápění v letním období. Proto, je-li uvažováno použití tepelného čerpadla i pro sezónní ohřev bazénu, může být vzduchové čerpadlo výhodnější než země-voda nebo voda-voda.

 

Podlahové, stěnové či stropní vytápění je výhodné i pro letní bezkondenzační chlazení interiéru: bez jakýchkoliv dalších investic do chladící soustavy je možné účinně ochlazovat přehřátý interiér. Instalace tepelného čerpadla v rodinném domě znamená sníženou sazbu elektřiny pro celou domácnost, což poměrně významně šetří další náklady a pomáhá snížit návratnost investice.

     

Ideální je instalace vzduchového tepelného čerpadla do domů s tepelnou ztrátou do 8-10 kW a s velkoplošnou otopnou soustavou typu podlahového, stěnového nebo stropního vytápění. S kvalitním tepelným čerpadlem je možné v takovém případě dosáhnout průměrné účinnosti vytápění SCOP blížící se hodnotě 4. Znamená to, že u domu s tepelnou ztrátou 10 kW mohou náklady na vytápění a celoroční ohřev teplé vody pro 4 osoby klesnout až k částce okolo 20 tisíc Kč (cena elektrické energie v sazbě D57d pro rok 2020). Vhledem k tomu, že většina nové postavených domů má tepelnou ztrátu jen okolo 6-7 kW, výsledný účet bude ještě nižší.

 

 

Provozní náklady

 

Pro zajištění kvalitního a úsporného vytápění je důležité zvolit správný výkon tepelného čerpadla. Ten musí korespondovat s tepelnou ztrátou objektu při nízkých venkovních teplotách, resp. při tzv. výpočtové venkovní teplotě dané polohou objektu. Výpočet tepelné ztráty určuje norma EN 12 831.

 

Výkon vzduchového tepelného čerpadla při podmínkách A7/W35 (venkovní teplota 7 °C, výstupní teplota topné vody 35 °C) musí s dodatečnou rezervou na ohřev teplé vody pokrýt celou hodnotu tepelné ztráty. U tepelných čerpadel s proměnným výkonem kompresoru (inverter) se za směrodatný výkon považuje hodnota topného výkonu při středních otáčkách kompresoru. Při orientačním návrhu topného výkonu tepelného čerpadla je možné vycházet také z údaje na energetickém štítku tepelného čerpadla.

 

Pokud je tepelné čerpadlo zapojeno do klasických otopných těles – radiátorů – energetický štítek musí obsahovat hodnocení energetické účinnosti jak při nízko teplotním (teplota výstupní vody 35 °C), tak při středně teplotním provozu (55 °C). Vedle dostatečného výkonu je nezbytné dbát na to, aby otopná soustava pracovala s nejvyšší teplotou topné vody 45-55 °C. Pokud je teplotní spád vyšší, hrozí, že otopná soustava nebude schopná přenést topný výkon tepelného čerpadla do interiéru a tepelné čerpadlo bude vypadávat do poruchových stavů.

 

Tepelné čerpadlo je možné zapojit do otopné soustavy napřímo jako součást okruhu vytápění, nebo prostřednictvím akumulačního zásobníku. První způsob je instalačně a prostorově nenáročný a provozně efektivní, ale vyžaduje dostatečně velkou kapacitu otopné soustavy (s ohledem na odtávání výparníku). Dále je nutné omezit regulační prvky, např. termostatické ventily nebo hlavice, které ovlivňují průtok otopnou soustavou a mohou způsobovat poruchové stavy tepelného čerpadla vyvolané nedostatečným průtokem.

    

Instalace akumulačního zásobníku, který plní současně funkci anuloidu, tyto vlivy zcela eliminuje a je také nezbytný při zapojení tepelného čerpadla do soustavy s jiným zdrojem tepla (např. krbovou vložkou) nebo u více okruhových otopných soustav.

 

Vzduch-voda u velkých objektů    

 

Technologie vzduch-voda není vázána pouze pro vytápění malých rodinných domů. U velkých objektů typu výrobních a sportovních hal, bytových domů, administrativních a obchodních center, škol a podobně – pokud není možné použít zemní tepelné čerpadlo – je typ vzduch-voda dobrou volbou.

    

Potřebný topný výkon se obvykle vyskládá z několika tepelných čerpadel zapojených do kaskády, kdy regulace připíná jednotlivá zařízení podle aktuální potřeby tepla. Na rozdíl od běžných rodinných domů mají velké objekty často k dispozici bivalentní zdroj tepla v podobě kotle na zemní plyn, biomasu nebo centrální kotelny: v takovém případě lze s výhodou nižší investice navrhnout celý systém vytápění tak, že vzduchová čerpadla kryjí tepelnou ztrátu jen při plusových teplotách a při nižších venkovních teplotách potřebu vykrývá bivalentní zdroj. I v tomto případě platí, že tepelná čerpadla v letním provozu mohou zajišťovat ohřev teplé vody a chladit interiér objektu.

Vše, co potřebujete vědět o tepelných čerpadlech typu země-voda.

Tepelná čerpadla vzduch-voda už víme a objasnili jsme si důvody jejich obliby zejména v České republice, ale i celé Evropě. Konkurenční systém země-voda je přesto v mnoha vyspělých zemích ještě populárnější než vzduch-voda. Oba typy tepelných čerpadel prošly v posledním období rychlým technologickým vývojem a reprezentují budoucnost moderního vytápění a chlazení rodinných domů i velkých objektů. Jaké výhody nabízí tepelné čerpadlo země-voda?

Není sporu o tom, že fyzikální princip fungování tepelného čerpadla země-voda i vzduch-voda je shodný. Přesto se jejich provoz liší více, než by se na první pohled zdálo. Důvodem je, že tepelné čerpadlo země-voda má, na rozdíl od vzduch-voda, k dispozici stabilní, na venkovních podmínkách prakticky nezávislý a z pohledu tepelné kapacity vydatný zdroj tepla: zemi.

Pokud bychom si přirovnali fungování obou systémů k jízdě autem, tepelnému čerpadlu země-voda se podmínky provozu prakticky nemění a jízda tak připomíná cestování ustálenou rychlostí po rovné silnici. Vzduch-voda se musí vyrovnat s většími rozdíly teploty vzduchu a změnami jeho vlhkosti. Připomíná to méně plynulou jízdu v členitějším terénu, s častým používáním pedálu plynu, a dokonce s občasným zastavením a couváním zpět (analogie odtávání výparníku). Je nasnadě, že z toho těží systém země-voda vyšší účinností a delší životností.

Kolektor: horizontální či vertikální

Tepelné čerpadlo země-voda odebírá zemní teplo pomocí v zemi uloženého plastového kolektoru, ve kterém obíhá nemrznoucí kapalina (směs vody a glykolu). Průchodem přes kolektor se kapalina od země ohřívá a teplo odevzdává na výparníku tepelného čerpadla. Rozlišujeme dva základní typy kolektorů.

Horizontální kolektor je náročnější na plochu pozemku, na 1 kW tepelné ztráty domu je potřeba jeho plocha 35-40 m2. Způsobů uložení plastových trubek je několik, obvykle se volí uložení do jednotlivých výkopů (drážek) s roztečí 0,8 m nebo plošná orientace potrubí do rozměrnějšího výkopu (tzv. slinky). Hloubka položení se obvykle volí okolo 1,2 m. Plošný kolektor přijímá téměř 100% energie shora, jedná se tedy v podstatě o rozměrný solární kolektor.

Vertikální kolektor je tvořený svislým vrtem, do kterého je umístěno potrubí v podobě jednoduchého nebo dvojitého U. Hloubka vrtu se standardně pohybuje do 100 m, ale nejsou výjimkou ani vrty hluboké 150-200 m. Na pokrytí 1 kW tepelné ztráty objektu potřebujeme 15-20 m vrtu. Výhodou svislého kolektoru je malá prostorová náročnost, která umožňuje vrt umístit na minimální pozemek nebo přímo pod základovou desku domu. Další skvělou vlastností tohoto kolektoru je možnost pasivního chlazení v letním období (viz dále). S ohledem na nákladnější zemní práce spojené s vrtem vychází cena vertikálního kolektoru přibližně o 50 % vyšší než u plošného kolektoru.

Provozní účinnost vytápění

Účinnost tepelných čerpadel hodnotíme topným faktorem COP, který vyjadřuje poměr získaného tepla vůči energii spotřebované na chod zařízení. Smysluplné je měřit účinnost za období celé topné sezóny, v tom případě použijeme tzv. sezónní topný faktor (SCOP). Porovnáme-li sezónní topný faktor tepelných čerpadel země-voda a vzduch-voda, která jsou na podobné technické úrovni a která budou vytápět identický objekt co do tepelné ztráty a otopné soustavy, tepelné čerpadlo země-voda bude dosahovat o stupeň vyšší hodnotu SCOP než vzduch-voda. Jestliže v optimálním případě může vzduchové tepelné čerpadlo dosáhnout sezónní účinnost na hodnotě 4, země-voda se může pohybovat až okolo hodnoty 5.

 

Důvody lze shrnout do několika bodů: absence odtávání výparníku, relativně vysoká a stabilní vypařovací teplota chladiva a nižší nebo nulové nároky na bivalentní zdroj tepla. Provozní náklady s tepelným čerpadlem země-voda jsou tedy podle charakteru vytápěného objektu asi o 20-30 % nižší než se vzduchovým čerpadlem.

Chlazení tepelným čerpadlem země-voda

Význam letního chlazení interiéru domů a bytů bude v souvislosti se změnou klimatu narůstat. Mimořádnou vlastností tepelných čerpadel je to, že mohou plnit jak funkci vytápění, tak chlazení. Běžně, mluvíme-li o chlazení pomocí tepelného čerpadla, máme na mysli chlazení reverzační (aktivní), kdy je otočen směr proudění chladiva v chladícím okruhu, objekt je s pomocí práce kompresoru ochlazován a teplo je odváděno do okolí.

Pokud chceme tepelné čerpadlo pro chlazení využít, je nutné na to myslet již při jeho nákupu. U tepelných čerpadel země-voda nebývá reverzační chlazení standardem a je nutné si za něj připlatit, nicméně vlastní proces chlazení je neporovnatelně účinnější a úspornější nejen oproti klasické klimatizaci, ale i oproti vzduchovému tepelnému čerpadlu.

Odpadní teplo z chlazení není nezbytně nutné mařit jako je tomu u vzduchového čerpadla, ale je ho možné, resp. alespoň jeho část, vhodně využít, např. na ohřev teplé vody v domácnosti nebo k ohřevu bazénu. Kolik bychom například uspořili energie, pokud by hotely, které v horkých dnech klimatizují (chladí) interiér, odpadní teplo z chlazení neúčelně nevyfukovaly do okolního vzduchu, ale využily je k ohřevu svých lázní, vířivek, bazénů a k přípravě teplé vody…. Právě k takovému účelu jsou tepelná čerpadla ideální.

Pasivní chlazení: benefit na druhou

V kombinaci se svislým kolektorem umožňuje tepelné čerpadlo země-voda tzv. pasivní chlazení (freecooling). Jedná se o přímé chlazení domu zemním výměníkem. Teplota pod povrchem země je stabilně okolo 10 °C a okolí vrtu přestavuje obrovský zemní zásobník, jehož chlad je možné přímo přivádět do objektu. Modul pasivního chlazení může být příplatkovou výbavou tepelného čerpadla země-voda. Chlazení probíhá bez potřeby práce kompresoru a je zajištěno výhradně chodem oběhových čerpadel, tzn. se zanedbatelnými provozními náklady. Navíc teplo, které jsme odvedli do zemního zásobníku, zde zůstává uloženo a na začátku topné sezóny je tepelné čerpadlo s vysokou účinností využije zpět pro vytápění. Spolupráce zemního tepelného čerpadla a vrtu tak může představovat mimořádně energeticky efektivní systém vytápění a chlazení.

Dimenzování tepelného čerpadla země-voda

Návrh výkonu tepelného čerpadla země-voda je, na rozdíl od systému vzduch-voda, jednodušší. Při nominálních podmínkách B0W35 (pro podlahové topení) nebo B0W55 (radiátory) musí tepelné čerpadlo pokrýt tepelnou ztrátu vytápěného objektu. Pokud není uvažován bivalentní zdroj, musí vše zajistit kompresor. V případě instalace bivalentního zdroje, např. elektrokotle, by jeho podíl na celkovém topném výkonu neměl přesahovat 20-25 %. U moderních inverterových čerpadel země-voda se již obvykle s elektrickou bivalencí neuvažuje (resp. patrona funguje jen jako nouzový zdroj), a to s ohledem na maximální účinnost vytápění. Výhodou takového řešení, kdy kompresor pokrývá celou tepelnou ztrátu, je i snížení nároků na velikost elektrického jističe.

 

Prodeje tepelných čerpadel země-voda nerostou tak rychle jako čerpadel vzduch-voda, nicméně jejich přednosti přetrvávají. Vedle vyšší efektivnosti vytápění i chlazení, vyšší spolehlivosti a delší životnosti, umožňují i zpětné využití odpadního tepla z chlazení nebo energeticky výhodnou spolupráci se zemním výměníkem. Jejich funkce není závislá na bivalentním zdroji, díky čemuž vystačí s nižší hodnotou elektrického jističe. A v neposlední řadě přináší nulovou hlukovou zátěž venkovního prostoru, což je stále naléhavější téma.