Princíp tepelného čerpadla: Ako funguje a šetrí peniaze?

Tepelné čerpadlá sú stále populárnejším riešením pre efektívne vykurovanie a chladenie domov, ako aj prípravu teplej vody. Využívajú energiu z okolitého prostredia – vzduchu, zeme alebo podzemnej vody – a pomocou moderných technológií ju premieňajú na teplo, ktoré môže byť následne využité pre vykurovanie, chladenie alebo ohrev vody.

Takéto riešenie nielen znižuje náklady na energiu, ale je tiež šetrné k životnému prostrediu.

Tepelné čerpadlo funguje na princípe presunu tepla z jedného miesta na druhé.

Ako príklad uvedieme tepelné čerpadlo vzduch-voda. Jeho jadrom je chladiaci okruh, v ktorom cirkuluje chladivo.

1. To má na studenej strane vo výparníku takú nízku teplotu, že môže preberať teplo zo vzduchu aj v zime pri teplotách pod -20°C.
2. Chladivo, „obohatené“ o energiu odobratú vonkajšiemu vzduchu, potom kompresorom prudko stlačíme, čím jeho teplota vzrastie na hodnoty potrebné pre vykurovanie.
3. Chladivo následne celkovú energiu zo vzduchu, ako aj elektrickú energiu z kompresora, odovzdá v kondenzátore vykurovacej vode.

Predstavte si to ako obrátený princíp chladničky – namiesto toho, aby odvádzalo teplo von, tepelné čerpadlo ho privádza dovnútra.

Tepelné čerpadlá vzduch-voda získavajú teplo z vonkajšieho vzduchu a využívajú ho na vykurovanie a ohrev vody. Tieto typy tepelných čerpadiel sú známe svojou flexibilitou a jednoduchou inštaláciou.

Fungujú na princípe prenosu tepla z vonkajšieho vzduchu cez výparník, kde sa teplo absorbuje a následne sa prenáša do vykurovacej vody pomocou kondenzátora.

• Medzi výhody tepelných čerpadiel systému vzduch-voda primárne patrí to, že nevyžadujú zložité zemné práce ani prístup k podzemnej vode. 

• Inštalácia je menej nákladná v porovnaní so systémami zem-voda alebo voda-voda. 

• Možno ich inštalovať takmer kdekoľvek.

Na trhu sa stretávame s dvoma hlavnými typmi tohto zariadenia – monoblok a split. Každý z nich má svoje výhody a špecifiká, ktoré závisia od spôsobu inštalácie a technológie distribúcie chladiva.

Nižšie uvádzame charakteristiku oboch typov.

Tepelné čerpadlo typu monoblok

Tepelné čerpadlo monoblok sa vyrába a montuje ako jeden celok v továrni. Všetky komponenty chladiaceho systému, ako ventilátor, výparník, kompresor, expanzný ventil a kondenzátor, sú súčasťou jedného kompaktného zariadenia.

Systém je už vo výrobe hermeticky uzavretý a prechádza dôkladnými skúškami tesnosti, čím sa minimalizuje riziko úniku chladiva.

Kľúčovou výhodou monoblokového riešenia je, že chladivo je už naplnené a hermeticky uzavreté vo výrobe, čo znamená, že pri montáži nie je potrebný chladiar, ktorý by manipuloval s chladivom. 

Tento aspekt uľahčuje inštaláciu, znižuje náklady na montáž a eliminuje potenciálne riziko nesprávnej manipulácie s chladivom.

Tepelné čerpadlo typu split

V prípade splitového riešenia sú komponenty chladiaceho systému rozdelené medzi vonkajšiu a vnútornú jednotku. Toto rozdelenie znamená, že chladivo nie je naplnené vo výrobe, ale až pri inštalácii na mieste.

Tento postup môže predstavovať výzvu, pretože je potrebné vykonať precíznu manipuláciu s chladivom priamo na mieste inštalácie, čo si vyžaduje odborné zručnosti.

Pri montáži splitového systému je teda potrebné zapojiť nielen kurenára, ale aj chladiara, ktorý zabezpečí správne naplnenie a vyladenie systému.

Vzhľadom na to, že chladivový systém sa skladá priamo na mieste, môžu vzniknúť drobné odchýlky v účinnosti, pretože vyladenie systému nie je vopred zaručené ako pri monoblokoch.

Tepelné čerpadlo zem-voda funguje pomocou hermeticky uzavretého chladiaceho okruhu s kompresorom, ktorý dokáže využiť nízkopotenciálnu energiu uloženú v horninách. Táto energia sa následne premieňa na teplo vhodné na vykurovanie a ohrev vody. 

Tento systém patrí medzi obnoviteľné zdroje energie (OZE), keďže využíva prirodzené teplo zo zeme.

Existujú dva hlavné spôsoby, ako odoberať teplo zo zeme:

• zemným plošným kolektorom,
• zemným vrtom (sondou).

Zemný plošný kolektor

Zemný plošný kolektor funguje ako akumulátor tepla, v podstate ide o obrovský solárny kolektor. Teplo získava zo slnka počas teplejších mesiacov a ukladá ho v pôde.

Počas vykurovacej sezóny toto teplo odoberá a využíva na vykurovanie. 

Tento systém je umiestnený plytko pod povrchom (v nezamŕznej hĺbke) – na inštaláciu je preto potrebný väčší pozemok.

Pri využití plošného kolektora sa počíta, že potrebujete približne 1,5 až 2-násobok plochy obytnej časti domu. Pre bežný 4-izbový bungalov je odhadom potrebných 300 až 400 m² pozemku na inštaláciu kolektorov.

Nevýhodou tohto riešenia je, že na mieste, kde sú kolektory umiestnené, už nie je možné kopať alebo budovať hlbšie základy, aby sa nepoškodil systém. Pozemok je možné využiť iba na pestovanie trávy alebo plytko koreňových rastlín, ktoré nezasahujú hlboko do pôdy a neohrozia kolektor​.

Zemný vrt (sonda)

Zemný vrt využíva hlbinné teplo, ktoré je stabilnejšie po celý rok. Hĺbka vrtu je zvyčajne medzi 80 a 130 metrami a má priemer okolo 175 mm.

Do vrtu sú vložené 1 alebo 2 rúry v tvare U, vyrobené zo špeciálneho plastu, ktoré sú naplnené nemrznúcou zmesou.

Tento systém je vhodný pre menšie pozemky, no vyžaduje vyššiu investíciu do inštalácie.

Približná cena za 1 meter zemného vrtu na pozemku sa môže líšiť v závislosti od viacerých faktorov, ako je napríklad typ pôdy, prístupnosť terénu, hĺbka vrtu a technológia, ktorá sa používa. Bežná cena sa na Slovensku pohybuje okolo 50 až 80 eur za 1 meter hĺbky vrtu. 

Tepelné čerpadlo voda-voda je podobné systému zem-voda, avšak teplo sa neodoberá zo zeme, ale z vodného zdroja.

Zdrojom môže byť:

• studňa,
• povrchový vodný tok (potok, rieka) alebo
• väčšie vodné plochy ako rybníky a jazerá.

Tento typ systému dokáže efektívne využiť energiu z vody, no vyžaduje špecifické podmienky a dostatok vody, aby bol efektívny.

Čerpanie podzemnej vody

Tepelné čerpadlo voda-voda, ktoré využíva podzemnú vodu, vyžaduje studňu na odber vody a vsakovaciu studňu, kam sa voda po využití vracia. Systém je vysoko účinný, no na jeho inštaláciu je potrebná geologická analýza a povolenie na využívanie vodonosných vrstiev.

Hlavnou výhodou hlbinnej vody je jej stabilná teplota po celý rok, čo zabezpečuje konzistentný výkon tepelného čerpadla.

Čerpanie povrchovej vody

Tepelné čerpadlá, ktoré využívajú povrchovú vodu, sú závislé od sezónnych zmien teploty vody. V zime, keď teplota vody klesá blízko bodu mrazu, môže byť účinnosť nižšia, pretože je potrebné čerpať veľké množstvo vody na to, aby sa dosiahlo potrebné ochladenie o niekoľko desatín stupňa.

Navyše, na využitie povrchových vodných zdrojov je potrebné povolenie od správcov týchto zdrojov, čo môže byť komplikované.

Účinnosť tepelného čerpadla sa meria pomocou ukazovateľov ako COP (Coefficient of Performance), SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) a SPF (Seasonal Performance Factor).

Skratka COP (Coefficient of Performance)

Označuje výkonový koeficient tepelného čerpadla. Tento koeficient udáva, koľkokrát viac tepelnej energie dokáže tepelné čerpadlo vyrobiť, než koľko energie spotrebuje na svoju prevádzku.

Napríklad, ak má tepelné čerpadlo COP 4, znamená to, že na každú spotrebovanú jednotku elektrickej energie vyrobí štyri jednotky tepla.

SCOP (Seasonal Coefficient of Performance)

Je sezónna hodnota efektivity, ktorá zohľadňuje výkyvy v prevádzkových podmienkach počas celého roka. SCOP berie do úvahy rôzne teploty vonkajšieho prostredia a spôsobuje, že táto hodnota lepšie odráža celkovú efektivitu tepelného čerpadla v priebehu celej vykurovacej sezóny.

SPF (Seasonal Performance Factor)

Vyjadruje nielen výkon tepelného čerpadla, ale celkovú účinnosť vykurovacieho systému.

Výber správneho tepelného čerpadla je dôležitý krok, ktorý závisí od viacerých faktorov, vrátane veľkosti budovy, typu vykurovacieho systému, dostupnosti zdrojov energie a požiadaviek na výkon.

Pri výbere tepelného čerpadla je dôležité zvážiť tieto aspekty:

1. Typ tepelného čerpadla

Existujú 3 druhy tepelných čerpadiel, ktoré sú podrobnejšie popísané vyššie v článku. Pri výbere záleží najmä na tom, ktorý typ vyhovuje vašim potrebám a požiadavkám.

2. Výkon tepelného čerpadla

Výkon tepelného čerpadla musí zodpovedať tepelným stratám budovy. Musí byť schopné poskytnúť dostatočné množstvo tepla počas najchladnejších dní v roku.

Pre výpočet správneho výkonu je najlepšie poradiť sa s odborníkom, ktorý vykoná tepelný audit budovy.

3. Účinnosť tepelného čerpadla

Účinnosť tepelného čerpadla sa meria pomocou koeficientu výkonu (COP) a sezónneho koeficientu výkonu (SCOP). COP udáva pomer medzi vyrobeným teplom a spotrebovanou energiou za určitých podmienok, zatiaľ čo SCOP zohľadňuje výkonnosť počas celého roka.

Vyššie hodnoty COP a SCOP znamenajú vyššiu efektivitu a nižšie prevádzkové náklady.

4. Možnosť chladenia

Ak plánujete využívať tepelné čerpadlo aj na chladenie, zamerajte sa na modely, ktoré podporujú túto funkciu. Nie všetky tepelné čerpadlá sú schopné zabezpečiť aj chladenie, preto je dôležité si túto možnosť overiť.

Reverzibilné tepelné čerpadlá môžu v lete fungovať aj na chladenie.

5. Dostupnosť inštalačného priestoru

Pre systémy zem-voda je potrebné zvážiť veľkosť a typ pozemku, pretože inštalácia plošného kolektora alebo vrtov zaberá priestor. Tepelné čerpadlá vzduch-voda pre vonkajšiu inštaláciu vyžadujú vonkajšiu jednotku, ktorá musí byť správne umiestnená, aby fungovala efektívne.

6. Náklady na inštaláciu a prevádzku

Počiatočné náklady na inštaláciu tepelného čerpadla sa líšia v závislosti od jeho typu, no dôležitým faktorom sú aj prevádzkové náklady. Je vhodné porovnať náklady na inštaláciu a očakávané úspory na energiách v dlhodobom horizonte.

Pri rozhodovaní zohľadnite aj dostupné dotácie na obnoviteľné zdroje energie, ktoré môžu znížiť počiatočnú investíciu.

7. Kompatibilita s existujúcim systémom

Ak už máte inštalovaný vykurovací systém, mali by ste zvážiť, či je kompatibilný s tepelným čerpadlom. Niektoré tepelné čerpadlá pracujú efektívnejšie s nízkoteplotnými vykurovacími systémami, ako je podlahové kúrenie, zatiaľ čo iné môžu byť použité aj s tradičnými radiátormi.

Tepelné čerpadlá dokážu nielen vykurovať, ale aj chladiť priestor, a to dvoma hlavnými spôsobmi: pasívnym a aktívnym chladením.

Pasívne chladenie

Pasívne chladenie je využiteľné len pri tepelných čerpadlách typu voda-voda a zem-voda. Tento spôsob využíva nízke teploty zeme alebo podzemnej vody, ktoré sú cez výmenník tepla prenesené do vykurovacieho systému. Počas tohto procesu nie je kompresor tepelného čerpadla aktívny. Prácu vykonávajú obehové čerpadlá.

Ide o veľmi ekonomický spôsob chladenia, keďže samotné tepelné čerpadlo nevyžaduje prácu kompresora.

Aktívne chladenie

Aktívne chladenie je možné u všetkých typov tepelných čerpadiel. Pri aktívnom chladení sa kompresor tepelného čerpadla zapne a funguje podobne ako klimatizácia. Systém aktívne odvádza teplo z miestnosti do vonkajšieho prostredia.

Tento spôsob vyžaduje viac energie než pasívny, ale je účinný aj v horúcich letných mesiacoch.

Väčšina modelov od STIEBEL ELTRON sú reverzibilné a teda dokážu fungovať aj v režime chladenia, pričom využívajú buď aktívne alebo pasívne chladenie.

Tepelné čerpadlá fungujú odlišne v závislosti od sezóny, pričom ich efektivita a spôsob prevádzky sa líši medzi zimným a letným obdobím.

Efektivita tepelných čerpadiel v zime môže klesať v prípade extrémnych mrazov, keď systém potrebuje viac elektriny na udržanie tepla. Na zvýšenie efektivity v zimných mesiacoch sa odporúča kombinácia s doplnkovým vykurovacím systémom alebo využitie tepelného čerpadla so stabilným zdrojom energie, ako je napríklad zemné teplo.

Tepelné čerpadlá zem-voda a voda-voda sú vďaka stabilným teplotným zdrojom (zem a voda) energeticky efektívne po celý rok.

Tepelné čerpadlo tak počas celého roka funguje v závislosti od klimatických podmienok, pričom jeho výkon a efektivita sa menia v súlade s vonkajšími teplotami. Systém však môže byť navrhnutý tak, aby maximalizoval úspory a komfort počas všetkých sezón.

Tepelné čerpadlo v zime

V zime tepelné čerpadlo pracuje na princípe odoberania nízkopotenciálneho tepla z vonkajšieho prostredia (vzduch, zem alebo voda) a jeho následného kompresného zvýšenia na teplotu potrebnú na vykurovanie interiéru. 

Aj keď je vonkajšia teplota nízka, moderné tepelné čerpadlá dokážu efektívne fungovať pri teplotách až do -25 °C.

Tepelné čerpadlo prechádza viacerými fázami:

1. odoberanie tepla – z vonkajšieho prostredia (vzduch, zem alebo voda) sa teplo nasáva pomocou výparníka a následne odovzdáva do chladiaceho média,
2. kompresia – chladiace médium sa stláča kompresorom - teplota sa zvyšuje,
3. prenos tepla – ohriate médium odovzdáva teplo do vykurovacieho systému (podlahové / stropné / stenové kúrenie, radiátory).

V zimnom období môžu tepelné čerpadlá vzduch-voda potrebovať odmrazovanie výparníka, keďže kondenzácia vlhkosti na studenom povrchu vytvára námrazu. Moderné tepelné čerpadlá sú vybavené automatickými cyklami na odmrazovanie, čo zabezpečuje kontinuálny a efektívny chod.

Vplyv nízkych teplôt

S klesajúcimi vonkajšími teplotami sa efektivita tepelného čerpadla znižuje, čím sa znižuje aj koeficient výkonnosti (COP). Na vyprodukovanie rovnakého množstva tepla je teda potrebné viac elektrickej energie. 

Tepelné čerpadlá typu zem-voda a voda-voda sú v tomto smere menej ovplyvnené, keďže teplota zeme alebo podzemnej vody je stabilnejšia a menej kolíše než vzduch.

Tepelné čerpadlo v lete

Niektoré tepelné čerpadlá môžu v lete slúžiť ako chladiaci systém. Funguje to tak, že namiesto odoberania tepla z vonkajšieho prostredia ho odoberá z interiéru a odvádza ho von.

Existujú dva režimy chladenia:

• pasívny a
• aktívny.

V lete sa COP (koeficient výkonnosti) zvyšuje, pretože vonkajšie teploty sú vyššie a tepelné čerpadlo nemusí toľko „bojovať“ proti nízkym teplotám. Pre tepelné čerpadlá vzduch-voda je toto obdobie optimálne, keďže rozdiel medzi vonkajšou a požadovanou vnútornou teplotou je menší, čím sa znižuje spotreba elektriny.