Tepelné čerpadlá » Vykurovanie tepelnou energiou z okolitého prostredia
Uverejnené: 1. 8. 2023 | Čas potrebný na prečítanie: 8 minút
Globálne otepľovanie, klimatické zmeny, emisie CO2 a skleníkový efekt – tieto dramaticky znejúce slová zaznievajú v aktuálnom spravodajstve bohužiaľ čoraz častejšie.
Preto je bezpodmienečne nevyhnutné obmedziť používanie skleníkových plynov, ako sú napríklad fluoridové uhľovodíky, metán, oxid dusný a oxid uhličitý (CO2). Špeciálne oxid uhličitý, ktorý mnohé vykurovacie systémy vypúšťajú pri spaľovaní fosílnych palív (uhlie, olej alebo zemný plyn), prispieva okrem iného ku globálnemu otepľovaniu a k zmene klímy.
Z tohto dôvodu existuje veľký dopyt po ekologicky šetrných, resp. klimaticky neutrálnych alternatívach z obnoviteľných zdrojov. Pokiaľ ide o tému vykurovania, znova a znova sa objavuje pojem „tepelné čerpadlo“. Čo však ale tepelné čerpadlá sú, ako fungujú a sú skutočne všeliekom na klimatickú krízu? Tieto otázky by sme vám tu radi objasnili a súčasne vám poskytli ďalšie zaujímavé informácie k tejto dôležitej téme.
Vo vzduchu, v pôde a tiež vo vode je obsiahnuté veľké množstvo tepla, ktoré by sa v ideálnom prípade dalo využiť na vykurovanie. Príčinou je slnečné žiarenie, respektíve horúce jadro planéty Zem. Pokiaľ odhliadneme od vriacich gejzírov na Islande, je tepelná energia, ktorá je k dispozícii, bohužiaľ nevhodná na priame vykurovanie. Vo vykurovacej sezóne sú totiž teploty vzduchu, vody alebo pôdy výrazne nižšie ako potrebných 20 stupňov Celzia (°C), ktoré Spolkový úrad životného prostredia odporúča ako cieľovú izbovú teplotu.
Aby proces vykurovania stále fungoval a zostal pritom efektívny a šetrný k životnému prostrediu, je už potrebné trochu viac technických znalostí. Napríklad tepelné čerpadlá vzduch-voda (1) sa používajú na zvýšenie tepelnej energie (2) zo vzduchu na výrazne vyššiu úroveň (3).
Takto dosiahnutá vysoká teplota, resp. zvýšenie teploty sa následne prenáša do okruhu vody v kúrení (4). Jednotlivé budovy, celé miestnosti alebo aj kompletné plavecké bazény je tak možné vykurovať ľahko a efektívne.
Geniálny trik spočíva v tom, že väčšina získanej energie na vykurovanie pochádza priamo zo životného prostredia. Pokiaľ ide o náklady, hovoríme tu iba o elektrickej energii pre tepelné čerpadlo (5), ktorá by v ideálnom prípade bola získaná z obnoviteľného zdroja.
Tepelné čerpadlá nie sú vynálezom 21. storočia. V skutočnosti existujú tepelné čerpadlá už viac ako 100 rokov. V zásade je totiž každá chladnička alebo mraznička taktiež tepelným čerpadlom. Rozdiel je v tom, že sa u týchto chladiacich zariadení vytvorené zníženie teploty používa vo vnútri a vznikajúce odpadové teplo na zadnej strane sa pri tom nevyužíva. Aby sme dokázali lepšie porozumieť spôsobu fungovania tepelného čerpadla, vysvetlíme si najprv, ako funguje chladnička s kompresorom.
Fungovanie chladničky s kompresorom
Chladnička má uzavretý chladiaci okruh, v ktorom sa nachádza plynné, resp. kvapalné chladivo, ako je napríklad izobután. Izobután alebo tiež R600a má veľmi nízky bod varu a vyparuje sa už pri teplote –11,5°C.
Plynné chladivo (1) je stláčané pomocou kompresora (2), ktorý sa nachádza mimo vnútorného priestoru, ktorý má byť chladený (Outside). Chladiaci prostriedok sa na základe Joule-Thomsonovho javu zohreje na približne 60 až 100°C. Horúce chladivo pod tlakom je vedené ďalej do chladiaceho okruhu, resp. tepelného výmenníka (3) na zadnej stene chladničky. Tam je tepelná energia jednoducho odovzdaná do okolitého vzduchu.
Pretože je teplota varu pri stlačenom chladive výrazne vyššia ako –11,5°C, chladivo v chladiacom okruhu kondenzuje a skvapalní sa. Preto odborníci označujú tento chladiaci okruh ako kondenzátor alebo skvapalňovač.
Kvapalné chladivo následne tečie kapilárnymi trubičkami dovnútra chladničky (Inside). Kapilárne trubičky slúžia ako škrtiaci prvok, resp. uvoľňovací ventil (4), ktorý znižuje tlak a jemne rozprašuje chladivo. Následne trubičky zapojeného výparníka (5) poskytujú chladiacemu prostriedku dostatok priestoru, aby vplyvom zníženia tlaku prešiel späť do plynného stavu. Tepelnú energiu potrebnú na vyparovanie (chlad spôsobený vyparovaním) odoberá výparník ako výmenník tepla z vnútorného priestoru chladničky. Za výparníkom je chladiaci prostriedok znovu privedený do kompresoru, aby mohol celý proces začať znovu od začiatku. Reguláciu teploty preberá termostat, ktorý sa zapína alebo vypína v rámci určitého teplotného rozsahu kompresora.
Fungovanie tepelného čerpadla
V tepelnom čerpadle sa taktiež nachádza uzavretý chladiaci okruh s chladiacim prostriedkom, dva výmenníky tepla a jeden kompresor. Ale na rozdiel od chladničky sa pri tepelnom čerpadle využíva zvýšenie teploty a nie zníženie teploty.
Navyše je plynné chladivo (2) stláčané kompresorom (1). Horúce chladivo pod tlakom je privedené do prvého výmenníka tepla, resp. skvapalňovača (3).
Tento výmenník tepla má okrem trubičiek pre chladiaci prostriedok ešte potrubie pre vykurovací okruh (4).
Oba potrubné systémy sú termicky vzájomne prepojené. Teplo zo stlačeného chladiva je tak možné efektívne odovzdať do vykurovacieho okruhu prostredníctvom systému rozvodu tepla a zásobníkov.
Ochladené a teraz kvapalné chladivo je cez škrtiaci ventil (5) vedené do druhého výmenníka tepla, výparníka, resp. zariadenia zdroja tepla (6). Okrem potrubia pre chladiaci prostriedok sa vo výparníku nachádzajú aj termicky prepojené potrubné vedenia pre chladiaci okruh (7). Chladiaci okruh je spravidla naplnený nemrznúcim prostriedkom a vodou a môže znovu kompenzovať chlad vznikajúci pri odparovaní vo výparníku pomocou tepla z okolitého prostredia. Z tohto pohľadu je okolité prostredie ochladzované tepelným čerpadlom, čo je jeho pozitívny efekt. Chladiaci prostriedok, ktorý je teraz znovu v plynnom stave, je privádzaný do kompresora, čím sa okruh znovu uzavrie.
Podľa toho, z ktorého média je energia na vykurovanie získavaná, existujú rôzne druhy tepelných čerpadiel. Najbežnejšie typy by sme vám tu radi bližšie predstavili :
Luft-Wasser-Wärmepumpe
V prípade tepelného čerpadla vzduch-voda alebo tiež pri tepelnom čerpadle vzduch-vzduch (pozri výkres A) slúži ako zdroj tepla okolitý vzduch. V niektorých prípadoch sú inštalované rozdelené zariadenia, u ktorých je kompresor, výparník a ventilátor umiestnené vonku a skvapalňovač s obehovým čerpadlom a regulačnou technikou sa nachádza vo vnútri domu. Až do teploty vzduchu –20°C je možné tepelné čerpadlá vzduch-voda prevádzkovať ekonomicky.
Nami odporúčané produkty pre tepelné čerpadlá vzduch-voda
Tepelné čerpadlo soľanka-voda
Tepelné čerpadlá soľanka-voda využívajú ako zdroj energie prirodzené teplo zeme. Za tým účelom sa zemné kolektory (pozri výkres B) zahrabú blízko povrchu alebo sa vykonajú hlboké vrty (40–100 m) (pozri nasledujúci výkres C). Hoci sú náklady na inštaláciu výrazne vyššie, vyššie teploty zeme umožňujú spravidla vyššiu účinnosť tepelného čerpadla.
Tepelné čerpadlo voda-voda
V prípade tepelného čerpadla voda-voda (pozri výkres D) slúži ako zdroj tepla spravidla spodná voda. K tomu tepelné čerpadlá voda-voda potrebujú vrt, z ktorého môžu odoberať vodu a vsakovaciu studňu na odvádzanie spodnej vody.
Pretože je teplota spodnej vody po celý rok, nezávisle od ročného obdobia, konštantná, môžu tieto systémy pracovať veľmi efektívne. Využívanie spodnej vody je však na mnohých miestach možné len s príslušným povolením.
Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch
Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch využíva ako zdroj tepla vonkajší vzduch alebo tiež odpadový vzduch z domu. Na rozdiel od tepelného čerpadla vzduch-voda, nie je teplo odovzdávané do vykurovacieho okruhu naplneného vodou, ale do vetracieho systému. Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch sa ideálne hodí pre pasívne domy a energeticky účinné budovy, u ktorých má byť nainštalovaný vetrací systém s rekuperáciou tepla.
Tepelné čerpadlá na teplú vodu
Tepelné čerpadlo na teplú vodu, resp. tepelné čerpadlo na úžitkovú vodu je dimenzované špeciálne na to, aby pripravovalo teplú úžitkovú vodu pomocou okolitého vzduchu a technológiou tepelného čerpadla. Tepelné čerpadlo a nádrž na vodu tvoria často jeden celok. Tepelné čerpadlá na teplú vodu čiastočne obsahujú ešte dodatočné vykurovacie články, aby bolo v prípade potreby možné znovu výrazne zvýšiť už beztak vysokú teplotu úžitkovej vody približne 65°C. Alternatívne existujú aj tepelné čerpadlá na teplú vodu s dodatočnými prípojkami na slnečné kolektory.
Nami odporúčané produkty pre tepelné čerpadlá na teplú vodu
Doplnenie tepelného čerpadla o slnečné kolektory
Samozrejme existuje možnosť efektívne doplniť a podporiť tepelné čerpadlo slnečnými kolektormi. Pritom je možné slnečné kolektory používať buď priamo na získavanie teplej vody alebo je ich možné pri nízkych teplotách použiť na zvýšenie energetickej úrovne tepelného čerpadla. Možnosti, ktoré to prináša, sú tak rozmanité, že sa v každom prípade oplatí konzultácia s odborníkmi.
Techniku tepelných čerpadiel je možné využiť ako na vykurovanie, tak aj na chladenie bytov a budov. Pretože sú roky čím ďalej teplejšie, vídame na stenách domov čoraz viac klimatizačných zariadení s technológiou tepelných čerpadiel. Dokonca mobilné použitie vo vozidlách sa už niekoľko rokov výborne osvedčuje.
S touto šikovnou technikou pracuje už veľké množstvo domácich spotrebičov. Napríklad sušičky na bielizeň sú na jednej strane komfortné a užitočné, na druhej strane ale vyžadujú relatívne veľa elektrickej energie. Aby sa pri rovnakom sušiacom výkone znížila spotreba energie, pracujú moderné sušičky na bielizeň s tepelným čerpadlom. V prípade sušičky bielizne s tepelným čerpadlom sa musí ohrievať stále nový vzduch, ktorý je po procese sušenia jednoducho odvádzaný do miestnosti alebo do okolitého prostredia. Čím ďalej častejšie je vzduch na sušenie stále znovu používaný v uzavretom okruhu a vďaka integrovanému tepelnému čerpadlu je cielene ohrievaný a ochladzovaný.
Rovnako ako každá minca má dve strany, majú aj tepelné čerpadlá veľa silných stránok, ale samozrejme aj určité nedostatky, ktoré vám nechceme zatajiť. Asi najväčšou prednosťou je na jednej strane to, že dochádza k spotrebovaniu podstatného podielu tepelnej energie získanej z okolitého prostredia, ktorá je k dispozícii v neobmedzenom množstve. Pokiaľ je prúd na pohon kompresora získavaný z obnoviteľných zdrojov, sú tepelné čerpadlá ekologicky šetrnými poskytovateľmi energie. Na druhej strane, obstarávacie náklady nie sú aj napriek štátnej pomoci zanedbateľné. Navyše je integrácia do existujúcich budov kvôli nízkej teplote na vstupe často náročná.
Výhody a nevýhody tepelných čerpadiel v prehľade
Výhody:
✓ Ekologicky šetrný dodávateľ energie
✓ Vysoká účinnosť
✓ Takmer nevyčerpateľný zdroj tepla
✓ Vysoká flexibilita zdrojov energie
✓ Nízke prevádzkové náklady, rýchla amortizácia
✓ Takmer bez-údržbová prevádzka
✓ Vykurovacia aj chladiaca prevádzka
Nevýhody:
✗ Vyššie obstarávacie náklady
✗ Obmedzená teplota na vstupe
✗ Nutnosť kvalitnej izolácie budovy
✗ Optimálna účinnosť iba pri podlahovom vykurovaní
✗ Ťažká prevádzka s vykurovacími telesami
✗ Nutnosť oddelenia systému pre teplú vodu
✗ Plánovanie a projektovanie môžu vykonávať iba odborníci
Účinnosť vykurovania udáva pomer privádzanej energie a využiteľného tepla. Ak plynové vykurovanie vytvorí z 10 000 kWh zemného plynu asi 9 000 kWh tepla, dosahuje účinnosť vykurovania 0,9. Pri tepelných čerpadlách sa uvádza účinnosť medzi 2 a 5! To znamená, že sa z jednej kilowatthodiny (1 kWh) elektriny, pokiaľ je to možné získanej z obnoviteľného zdroja, vyrobí asi 2–5 kWh tepla.
Tepelné čerpadlá však nie sú kúzelné skrinky, ktoré dokážu zázračne vyrobiť energiu z ničoho. Ich vysoká účinnosť spočíva najmä v tom, že je do výpočtu zahrnutý iba potrebný elektrický prúd a nie už privádzaná energia z okolitého prostredia.
To ale nakoniec nie je relevantné, pretože energia z okolitého prostredia je k dispozícii v neobmedzenom množstve a táto energia nefiguruje ani na žiadnej faktúre za energie. V ideálnom prípade odpadajú náklady na prevádzku, pokiaľ prevádzkovateľ tepelného čerpadla vlastní taktiež fotovoltaický systém, ktorým vyrába elektrický prúd pre kompresor, ventilátor a čerpadlá. Vďaka obnoviteľným zdrojom energie môže byť tak vykurovanie úplne bez emisií CO2.
Aby obyvateľstvo pri modernizácii alebo zmene existujúceho kúrenia, resp. starého kúrenia prešlo na klimaticky neutrálne tepelné čerpadlo, poskytuje spolková vláda finančnú podporu na nové tepelné čerpadlo. Táto pomoc je však viazaná na splnenie určitých kritérií. Okrem toho sa podpora v priebehu času mení. Záujemcovia, ktorí by pri obstaraní nového vykurovania chceli využiť podporu, sa môžu na internetovej stránke Spolkového ministerstva pre hospodárstvo a ochranu klímy informovať o aktuálnych možnostiach podpory.