Tepelné čerpadlo: Viete, aké druhy existujú a ako fungujú?

Rozmýšľali ste niekedy nad vykurovaním tepelným čerpadlom? V dnešnej dobe sú tieto zdroje tepla stále viac a viac obľúbené. Je to najmä kvôli ich šetrným vlastnostiam k životnému prostrediu, dlhej životnosti a ušetreným nákladom na energie. 

Ako funguje tepelné čerpadlo?

Tepelné čerpadlo funguje na podobnom princípe ako klimatizácia či chladnička, len je v ňom proces obrátený. Tepelné čerpadlo premieňa teplo odobraté z okolitého prostredia, napríklad z vonkajšieho vzduchu, pôdy, vody, na teplo, ktoré je vhodné na vykurovanie a ohrev teplej vody.

Keďže teplo odobraté zvonku nemôže samo od seba prechádzať z chladnejšieho na teplejšie teleso, musí tepelné čerpadlo prevádzať prijatú tepelnú energiu z okolia na teplotnú hladinu potrebnú na vykurovanie a prípravu teplej úžitkovej vody.

Toto je vykonávané za pomoci kompresora, ktorý na svoju prevádzku potrebuje elektrickú energiu. Tepelný výkon na výstupe tepelného čerpadla teda nezískavame úplne zadarmo, ale vo výsledku získame súčet energie odobratej z vonkajšieho prostredia a elektrickej energie dodanej pre pohon kompresora.

Pomer medzi elektrickou energiou, ktorá je tepelným čerpadlom spotrebovaná, a dodanou tepelnou energiou sa nazýva vykurovací faktor. Ten je ukazovateľom účinnosti tepelného čerpadla. Čím vyšší je vykurovací faktor, tým viac nám tepelné čerpadlo dokáže ušetriť.

Dôležité parametre

COP a EER

Dôležité parametre, ktoré by sme si mali všímať pri výbere tepelného čerpadla, sú COP a EER. Tieto dva parametre udávajú účinnosť tepelného čerpadla. Parameter COP je na vykurovanie a EER na chladenie. 

SCOP a SEER

Tieto dva parametre udávajú v podstate to isté ako COP a EER, ale v priemerných hodnotách za celú sezónu. Hodnota SCOP udáva výpočet priemerného vykurovania za sezónu pri štandardných podmienkach. 

Tento sezónny koeficient účinnosti je v režime kúrenia vypočítaný ako pomer odovzdanej tepelnej energie k vstupnej elektrickej energii pre celoročnú sezónu. 

Z čoho sa tepelné čerpadlo skladá?

Tepelné čerpadlo má 4 základné časti:

• výparník
• kondenzátor
• kompresor
• expanzný ventil

Okruh tepelného čerpadla je naplnený kvapalinou s nízkym bodom varu, ktorú nazývame pracovným médiom. Pracovné médium hrá vo fungovaní tepelného čerpadla významnú rolu. Nízkopotenciálne teplo vonkajšieho prostredia je za pomoci pracovného teplonosného média odoberané z výparníka a privádzané do kompresora.

Kompresor teda nasáva pracovné médium z výparníka, v ktorom nastáva podtlak. Médium sa vyparuje, na čo spotrebováva výparné teplo zo zdroja. Pary teplonosného média sú v kompresore stlačené, tým sa zvýši tlak, pary sa ohrejú a vháňajú sa do kondenzátora. Tu pary odovzdajú výparné teplo vykurovacej vode, a tým skondenzujú. Skvapalnené médium potom preteká expanzným ventilom, čím stráca tlak a výrazne sa ochladzuje.

Pretože je pracovné médium chladnejšie ako nízkopotenciálny zdroj tepla, odčerpáva z neho teplo. Cyklus sa následne znovu opakuje v smere výparník, kompresor, kondenzátor, expanzný ventil.

Typy tepelných čerpadiel

Tepelné čerpadlá môžeme rozdeliť podľa prostredia, v ktorom pracujú. Prvým v názve je vždy prostredie, z ktorého sa teplo získava a druhé je prostredie, kam sa teplo odovzdáva. Existujú aj špeciálne tepelné čerpadlá na iný než elektrický pohon. Tie sa však na vykurovanie rodinných domov zvyčajne nevyužívajú.

Tepelné čerpadlo vzduch – vzduch

Je to v podstate každá klimatizácia. Klimatizácia sa väčšinou skladá z vonkajšej jednotky, ktorá vyžaruje teplo do okolia, resp. ho získava z okolia, a z vnútornej jednotky, ktorá vykonáva opačnú činnosť v interiéri. 

Klimatizácia sa používa predovšetkým na chladenie v lete a v zimných obdobiach na prihrievanie. Je veľmi dôležité regulovať teplotu v dome, pretože vplyv klimatizácie a vplyv vykurovania domácnosti na zdravie môže byť rôzny. Teplota by nemala byť príliš vysoká, ale ani príliš nízka. 

Princíp klimatizácie neumožňuje poskytnúť rovnomerné vykurovanie pre domy s viacerými miestnosťami tak, ako klasický teplovodný systém a nedosahuje ani takú účinnosť, ako napr. systémy vzduch – voda. Preto by sme mali byť opatrní, ak chceme bežné klimatizácie označovať pojmom tepelné čerpadlo.

Tepelné čerpadlo vzduch – vzduch si však získava obľubu aj pri stavbe nízkoenergetických domov. V takom prípade môže byť súčasťou jednotiek tzv. riadeného vetrania, ktoré umožňujú často aj rekuperáciu tepla. 

Tento systém však vyžaduje inštaláciu rozmerných potrubných systémov na vedenie vzduchu, preto sa zvyčajne uplatňuje iba v novostavbách. Navyše, staršie domy bývajú spravidla nezateplené, a preto majú aj vyššiu tepelnú stratu. Nevýhoda nezatepleného domu je teda vyššia tepelná strata, ktorá znamená vyšší výkon čerpadla a vyššiu obstarávaciu cenu.

Tepelné čerpadlo vzduch – voda

Toto tepelné čerpadlo získava teplo zo vzduchu okolo domu a odovzdáva ho cez tepelný výmenník teplovodnému systému vykurovania. Je najmenej finančné nákladné a najmenej náročné na inštaláciu. Okrem tepelného výmenníka obsahuje iba vonkajšiu jednotku, ktorá vyzerá ako vonkajšia jednotka klimatizácie. 

Okrem nízkej účinnosti tohto riešenia je jeho veľkou nevýhodou aj kolísajúca vonkajšia teplota, od ktorej je účinnosť priamo závislá. To môže byť problém pri tuhých zimách. Nižšia účinnosť v zime sa dá riešiť tzv. bivalentným vykurovaním, kedy je použitý na prihrievanie vykurovacej vody sekundárny zdroj tepla. 

TIP: Neoddeliteľnou súčasťou tepelného čerpadla je zásobník teplej úžitkovej vody, ktorá sa využíva v kúpeľni, kuchyni a na iných miestach, kde je zdroj tečúcej vody. 

Tepelné čerpadlo voda – voda

Voda je zdroj tepla s najvyšším tepelným potenciálom. Musí byť však dostupná v dostatočnom množstve a dobrej kvalite. Tepelné čerpadlo voda – voda dokáže dodávať teplo aj v obdobiach extrémnej zimy, pričom musíme vodu čerpať z podzemnej studne.

Vodu totiž môžeme čerpať z dvoch zdrojov:

• Podzemná studňa – voda z podzemnej studne nezamŕza. Na prevádzku tepelného čerpadla však potrebujeme studne dve – jednu čerpaciu a druhú vsakovaciu. Z čerpacej sa bude voda čerpať a do vsakovacej sa bude ochladená voda odvádzať. Tieto by mali byť umiestnené za sebou podľa smeru prúdenia vody. 
• Veľká vodná plocha – jazerá a rybníky sú veľmi výdatným zdrojom vody. Problémom je ich vyššia teplotná závislosť na okolitej teplote. V zime sa ochladzujú a zamŕzajú, v lete zasa ohrievajú od slnečného žiarenia. 

Tepelné čerpadlo zem – voda

Tieto čerpadlá čerpajú teplo priamo zo zeme v okolí domu, a to jedným z dvoch možných spôsobov:

• Plošné zemné kolektory – sú tvorené plastovými hadicami, ktoré sú uložené do slučiek v hĺbke 1–2 m na pozemku okolo domu. Výmenu tepla medzi zemou a tepelným čerpadlom zaisťuje nemrznúca zmes, ktorá cirkuluje v okruhu tvorenom týmito hadicami.
• Suchý vrt – obsahuje potrubie v tvare písmena U, cez ktoré sa chladivo vedie až na dno a následne sa druhou vetvou vracia nahor. Pri tejto ceste sa ohrieva. Kvapalina je v uzavretom systéme a neprichádza do styku so zeminou.

Výhody a nevýhody tepelného čerpadla

Medzi najväčšie výhody tepelného čerpadla patria:

• Nízke prevádzkové náklady – tepelné čerpadlo je jedným z najúspornejších typov vykurovania na trhu. Až 75% tepelnej energie totiž čerpá z okolitého prostredia a len 25% z elektrickej siete. 
• Lacnejšia sadzba elektrickej energie – s tepelným čerpadlom vzniká nárok na lacnejšiu sadzbu elektrickej energie. Vďaka tomu je nielen lacnejšie vykurovanie a ohrev vody, ale aj svietenie, pranie alebo umývanie riadu v umývačke.

TIP: Ak máte pocit neistoty ohľadom vašich finančných rozhodnutí poraďte sa s finančným poradcom. 

• Čisté a bezpracné vykurovanie – oproti kotlu na tuhé palivá sa tepelné čerpadlo pýši svojou bezobslužnosťou. Tepelné čerpadlo človeka ku kúreniu nepotrebuje. Stačí nastaviť optimálnu teplotu v domácnosti a to je všetko. 
• Ekologické riešenie – z tepelného čerpadla neunikajú žiadne splodiny ako z kotla na tuhé palivo.

Tepelné čerpadlo má aj pár nevýhod, s ktorými je potrebné počítať:

• Vyššie vstupné investície – zásadnou nevýhodou pri rozhodovaní, či zaobstarať tepelné čerpadlo, je mnohonásobne vyššia počiatočná investícia ako u iných typov vykurovania. Na druhú stranu sa vstupné náklady pomerne rýchlo vrátia vďaka lacnej prevádzke a možnosti využitia štátnej dotácie. 
• Nákladné zemné práce v prípade typu zem – voda – výkop pre zemné kolektory alebo vrt môže byť pomerne nákladný. Tepelné čerpadlo zem – voda je úspornejšie a zdroj jeho tepelnej energie stabilnejší. Preto sa aj v tomto prípade môžu náklady rýchlejšie vrátiť.

TIP: Pri výkopových prácach by ste v žiadnom prípade nemali podceniť vhodnú pracovnú obuv. 

Vykurovanie obydlia – s čím kombinovať čerpadlo?

Otázka vykurovania však nekončí rozhodnutím o investícii do čerpadla. Je dôležité rozhodnúť sa, ako čo najekonomickejšie a najefektívnejšie využívať tento ekologický a výhodný zdroj tepla. 

Tepelné čerpadlo môže poslúžiť pri vykurovaní podlahovým kúrením alebo radiátormi. Ideálnejšou voľbou sa zdá byť podlahové kúrenie, ktoré oceníte nielen v kúpeľni, keď vyjdete z teplého kúpeľu. Táto kombinácia zabezpečí teplotný komfort v dome a zároveň pri vhodnom a overenom technickom riešení šetrí aj peňaženku.

Hlavným dôvodom je, že podlahové vykurovanie pokrýva a odovzdáva teplo cez veľkú plochu. Preto nie je potrebné zohrievať vykurovaciu vodu do podlahy na vysokú teplotu, aby bola teplota v objekte príjemná a stabilná. Potrebná teplota podlahového vykurovacieho systému závisí na type inštalácie, prevádzková teplota však nepresahuje 35°C. 

Tepelné čerpadlá dodávajú do podlahy vykurovaciu vodu kontinuálne počas celého dňa. Čerpadlá teda nedodávajú veľa vykurovacej vody nárazovo, ale kúria nižším teplotným spádom. Preto dokážu zásobovať teplom podlahové kúrenie bez toho, aby dochádzalo k zbytočnému prehrievaniu alebo plytvaniu energie.

Kedy je vhodné podlahové kúrenie do kúpeľne? 

Keď máte nohy v teple, nemusíte mať miestnosť vyhriatu na toľko stupňov. Preto je tento systém energeticky účinnejší. Navyše nezaberá žiadne miesto. Ocenia ho teda aj majitelia malých kúpeľní, kde sa počíta každý ušetrený centimeter. Podlahové kúrenie je zároveň ideálnym riešením pre ľudí s oslabenou imunitou či pre ženy, ktoré sú náchylné na chlad a s ním spojené urologické či gynekologické zápaly.

Podlahové kúrenie nie je jedinou voľbou vykurovacieho systému. S tepelným čerpadlom je možné kombinovať aj radiátory. Závisí to na type a výkone čerpadla, ale aj na veľkosti radiátorov. Zväčša platí, že čím väčší radiátor, tým kompatibilnejší s tepelným čerpadlom. Keďže majú radiátory menšiu plochu, potrebujú vykurovaciu vodu o výrazne vyššej teplote, aby bol zabezpečený teplotný komfort v dome.

Aké radiátory možno je najlepšie kombinovať s tepelným čerpadlom? 

• Článkové radiátory - sú najstarším typom radiátorov, majú malú plochu na vyžarovanie tepla a odovzdávajú ho predovšetkým konvekciou a reagujú pomerne pomaly, preto nie sú veľmi vhodné na efektívnu prevádzku tepelného čerpadla
• Rebríkové radiátory - sú modernejšou verziou článkových radiátorov, často sa nachádzajú v kúpeľni, a preto sa nazývajú aj uterákové radiátory, ich použitie v kombinácii s tepelnými čerpadlami tiež nie je optimálne
• Panelové radiátory - vyznačujú sa veľkou, prevažne rovnou vykurovacou plochou s priestorovo úsporným dizajnom a nízkou teplotou prúdenia, keďže vysoký podiel tepla sa vyžaruje sálaním sú vhodnejšie na prevádzku tepelných čerpadiel ako článkové alebo rúrkové radiátory
• Nízkoteplotné radiátory - pozostávajú z niekoľkých dosiek s veľkou plochou a teplo vyžarujú cez priečky z hliníka alebo profilovaného oceľového plechu, vzhľadom na vysoký podiel sálavého tepla a nízke teploty prúdenia sú pre kombináciu s tepelným čerpadlom najvhodnejšie

Michal Horváth