Charakteristika tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo je stroj, který pracuje na principu chladicího zařízení. Jeho funkce je podobná ledničce. Odebírá teplo z jednoho prostředí a toto teplo předává jinému prostředí. Pro svoji funkci potřebuje také určité množství energie. Hnací elektrická energie je zapotřebí pro provoz kompresoru a napájení regulace.

Hlavní části

Vzhledově se dělené tepelné čerpadlo (split příp. monoblok) skládá ze dvou částí vzájemně propojených potrubím. Vnitřní i venkovní část obsahují mnoho různých větších i menších součástek. Nejdůležitějším dílem vnitřní části je kondenzátor, který funguje jako výměník tepla. Venkovní část TČ obsahuje tyto nejdůležitější komponenty: expanzní ventil, kompresor, výparník, který také funguje jako výměník tepla a ventilátor dodávající vzduch, jemuž se odebírá teplo.


Princip práce

Každé TČ má 4 základní součásti – výparník, kompresor, kondenzátor a expanzní ventil. Zde dochází v průběhu práce k těmto činnostem – odpařování, kompresi, kondenzaci a expanzi. Teplo z okolí (u nás ze vzduchu) je předáváno ve výparníku (= výměníku tepla) do chladiva. Používají se nejčastěji průmyslová chladiva. Chladivo je po vypaření ve výparníku nasáto kompresorem a stlačeno na vyšší pracovní tlak. Tím stoupne také jeho teplota. V kondenzátoru (= výměníku tepla) se teplota z chladiva přenáší do vody, která se používá pro vytápění nebo ohřev vody pro užitkové účely. Zkapalněné chladivo přichází do expanzního ventilu, kde se prudce uvolní jeho tlak a je schopno znovu přijímat další teplo z okolí. Tento cyklus se neustále opakuje. Chladivo opakovaně mění své skupenství. Na straně kompresoru je ve stavu plynném a na straně expanzního ventilu ve stavu kapalném.

TČ vzduch/voda nové generace mají osazeny spirálové kompresory vyráběné pod označením SCROLL. Pracují s téměř stoprocentní objemovou účinností. Jejich použitím se zvýšil topný výkon i účinnost.

Tepelné čerpadlo jako zdroj tepla

Nejdůležitějšími technickými parametry TČ jsou topný výkon a topný faktor. Kompresor potřebuje pro svou funkci napájení elektrickou energií. Pro provoz TČ malých výkonů stačí připojení na napětí 230 V, u TČ velkých výkonů je připojení na napětí 400 V. Při své práci spotřebuje TČ např. 3 kW elektrické energie. Při tomto příkonu může produkovat svou činností podle okamžitých podmínek (teplota vzduchu a teplota ohřáté vody) 5 až 15 kW tepelné energie. Poměr topného výkonu k elektrickému příkonu kompresoru se nazývá topný faktor (COP = Coefficient of Performance). Jde o bezrozměrné číslo, tedy pouze číslo bez jednotky.

Vyhodnocení topného faktoru závisí na teplotě prostředí, z něhož se odnímá teplo a na teplotě vody, která slouží k vytápění nebo pro užitkové účely. Nízkopotenciální teplo je obsažené ve vzduchu a je z něho tepelným čerpadlem odebíráno. Topný faktor se snižuje s malou teplotou nízkopotenciálního tepla a s růstem teploty topné vody. Zjednodušeně řečeno – čím je nižší teplota vzduchu a vyšší potřeba teploty na výstupní straně (do otopné soustavy), tím je horší topný faktor, snižuje se účinnost a možnost využití TČ.

V chladném zimním období, kdy potřebujeme více přitopit, se odebírá teplo již beztak chladnému vzduchu. Jestliže bude teplota venkovního vzduchu mínus 15 °C a tomuto vzduchu se ještě má odebírat teplo pro vytápění, pak bude topný faktor velmi malý, rovněž účinnost a tepelný výkon budou nízké. Při velmi nízkých venkovních teplotách se pouze samotným TČ typu vzduch/voda v žádném případě nevyhřeje rodinný dům či jiná budova. Nabízí se otázka: je možno použít dvě čerpadla nebo jedno o velkém výkonu? Technicky to možné je, z hospodárného hlediska ovšem nevhodné a v praxi se to nedělá. Běžné je propojení TČ s dalším zdrojem tepla, který vytápí budovu v době větších mrazů. Často používaným bývá kotel. Vzhledem k rozdílným teplotám venkovního vzduchu, změnám výkonu tepelného čerpadla, potřebám správné hydrauliky soustavy a zajištění bezpečného a účinného odtávání se vždy vyplatí do soustavy zapojit malou akumulační nádobu.

Závislost topného faktoru na teplotách ukazuje tabulka.

teploty (°C) vzduchu/TV topný výkon (kW) topný faktor
- 15/50 5,2 1,6
- 7/45 6,7 2,4
2/50 8,2 2,8
2/35 8,8 3,9
7/35 11 4,8

TV – teplota ohřáté vody

Čísla v tabulce je třeba brát jako informativní (ne přesná), protože různá tepelná čerpadla mají různou účinnost. Nejmodernější TČ vybavená moderní technologií, regulací apod. mohou mít topný faktor vyšší než 5. Pokud výrobci nebo prodejní organizace uvádějí velmi vysoký topný faktor, pak je nutné zjistit, při jakých podmínkách je těchto hodnot dosaženo.

Možnosti umístění

Venkovní část je umístěna obvykle venku vedle domu. Provedení monoblok může být umístěno také uvnitř s napojením přes obvodovou stěnu budovy (např. ve sklepě), aby ventilátor měl možnost nasávat vzduch z venkovního prostředí. Umístění však lze zrealizovat i v jiných místnostech budovy. U domů, kde není dostatek volného prostoru, se TČ umísťují venku. TČ je zdrojem hluku a musí být z akustického hlediska správně nainstalováno na  dobře zvoleném místě. Kryt se opatřuje mřížkou, která TČ chrání před vnikáním nečistot obsažených v proudícím vzduchu.

Hlavní výhody

TČ vzduch/voda má proti typům voda/voda a země/voda značné výhody – není třeba provádět žádné zemní práce a vzduchu je všude dostatečné množství. Instalace je jednodušší a rychlejší, čímž se velmi snižují vstupní náklady. Je to také významný ekologický zdroj tepla.


S hladinou akustického tlaku pouhých 35 dB(A) je venkovní jednotka tepelného čerpadla Vitocal 222-A vzduch/voda jedním z nejtišších zařízení svého druhu

Hlavní nevýhody

TČ vzduch/voda odebírá teplo z venkovního vzduchu, i když je venkovní teplota nižší než bod mrazu. Už při teplotách pod +10 °C se vytváří na výparníku námraza z vlhkosti vzduchu. Námraza se odstraňuje reverzním chodem. Po dobu cca 2 minuty se obrací běh TČ. Teplo se odebírá z topné soustavy, výparník se ohřívá a námraza rychle a efektivně odtaje. Vzniklý kondenzát by měl být co nejrychleji odveden do kanalizace nebo do vsakovacího lože pod jednotkou.

Nutnost izolace propojovacího potrubí

Potrubí propojující vnitřní a venkovní část tepelného čerpadla se instaluje z měděných trubek a tvarovek a může být podle místních podmínek dlouhé až 30 metrů. Musí se dobře zvukově a tepelně zaizolovat ze dvou důvodů:

  • Proudící chladivo v zařízení může také tvořit hluk. Izolace se provádí na vstupním i výstupním potrubí. Dobře provedenou izolací se sníží hlučnost a zamezí přenášení hluku a vibrací,
  • tepelná izolace omezuje ochlazování a tím ztrátu účinnosti.

Možnosti využití

Tepla získaného tepelným čerpadlem typu vzduch/voda pro vytápění není nikdy tak velké množství, aby se mohlo využívat pro klasické vytápění radiátory. Potřebná teplota vody vstupující do radiátorů ve velmi chladném období může být až 90 OC. Takové teploty se pomocí TČ nedosáhne, přesto po určitou dobu může zásobovat i starší systém do teplot až 60 °C. Proto se pomocí TČ dodává teplo nejčastěji pro tzv. nízkoteplotní vytápěcí soustavy. Pro efektivní využití TČ je třeba, aby rozdíl teplot mezi nízkopotenciálním zdrojem a topným okruhem byl co nejnižší. Z tohoto hlediska je nejvhodnější podlahové vytápění s teplotním spádem např. 35/28 °C; do topného „hada“ v podlaze jde voda o teplotě 35 °C a vrací se voda ochlazená na 28 °C. Další možností je vytápění velkoplošnými radiátory, kdy teplotní spád bývá 55/45 °C.

Závěr

Tepelné čerpadlo patří k ekologickým zdrojům tepla. Vzhledem k tomu, že jeho cena se ve srovnání s minulými lety podstatně snížila, prodává a instaluje se jich každý rok více. Právě typ vzduch/voda je nejprodávanější. Je ovšem třeba mít na paměti, že v zimním období neohřeje vodu natolik, aby mohla být použita k vytápění běžně navrženými radiátory. Využití je ideální v kombinaci s podlahovým vytápěním nebo nízkoteplotními radiátory, k přípravě teplé vody nebo ohřevu bazénu.