Tepelné čerpadlo pro venkovský dům – popis, typy, použití | Synergidom

Každý rok je potřeba chránit přírodní zdroje stále naléhavější kvůli neustálému nárůstu cen fosilních paliv – ropy, plynu, uhlí, ropných břidlic, obtížím s jejich těžbou, přepravou a zejména kvůli problémům spojeným s negativním dopadem na životní prostředí při zpracování těchto zdrojů energie.

Řešení většiny vznikajících problémů spočívá ve využití tzv. netradičních obnovitelných zdrojů energie – slunce, vítr, voda, podzemní geotermální zdroje atd.

Jedním z nejúčinnějších způsobů vytápění a zásobování budov a staveb teplou vodou je v současnosti použití systému zvaného „tepelné čerpadlo“.

Co je tepelné čerpadlo

Princip fungování tepelného čerpadla byl objeven již v 19. století. V prostředí – atmosférickém vzduchu, nádržích a řekách, půdě, za předpokladu, že je tam teplota nad nulou stupňů, se vždy nachází určité množství tepelné energie, kterou toto prostředí přijímá a akumuluje z hlavního zdroje tepla – Slunce.

Tepelné čerpadlo je navrženo tak, aby tuto tepelnou energii získávalo a využívalo k vytápění a ohřevu teplé vody v budovách a stavbách.

Obecné schéma tepelného čerpadla lze znázornit jako tři uzavřené potrubní okruhy, kterými cirkulují určité kapaliny.

První okruh je naplněn chladicí kapalinou nebo teplonosnou látkou – kapalinou, která při pohybu potrubím akumuluje teplo z okolního prostředí.

Ve druhém okruhu cirkuluje kapalina – chladicí kapalina, která se vlivem tepla z chladiče z prvního okruhu odpařuje a poté kondenzuje, čímž předává teplo do třetího okruhu.

Třetí okruh obsahuje tepelný přijímač – vodu ze systému vytápění a ohřevu teplé vody budovy. Tepelné čerpadlo je jako „lednička obráceně“. V běžné lednici probíhá stejný proces, jen obráceně – teplo se odebírá z vnitřního objemu a uvolňuje se do okolního prostředí.

V praxi se tepelné čerpadlo skládá ze tří uzavřených potrubí odpovídajících třem okruhům základního schématu.

• První potrubí s teplonosnou kapalinou se nachází v prostředí, ze kterého je teplo odebíráno.
• Druhé potrubí s chladivem je umístěno ve vytápěné budově, ve speciálním zařízení s výměníkem tepla, které obsahuje výparník a kondenzátor, ve kterém dochází k přenosu tepelné energie z výměníku tepla do chladiva. Zde se během procesu kondenzace teplo přenáší do třetího okruhu – topných potrubí budovy.
• Systém zahrnuje také různá čerpadla, která čerpají kapaliny v potrubích, napájená elektrickým zdrojem, řídicí a měřicí zařízení a automatizační zařízení.

Typy tepelných čerpadel

Tepelná čerpadla se dělí na několik typů v závislosti na prostředí, ze kterého se tepelná energie získává.

Tepelné čerpadlo země-voda;

U tepelných čerpadel tohoto typu je teplo odebíráno ze země v určité nastavené hloubce. I v drsných zimních podmínkách země promrzá pouze do určitého bodu od úrovně povrchu, obvykle ne více než 1,5–2 metry. Pod tímto bodem má země kladnou konstantní teplotu bez ohledu na roční období. Proto se první okruh nebo potrubí tepelného čerpadla umisťuje do země.

V tomto případě může být potrubí dvojího typu: první typ se nazývá horizontální kolektor, druhý typ je vertikální kolektor nebo sonda.

Horizontální sběrné potrubí se ukládá do země na místě poblíž budovy v určité vypočítané hloubce, obvykle 1 metr od povrchu. Tato hloubka uložení se považuje za optimální bez ohledu na hloubku promrznutí půdy.

Vzdálenost mezi řadami paralelně položených trubek se rovněž bere rovna jednomu metru. Nejlepším typem půdy je vlhká půda nebo půda s blízkou hladinou podzemní vody. Pro horizontální kolektor se používají polyethylenové trubky o průměru 40 mm, naplněné nemrznoucí kapalinou na bázi 30% roztoku ethylalkoholu, ethylenglykolu nebo propylenglykolu.

Jeden běžný metr horizontálního kolektoru dokáže akumulovat přibližně 20–30 W tepelného výkonu. Na základě toho je možné vypočítat výkon tepelného čerpadla potřebný k vytápění budovy.

Například k vytápění místnosti o rozloze 10 m2 s výškou podlahy 3 metry je potřeba přibližně 1 kW tepelného výkonu. To znamená, že k vytápění obytné budovy o rozloze 100 m2 je potřeba 10 kW. K zajištění takového tepelného výkonu je potřeba horizontální kolektor o délce asi 400 metrů, který lze umístit na pozemek o rozloze asi 400 m2.

Při instalaci vertikálního kolektoru nebo sondy se potrubí vnějšího okruhu spouští do vrtaných studní, jejichž hloubka může dosáhnout 150 metrů. Jeden metr takové sondy je schopen akumulovat 50-60 W tepelného výkonu. Studny mohou být jedna nebo více, hlavní je vypočítat celkovou délku kolektoru potřebnou k vytápění budovy. V tomto případě budou náklady vyšší, protože bude nutné vrtat drahé studny.

Tepelné čerpadlo voda-voda;

Přírodní nádrže nebo řeky jsou také akumulátory solární tepelné energie, takže pokud se v blízkosti budovy nachází nádrž, lze instalovat tepelné čerpadlo voda-voda. V tomto případě se vnější okruh nebo kolektor spustí na dno nádrže. Tento typ tepelného čerpadla je účinnější než tepelné čerpadlo země-voda, protože voda má vyšší průměrnou roční teplotu než země. Konstrukčně se tento typ tepelného čerpadla prakticky neliší od tepelného čerpadla země.

Tepelné čerpadlo vzduch-voda;

U tepelných čerpadel tohoto typu se tepelná energie odebírá z atmosféry, což umožňuje jejich využití pouze v zemích nebo oblastech s teplým podnebím, kde venkovní teplota vzduchu neklesá pod nulu. Konstrukce takového tepelného čerpadla je jednodušší, protože není nutné pokládat potrubí externího kolektoru do země. Jeden typ tepelného čerpadla je uspořádán jako split systém, který zahrnuje externí a vnitřní jednotku. Ve externí jednotce se tepelná energie přenáší z atmosférického vzduchu do chladiva přes výparník a ve vnitřní jednotce se teplo přenáší přes kondenzátor do topného systému.

Další typ tepelného čerpadla vzduch-voda zahrnuje monoblokovou jednotku, která obsahuje ventilátor, výparník a kondenzátor, přičemž venkovní vzduch je přiváděn flexibilním potrubím.

Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch;

Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch lze použít v případě, že se v blízkosti vytápěné budovy nacházejí zdroje tzv. „odpadního“ tepla, například v jakémkoli podniku, kde se při výrobě vytváří velké množství teplého vzduchu. V tomto případě tepelné čerpadlo využívá vzduchový výměník tepla a tepelná energie se přímo přenáší do vzduchu používaného k vytápění budovy, a to bez mezilehlého nosiče tepla – vody.

Výhody používání tepelných čerpadel

Tepelné čerpadlo využívá tepelnou energii naší planety, která je obnovitelná Sluncem, a zároveň eliminuje jakékoli škodlivé emise do atmosféry, takže způsob vytápění s jeho pomocí lze nazvat ekologickým. Tepelná čerpadla navíc pracují téměř tiše, nejsou hlučnější než běžná domácí lednička.
Tepelná čerpadla jsou bezpečná z hlediska výbuchu a požáru, protože nedochází k žádným spalovacím procesům, emisím nebezpečných směsí a plynů a během provozu se žádná část nemůže zahřát na teplotu, při které by se mohly vznítit hořlavé materiály.

Moderní tepelná čerpadla jsou systémy vytápění a ohřevu vody pro budovy, které se vyznačují vysokou energetickou účinností, což umožňuje značné úspory nákladů. K provozu tepelného čerpadla je potřeba pouze elektřina pro provoz kompresoru a na 1 kW spotřebované elektřiny se vyrobí téměř 5 kW tepelné energie. Ekonomické výpočty ukazují, že ve srovnání s plynovým topným kotlem se veškeré náklady na vytápění snižují řádově.

Tepelné čerpadlo je multifunkční zařízení, protože ho lze použít k vytápění v chladném období, klimatizaci v teplém období, k ohřevu teplé vody pro domácnost a navíc k větrání prostor s využitím teplého odpadního vzduchu.

Životnost tepelného čerpadla bez opravy je až 25 topných sezón, tj. cca 25 let, a systém pracuje plně automaticky. Výkon systému může dosáhnout 1000 kW, a při použití kaskád tepelných čerpadel až 8000 kW.

Použití tepelných čerpadel pro vytápění venkovských domů

Díky svým mnoha pozitivním vlastnostem se tepelná čerpadla používají k vytvoření optimálního mikroklimatu v budovách různého účelu, včetně jednotlivých venkovských domů. A vzhledem k vysoké účinnosti a ekologické šetrnosti tepelných čerpadel je jejich použití obzvláště opodstatněné v energeticky úsporných ekodomech.

Je však nutné si být vědom určitých podmínek a omezení používání tepelných čerpadel:

• Použití tepelných čerpadel bude skutečně efektivní za předpokladu, že je budova dobře izolovaná, tj. je zbytečné vytápět budovu sběrem tepelné energie z okolí a zároveň umožňovat velké úniky tepla ven. Budova se považuje za dostatečně izolovanou, pokud její tepelné ztráty nepřesahují 100 W/m2;
• Při použití tepelných čerpadel bylo zjištěno, že čím větší je rozdíl mezi hodnotami teplot nosičů tepla na vstupním a výstupním okruhu systému, tím nižší je hodnota koeficientu přeměny tepla a zároveň se snižují úspory energie. Nejziskovější proto bude použití nízkoteplotních topných systémů v okruhu tepelného čerpadla, jako jsou podlahové vytápění a využití teplého vzduchu;
• Doporučuje se instalovat ve spojení s tepelným čerpadlem další zdroj tepla, například malý elektrický ohřívač nebo solární panel.

Toto schéma se nazývá bivalentní topný systém. Pro jednotlivý bytový dům je tepelné čerpadlo s výkonem větším než 30 kW neúčinné, protože bude pracovat na plný výkon maximálně jeden měsíc v roce, protože počet nejchladnějších dnů nepřesahuje 15 % trvání topné sezóny.

Výkon tepelného čerpadla se proto volí v rozmezí 70–80 % požadovaného vypočítaného topného výkonu a když teplota venkovního vzduchu klesne na určitou vypočítanou hodnotu, nazývanou bivalentní teplota, automaticky se zapne další zdroj tepla.

Ekonomická efektivita použití tepelných čerpadel

V technologicky nejvyspělejších zemích – USA a Kanadě, Japonsku, západní Evropě a Skandinávii – se tepelná čerpadla úspěšně používají již po celá desetiletí. Ve východní Evropě a Rusku je šíření tepelných čerpadel v plenkách ze dvou důvodů.

V první řadě jde o nedostatek spolehlivých informací o všech výhodách tepelných čerpadel.

Za druhé, poměrně vysoká počáteční investice nutí spotřebitele k zamyšlení.

Náklady na instalaci systému budou přibližně 20–25 tisíc rublů na 10 m2 vytápěné plochy prostor. To znamená, že pro bytový dům o rozloze 100 m2 bude nutné zpočátku vynaložit asi 200–250 tisíc rublů. Vzhledem k vysoké účinnosti a nákladové efektivitě se však tyto investice podle výpočtů vrátí za 5–7 let.

Životnost tepelných čerpadel bez opravy je 15–20 let a není pochyb o tom, že se takové topné systémy brzy rozšíří i ve východoevropských zemích.

• všechny projekty
• Pórobetonové domy
• cihlové domy
• Domy z pěnových bloků
• Monolitické domy