Tepelné čerpadlo: Efektívne vykurovanie energiou z okolia

Ak ide o vyhrievanie doma, mnohí majitelia uvažujú pri hľadaní vhodnej vykurovacej techniky. Alternatívou voči neistým nákladom na palivá je pritom tepelné čerpadlo. Tepelné čerpadlo využíva termickú energiu, ktorá je akumulovaná vo vzduchu, v zemi alebo vo vode a stará sa o útulné teplo v dome. Ako tepelné čerpadlo funguje, aké druhy tepelných čerpadiel existujú a koľko tepelné čerpadlo stojí, to všetko sa dozviete z nasledujúceho textu.
Prehľad jednotlivých tém:

• Ako funguje tepelné čerpadlo
• Zdroje tepla tepelného čerpadla
• Náklady tepelného čerpadla
• Alternatívy k tepelnému čerpadlu
• Výhody a nevýhody tepelného čerpadla
• Tepelné čerpadlo v starých budovách a novostavbách

Ako funguje tepelné čerpadlo

Tepelné čerpadlo je vykurovací systém, ktorý na vykurovanie budov využíva tepelnú energiu akumulovanú v životnom prostredí. V protiklade k vykurovacím systémom na drevo, olej alebo plyn sa to však nedeje formou spaľovania, ale prostredníctvom komplikovaného technického procesu. Tak ako v chladničke, je pritom dôležité, aby sa tepelná energia s nízkymi teplotami zvýšila na vyššiu teplotnú úroveň. Pokiaľ v chladničke to spôsobuje, že vo vnútri zostáva príjemne chladno, v tepelnom čerpadle tento proces umožňuje, aby sa teplo z okolia dalo využiť vo vykurovacom systéme. Prehľad o ďalších možnostiach vykurovania nájdete v rubrike Prehľad vykurovacích systémov.

Zdroje tepla tepelného čerpadla

V závislosti od toho, v ktorom regióne sa vaša budova nachádza, je možné energiu pre tepelné čerpadlo získavať z rôznych zdrojov. Na výber je pritom využívanie termickej energie z/zo:

• vzduchu
• geotermálneho zdroja
• podzemných vôd

Tepelná energia zo vzduchu

Vzduch je zdrojom energie, na ktorú sa pomocou tepelného čerpadla môžete napojiť najjednoduchšie. Pretože všetko, čo na to potrebujete, je zariadenie na nasávanie a vyfukovanie vonkajšieho vzduchu. Ak sa má vzduchové tepelné čerpadlo umiestniť vo vnútri budovy, funguje to napríklad prostredníctvom potrubí, ktoré spájajú vykurovaciu jednotku s mriežkami vo vonkajšej stene. Pri tepelnom čerpadle inštalovanom v exteriéri, tieto potrubia niesú potrebné a teplo vzduchu sa získava priamo z okolia.
Nevýhodou vzduchu ako zdroja energie je však skutočnosť, že v zime – v čase, keď je vykurovanie potrebné najčastejšie – je vzduch často k dispozícii len s teplotami pod bodom mrazu. Preto sa musia výmenníky tepla, cez ktoré sa vedie studený vonkajší vzduch, vždy udržiavať nad bodom mrazu a efektivita tepelného čerpadla klesá

Geotermálny zdroj energie

Tak ako vo vzduchu, aj v zemi sa akumuluje tepelná energia, ktorú môžete využiť pomocou tepelného čerpadla soľanka/voda na vykurovanie. Umožňujú to potrubia zavedené do zeme, cez ktoré cirkuluje zmes vody a nemrznúcej zmesy. Táto kvapalina nazývaná soľanka odoberá zo zeme teplo a dopravuje ho k tepelnému čerpadlu. V závislosti od miesta a vlastností pôdy sa môžu potrubia zaviesť napríklad vo forme hĺbkových vrtov alebo plošných kolektorov. Pri hĺbkových vrtoch sa plastové rúry (sondy) inštalujú do vrtov s hĺbkou až 100 metrov. V každom metri pôdy možno odobrať približne 50 wattov tepelnej energie, pričom na vykurovanie modernej budovy potrebujete hĺbku cca 150 metrov, ktorá sa môže rozložiť na viaceré vrty.

Ak nie sú možné vrty na sondy z technických alebo právnych dôvodov, môžete geotermálnu energiu získavať aj priamo pod povrchom. Podobne ako pri podlahovom vykurovaní. Rúry sa inštalujú v hĺbke približne 1,50 metra. Ak každý meter štvorcový odoberá pôde približne 25 wattov, potrebujete na vyhriatie moderného rodinného domu celkovú plochu približne 350 metrov štvorcových. Špeciálnou formou soľankového tepelného čerpadla je vykurovanie so zásobníkom ľadu.

V porovnaní so vzduchom sa termická energia zo zeme môže získavať po celý rok s vyššími teplotami. To zvyšuje efektívnosť tepelného čerpadla a znižuje príslušné náklady na vykurovanie. Predovšetkým hĺbkové vrty však podliehajú schváleniu a nie sú povolené všade. Informáciu vám obvykle poskytne príslušný stavebný úrad.

Tepelná energia v podzemných vodách

Tak ako vo vzduchu alebo v zemi sa tepelná energia akumuluje aj v podzemnej vode. Využiť ju môžete prostredníctvom dvoch studní, ktoré vodu dopravujú z hĺbky k tepelnému čerpadlu voda/voda a naspäť do zeme. Dôležité pritom je, aby studne boli inštalované v smere toku podzemnej vody s dostatočnou vzdialenosťou. Pretože len tak možno zabezpečiť, aby sa už ochladená podzemná voda neprepravovala ešte raz k vykurovacej jednotke.
Či možno tepelné čerpadlo bez problémov používať s podzemnou vodou, o tom sa rozhodne po otestovaní kvality vody. Pretože rôzne chemické látky obsiahnuté vo vode môžu silne zaťažiť výmenník tepla a obmedziť jeho funkciu. V porovnaní so vzduchom a zemou sa tepelná energia akumulovaná v podzemných vodách vďaka celoročne konštantným teplotám považuje za jeden z najefektívnejších zdrojov pre tepelné čerpadlá. Jej využívanie však podlieha schváleniu a nie je všade povolené. Či je vodné tepelné čerpadlo vo vašom regióne povolené, to sa dozviete na vašom stavebnom úrade.

Proces tepelného čerpadla v detailoch: vysvetlený jednoducho

Tepelné čerpadlo využíva na vykurovanie tepelnú energiu zo životného prostredia. Aby bol možný takýto spôsob fungovania tepelného čerpadla, je potrebný technický proces, pozostávajúci okrem dvoch výmenníkov tepla aj z kompresora, expanzného ventilu a uzatvorenej potrubnej siete.

Prvý výmenník tepla (výparník) pritom prenáša tepelnú energiu zo vzduchu, zeme alebo vody na chladivo, ktoré sa vďaka špeciálnym fyzikálnym vlastnostiam odparuje už pri nízkych teplotách. To je predpokladom pre druhý krok v procese tepelného čerpadla. Pretože v tomto kroku zvyšuje kompresor tlak chladiaceho prostriedku v parnom skupenstve dovtedy, pokým jeho teplota neprekročí teplotu vykurovacieho systému. Len tak možno teplo prostredníctvom ďalšieho výmenníka tepla (kondenzátora) odovzdať vykurovaciemu systému.

Pokým pri tomto odovzdávaní tepla dochádza k ochladzovaniu chladiva, klesá aj jeho tlak a médium sa opäť skvapalňuje. Dokonale skvapalnené chladivo preteká dokonale cez expanzný ventil, ktorý vráti tlak na východiskový stav, naspäť k výparníku a proces tepelného čerpadla začína odznova. Nasledujúci obrázok ešte raz graficky objasňuje princíp tepelného čerpadla:

Spôsob funkcie tepelného čerpadla

Mali by ste vedieť, že účinnosť tepelného čerpadla stúpa, čím nižší je teplotný spád, ktorý musí prekonávať väčšinou elektricky poháňaný kompresor. Tepelné čerpadlo pracuje teda obzvlášť hospodárne vždy vtedy, ak sa z okolitého prostredia dá získavať tepelná energia s vysokou teplotou a teplota vykurovacieho systému je mimoriadne nízka. Možné je to napríklad pri kombinácii soľankového tepelného čerpadla s plošným vykurovaním alebo veľkodimenzovaným vykurovacím telesom.

Náklady tepelného čerpadla

Náklady tepelného čerpadla sa členia na tri oblasti:

• náklady na získavanie tepelnej energie zo vzduchu, zeme alebo vody
• na samotné tepelné čerpadlo
• ako aj náklady na prevádzku

Náklady na získavanie environmentálnej energie

Najväčšie rozdiely vznikajú pri výbere zdroja environmentálnej energie. Pretože pokým vzduchové tepelné čerpadlo nevyžaduje takmer žiadnu prídavnú techniku, treba pri soľankovom tepelnom čerpadle zaplatiť aj vrty pre sondy alebo ploché kolektory. Principiálne pritom vznikajú náklady vo výške približne 60 až 80 eur na meter hĺbkového vrtu alebo 10 až 20 eur na meter štvorcový plochého kolektora. Pri tepelnom čerpadle voda/voda vznikajú náklady súvisiace s vyvŕtaním obidvoch studní, cez ktoré sa podzemná voda dopravuje k tepelnému čerpadlu a naspäť do zeme. Pri typickom jednorodinnom dome dosahujú tieto náklady výšku približne 3000 až 5000 eur.
Náklady samotného tepelného čerpadla

Samotné tepelné čerpadlo pozostáva nezávisle od zdroja environmentálnej energie z rovnakých komponentov. Pri použití v jednorodinnom dome vznikajú pritom náklady približne 6600 až 12 000 eur, ktoré však môžu byť podporené dotáciou na tepelné čerpadlo. Ceny tepelného čerpadla však silne variujú v závislosti od druhu tepelného čerpadla, regiónu, výrobcu a poskytovateľa služieb a predstavujú tak len hrubý odhad nákladov.

Náklady na prevádzku tepelného čerpadla

Pretože väčšina tepelných čerpadiel sa prevádzkuje elektricky, s ich prevádzkou súvisia aj náklady na elektrickú energiu. Výška prevádzkových nákladov pritom závisí od zvoleného zdroja environmentálnej energie, energetického stavu budovy a od formy, akou sa bude teplo prenášať do priestorov, a možno ju stanoviť len jednotlivo pre konkrétnu budovu.

Alternatívy k tepelnému čerpadlu

Tepelné čerpadlá využívajú bezplatnú tepelnú energiu zo životného prostredia a výrazne sa preto líšia od bežných zdrojov tepla, ako je vykurovanie plynom alebo vykurovanie olejom. V porovnaní s fotovoltaikou alebo solárnou termikou ponúkajú jedinečnú možnosť na zásobovanie moderných budov s teplom pri nízkych nákladoch. Pokým fotovoltaické zariadenia využívajú energiu slnka na výrobu elektrického prúdu, solárne domy sú budovy, ktoré sa v prevažnej miere vykurujú termickou energiou slnka – čo je technicky obzvlášť náročné.

Fotovoltaické a solárne zariadenia sú naopak obzvlášť vhodné na zabezpečenie zásobovania moderných budov energiou v kombinácii s tepelným čerpadlom. Takto zabezpečujú solárno-termické zariadenia napríklad dostatok tepla na prípravu teplej vody a odľahčujú tým tepelné čerpadlo. Kombinácia tepelného čerpadla s fotovoltaikou môže okrem toho regeneratívne pokryť časť potreby elektrického prúdu a viesť tak k ďalšiemu zníženiu nákladov na vykurovanie.

Výhody a nevýhody tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlá sú dlhoročne overené zdroje tepla, ktoré pracujú regeneratívne s využívaním tepelnej energie z okolitého prostredia.

Tepelné čerpadlo v starých budovách a novostavbách

Tepelné čerpadlo sa inštaluje častejšie v novostavbách než v starých budovách. Spôsobené je to predovšetkým energetickými vlastnosťami novostavieb. Použiť sa však môže taktiež v starých budovách. Predovšetkým vtedy, keď sa napríklad podrobujú sanácii alebo keď má tepelné čerpadlo fungovať spolu s existujúcim vykurovacím systémom vo forme hybridného riešenia.