Návrh a zapojenie tepelného čerpadla

Zapojenie tepelného čerpadla sa líši hlavne podľa typu. Inak sa rieši zapojenie primárnej strany tepelného čerpadla zem – voda s hĺbkovými vrtmi a inak čerpadla s plošným kolektorom. Rovnako špecificky je potrebné pristupovať k tepelnému čerpadlu voda – voda alebo vzduch – voda.

Podľa účelu využitia tepelného čerpadla je potrebné rozhodnúť, aký prevádzkový režim bude používať. Rozlišujeme nasledujúce:

1. Monovalentný – t. j. režim, pri ktorom je všetka potrebná energia dodávaná len pomocou tepelného čerpadla.

2. Paralelný bivalentný a monoenergetický – t. j. režim, keď tepelné čerpadlo dodáva energiu len do určitej vykurovacej teploty a ďalej sa pridá druhý zdroj tepla, ktorý tepelné čerpadlo pomôže doplniť.

3. Alternatívne monovalentné – tepelné čerpadlo dodáva energiu len do určitej teploty zdroja tepla, potom je celý výkon nahradený napríklad elektrickým alebo plynovým kotlom. Tento režim sa používa vtedy, keď je vykurovací faktor pod teplotou spínania menší ako 1 a prevádzka tepelného čerpadla sa neoplatí.

4. Čiastočne paralelne bivalentný – ide o kombináciu režimu 2 a 3, kde dochádza k určitej súbežnej prevádzke tepelného čerpadla a elektrického kotla.

V prvom rade si treba uvedomiť, že úspešnosť realizácie tepelného čerpadla je priamo závislá od uspokojenia „potrieb“ tepelného čerpadla, pretože pokiaľ mu riešenie primárnej strany (odber tepla) nevyhovuje alebo vyhovuje len čiastočne, plne to ovplyvní jeho výkon. Je veľmi dôležité pamätať na to, že výkon tepelného čerpadla je priamo závislý od podmienok snímania, ktoré sa menia aj v priebehu roka. Preto je aj jeho výkonnosť premenlivá.

Čo treba zohľadniť pri návrhu a zapojení podľa typu tepelných čerpadiel

Tepelné čerpadlá zem – voda

V prípade tepelných čerpadiel zem – voda s hlbokými vrtmi je výkon v čase najstálejší, pretože teplota v zemskej kôre je v okolí miesta odberu tepla takmer konštantná. Pri návrhu sond je potrebné zohľadniť akumulačnú kapacitu, ktorá závisí od typu horniny a obsahu vody v nej. Priemerná hodnota v Slovenskej republike je približne 50 W na 1 m hĺbky. Pri väčších aplikáciách by mala autorizovaná spoločnosť vykonať skúšku (napr. test GRT), aby po čase nedošlo k vyčerpaniu vrtov.

Pri tepelných čerpadlách s plošnými kolektormi je teplota okolitej pôdy (hĺbka kolektora približne 1,2 – 1,5 m pod povrchom) silne ovplyvňovaná slnečným žiarením, a preto medzi letom a zimou kolíše. Teplota pôdy môže byť v lete vyššia (viac ako 20 °C), takže tieto čerpadlá sa nedajú vždy použiť na pasívne chladenie objektu.

Tepelné čerpadlá voda – voda

Pri návrhu tepelného čerpadla voda – voda je potrebné dbať predovšetkým na polohu medzi odberným a vsakovacím vrtom (studňou). Tieto musia byť tzv. po vode, teda odberný vrt musí byť pred vsakovacím vrtom, aby nebol teplotne ovplyvnený. Okrem toho sa musí vykonať relatívne dlhodobá čerpacia skúška, aby sa preukázalo, že množstvo odoberaného tepla je dostatočné. Nemenej dôležitou vlastnosťou nasávanej vody je jej chemické zloženie, ktoré priamo ovplyvňuje poškodzovanie výmenníka chemickou agresivitou a prípadnými nečistotami, preto sa odporúča tzv. medziokruh s výmenníkom.

Tepelné čerpadlá vzduch – voda

Pri dnes najčastejšie používaných tepelných čerpadlách vzduch – voda sa primárna strana nemusí veľmi riešiť, pretože vzduchu okolo nás je zatiaľ dostatok a prechodom cez tepelné čerpadlo sa neznehodnocuje, len sa znižuje jeho teplota. S týmto faktom je potrebné počítať pri vysádzaní rastlín v okolí výstupov ochladeného vzduchu z tepelného čerpadla. Okrem toho treba dbať na vplyv hluku, ktorý vydáva používaná vonkajšia jednotka, na okolie. Na tento účel je vhodné (a stavebné úrady to zvyčajne vyžadujú) dať si vypracovať hlukovú štúdiu o vplyve na okolie a predísť tak prípadným susedským sporom po realizácii.

Dimenzovanie vykurovacieho systému

Ďalším dimenzovaným okruhom je vykurovací systém. Prvým kritériom jeho návrhu je maximálna možná teplota vykurovacej vody. Tá závisí od použitej vykurovacej špirály a vždy ju udáva výrobca. Tejto teplote je potrebné prispôsobiť charakter vykurovacej plochy – v prípade bežných tepelných čerpadiel sa pohybuje okolo 55 °C. Špičkové tepelné čerpadlá dosahujú použitím nových technológií alebo chladív (vstrekovanie časti chladiva do kompresora) výstupnú teplotu vody až 70 °C. Tomu je potrebné prispôsobiť typ vykurovacej plochy. Čím nižšia teplota, tým menší menovitý výkon na 1 m² tejto plochy, a preto je na dosiahnutie rovnakého výkonu potrebná väčšia plocha. V tomto prípade je najvhodnejšie podlahové vykurovanie, ktorému stačí teplota vykurovacej vody aj pod 40 °C. Naopak, pri tepelných čerpadlách s vysokou výstupnou teplotou vody je možné použiť aj doskové vykurovacie telesá.

Vždy však treba sledovať tzv. vykurovací faktor, čo je hodnota, ktorú na konkrétne podmienky stanovujú výrobcovia tepelných čerpadiel. Udáva, koľko tepelnej energie (najčastejšie elektrickej) sa získa z tepelného čerpadla pri príkone 1 kW. Na presnejšie vyhodnotenie sa používa tzv. sezónny vykurovací faktor, ktorý udáva priemernú hodnotu za celú sezónu vrátane započítania primárnej energie spotrebovanej na pohon obehových čerpadiel alebo ventilátorov v tepelných čerpadlách vzduch – voda.

Doplnenie systému o akumulačnú nádrž

Pre návrh veľkosti tepelného čerpadla a vykurovacej plochy je veľmi dôležitá aj odberová tarifa dohodnutá s dodávateľom elektrickej energie. Pokiaľ je napríklad dohodnutá 20-hodinová denná spotreba s tým, že 4 hodiny, keď je prívod elektriny prerušený, nesmie dodávateľ využiť v plnom rozsahu, ale len maximálne 2 hodiny a 2 hodiny, a že čas medzi prestávkami nesmie byť kratší ako 4 hodiny, je potrebné zohľadniť akumulačnú kapacitu vykurovacieho systému budovy, aby v prípade prerušenia dodávky elektriny vnútorná teplota budovy príliš neklesla. Tomu sa často predchádza vložením dostatočne veľkej akumulačnej nádrže medzi tepelné čerpadlo a vykurovací systém, ktorá toto prerušenie prekoná a navyše pomôže zlepšiť hydraulické podmienky vo vykurovacom systéme.

Pri tepelnom čerpadle vzduch – voda sa táto nádrž používa aj na rekuperáciu energie na rozmrazovanie výparníka pri teplotách okolo +7 až 0 °C, keď dochádza k najväčšiemu namŕzaniu vzdušnej vlhkosti na jeho lamelách. Tepelnému čerpadlu s výkonom 10 kW postačuje 200-litrová akumulačná nádrž. Ďalej je pri návrhu výkonu potrebné zohľadniť, že tepelné čerpadlo nie je v priebehu odmrazovania v prevádzke. Tento čas môže tvoriť približne 10 minút z jednej hodiny. Zároveň je potrebné zabezpečiť vypúšťanie skondenzovanej vody, aby sa pod vonkajšou jednotkou nevytvárala vrstva ľadu, ktorá by časom obalila ľadom aj výparník.

Zapojenie tepelného čerpadla – dôslednosť je dôležitá

Z predchádzajúceho textu je zrejmé, že navrhnutie vykurovacieho systému a zapojenie tepelného čerpadla nie je jednoduchou záležitosťou. Ak chceme z tepelného čerpadla vyťažiť maximum výkonu a životnosti, dôslednosť pri plánovaní a realizácii je nevyhnutná. Preto sa oplatí zveriť tieto úlohy odborníkom z radov výrobcov tepelných čerpadiel, prípadne odborným kúrenárskym firmám s dostatočnými skúsenosťami.