Porovnanie tepelných čerpadiel z hľadiska konštrukcie a funkcií
Všetky tepelné čerpadlá pracujú na rovnakom princípe, ale jednotlivé typy sa od seba v rôznych ohľadoch líšia. V nasledujúcich riadkoch vám prinášame porovnanie tepelných čerpadiel z hľadiska ich dizajnu, funkcie a konštrukcie, čo vám môže uľahčiť zorientovanie sa v problematike, ale aj samotné rozhodovanie, pokiaľ zvažujete využívanie tohto ekologického zariadenia.
Všeobecne platné: odovzdávanie energie
Vo všeobecnosti platí, že tepelné čerpadlo je zariadenie, ktoré zabezpečuje prenos tepelnej energie z energeticky nižšej hladiny na energeticky vyššiu úroveň za pomoci dodatočnej energie (elektrickej, obsiahnutej v plyne atď.). Môžeme si to predstaviť ako „tepelný výťah“. Nositeľ energie (napr. voda) má určitú teplotu, ktorá je týmto výťahom posunutá na vyššiu hodnotu – zvyšuje sa. Toto zariadenie odoberá teplo z nejakého prostredia a prenáša ho do iného prostredia s vyššou energetickou úrovňou. Vo väčšine prípadov sa teplo odoberá z okolitého vzduchu, pôdy, horniny alebo vody. Pomocou chladiva a kompresora sa potom odovzdáva späť do vody alebo vzduchu.
Základnou vlastnosťou, ktorá charakterizuje energetickú účinnosť, je tzv. vykurovací faktor, prípadne sezónny vykurovací faktor. Ide o hodnotu, ktorá určuje, koľkokrát väčšie je množstvo odovzdávanej energie než energia potrebná na pohon kompresora.
V závislosti od zdroja tepla a prenosného média sa tepelné čerpadlá označujú ako vzduch – vzduch, vzduch – voda, zem – voda a voda – voda.
Porovnanie tepelných čerpadiel z hľadiska ich konštrukcie
Po zdroji tepla je ďalším rozlišovacím znakom konštrukcia tepelného čerpadla. Hovoríme o monoblokovom alebo splitovom tepelnom čerpadle. Ako napovedá už názov, ide o zariadenie, ktoré je buď celé v jednom kuse, alebo sa skladá z viacerých oddelených častí, pričom niektoré sú umiestnené priamo v prostredí, z ktorého energiu získavajú (vonkajšie prostredie – záhrada), a zvyšok je umiestnený v budove. Obe časti sú spojené potrubím, ktorým prechádza teplonosná látka odovzdávajúca teplo z jednej časti do druhej. Tou môže byť chladivo alebo aj voda. Použitie oboch prináša určité výhody, ale aj nevýhody.
Vzduchové tepelné čerpadlá
Vzduchové tepelné čerpadlá sú zvyčajne dodávané v splitovom alebo multisplitovom vyhotovení. Ide o tepelné čerpadlá, pri ktorých je vonkajšia jednotka umiestnená na fasáde budovy a obsahuje výmenník tepla (tzv. výparník) a kompresor. Vnútri miestnosti je umiestnený druhý výmenník tepla (tzv. kondenzátor), ventilátor a všetky potrebné ovládacie prvky. Teplo sa do domu prenáša pomocou ventilátora. Tieto tepelné čerpadlá sa vyrábajú aj ako multisplit, kde vonkajšia jednotka zásobuje viacero vnútorných, od seba nezávislých zariadení. Samostatným špeciálnym variantom tepelných čerpadiel sú tzv. systémy VRV, ktoré sa uplatňujú vo veľkých administratívnych budovách, kde je potrebné okamžite odovzdávať teplo medzi jednotlivými vnútornými jednotkami, pretože jedna časť budovy potrebuje napríklad vykurovanie a druhá, južne orientovaná, chladenie.
Tepelné čerpadlá zem – voda
Tepelné čerpadlá na vykurovanie začínali vo vyhotovení zem – voda. Účinnosť týchto zariadení bola totiž vyššia ako účinnosť ostatných, keďže teplota zdroja tepla (pôdy, horniny) bola celoročne najstálejšia aj najvyššia. Z tohto dôvodu nebolo na pohon kompresorov potrebné veľké množstvo elektrickej energie – čerpadlá mali preto najvyšší vykurovací faktor.
Primárnym zdrojom je v tomto prípade pôda (plošné kolektory z rozvinutých rúr zakopaných v zemi v hĺbke 1,2 až 1,5 m, prípadne geotermálne koše) alebo hornina (vertikálne vrty osadené potrubiami hlbokými až 100 m a viac). Každé z týchto riešení má opäť rôzne limity. Potrubím uloženým v zemi možno odoberať približne 15 až 25 W/m2, ale závisí to od typu horniny (piesok, íl a pod.) a jej vlhkosti. Pre bežný rodinný dom je na realizáciu kolektora potrebná plocha tvoriaca približne dvojnásobok podlahovej plochy budovy. Jeho realizácia je lacnejšia než realizácia vertikálnych sond (vrtov) do pôdy. Tie môžu poskytnúť až 50 W/bm hĺbky, ale opäť to závisí od typu horniny, jej zavodnenia a pod.
Ďalšou vlastnosťou, s ktorou je potrebné počítať pri plošných kolektoroch, je ochladzovanie príslušných vrstiev pôdy, čo spôsobuje, že prostredie sa správa tak, ako keby bol objekt postavený v nadmorskej výške väčšej približne o 200 až 300 m. A vzhľadom na blízkosť potrubia k povrchu je potrebné počítať s väčším kolísaním teploty podložia ako v prípade hlbinných vrtov (energia pochádza zo slnka a z dažďa).
Tepelné čerpadlá voda – voda
Tepelné čerpadlá voda – voda nie sú veľmi rozšírené, pretože dostupnosť primárnej vody je značne obmedzená a najmä nimi treba „precediť“ veľké množstvo vody – vždy ide o kubické metre vody za hodinu. Ďalším problémom je kvalita tejto vody, ktorá silne eroduje aj antikorové výmenníky tepla.
Tepelné čerpadlá vzduch – voda
V súčasnosti zaznamenávajú najväčší rozmach tepelné čerpadlá vzduch – voda. Sú to tepelné čerpadlá, ktoré už majú veľké množstvo variantov – či už spomínaný split, alebo kompakt vo vonkajšom aj vnútornom vyhotovení.
V prípade vnútorného vyhotovenia sa vzduch k čerpadlu privádza vzduchovým potrubím do budovy, v ktorej je tepelné čerpadlo umiestnené. Výhodou tohto vyhotovenia je zníženie hluku vplývajúceho na okolité prostredie na minimum, ale priestor, ktorý tepelné čerpadlo zaberá, je väčší než pri vonkajšom vyhotovení.
Masový nárast tepelných čerpadiel vzduch – voda umožnil najmä technický pokrok v konštrukcii kompresorov s premenlivými otáčkami, t. j. s plynulou reguláciou výkonu (invertor), a vývoj nových ekologických chladív s lepšími vlastnosťami (nižšia teplota vyparovania).
Ich technické riešenie je podstatne jednoduchšie a cenovo dostupnejšie najmä preto, lebo odpadajú problémy so zachytávaním tepla (vzduch je všade okolo nás a jeho čiastočné ochladenie sa veľmi rýchlo rozptýli do ostatného vzduchu).
Tým si tepelné čerpadlá vzduch – voda aj vďaka jednoduchšiemu legislatívnemu schvaľovaniu získavajú oveľa viac priaznivcov medzi montážnymi firmami aj investormi. V mnohých prípadoch sa však pri splitových alebo kompaktných vonkajších konštrukciách podceňuje zvýšená hluková záťaž okolia budovy (tu sa bežne vyžaduje hluková štúdia a akustické meranie), čo môže viesť k právnym sporom medzi susedmi.
Funkcie tepelných čerpadiel
Tepelné čerpadlá dnes musia plniť viac funkcií ako v začiatkoch ich zavádzania do vykurovacej praxe. Musia byť schopné nielen vykurovať, ale aj pripravovať teplú vodu pre domácnosť a v neposlednom rade chladiť alebo ohrievať vodu v bazéne.
Príprava teplej vody
Prípravu teplej vody pre domácnosť je potrebné nadimenzovať s ohľadom na nižší teplotný potenciál tepelného čerpadla, ako je to napríklad pri plynovom kotle. A zákazník musí byť oboznámený s tým, že teplota teplej vody v zdroji bude nižšia a zmiešava sa vo vodovodných batériách v inom pomere ako pri hromadnej výstavbe alebo pri používaní plynového či elektrického kotla.
Chladenie tepelným čerpadlom
Tepelné čerpadlá zem – voda získavajú energiu z prostredia, kde je možné rovno využiť teplotu horniny na priame (pasívne) chladenie bez použitia kompresora. Tieto čerpadlá sú doplnené ďalším výmenníkom tepla a „reverznou“ prevádzkou počas obdobia chladenia. V tomto prípade je záchytnou stranou objekt a prijímajúcou stranou hornina (pôda), ktorá sa nabíja teplom (jej teplota sa zvyšuje). Pri tepelných čerpadlách vzduch – voda sa používa mechanické, t. j. kompresorové chladenie, pretože pasívne chladenie je nedostatočné a ohriaty vzduch z objektu sa musí mechanicky schladiť.
V prípade chladenia budov je obzvlášť dôležité dbať na to, aby sa použili vhodné vykurovacie (chladiace) telesá, ktoré dokážu dodať dostatočný chladiaci výkon chladenému priestoru. Na tento účel sú doskové alebo článkové vykurovacie telesá absolútne nevhodné, pretože ich prenosová plocha je nedostatočná. Vhodné sú len tzv. fan-coily (konvektory), ktoré však v rodinných domoch zvyčajne nie sú esteticky akceptovateľné. Druhým typom vhodnej chladiacej plochy je podlahové vykurovanie alebo stropné chladenie. Oba typy musia byť správne dimenzované z hľadiska plochy aj hydrauliky.
Teplota chladiacej vody pri plošnom chladení musí byť vyššia než teplota rosného bodu vzduchu v chladenom priestore, inak sa chladiace plochy orosia a nežiaduca voda kvapká na podlahu alebo podlaha zvlhne.
Životnosť a ceny tepelných čerpadiel
Tepelné čerpadlá na vykurovaciu prax majú len niekoľko pohyblivých častí – kompresor, prepínacie ventily, obehové čerpadlá a expanzný ventil. Ostatné časti sú statické (výmenníky tepla, potrubia a nevyhnutná elektroinštalácia). Pohyblivé časti sú najzraniteľnejšie, pretože sa počas prevádzky najviac opotrebúvajú. Ich srdcom je kompresor, ktorý býva zároveň najčastejšou príčinou porúch (únik chladiva, zaseknutie atď.). Jeho životnosť sa zvyčajne udáva počtom cyklov (zapnutie – vypnutie). Ak je celý systém dobre navrhnutý (t. j. zdroj tepla vrátane vykurovacieho systému), očakáva sa životnosť v rozsahu 10 až 20 rokov. To však nie je životnosť celého zariadenia – často stačí vymeniť kompresor a tepelné čerpadlo môže spoľahlivo fungovať ďalšie roky.
Porovnanie cien tepelných čerpadiel je možné vykonať len pri rovnakej konfigurácii (napr. využitie na vykurovanie a prípravu teplej vody) a výkone. Ceny čerpadiel pre typický rodinný dom sa môžu pohybovať od približne 3 000 eur bez DPH do 11 000 eur bez DPH za tepelné čerpadlo v závislosti od výrobcu, účinnosti, konštrukcie a vybavenia.