EkoWATT - energetické poradenství, úspory energie, obnovitelné zdroje energieCentrum pro obnovitelné zdroje a úspory energie
českyenglishdeutschrusky
 ::  Informace  ::  Obnovitelné zdroje energie  :: Energie prostředí, geotermální energie, tepelná čerpadla :: 

Energie prostředí, geotermální energie, tepelná čerpadla

http://new.ekowatt.cz/upload/8d8404454da8be9d52d9234092c9d457/prostredi_52_1.jpg

Prostředí, které nás obklopuje (vzduch, voda, půda) má obvykle příliš nízkou teplotu a jeho teplo nelze pro vytápění využít přímo. Výjimkou jsou geotermální prameny, hojně využívané například na Islandu. Nízkoteplotní teplo okolního prostředí můžeme využívat pomocí tepelného čerpadla (TČ), které toto teplo (např. kolem 2 °C) převede na vyšší teplotní hladinu (kolem 50 °C). Princip je stejný jako u chladničky, která odebírá teplo potravinám a předává jej zadní stranou chladničky do místnosti. Podobně i TČ využívá tepla získaného od okolního prostředí k odpaření chladicí kapaliny. Tato pára je poté kompresorem stlačena a díky dodané práci dochází k uvolnění tepla o vyšší teplotě, které je předáno topnému médiu. Celý cyklus se poté opakuje.


Izolinie tepelného toku na území ČR. Zdroj: Geomédia, s r.o.

Topný faktor

Velmi důležitým parametrem TČ je topný faktor. Vyjadřuje poměr dodaného tepla k množství spotřebované energie.

Q = teplo dodané do vytápění [kWh]
E = energie pro pohon TČ [kWh]

Topný faktor různých TČ je v rozmezí od 2 do 5. Závisí na vstupní a výstupní teplotě, typu kompresoru a dalších faktorech. Dodavatelé obvykle udávají topný faktor při různých teplotách vstupního a výstupního média.

Pozor: při výpočtu topného faktoru se někdy nezapočítává spotřeba oběhových čerpadel (resp. ventilátorů), která jsou nutná pro provoz TČ. Skutečný topný faktor se pak může od údajů z prospektu výrazně lišit.

Toky energií


Toky energií pro elektrické tepelné čerpadlo. © EkoWATT

Topný faktor pro kompresorové TČ lze stanovit také z rozdílu mezi teplotou kondenzační a vypařovací. Přibližný vztah pro výpočet topného faktoru kompresorového TČ:

kde:
Tk je teplota kondenzační (topného systému) [K]
T0 je teplota vypařovací (teplota zdroje) [K]
k je korekční součinitel respektující skutečný oběh; k = (0,4 až 0,6)

Pro dosažení minimální spotřeby pohonné energie a dosažení vysoké hodnoty topného faktoru je zapotřebí:

Topný faktor během roku kolísá v závislosti na vstupní a výstupní teplotě tepelného čerpadla. Průměrný roční topný faktor je poměr celoroční spotřeby energie a celoroční výroby tepla a používá se pro vyhodnocení provozu. Běžně tepelná čerpadla dodají za ideálních podmínek třikrát až čtyřikrát více tepla, než spotřebují elektřiny na svůj provoz.

Zdroje tepla pro tepelné čerpadlo

Okolní vzduch - je k dispozici všude. Tento typ TČ má tedy široké využití, navíc je investičně méně náročný. Vzduch se ochlazuje ve výměníku tepla umístěném vně budovy. Protože ve vzduchu je tepla poměrně málo, musí výměníkem procházet velké objemy vzduchu. Je tedy nutný výkonný ventilátor. Ten je zdrojem určitého hluku, proto je potřeba pečlivě volit umístění výměníku, aby hluk neobtěžoval obyvatele domu ani sousedy. Venkovní část by neměla být ani v místech, kde se mohou tvořit "kapsy" studeného vzduchu. Vzduchová TČ jsou schopná pracovat i když je venku cca 12 °C, při nižší teplotě je nutné zapnout další, tzv. bivalentní zdroj. Při nízkých teplotách se na venkovním výměníku tvoří námraza. Energie spotřebovaná na její odtávání může výrazně zhoršit celkový topný faktor a tím zvýšit provozní náklady.


Venkovní jednotka tepelného čerpadla vzduch/voda. Foto: EkoWATT

Odpadní vzduch - teplo je odebíráno vzduchu odváděnému větracím systémem objektu. Tento vzduch má relativně vysokou teplotu (18 až 24 °C). Tepelné čerpadlo může pracovat efektivně i za podmínek, kdy běžně užívané systémy zpětného získávání tepla (rekuperace) nelze použít. Teplo může být použito pro topnou vodu ústředního topení nebo pro ohřev vzduchu, je-li vytápění objektu teplovzdušné. Nevýhodou je, že větracího vzduchu je k dispozici jen omezené množství, takže TČ kryje jen část tepelné ztráty - přibližně tu, která je potřeba na ohřev větracího vzduchu. Vždy je tedy potřeba ještě další zdroj pro krytí tepelné ztráty konstrukcemi, případně i pro ohřev vody. Na trhu jsou také tepelná čerpadla s integrovanými ventilátory, která lze použít jako centrální větrací jednotku domu.

Povrchová voda - využívá se vody v toku nebo v rybníku, která je ochlazována tepelným výměníkem, umístěným přímo ve vodě nebo zapuštěným do břehu - vždy tak, aby nehrozilo zamrznutí. Podmínkou je vhodné umístění objektu, nejlépe přímo na břehu. Teoreticky je také možné vodu přivádět potrubím přímo k tepelnému čerpadlu a ochlazenou vypouštět zpět. S tím je ale spojeno mnoho technických i administrativních překážek, které omezují použití v praxi téměř na nulu.


Rekreační objekt vytápěný tepelným čerpadlem, které ochlazuje
říční vodu v náhonu malé vodní elektrárny. Foto: EkoWATT

Podpovrchová voda - tato voda se odebírá ze sací studny a po ochlazení se vypouští do druhé, takzvané vsakovací studny. Podmínkou je geologicky vhodné podloží, které umožní čerpání i vsakování. Ochlazenou vodu lze za určitých podmínek vypouštět i do potoka nebo jiné vodoteče. Zdroj vody však musí být dostatečně vydatný (přibližně 15-25 l/min. pro TČ s výkonem 10 kW). Vhodných lokalit je proto k dispozici relativně málo.

VÝKON ODEBÍRANÝ Z VODY TEPELNÝ VÝKON TČ S TOPNÝM FAKTOREM PRŮTOK VODY PŘI OCHLAZENÍ O 4 K PRŮTOK VODY PŘI OCHLAZENÍ O 6 K
3,0 4,0
kW kW kW litr/min m3/hod litr/min m3/hod
3 4,5 4,0 11 0,6 7 0,4
5 7,5 6,7 18 1,1 12 0,7
8 12,0 10,7 29 1,7 19 1,1
10 15,0 13,3 36 2,2 24 1,4

Potřebná vydatnost zdroje spodní vody. Zdroj: EkoWATT

Z půdy - jde o velmi rozšířený způsob. Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z polyethylenového potrubí plněného nemrznoucí směsí a uloženého do výkopu (půdní kolektor). Půdní kolektor se umísťuje poblíž objektu v nezámrzné hloubce. Trubky půdního kolektoru se mohou ukládat na souvisle odkrytou plochu, nejméně 0,6 m od sebe. Velikost takovéto plochy je asi trojnásobkem plochy vytápěné. Je také možné ukládat potrubí ve tvaru uzavřených smyček do výkopů kolektoru, rýhy o hloubce cca 2 m a šířce cca 0,9 m. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je pak potřeba 5 až 8 metrů délky výkopu. Je třeba počítat s tím, že půdní kolektor okolní zeminu ochladí, takže se zde např. bude v zimě déle držet sníh. Pokud má být teplo odebíráno celoročně (v létě pro ohřev bazénu), je potřeba půdní kolektor o větší ploše. Je li TČ využíváno pro letní chlazení, lze půdní kolektor "dobíjet" odpadním teplem.

DRUH PŮDY MĚRNÝ VÝKON ZÍSKANÝ Z PŮDY PLOCHA VÝMĚNÍKŮ PRO TČ S TOPNÝM FAKTOREM
3 3,5 4,0
W/m2 m2/kW m2/kW m2/kW
Suchá nezpevněná půda 10 66 m2 71 m2 75 m2
Ulehlá vlhká půda 20-30 33-22 m2 36-24 m2 38-25 m2
Vodou nasycené štěrky a písky 40 17 m2 18 m2 19 m2

Parametry půdního kolektoru. Zdroj: G-term, s r. o.

Z hlubinných vrtů - využívá se teplo hornin v podloží. Jde rovněž o velmi rozšířený způsob. Vrty hluboké až 150 m se umisťují v blízkosti stavby, nejméně 10 m od sebe. Vrty je možno umístit i pod stavbou, zvláště jde- li o novostavbu. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je potřeba 12 až 18 m hloubky vrtu, podle geologických podmínek. Vrty nelze provádět kdekoli - vhodné je zajistit si hydrologický průzkum, aby nedošlo k narušení hydrologických poměrů. Výhodou je celoročně stálá teplota zdroje (cca 8 °C), takže TČ pracuje efektivně.

Tepelné čerpadlo vzduch/voda - vzduch se ochlazuje ve výměníku umístěném vně budovy. © EkoWATT
Tepelné čerpadlo vzduch/voda - ochlazuje se vzduch odváděný větracím systémem. © EkoWATT
Tepelné čerpadlo voda/voda - ochlazuje se voda čerpaná ze sací studny, která se poté vypouští do vsakovací studny. © EkoWATT
Tepelné čerpadlo nemrznoucí kapalina/voda - výměník naplněný nemrznoucí směsí ochlazuje půdu ve vrtu nebo ve výkopu, případně vodu ve vodním toku nebo v rybníku. © EkoWATT

Přehled systémů

V současnosti se pro vytápění rodinných domků používají téměř výhradně TČ s kompresorem, který je poháněn elektromotorem. Kompresor lze pohánět i jakýmkoli jiným motorem (např. motorem na zemní plyn). Pro relativně malé výkony, potřebné v rodinných domcích, jsou elektrická TČ nejvýhodnější. Elektromotor je levný a palivo - elektřina ve zvláštním tarifu - rovněž.

Podle druhu ochlazovaného a ohřívaného média se rozlišují tyto typy tepelných čerpadel:

TYP ČERPADLA MOŽNOSTI POUŽITÍ
vzduch/voda univerzální typ, pro ústřední vytápění
vzduch/vzduch doplňkový zdroj tepla, teplovzdušné vytápění, klimatizace
voda/voda využití odpadního tepla, geotermální energie, ústřední vytápění
nemrznoucí kapalina/voda univerzální typ pro ústřední vytápění, zdrojem tepla je nejčastěji vrt nebo půdní kolektor
voda/vzduch teplovzdušné vytápěcí systémy

Nejčastější typy tepelných čerpadel. Zdroj: EkoWATT

Funkce kompresorového tepelného čerpadla

Činnost tepelného čerpadla je založena na pochodech spojených se změnou skupenství v závislosti na tlaku pracovní látky (chladivo). Ve výparníku odnímá chladivo za nízkého tlaku a teploty teplo ochlazované látce (zdroji nízkopotenciálního tepla). Dochází k varu a kapalné chladivo přiváděné do výparníku se postupně mění v páru. Páry chladiva jsou z výparníku odsávány a stlačeny kompresorem na kondenzační tlak. V kondenzátoru předávají kondenzační teplo ohřívané látce a mění své skupenství na kapalné. Kapalné chladivo je po snížení tlaku přiváděno zpět do výparníku, kde doplňuje vypařené chladivo. Tím je oběh uzavřen.


Princip tepelného čerpadla. © EkoWATT

Bivalentní provoz tepelného čerpadla

Spotřeba tepla na vytápění se během roku mění. Pokrytí celé spotřeby TČ je obvykle neekonomické (větší TČ a delší vrty výrazně zvyšují pořizovací náklady), proto se systém doplňuje dalším špičkovým zdrojem tepla, obvykle elektrokotlem. Tento zdroj slouží i jako záloha pro případ výpadku TČ. Jako jiný bivalentní zdroj lze použít i krb nebo jiné interiérové topidlo, které nemusí být napojeno na systém ústředního vytápění.

Systém pak pracuje v tzv. bivalentním provozu, kdy po určitou dobu (např. v mrazových dnech) běží kromě TČ druhý zdroj tepla (elektrokotel). Instalovaný tepelný výkon tepelného čerpadla je v tomto provozu nižší než je maximální potřebný (obvykle 50 - 75 %). U správně navrženého systému špičkový zdroj dodává pouze 10 -15 % celkové spotřeby tepla.

U tepelných čerpadel ochlazujících venkovní vzduch je bivalentní zdroj nezbytný, aby bylo možno vytápět i v době, kdy je venkovní teplota nižší než -12 °C.


Bivalentní chod tepelného čerpadla. © EkoWATT

Monovalentní provoz tepelného čerpadla

U moderních, dobře izolovaných rodinných domů s tepelnou ztrátou do 10 kW je možné navrhnout TČ jako jediný zdroj tepla. Investiční náklady se výrazně nezvýší. Výhodou je i úspora provozních nákladů. Není-li TČ doplněno elektrokotlem, postačí menší příkon elektřiny. V současnosti, kdy konečná platba za elektřinu značně závisí na velikosti hlavního jističe, může být úspora "za jistič" zajímavá. Jinou cestou ke snížení velikosti hlavního jističe je použití ne-elektrického bivalentního zdroje, např. kamen na dřevo.

Výběr vhodných lokalit a zásady pro dimenzování

TČ pro vytápění lze použít téměř všude, pro dimenzování je důležité znát spotřebu tepla a teplé užitkové vody a další podmínky:

TČ se nejčastěji používají na vytápění a klimatizaci budov. V kancelářských prostorách se často využívá možnosti reverzního chodu, kdy tepelné čerpadlo v létě ochlazuje vzduch v místnostech, zatímco v zimě topí.

Porovnáme-li emise vzniklé v důsledku spotřeby elektřiny pro pohon TČ s emisemi vzniklými při spalování tuhých paliv (v domácím kotli), pak od průměrného ročního topného faktoru 2,33 dochází k jejich snížení (uvažujeme-li ztráty při výrobě a přenosu elektřiny 70 % a při spalování tuhých paliv 30 %).

Ekonomika provozu

Možná trochu paradoxně platí, že ekonomická návratnost TČ vychází nejlépe ve stavbách s vysokou spotřebou tepla. U nízkoenergetických nebo dokonce pasivních domů, kde je spotřeba až 10x nižší než u běžných domů, je úspora nákladů na vytápění poměrně malá, tím roste i doba návratnosti.


STARŠÍ NEZATEPLENÝ DŮM PASIVNÍ DŮM
spotřeba za rok 26 000 kWh 2 600 kWh
náklady na vytápění el. přímotopy 51 000 Kč 9 000 Kč
náklady na vytápění tepelným čerpadlem 16 000 Kč 3 000 Kč
roční úspora 35 000 Kč 6 000 Kč
inv. náklady na TČ 350 000 Kč 120 000 Kč
prostá návratnost 10 let 20 let

Návratnost TČ při různé spotřebě - příklad. Zdroj: EkoWATT

Významné je také to, že domácnosti vytápěné tepelným čerpadlem mají k dispozici elektřinu v nízkém tarifu po dobu 22 hodin denně. Náklady na elektřinu pro osvětlení, chladničku, pračku a ostatní domácí spotřebiče tak mohou být výrazně nižší než v domech s vytápěním plynem, dřevem apod. Při roční spotřebě domácnosti okolo 4 000 kWh/rok je úspora až 10 tis. Kč.

Kotelna s tepelným čerpadlem a plynovými kotli jako bivalentním zdrojem tepla. Foto: EkoWATT
Spotřeba oběhových čerpadel v TČ někdy není zanedbatelná. Foto: EkoWATT

Použitá a doporučená literatura

[1] Dvořák, L., Klazar, J., Petrák, J.: Tepelná čerpadla. Praha, SNTL, 1987.

[2] Srdečný, K.: Energeticky soběstačný dům. ERA, Brno, 2006, dotisk 2007.

[3] Srdečný, K., Truxa, J.: Tepelná čerpadla, 2. vyd., ERA, Brno, 2007.

[4] Beranovský, J., Truxa, J.: Alternativní energie pro váš dům, ERA, Brno, 2004.

[5] Kol. autorů: Obnovitelné zdroje energie. FCC Public, Praha, 1994, druhé upravené a doplněné vydání 2001.

[6] Žeravík. A.: Stavíme tepelné čerpadlo. Vl. nákladem, 2003.

[7] Kol. autorů: Tepelná čerpadla, projektování a instalace. Stiebel Eltron, 1998.

[8] Kol. autorů: Kombinované energetické systémy s využitím obnovitelných zdrojů energie. ČEA, Praha, 1997.



Publikace je určena pro poradenskou činnost a je zpracována v rámci Státního programu na podporu úspor energie a využití obnovitelných zdrojů energie pro rok 2007 - část A - PROGRAM EFEKT. Za finanční podporu děkujeme České energetické agentuře. Publikace byla vydána také v tištěné podobě.

Autoři textů: EkoWATT - Jiří Beranovský, Monika Kašparová, František Macholda, Karel Srdečný, Jan Truxa.
© EkoWATT, 2007

 

SOUVISEJÍCÍ INFORMACE

Zásady výstavby nízkoenergetických domů

ilustracni obrazek - Zásady výstavby nízkoenergetických domů

Co jsou to nízkoenergetické domy? Jak postupovat při plánování a výstavbě takového domu?

Zásady výstavby pasivních domů

ilustracni obrazek - Zásady výstavby pasivních domů

Co je to pasivní dům? Jak postupovat, abychom docílili pasivního standardu?

další informace >>

SOUVISEJÍCÍ PUBLIKACE

obrázek - Tepelná čerpadla

Tepelná čerpadla

Karel Srdečný, Jan Truxa

--------------------------------------------------------------------------
TATO PUBLIKACE NENÍ MOMENTÁLNĚ K DISPOZICI.
--------------------------------------------------------------------------

Publikace určená zejména drobným investorům, majitelům rodinných domů i stavebním inženýrům.

další publikace >>

Související služby

Energeticko-ekonomická optimalizace projektu domu

Optimalizace projektu novostavby nebo rekonstrukce domu ušetří až desítky procent provozních nákladů na energie.

Zdarma energetické poradenství EKIS

Nevíte si rady? Navštívte naši on-line poradnu nebo střediska v Praze a Českých Budějovicích.

Výpočet tepelných ztrát budovy

Výpočet tepelných ztrát odpoví na otázku, jak dimenzovat zateplení či vytápění.

Poradenství v oblasti nízkoenergetické a pasivní výstavby budov

Poradíme vám, jak postupovat a jak zajistit, aby Vás nízkoenergetický či pasivní dům nevyšel příliš draho.

další služby >>

© 2011 EkoWATT přední česká poradenská společnost v oblasti energetiky, ekonomiky a životního prostředí

Webhosting, webdesign & publikační systém TOOLKIT - Econnect