dnes je 27.5.2024

Input:

Tepelná čerpadla: Část 2 - Členění tepelných čerpadel podle zdroje tepla

31.1.2023, , Zdroj: Verlag Dashöfer

12.2.2
Tepelná čerpadla: Část 2 – Členění tepelných čerpadel podle zdroje tepla

Ing. Bohumír Číhal

Kompletní zařízení používající pro vytápění nebo ohřev vody tepelné čerpadlo obsahuje tři hlavní části, pro něž se používá následující označení:

  • Primární okruh – část zařízení, která zprostředkovává přívod nízkopotenciálního tepla ze zdroje do výparníku.

  • Chladivový okruh – principiálně hlavní část zařízení, která zajišťuje "přečerpání" energie na vyšší teplotní úroveň (název je paradoxně odvozen od stejných kapalin používaných u chladniček).

  • Sekundární okruh – část zařízení sloužící k rozvodu tepla pro následné využití.

Obecná charakteristika zahrnuje širokou paletu možností v primárním okruhu a různé varianty v okruhu sekundárním. Z hlediska možnosti získání nízkopotenciálního tepla a způsobu jeho využití je proto třeba tepelná čerpadla rozdělovat do skupin, řešících související specifické záležitosti. Zažila se též některá zjednodušená označení typů tepelných čerpadel:

  • vzduch–voda – využívají energetický potenciál venkovního vzduchu, případně odpadní vzduch, k ohřevu vody,

  • vzduch–vzduch – malé reverzibilní klimatizační jednotky umožňující i režim přitápění a velké průmyslové instalace s hlavním režimem vytápění,

  • voda–voda – odebírají energetický potenciál ze spodní geotermální (nejčastěji studniční), nebo odpadní vody, a využívají jej k ohřevu vody,

  • země–voda – využívají energetický potenciál půdy k ohřevu vody; primární okruh tvoří

    • plošný zemní kolektor – potrubí odebírající teplo je uloženo v malé hloubce,

    • hlubinné geotermální vrty – potrubí odebírající teplo je zapuštěné do vrtu o hloubce 60 až 300 m,

    • geotermální koaxiální sondy – k odebírání tepla slouží soustava vrtaných sond se dvěma do sebe zasunutými trubkami z PE,

    • povrchové vrty (zvané též energetické koše) – k odebírání tepla slouží spirálové koše umístěné do vrtů hloubky cca 5 m,

    • plošné výměníky – k odebírání tepla slouží potrubí tepelného výměníku uložené do výkopu hloubky 1,2 až 1,5 m,

    • energetické piloty – využití betonu stavebních pilot, zeminy pod nimi a v okolí jako akumulátoru tepla.

V dalším textu uvádíme konkrétní řešení jednotlivých typů tepelných čerpadel s vhodnými případy využití a srovnáním jejich účinnosti.

Tepelná čerpadla vzduch–voda

Tepelná čerpadla využívají energetický potenciál okolního venkovního vzduchu, případně odpadní vzduch, je-li tento zdroj tepla v dostatečném množství k dispozici. Průměrný instalovaný výkon tohoto typu čerpadel pro vytápění je 12 až 20 kW.

Používají se ve dvou základních variantách provedení: monoblok a split (samostatná venkovní a vnitřní jednotka). Monoblok má uzavřený chladivový okruh a instaluje se zpravidla ve venkovním prostředí. Propojení mezi venkovní a vnitřní částí tepelného okruhu zajišťuje potrubí s otopnou vodou. V případě provedení split je chladivový okruh tepelného čerpadla z části venku a z části uvnitř, venkovní a vnitřní část tepelného čerpadla propojuje chladivové potrubí.

Při ohřívání vody do zásobníku nebo do topného systému pomocí vzduchu je třeba brát v úvahu, že okolní vzduch má proměnlivou teplotu (+25 až -18 °C). Často se proto čerpadlo vzduch–voda navrhuje v kombinaci s dalším tepelným zdrojem, který se používá v době chladného počasí (viz. Stanovení potřebného výkonu tepelného čerpadla). Při instalaci je vhodné řešit umístění čerpadla s ohledem na hlučnost ventilátoru na výparníku.

Vnitřní umístění kompaktní jednotky

Umístění samostatné venkovní jednotky:

Výparník samostatné venkovní jednotky musí být umístěn na betonovém bloku či obdobném loži poblíž venkovní stěny budovy. Podloží musí umožňovat odtok kondenzátu a roztátého sněhu. Vzdálenost mezi stěnou budovy a jednotkou musí být nejméně 180 mm (rohové umístění 250 mm). Prostor pro výfuk vzduchu alespoň 1m.

Umístění samostatné venkovní jednotky:

Vnitřní umístění kompaktní jednotky

Výhodné je umístění kompaktní jednotky v technickém prostoru uvnitř budovy i s ohledem na hluk v exteriéru. Musí však odpovídat dispozici budovy a situování pobytových místností. Sání i výfuk vzduchu musí být v dostatečné vzdálenosti od sebe, aby nedocházelo k míchání vzduchu.

Principiální umístění vnitřní kompaktní jednotky:

Ukázka vnitřního umístění výkonnější kompaktní jednotky:

Nevýhody tepelného čerpadla vzduch–voda:

  • nemá tak vysokou účinnost jako systém země–voda (cca o 30 %),

  • závislost na teplotě venkovního prostředí, potřeba bivalentního provozu,

  • životnost samostatné jednotky ovlivňuje venkovní prostředí,

  • vyšší hlučnost ventilátoru (ne u všech),

  • stavební povolení vyžaduje hlukovou studii.

Varianty vyžití čerpadel vzduch–voda

Vzduch–voda odvětrávací (ventilační) – odebírá energii (relativně teplému) vnitřnímu vzduchu odváděnému ventilačním (= větracím) systémem a používá ji po transformaci k vytápění, k ohřevu čerstvého přiváděného vzduchu a přípravě teplé vody. Průměrný instalovaný výkon do 3 kW.

Samotný ventilační modul může být instalován odděleně a následně napojen na centrální systém tepelného hospodářství, což značně zvyšuje flexibilitu při instalaci. Lze jej využít jako pomocný zdroj v kombinaci s různými tepelnými čerpadly.

Příklad zapojení ventilačního čerpadla do systému:

Bazénová tepelná čerpadla – čerpadla malých výkonů určená pro ohřev vody rekreačních (domácích) bazénů. Tepelné čerpadlo se vybírá podle objemu vody v bazénu. Tepelný výměník čerpadla je navržen s ohledem na způsob úpravy vody v bazénu (např. titanový pro slanou vodu). K zapojení do sekundárního okruhu je čerpadlo opatřeno šroubeními pro napojení PVC trubek, kterými se vždy zapojujte do tříventilového obtoku (tzv. bypassu) pro možnost regulovat průtok vody čerpadlem. Při nižším průtoku se lépe předává teplo do bazénové vody.

Následující obrázek ukazuje bazénové čerpadlo 15 kW použitelné pro bazény o objemu vody 20 až 50 m3.

Příklad provedení bazénového čerpadla:

Tepelná čerpadla vzduch–voda malých výkonů se zásobníkem – jsou výhradně určená pro přípravu teplé užitkové vody. V kompaktní jednotce jsou všechny komponenty důležité pro proces získávání tepla. K nim patří výparník, kompresor, kondenzátor a zásobník teplé vody. Podle provedení mohou obsahovat další výměník tepla, který umožňuje připojení slunečních kolektorů.

Malé tepelné čerpadlo se zásobníkem:

Hybridní tepelná čerpadla – spojují v sobě dva rozdílné zdroje tepla např. kombinace tepelného čerpadla vzduch–voda a kondenzačního plynového kotle nebo elektrokotle. Využití najdou u objektů, kde je již instalován plynový kotel a tepelné čerpadlo sníží provozní náklady. Řeší nedostatečný příkon pro instalaci kotle elektrického.

Hybridní zdroj tepla lze získat propojením standardního tepelného čerpadla například se stávajícím plynovým kotlem. Přitom je třeba nastavit regulaci tepelného čerpadla tak, aby dokázala externí plynový kotel optimálně řídit. Některá tepelná čerpadla mají funkci, která po zadání ceny elektřiny a plynu sama určí, od jaké teploty se již vyplatí vytápět plynem místo tepelného čerpadla.  

Druhou možností technického řešení je instalace hybridního tepelného čerpadla "v továrním provedení“, kdy plynový kotel je přímo integrován do tepelného čerpadla. Toto řešení je výhodné v případě nahrazení dosluhujícího plynového kotle, nebo v případech nedostatečné kapacity elektrické přípojky.

Příklad zapojení plynového kotle a tepelného čerpadla v systému hybridního vytápění:

Hybridní systémy mohou být využity při vytápění a ohřevu vody pro užitkové účely v rodinných domech s relativně malou spotřebou tepla, ale i ve velmi velkých budovách s velkou spotřebou tepla. Zdroje tepla se totiž vyrábějí s tepelným výkonem od několika desítek až do stovek kilowattů.

Tepelná čerpadla vzduch–vzduch

Tepelné čerpadlo vzduch–vzduch odebírá teplo z venkovního vzduchu a ohřívá vzduch uvnitř budovy bez prostřednictví topného systému a dosahuje díky tomu vyššího topného faktoru. 

Uspořádání systému vzduch–vzduch:

Vnitřní jednotka ohřívá, stejně jako kamna, jedno místo v domě. Díky ventilátoru dokáže teplo dodat mnohem rychleji a do větší vzdálenosti. Teplý vzduch proudí do největšího otevřeného prostoru v bytě a otevřenými dveřmi se teplý vzduch dostává do ostatních místností.

Nedochází k akumulaci tepla, což přináší provozní omezení. V případě nižších okolních teplot je třeba mít v záloze jiný druh vytápění. Systém není vhodný pro objekty s velkým počtem malých místností a nelze jím ohřívat teplou vodu. Nevýhodou je hlučnost vnitřní jednotky při provozu na plný výkon.

Tento typ tepelných čerpadel se využívá u malých reverzibilních klimatizačních jednotek umožňujících i režim přitápění. U nich lze využít též doplňkové funkce jako odvlhčování, čistění a ionizaci vzduchu. Jedná se o čerpadlo s obecně nejnižší pořizovací cenou  a snadnou instalací v porovnání s ostatními typy tepelných čerpadel.

Venkovní a vnitřní jednotka tepelného čerpadla:

Na rozdíl od malých reverzibilnch klimatizačních jednotek nachází tento systém také uplatnění u velkých průmyslových instalací s hlavním režimem vytápění.

Tepelná čerpadla voda–voda

Tento typ tepelných čerpadel odebírá teplo ze spodní, geotermální nebo odpadní vody. Nejrozšířenější je přímý odběr studniční vody. Jde o nejúčinnější typ tepelných čerpadel.

Podzemní voda má stálou průměrnou teplotu kolem 10 °C, která se nemění s teplotními změnami na povrchu. Je to nejteplejší zdroj přírodní energie v době její největší spotřeby. Sezónní topný faktor pro podlahové vytápění je až 7,00.

Voda ze studny je čerpána do výměníku tepelného čerpadla a po ochlazení vrácena zpět do země. Tepelné čerpadlo se připojuje na potrubí pružnými hadicovými přípoji. Odpadní potrubí je nutno provést tak, aby nezvyšovalo povolený tlak v systému.

Schéma čerpání ze

Nahrávám...
Nahrávám...