Tepelné čerpadlo vzduch/voda jako náhrada kotle na fosilní paliva
Hlavním důvodem pro pořízení tepelného čerpadla jsou očekávané snížené náklady na vytápění a ohřev vody. Ne vždy se však vytčený cíl podaří splnit. Pojďme se této problematice věnovat podrobněji. V textu si představíme podstatu tepelného čerpadla a ukážeme některé možnosti optimalizace jeho chodu.
Začátkem by měl být projekt. Pro návrh tepelného zdroje (zdrojů) je v první řadě nutné stanovit tepelnou ztrátu budovy (Q), která zohledňuje jak lokalitu (výpočtová venkovní teplota −12; −15; −18 nebo −21 °C), tak teplotu vnitřního prostoru (obvykle 20 ˚C). Tepelná ztráta zahrnuje přitom ztráty větráním a tepelné ztráty prostupem konstrukcí (obvodové zdi, podlaha, okna, dveře…). Hodnota vyjadřuje tepelný výkon potřebný pro vytápění při výpočtové venkovní teplotě a požadované vnitřní teplotě, přičemž jednotkou je watt (W). Podrobný výpočet tepelné ztráty budovy definuje norma ČSN EN 12831-1. Když však známe například roční spotřebu plynu na vytápění, lze orientačně použít vzorec Q = spotřeba (kWh za rok) / 2500. Při 15 000 kWh spotřebovaného plynu ročně vychází celoročně průměrný ztrátový tok tepla z vytápěného objektu na 15000/2500 = 6 kW.
Dalším úkolem pro tepelný zdroj je příprava teplé vody. Pro přípravu teplé vody se počítá výkon 0,2 kW na osobu (cca 5 kWh/den), který vychází z denní spotřeby 80–100 l vody o teplotě 45 °C. U čtyřčlenné rodiny to znamená dalších 0,8 kW.
Pozor na to, že většina tarifů pro odběr elektrické energie po odběratelích navíc požaduje, aby po určitou část dne bylo vytápění blokováno (mimo provoz). Například sazba D57d platí 20 hodin denně, během kterých se musí dodat veškeré teplo. Požadovaný výkon (při použití výhradně elektřiny) musí být proto navýšen na 6,8 × 24 / 20 = 8,16 kW.
Tepelné čerpadlo jako zdroj energie
Připomeňme si několik faktů ohledně způsobu fungování tepelných čerpadel. Hlavním kritériem vypovídajícím o efektivitě tepelného čerpadla je tzv. topný faktor – COP (Coefficient Of Performance), který vyjadřuje poměr mezi teplem získaným čerpadlem a k tomu spotřebovanou elektrickou energií. Děj, který v tepelném čerpadle probíhá, poprvé teoreticky popsal francouzský fyzik Nicolas Léonard Sadi Carnot. Za ideálních podmínek je COP podílem termodynamické teploty (udáváno v Kelvinech) ohřívaného prostředí a rozdílu teplot mezi ohřívaným prostředím a prostředím ochlazovaným. V praxi – vlivem ztrát vznikající při provozu tepelného čerpadla, velikostí teplosměnných ploch, parametrů reálného chladiva, účinností kompresoru apod. – je dosahováno přibližně 40–50 % teoretické hodnoty, což (pro 40 %) popisuje následující vzorec:
kde tH je teplota teplejšího prostředí (vyhřívaného) a tC chladnějšího (ochlazovaného), obojí již ve ˚C. Jak hodně je topný faktor závislý na zmíněných teplotách ukazuje tabulka 1.
Očekává-li uživatel od tepelného čerpadla nízké provozní náklady (vysoký COP), potom je nutné zajistit co nejnižší teploty na sekundární straně (teplota vody do vytápění). V případě celoplošného vytápění (podlahové / stropní) s tím není problém. Co ale u rekonstrukcí, kde jsme limitování použitím radiátorů? I zde se nabízí řada možností.
Optimalizace účinnosti tepelného čerpadla
K přenosu tepla z tepelného čerpadla (či kotle) do otopných těles se jako transportní médium většinou využívá voda. Díky její vysoké měrné kapacitě je při teplotním rozdílu 10 ˚C a rychlosti proudění 0,5 m/s (teplovodní topení je navrhováno nejčastěji od 0,2 do 1,0 m/s) možno přenášet běžnou 18mm měděnou trubkou s vnitřním průměrem 16 mm více než 4 000 W. U rozdílu mezi teplou vodou a zpátečkou 5 ˚C potom polovinu z toho, tedy cca 2 000 W.
Aby se však tepelný rozdíl mezi vstupem a výstupem z radiátoru vytvořil, musí samozřejmě radiátor topit odpovídajícím výkonem. Samotný topný výkon radiátorů je závislý na trojici teplot – teplotě vstupní vody (hodnota před lomítkem viz dále), teplotě výstupní vody (hodnota za lomítkem) a teplotě vzduchu v místnosti. Příkladem, u deskového radiátoru 120 × 60 cm a teplotě interiéru 20 ˚C, se jedná o tyto hodnoty: voda 55/20 ˚C – 419 W; voda 45/35 ˚C – 350 W; voda 40/35 ˚C – 300 W; voda 45/25 ˚C – 200 W; voda 35/30 ˚C – 200 W.
Při provozu tepelného čerpadla v systému s radiátory je v prvé řadě nutné mít dobře nastavené průtoky radiátory. Řada termostatických ventilů má několik stupňů nastavení průtoku a je dost možné, že některá topná tělesa jsou zbytečně přiškrcená a jiná naopak otevřená moc (typicky topný žebřík v koupelně). Zatímco plynový kotel a termostatické hlavice na radiátorech si se situací díky vyšší teplotě vody do topení poradí, u tepelného čerpadla nastane problém. Každé zvýšení teploty vody se totiž projeví na nižší účinnosti (horší COP).
Tip: Na použití tepelných čerpadel v rámci rekonstrukcí myslí též výrobci radiátorů, kteří nabízejí teplovodní konvektory dodávající oproti běžným radiátorům při stejné teplotě vody násobně vyšší výkon. Jde o druh otopného tělesa, uvnitř kterého je výměník voda/vzduch značně zvyšující sdílení tepla prouděním (konvekcí). Ohřátý vzduch může z konvektoru proudit jak přirozeně (vlivem tlakového rozdílu), tak i s dopomocí ventilátorů. Toto řešení je pro mnohé uživatele příjemnější a přirozenější formou vytápění než horké topení. Další výhoda při použití spolu s tepelným čerpadlem spočívá v možnosti letního chlazení. Pro představu je dobré zmínit i konkrétní navýšení topného výkonu, kdy například konvektor o rozměrech 50 × 120 cm disponuje při teplotním spádu 35/30 ˚C a teplotě místnosti výkonem od 562 do 756 W (dle rychlosti ventilátoru), zatímco běžný deskový radiátor stejných rozměrů pouze 200 W. Konvektorům věnujeme samostatný článek Radiátory EcoReviva Hybrid pro tepelná čerpadla. Komfort i snížení nákladů na vytápění.
Regulace průtoku je časově náročná. Začíná většinou tak, že se odmontují veškeré termostatické hlavice, na ventilech nastaví průtok na maximum a postupně, po ustálení, se pak omezuje průtok u těch topných těles, kde je to potřeba. Pozor na to, že průtok otopnými tělesy může být snížen též ne zcela otevřeným připojovacím uzavíratelným šroubením.
Máme-li zregulovaný průtok radiátory, je potřeba taktéž dobře nastavit termostat (je-li jím systém vybaven), případně ekvitermní regulaci stanovující teplotu topné vody na základě požadované vnitřní teplotě a na venkovní teplotě. Dokud nebude výše uvedené hotové, doporučujeme nechat odmontované termostatické hlavice (nebo je alespoň naplno otevřít). Vyšší než požadovanou teplotu interiéru snižujeme ne termostatickými hlavicemi, ale pomocí snížení teploty výstupní vody z tepelného čerpadla.
Kombinace více zdrojů tepla
Často opomíjeným způsobem vedoucím ke zlepšení topného faktoru tepelného čerpadla je vytápění pomocí chladnější výstupní vody, kdy tepelné čerpadlo systémově pokryje pouze část tepelné ztráty. Toto řešení jsme úspěšně otestovali v rámci modernizace vytápění v řadovém rodinném domě, kam bylo tepelné čerpadlo přidáno paralelně k plynovému kotli (tzv. hybridní provoz).
Způsob zapojení a regulace je přitom velice jednoduchý. Tepelné čerpadlo (6 kW) s ekvitermně nastavenou teplotou výstupní vody na 30–35 ˚C je v provozu 20 hodin denně (v době nízkého tarifu) a na zbylé 4 hodiny se pouští plynový kotel. Je-li chladný den a radiátory nahřáté tepelným čerpadlem s teplotou omezenou na 35 ˚C nezvládly dodat dostatek tepla, dohřeje ve zbylých 4 hodinách dům plynový kotel (24 kW). Pokud je interiérová teplota dostatečná, plynový kotel se díky informaci z pokojového termostatu ani nerozběhne.
Co s ohřevem vody
Na topný faktor je u uvedené instalace myšleno též při vytápění teplé užitkové vody. Původní 300litrový zásobník s dvojicí topných spirál je napojen „spodní“ spirálou na tepelné čerpadlo a „horní“ spirálou na plynový kotel. Jeho vytápění probíhá tak, že v zimním období tepelné čerpadlo nahřívá vodu pouze v „časovém okně“ zahrnujícím 4 hodiny denně a to na teplotu 35 ˚C. Následně vrchní část zásobníku dotopí kotel. Výhodou tohoto způsobu provozu je průběh teplot v zásobníku: Nejprve se během dne teplá voda spotřebovává, čímž se dostává dospodu zásobníku voda studená (cca 15 ˚C). Tepelné čerpadlo nahřeje 1 krát denně vodu a to z výchozích 15 ˚C na 35 ˚C (ze začátku TČ topí jen na 20 ˚C a teplota postupně roste zhruba na 40 ˚C).
Nespoléhejte se pouze na tepelné čerpadlo
Je dobré si uvědomit, že tepelné čerpadlo vzduch/voda není vhodné provozovat monovalentně (jako jediný zdroj tepla), ale je ideální jej kombinovat s jiným zdrojem tepla (bivalentní provoz). V domě může být krb, lze využít elektrické topné žebříky v koupelnách, dohřát místnost obyčejným olejovým radiátorem do zásuvky, dohřát bojler elektřinou atd.
Možná překvapí, že z ekonomického hlediska můžeme též nechat pracovat tepelné čerpadlo s nízkou výstupní teplotou (a tím pádem s maximálním topným faktorem) a zbytek dohřát jinak. Příkladem může být situace při venkovní teplotě vzduchu, kdy potřebujeme vytápět výkonem řekněme 3 000 W. V první variantě použijeme pouze tepelné čerpadlo a budeme ohřívat vodu na 45 ˚C – při COP 1,69 dostaneme odběr elektrické energie 3000 / 1,69 = 1775 W. Alternativně necháme běžet tepelné čerpadlo pouze s teplotou výstupní vody 35 ˚C (COP 2,75), což nám prokryje cca 60 % tepelné ztráty (chladné radiátory nebudou stíhat) a zbylých 40 % dohřejeme přímotopem případně jiným zdrojem – výsledkem je odběr 3000 × 0,6 / 2,75 + 3000 × 0,4 = 655 + 1200 = 1855 W. Nechť si každý sám posoudí, zda-li náklady na „silnější“ tepelné čerpadlo vykompenzuje úspora nákladů za elektřinu.
Fotovoltaika
Jsme-li majiteli fotovoltaické elektrárny, můžeme část energie potřebné pro provoz tepelného čerpadla pokrýt z jejích přebytků. Vzhledem k výkupním cenám elektřiny, které jsou leckdy i záporné, se toto řešení přímo nabízí. O tom někdy příště.
