Tepelné čerpadlo "ano", ale jaký systém?

Obecně se dnes již ví, že tepelným čerpadlem lze odnímat přírodní teplo ze země, vody nebo vzduchu a toto pak předávat v použitelné teplotní úrovni do topného systému vytápěného objektu. Zájemce o instalaci tepelného čerpadla se však často dostává do problému, pro jaký systém se rozhodnout, neboť z různých zdrojů má rozdílné informace a jak se má v tomto "nepřehlednu" vyznat.

Na základě poznatků z mnoha konzultací s potenciálními zájemci o tepelná čerpadla je žádoucí vnést do této problematiky jasno.

Často požadovaný systém voda-voda je energeticky nejvýhodnější, existují však určitá "ale" a to je třeba otevřeně říci.

Zavrhněme úvodem myšlenku na vytápění rodinného domku vodou z nevyužívané studny na dvorku, což by sice mnozí zájemci o tepelné čerpadlo s velkou výhodou rádi realizovali, ale neuvědomují si, že brzy by studna zamrzla a bylo by po vytápění. Přímý odběr vody z potůčku protékajícího zahradou nebo z rybníka či řeky lze prakticky rovněž zavrhnout, neboť se jedná o povrchové vody, jejichž teplota v zimních měsících klesá natolik, že by bez dalšího okruhu s nemrznoucí směsí, celé tepelné čerpadlo zamrzlo a netopilo by. Navíc majitelem či správcem těchto "povrchových" vod bývá zpravidla úplně někdo jiný než zájemce o využití tepelné energie této vody pro technologii tepelného čerpadla a se získání jeho souhlasu bývají nezřídka problémy.

Klasický způsob, jak pro systém voda-voda získat plně funkční celek, předpokládá, že bude využívána "spodní" voda, jejíž teplota ani v zimě nepoklesne pod +7°C. S úspěchem lze předpokládat, že v hloubce pod 10 m již takováto teplota vody bude. Horší je to však s množstvím vody, která je pro získání dostatečného tepla k vytápěcím účelům zapotřebí. Pro běžný rodinný domek je potřeba přečerpávat ze sací do vsakovací studny přes tepelné čerpadlo 2-3 m³/hod. Toto množství je třeba mít k dispozici trvale, hlavně v období, kdy nejvíce venku mrzne a přitom se jedná o období, kdy zemské vláhy je minimum. Dostatečné množství spodní vody bývá tím hlavním problémem, který limituje použitelnost tohoto, jinak energeticky velmi výhodného systému. Nesmíme také zapomenout, že zmíněná spodní voda musí splňovat výrobci stanovená fyzikální a chemická kriteria, aby nedocházelo k zanášení nebo poškození výměníků tepelného čerpadla na tzv. "studené straně". Není skutečně jednoduché splnit všechny potřebné předpoklady pro úspěšné provozování systému voda-voda, přičemž nikdy se nedá vyloučit, že dnes splněné podmínky nemohou být za nějaký čas zcela jiné. Ani ztrátu vody v okolních studnách nelze nikdy vyloučit. Proto instalace tohoto systému je spojena jednak s mnoha otazníky a správné provedení čerpací a vsakovací studny s příslušenstvím se nedá dost dobře pořídit pod 150 tis. Kč, což musíme započítat do celkových nákladů na pořízení tohoto systému tepelného čerpadla.

Přes uvedené podmínky, které není jednoduché splnit, má-li systém spolehlivě a ekonomicky pracovat, lze se občas setkat s "odborníky", kteří bezostyšně tvrdí, že vody je všude dost a s instalacemi těchto tepelných čerpadel nejsou naprosto žádné problémy. Je až zarážející, s jakou drzostí a vehemencí zájemce o tepelná čerpadla klamou. Pozor na ně!! Tito dealeři dělají tepelným čerpadlům "medvědí služby" Systém voda-voda, ať je svou energetickou povahou nejvýhodnější asi v našich podmínkách nebude mít příliš širokého uplatnění, a bude se jednat spíše o výjimky.

Nejrozšířenějším systémem tepelných čerpadel u nás je země-voda, někdy také označovaný solanka-voda. ( nezaměňovat za voda-voda). Zde zpravidla v plastovém potrubí proudí voda s přísadami, které z ní dělají nemrznoucí kapalinu. Délka těchto potrubí je závislá na tom, jak a kam se budou ukládat. Při horizontálním ukládání pod nezámrznou hloubku je nutný pozemek, který je tímto prakticky znehodnocen pro případnou další výstavbu. Zlí jazykové tvrdí, že nad plošně uloženými kolektory "ani tráva neroste", což samozřejmě není pravda, ale jisté vegetační zpoždění nastat může.

Pro vertikální uložení se pak dělá jeden nebo několik vrtů, které se po založení kolektorů zaplní, aby došlo k trvalému a stabilnímu spojení zemního kolektoru s okolní horninou. Významnou měrou se na délkách horizontálních nebo vertikálních kolektorů podílí geologické složení hornin, do kterých se ukládají. Tyto s instalací tepelného čerpadla související stavební a vrtné práce významně ovlivňují celkovou cenu instalace a v nemalé míře ovlivňují vlastní realizaci, ať již nedostatečným prostorem pro plošné ukládání kolektorů, nebo obtížemi s prováděním vrtů. Provádění vrtů podléhá schvalovacím řízením a ne vždy je to bez problémů. Poddimenzovaná délka kolektoru nebo nějaké závady na něm vedou k problémům s chodem tepelného čerpadla, což je obtížně opravitelné.

Dobře instalované tepelné čerpadlo země-voda se vyznačuje vyrovnanou úrovní topného výkonu, ale je zatíženo právě náročností souvisejících stavebních prací a ty se na celkové ceně instalace významně podílejí.

Tepelná čerpadla vzduch-voda doznala během, několika posledních let, díky generačnímu zvratu v technologii kompresorů, také zásadních změn.

Tepelná čerpadla vzduch-voda s pístovými kompresory používanými dříve (u některých výrobců ještě i dnes) byla prakticky použitelná do venkovních teplot těsně pod 0°C, což úzce souvisí s jejich ekonomickou efektivností.

Nové generace kompresorů s označením Scroll, zcela změnily provozní charakteristiky tohoto systému tepelných čerpadel a posunuly jejich provozní schopnost až do venkovních teplot mínus 20°C, což jsou teploty, které se v našich klimatických podmínkách vyskytují jen mimořádně a když, tak pouze krátkodobě. Venkovní průměrná teplota v topném období u nás se na převážné většině území pohybuje v rozmezí +3 až +4°C! Při těchto teplotách kvalitní tepelné čerpadlo vzduch-voda s podlahovým vytápěcím systémem dosahuje topného faktoru 3,3 až 3,4.

Tepelná čerpadla vzduch-voda nevyžadují prakticky žádné stavební práce jako jsou studny, hlubinné vrty nebo zemní rýhy pro pokládku kolektorů, jejich instalace je velmi snadná, ničím nepodmíněná a tedy levná. Provozně se sice v závislosti na teplotě venkovního vzduchu mění tepelný výkon tepelného čerpadla, ale není to tak dramatické, jak se mnohdy uvádí, Dnů, kdy rtuť teploměru je trvale pod 0°C je skutečně poměrně málo a v tom případě pomůže v rámci bivalentního provozu doplňkový tepelný zdroj, stejně jak je tomu u systému země-voda, je-li provozován bivalentně, což zpravidla bývá.

Někdy s vyskytují dotazy, zda tepelná čerpadla vzduch-voda nejsou hlučná. Ano, v minulosti byly známy určité typy hlučnějších ventilátorů (u některých méně kvalitních tento problém může být i dnes), ale kvalitní tepelné čerpadlo tohoto systému nemá ani tento problém a vyhovuje přísným normám.

Pro uvedené přednosti se významně prosazují tepelná čerpadla vzduch-voda v posledních letech u nás a jsou stále více žádaná.

Pokusme se porovnat mezi sebou systémy tepelných čerpadel země-voda a vzduch-voda (systém voda-voda z důvodů malého počtu instalací nebudeme hodnotit).

V obou případech budeme posuzovat bivalentní provoz s elektrickým dohřevem, což je nejběžnější instalace.

Nejčastější jsou instalace do nových rodinných domů, kde je nízkoteplotní, převážně podlahový topný systém, ale závěry jsou platné i pro stávající objekty, vyhovuje-li vytápěcí systém teplotně a hydraulicky.

Porovnání provedeme z těchto hledisek:
    a) energetický přínos
    b) investiční náročnost
    c) realizovatelnost

Energetický přínos

Energetický přínos souvisí především s úrovní přírodního tepla, které tepelným čerpadlem dodáváme do topného systému, který pro porovnání budeme považovat jako shodný. U systému země-voda budeme předpokládat, že teplota v zemi je během topného období konstantní a tím i výkon tepelného čerpadla je stálý. Znamená to tedy, že k dispozici je stále stejné množství tepelné energie na začátku topné sezóny i v těch nejchladnějších dnech. To je hlavní energetickou předností tohoto systému.

V systému vzduch-voda naopak není v průběhu topné sezóny výkon tepelného čerpadla konstantní a mění se v závislosti na teplotě venkovního vzduchu. Znamená to tedy, že na začátku a konci topné sezóny je k dispozici větší množství tepelné energie, než ve dnech s velmi nízkými venkovními teplotami.

Nejlépe je porovnání výkonových průběhů obou tepelných čerpadel patrno z obrázku č.1. Je zde zřetelně znázorněno, že v obdobích podzimu a jara je výhodnější provoz tepelného čerpadla vzduch-voda, naopak v zimním období, kdy jsou nízké venkovní teploty, pracuje výhodněji tepelné čerpadlo země-voda. Vyhodnocením těchto rozdílů dojdeme k zajímavému zjištění, že co do energetických přínosů jsou z hlediska vytápění oba systémy rovnocenné, zahrneme-li do bilance celoroční ohřev užitkové vody, nebo dokonce domácího bazénu, pak vzhledem k podstatně většímu tepelnému efektu v jarních letních a podzimních měsících je provozně ekonomičtější tepelné čerpadlo vzduch-voda. Ukazuje se, že jeho zdánlivá nevýhoda (změna výkonu v závislosti na teplotě venkovního vzduchu) je, v těchto obdobích, naopak jeho významnou předností.

Obr. 1 - Výkonové průběhy

Veličina x, na obr.č.1 představuje poměrnou průběžnou dobu v polovině vytápěcího období měřenou od jeho středu (podzimní polovina vytápěcího období x ∈ <-0.5;0>, jarní polovina vytápěcího období x ∈ <0;0.5>).

Investiční náročnost

Investiční náročnost vychází z ceny vlastního technologického zařízení a nákladů na kompletní montáž. Technologie tepelného čerpadla systému vzduch-voda, je přibližně ve stejné cenové úrovni nebo jen nepatrně dražší než systém země-voda. Při zahrnutí souvisejících stavebních prací, ať již hlubinných vrtů nebo horizontálních rýh, vč. instalací kolektorů, zvýší se cena kompletní dodávky "na klíč" o 20-30%.

Pro toto srovnání je vhodné uvést konkrétní případ:
Jedná se o rodinný dům s tepelnými ztrátami 15 kW, v oblasti s výpočtovou venkovní teplotou -12°C, obydlený 5 osobami, případně se sezónním bazénem 45 m³. Porovnání je provedeno pro tepelná čerpadla předního evropského výrobce DIMPLEX, který vyrábí seriově všechny systémy.

Tepelné čerpadlo vzduch-voda, zvolen typ LI 11 A, vnitřní provedení.

Cena kompletní dodávky včetně instalace ( bez ohřevu TUV) "na klíč" je 276.000,-Kč vč. DPH.

Obr. 2 - Příklad instalace tepelného čerpadla vzduch-voda, vnitřní provedení

Tepelné čerpadlo země-voda, zvolen typ SI 7 CS, vnitřního provedení.

Cena kompletní dodávky včetně instalace (bez ohřevu TUV a vrtu) je 235.000,- Kč vč. DPH.

Obr. 3 - Příklad instalace tepelného čerpadla země-voda, vnitřní provedení

Pro tento typ tepelného čerpadla je potřebný vrt do hloubky cca 100 m (cena 1 m vystrojeného vrtu se pohybuje od 800 do 2000 Kč, podle místních geologických podmínek) budeme uvažovat 1000,- Kč/m, pak celková cena činí 335.000,- Kč vč. DPH.

Z uvedeného je patrna finanční výhodnost tepelných čerpadel vzduch-voda ve srovnání s typem země-voda.

Pro úplnost uveďme předpokládané roční energetické úspory, při spotřebě energie pro vytápění předmětného domu 33 800 kWh/rok.

Realizovatelnost

Realizovatelnost je závislá vždy na místních podmínkách, přičemž systém země-voda, je přeci jen náročnější. Buď je nutná dostatečně velká plocha pozemku, nebo je třeba na vhodném místě udělat vrt, případně vrty. S umístěním vlastní technologie nebývají zpravidla problémy. Snažší je situace u novostaveb, hůře se řeší zemní práce v upravených zahradách již zabydlených domů.

Systém vzduch-voda umožňuje dvě variantní řešení, buď může být kompaktní tepelné čerpadlo vnitřního provedení (lze umístit do sklepa dílny, garáže a pod.), vzduch se pak k tepelnému čerpadlu přivádí přes stěnu hlukově a tepelně izolovanými hadicemi, z vnější strany opatřenými žaluziemi. Jinou možností, pokud není v objektu dostatek místa je použití tepelného čerpadla pro venkovní instalaci, které je pak umístěno mimo dům a uvnitř je jen akumulační zásobník topné vody, řídící automatika, elektrické a hydraulické příslušenství.

Vzduchu je všude stále dost a tak tomu bude i v budoucnosti. Vědecké prognózy o klimatickém oteplování Země, bude-li tomu tak, jen nahrávají systémům vzduch-voda, které se jeví pro naše podnební podmínky jako optimální .

Tato rozvaha má ukázat, kam dospěl vývoj tepelných čerpadel do dnešní doby, vyvrátit tvrzení o tom, že systémy vzduch-voda při venkovních teplotách pod 0°C nejsou použitelné, a že obtěžují nadměrným hlukem jejich uživatele nebo sousedy.

Pro zachování objektivity, je nutno dodat, že uvedené porovnání platí jen pro současné kvalitní výrobky s odpovídající technickou úrovní. Na trhu je však možno narazit i na výrobky pochybné úrovně, které se svými parametry ani neblíží výše uvedeným hodnotám a často navíc obsahují chladivo R 22 (Freon) a takové jistě nelze v žádném případě doporučit. Pozor na ně!!