Výkon tepelného čerpadla sa dimenzuje maximálne na 70 % nominálneho výkonu

Tepelné čerpadlá sa v ostatných rokoch stávajú čoraz populárnejšou ekologickou formou získavania tepla. Aj v ich prípade však treba dodržiavať určité zásady, aby mala ich inštalácia zmysel. Na niektoré základné otázky ponúka odpovede nasledujúci text. 
Výkon tepelného čerpadla sa dimenzuje maximálne na 70 % nominálneho výkonu

Kedy možno bez problémov použiť tepelné čerpadlo na vykurovanie domu? Dá sa ním nahradiť klasický vykurovací kotol?

Napriek tomu, že úlohou obchodníkov je predať zariadenie zákazníkovi za každú cenu, treba v tomto prípade myslieť aj na to, či zariadenie splní svoj účel a zaistí používateľovi plné pokrytie jeho energetických potrieb. A práve tepelné čerpadlá patria do kategórie, ktorá vyžaduje určité podmienky, pri ktorých budú plne funkčné. Podmieňujú to v prvom rade fyzikálne zákony, ktoré nemožno nijako obísť:

  • maximálna výstupná teplota podmienená maximálnou kondenzačnou teplotou chladiva (zdroj úžitkovej teploty tepelného čerpadla) je 50 – 55 °C,
  • výkon vyjadrený v kW tepla treba do priestoru (rodinného domu) odovzdať pri povrchovej teplote vykurovacieho telesa zodpovedajúcej výstupnej teplote z tepelného čerpadla.

Bohužiaľ, v praktických podmienkach treba na zachovanie dostatočnej efektívnosti (pomeru príkonu a výkonu tepelného čerpadla) výstupnú teplotu držať ešte nižšie. Ak má dom radiátory dimenzované na teplotu vykurovacej vody 90 °C, čo je pre plynový kotol optimálny režim, pri zapojení tepelného čerpadla do systému sa jeho výkon cez takéto radiátory odviesť do priestoru nepodarí. Samozrejme, môžeme doplniť články alebo radiátorové panely a znásobiť aktívnu plochu na odovzdávanie tepla, ale ešte sme tak nevyhrali. Pri snahe odovzdať plný výkon cez zväčšené vykurovacie telesá zistíme, že musíme znásobiť aj množstvo vykurovacej vody, ktorá telesami pretečie. A riešiť to len výmenou obehového čerpadla za silnejšie vždy nejde – musíme mať dostatočnú svetlosť rozvodného potrubia vykurovacej vody.

Mnoho problémov odpadá pri novostavbách, kde sa s otázkou nízkopotenciálového vykurovania počíta. Do tejto kategórie patria okrem veľkoplošných radiátorových sústav aj systémy podlahového a stenového vykurovania, ktoré sú obzvlášť vhodné pri prevádzke s tepelným čerpadlom alebo so solárnym systémom. Dom, ktorý má mať efektívnu prevádzku s akýmkoľvek moderným alternatívnym zdrojom, musí spĺňať aj iné predpoklady. Musí mať environmentálnu štruktúrovanosť, v ktorej sa okrem kvalitnej, dobre izolovanej stavby (najlacnejšia je nespotrebovaná energia) odráža aj riešenie pasívneho získavania tepla a celkového režimu jeho obyvateľov (vetranie, rekuperácia a iné).

Ak máme dobre izolovaný dom s nízkopotenciálovým vykurovaním (podlahovka na ­prízemí a veľkoplošné radiátory na poschodí), ako ­môžeme do systému zakomponovať tepelné čerpadlo a čo ešte potrebujeme?

Tepelné čerpadlo nie je perpetuum mobile a na svoju prevádzku potrebuje energiu. Tú delíme na primárnu, získavanú z prírody (z pôdy, vody, zo vzduchu alebo solárneho akumulátora) a sekundárnu, ktorá poháňa čerpadlá a kompresor transformujúci energiu z prírody na využiteľnú hodnotu (napr. 10 °C teplú pôdu podchladzujeme na 2 – 3 °C a v tepelnom čerpadle produkujeme 45 – 55 °C do vykurovania). Určitou výhodou je, že teplo vyprodukované samotným kompresorom sa nestráca, ale je príspevkom k výkonu tepelného čerpadla. Z týchto poznatkov vychádza aj otázka, akým spôsobom môžeme predovšetkým primárnu energiu získať. Zase nám do problematiky vstupujú fyzikálne zákony a ak pochopíme, že počet kilowattov tepla, ktoré chceme odovzdať do domu, musí zodpovedať počtu kilowattov, ktoré odoberieme z prírody, uvedomíme si, že tento fakt nie je vôbec jednoduchá záležitosť. Ak je naším primárnym zdrojom vzduch, na jeho využívanie potrebujeme relatívne lacný rebrovaný výmenník s ventilátorom, ktorý intenzitu odberu vzduchu zaistí jeho núteným prefúkavaním cez úmerne veľkú konvekčnú plochu rebrovania.

Žiaľ, v zimnom období, keď je potreba odberu najžiadanejšia, je kvalita vzduchu súvisiaca s okolitou teplotou najnižšia a podmienky na získavanie prírodnej energie sú najhoršie. Efektívnosť sa pri veľmi nízkej teplote blíži pomeru 1 : 1 (1 kilowatt elektrickej energie na pohon systému produkuje 1 kilowatt energie využitej z prírody) a systém prestáva byť efektívny. Tepelné čerpadlá využívajúce vzduch sú lacné, ale okrem problémov s efektívnosťou v zimnej prevádzke zápasia s cyklickým rozmrazovaním vonkajšej jednotky, ktorá v procese prevádzky namŕza, a treba počítať aj s určitou hladinou hluku produkovaného ventilačnou sústavou. Na druhej strane je kritický čas relatívne krátky (niekoľko týždňov v roku) a pri spojení s lacným závesným kotlom alebo s elektrovložkou, ktorú často tvorí výbava tepelného čerpadla, sa dá zaistiť celoročná prevádzka so značnými úsporami.

Ak budeme ako primárny zdroj využívať pôdu, výhodou bude to, že v určitej hĺbke (už pod 1,2 metra) sa nám podarí získať pomerne stabilnú teplotu. Napriek tomu ešte nemáme vyhrané. Musíme si uvedomiť, že pôda má svoju vodivosť a keď z nej budeme odoberať energiu, tak sa nám podchladí. Aby sme sa nedostali pod bod mrazu, nemôžeme energiu čerpať z malej plochy; systém by spôsobil vytvorenie ľadového koreňa a my by sme do vykurovaného objektu nedostali takmer žiadny výkon. Empirické vzťahy nás teda doviedli k poznatku, že keď v nemrznúcej hĺbke vytvoríme veľkoplošný kolektor z rúr v tvare meandra a slučiek, musíme na získavanie energie obetovať plochu minimálne dvakrát takú, aká je vykurovaná plocha objektu. Ak si nechceme dať rozryť celú záhradu, potom treba ísť do hĺbky. No pozor, napriek tomu, že so vzrastajúcou hĺbkou vzrastá aj teplota pôdy, pre nás to nemá až taký význam, ako si mnoho ľudí myslí. Znova tu vstupujú do hry zákony fyziky a musíme si uvedomiť, že bez dostatočnej aktívnej plochy, z ktorej budeme odoberať energiu, a bez zamedzenia lokálnemu podchladeniu (pôda musí deficit energie stíhať dopĺňať) sa nedostaneme k potrebnému výkonu.

Preto sa reálne vrty potrebné pre rodinný dom pohybujú na úrovni 100 m. A nejde o dosiahnutú hĺbku a teplotu v nej, ako sa mnoho ľudí mylne domnieva, ale o plochu vzniknutú pozdĺž steny vrtu, ­ktorá celá slúži na odber energie. Ak je to výhodné, potom sa môže na rovnaký rozmer realizovať niekoľko kratších vrtov, ale v dostatočnej osovej vzdialenosti, aby sa tepelne vzájomne neovplyvňovali.
Ak máme šancu využiť na svojom pozemku podzemné pramene, môžeme na vŕtaní veľa ušetriť, ale pozor, voda je síce ideálny nosič energie a dá sa výhodne transportovať na želané miesto, no pri jej reálnej teplote na zásobovanie procesu prebiehajúceho v tepelnom čerpadle jej potrebujeme značné množstvo s trvalým prítokom a musíme ju podchladenú vrátiť do zeme na takom mieste, aby sa nezmiešala s tou, ktorú používame na energetický odber. Preto sa v praxi vŕtajú dve dostatočne vzdialené studne, jedna na odber (rádovo litre za sekundu!) a druhá na vsakovanie do zeme za rovnakých prietokových podmienok. Toto riešenie nie je ideálne ani vzhľadom na zanášanie výmenníka, pokiaľ voda vykazuje tvrdosť. Stáva sa dokonca, že činnosť väčšieho zariadenia s tepelným čerpadlom spôsobuje podmývanie základov priľahlých stavieb. Mať tak vlastný rybníček alebo jazierko, dalo by sa jeho dno výhodne využiť na uloženie kolektorovej slučky, ale takéto realizácie sú u nás z hľadiska vodohospodárskeho zákona dosť nereálne.

Ak sme našli vhodný primárny zdroj (uviedli sme len najčastejšie používané) a máme v kotolni miesto na samotné zariadenie tepelného čerpadla, potom musíme na jeho vstup pripojiť médium privádzajúce vonkajšiu energiu. Pri vzdušnom systéme to je chladiarenské potrubie naplnené chladivom, pri ostatných systémoch hadicová slučka naplnená nemrznúcou zmesou. Obehové čerpadlo, ktoré je súčasťou zariadenia, zaistí transport energie cez primárny výmenník. Zariadenie sa, samozrejme, musí napojiť na elektrickú energiu a na výstup sa môže pripojiť spotrebič: zásobník teplej úžitkovej vody, vykurovacia sústava. Na to slúži zabudovaný ­v­ýmenník a sekundárne obehové čerpadlo. Na výstupe sa v prípade ­nízkoobjemovej vykurovacej sústavy odporúča inštalovanie akumulátora (zásobníka s objemom napr. 600 litrov). Zabráni sa tým problémom v regulácii výkonu tepelného čerpadla, ktoré je ­pomerne tvrdým zdrojom a v prípade náhleho poklesu odberu energie z ­výstupu sa môže zacyklovať a znížiť životnosť kompresora zbytočnými reštartmi. Má to svoj význam aj pri diaľkovom vypínaní počas zvýšenej tarify elektrickej energie.

Ako vyzerá zemný kolektor na získavanie tepla z pôdy a dokážeme si ho, ak je to možné, aj svojpomocne vyrobiť?

Zemný kolektor je vlastne plastová hadica s priemerom 40 mm z PEM s hrúbkou steny 2,4 mm, naplnená nemrznúcou zmesou. Jej celková dĺžka dosahuje stovky metrov (60 m na 1 kW je ­približná hodnota pri dostatočne vlhkej pôde) s tým, že nad 400 m sa už odporúča deliť ju na dve paralelné slučky po 200 metrov. Na pozemku sa vyčlení plocha dvoj- až trojnásobná oproti vykurovanej ploche domu. Podľa dĺžky potrubia si plochu rozdelíme tak, aby sme z nej vytvorenú slučku/meander/špirálu rovnomerne rozdelili na celú plochu. Povrch označíme napríklad vápnom alebo vykolíkujeme a do hĺbky 1 – 1,2 m vykopeme ryhu, ktorú vysypeme pieskom, a do nej vkladáme hadicu, pričom ju môžeme priebežne prisypávať. Alternatívny postup je aj taký, že začneme od päty domu a ukladáme hadicu postupne v radoch s osovou vzdialenosťou minimálne 1 m. Oba konce hadice musia ústiť do kotolne k miestu, kde bude agregát. Hadica sa bežne používa na rozvod vody, jediná podmienka je dobrý prestup tepla – mala by byť tenkostenná. Do budúcnosti je vhodné nad povrch trasy hadice uložiť vyznačovaciu fóliu!

Ako máme postupovať, ak si chceme dať urobiť hĺbkový vrt na získavanie tepla zo zeme?

Praktický postup je veľmi jednoduchý. Pred tým, ako si dohodneme príchod vŕtacej súpravy, pripravíme si PEM hadicu (32 x 2,9 alebo lepšie 40 x 3,7) s tým, že polovica celkovej dĺžky vytvorenej slučkou v tvare U tvorí vlastne hĺbku vrtu. Celkovú dĺžku rozvinutej hadice dimenzujeme vzhľadom na reálny predpoklad dostatočnej hĺbkovej vlhkosti 50 – 60 m na 1 kW požadovaného tepelného výkonu. Hadicu naplníme vodou a na ohybe pripevníme závažie. Po dosiahnutí želanej hĺbky hadicu spustíme do vývrtu a môžeme ju prisypať. Priemer vývrtu stačí okolo 150 mm, žiadne vložkovanie nie je nutné. Aby sme zlepšili účinnosť, zaplavenie vývrtu vodou a preliačenie stien je iba výhodou (neskôr vodu v hadici nahradíme nemrznúcou zmesou). Smerom do kotolne vykopeme ryhu a dovedieme konce hadíc v nemrznúcej hĺbke s dostatočným oddelením teplej a studenej vetvy k zariadeniu. Ak hrozí namrznutie alebo vzájomné ovplyvňovanie vetiev primárnej hadice, prívodnú trasu možno aj zaizolovať. Ak je miesto vývrtu od kotolne veľmi vzdialené, prívodnú trasu vyhotovujeme ako zemný kolektor s už uvedenými zásadami (aj táto trasa môže prispievať k celkovému získavaniu energie).

S akým výkonom tepelného čerpadla máme počítať pri návrhu do rodinného domu, keď máme v súčasnosti plynový kotol s výkonom 14 kW?
Pri dimenzovaní tepelných čerpadiel platia úplne iné pravidlá ako pri dimenzovaní kotlov. Energia získateľná z kotla je k dispozícii kedykoľvek a dosiahnuť špičkový výkon počas vykurovacieho obdobia je otázkou jeho nadimenzovania s určitou (v konvenčnej praxi s dosť vysokou) rezervou. Cena samotného kotla, odhliadnuc od špeciálnych riešení (kondenzačný kotol), nie je podstatnou investíciou. Dosť na tom, že pri súčasných cenách tepelných čerpadiel je otázka ich efektívneho využitia počas celého roka oproti kotlu nie nepodstatná položka.

Ak bude tepelné čerpadlo s výkonom 12 kW 9 – 10 mesiacov nevyužité (na výrobu teplej úžitkovej vody stačí 1,5 – 2 kW výkon), v zimnej prevádzke, keď sa jeho účinnosť znižuje (aj pri stabilnej primárnej teplote zo zeme), len čo potrebujeme do kúrenia odovzdávať viac ako 45 °C, stáva sa zbytočne predimenzovaným, celý rok málo vyťaženým zdrojom s vysokými vstupnými nákladmi, pričom aj tak v extrémnych situáciách ­(výnimočné mrazy) nestačí pokryť potreby domu. Preto sa výkon tepelného čerpadla dimenzuje na 55 – 70 % nominálneho výkonu. Aký to má význam? Celý návrh sa stáva ekonomicky efektívnym. V praxi je overené, že takto poddimenzované tepelné čerpadlo, ktorému pomôže ­lacný ­nenáročný zdroj, aj tak zapnutý do prevádzky len pár týždňov v roku, takpovediac, len na výpomoc, zaručí dobrú návratnosť a skoré zefektívnenie investície.

Ing. Milan Špes

Solarklima s.r.o.