Tepelné čerpadlá - zariadenia na získavanie tepla z okolitého prostredia
     Zdroje tepla pre tepelné čerpadlá
     Vykurovací faktor
     Typy tepelných čerpadiel
     Výber lokality a pravidlá dimenzovania
     Ekonomika prevádzky tepelných čerpadiel
Geotermálna energia
     Obnovované zdroje
     Neobnovované zdroje

 

Tepelné čerpadlá - zariadenia na získavanie tepla z okolitého prostredia

Okolité prostredie obsahuje teplo, ktoré je k dispozícii všade, je ho prebytok a je "zadarmo". Môže byť uložené v pôde, podzemnej, povrchovej alebo odpadovej vode, vo vzduchu v exteriéri alebo v odpadovom vzduchu v interiéri budov a v priemyselných prevádzkach, v okolí zahrievaných častí strojov, rotorov a rôznych motorov, ktoré treba chladiť. Obyčajne má nižšiu teplotu (odtiaľ názov "nízkopotenciálové teplo"), ako bežne potrebujeme na vykurovanie budov, prevádzok alebo vody a preto ho klasickým prenosom tepla nevieme využiť na vykurovanie. Potrebujeme k tomu zariadenie schopné previesť takto získané teplo na vyššiu teplotnú úroveň - tepelné čerpadlo.

Tepelné čerpadlo pracuje na rovnakom termodynamickom principe ako chladnička. Tá vnútri odoberá teplo potravinám - chladí - a v zadnej časti odovzdáva získané teplo do miestnosti - vykuruje. Tepelné čerpadlo pracuje tak isto, ale obrátene a s oveľa väčším výkonom. Odoberá teplo vode, vzduchu alebo pôde v exteriéri a pomocou radiátorov alebo podlahového vykurovania ho odovzdáva v interiéri.

 

Celý pracovný cyklus tepelného čerpadla sa skladá zo štyroch fáz, ktoré sa neustále opakujú:

1. fáza - Vyparovanie: Chladivo, ktoré koluje v tepelnom čerpadle, odoberá teplo od vzduchu, vody alebo pôdy a tým se odparuje (mení skupenstvo na plynné).

2. fáza - Kompresia: Kompresor tepelného čerpadla prudko stlačí ohriate plynné chladivo. Vďaka fyzikálnemu princípu kompresie, pri ktorom pri vyššom tlaku rastie teplota, "vynesie" nízkopotenciálne teplo chladiva na vyššiu teplotnú hladinu približne 80 °C.

3. fáza - Kondenzácia: Takto zahriate chladivo pomocou druhého výmenníka odovzdá teplo vode v radiátoroch, ochladí sa a skondenzuje. Radiátory toto teplo vyžiaria do miestnosti. Ochladená voda vo vykurovacom okruhu sa potom vracia naspäť do druhého výmenníka, kde sa znova ohrieva.

4. fáza - Expanzia: Priechodom cez expanzný ventil sa chladivo vháňa k prvému výmenníku, kde sa znova ohreje.

Tepelné čerpadlá takto dokážu teplo obsiahnuté v okolitom prostredí (s teplotou napr. 0 °C) previesť na vyššiu teplotnú hladinu (napr. 80 °C). Na to však potrebujú dodať inú, obyčajne elektrickú energiu. Zisk tepla z okolitého prostredia na vykurovanie je však vyšší v porovnaní so spotrebou elektriny na pohon tepelného čerpadla: z 1 kWh spotrebovanej elektriny je možné bežne získať 3 až viac kWh tepla. To znamená, že účinnosť tejto technológie môže niekoľkonásobne prevýšiť 100 %. Umožňujú mu to fyzikálne vlastnosti chladiva, ktoré využíva a energia potrebná na chod motora.

 

Zdroje tepla pre tepelné čerpadlá

Pôda: Pôda sa ochladzuje tepelným výmenníkom z polyetylénového potrubia plneného nemrznúcou zmesou a uloženého do výkopu (pôdny kolektor). Pôdny kolektor sa umiestňuje pozdĺž objektu v nezamŕzajúcej hĺbke. Trubky pôdneho kolektora sa môžu ukladať na súvisle odkrytú plochu, najmenej 0,6 m od seba. Veľkosť takejto plochy je asi trojnásobkom plochy vykurovanej. Je tiež možné ukladať potrubie do tvaru uzavretých okruhov do rýh pre kolektory hlbokých asi 2 m a širokých asi 90 cm. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla sú potom potrebné ryhy dĺžky 5 až 8 m. Treba počítať s tým, že pôdny kolektor ochladí okolitú zeminu, takže sa tu napr. bude dlhšie držať sneh. Pokiaľ má byť teplo odoberané celoročne (v lete napr. pre ohrev bazéna), je potrebný kolektor s väčšou plochou. Ak je tepelné čerpadlo využívané pre letné ochladzovanie, je možne pôdny kolektor "dobíjať" odpadovým teplom.

Povrchová voda: Využíva sa voda v toku alebo v rybníku, ktorá je ochladzovaná tepelným výmenníkom, umiestneným priamo vo vode alebo zapusteným do brehu – vždy tak, aby výmenník nemohol zamrznúť. Podmienkou je vhodné umiestnenie objektu, najlepšie priamo na brehu. Teoreticky je tiež možné vodu privádzať potrubím priamo k tepelnému čerpadlu a ochladenú vodu vypúšťať naspäť. To je ale technický aj administratívne veľmi náročné.

Podpovrchová voda: Táto voda sa odoberá z nasávacej studne a po ochladení sa vypúšťa do druhej, takzvanej vsakovacej studne. Podmienkou je geologicky vhodné podložie, ktoré umožní čerpanie i vsakovanie. Ochladenú vodu je možné za určitých podmienok vypúšťať i do potoka alebo inej tečúcej povrchovej vody. Zdroj takejto vody však musí byť dostatočne výdatný (približne 15 - 25 l/min. pre tepelné čerpadlo s výkonom 10 kW). Vhodných lokalít je preto k dispozícii relatívne málo.

Hĺbková voda: Využíva sa teplo hornín v podloží. Vrty hlboké až 150 m sa umiestňujú v blízkosti stavby, najmenej 10 m od seba. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je potrebných 12 až 18 m hĺbky vrtu, podľa geologických podmienok. Vrty nie je možné vykonať kdekoľvek – je potrebné zabezpečiť si vopred dôkladný hydrologický prieskum, aby nedošlo k narušeniu hydrologických pomerov. Výhodou je celoročne stála teplota zdroja (asi 8 °C), takže tepelné čerpadlo pracuje efektívne.

Vonkajší vzduch: Je k dispozícii všade a vždy. Tento typ tepelného čerpadla má teda široké využitie a je investične menej náročné. Vzduch sa ochladzuje vo výmenníku tepla umiestnenom vo vnútri budovy. Pretože vo vzduchu je tepla pomerne málo, musia výmenníkom prechádzať veľké objemy vzduchu. Nevyhnutný je teda výkonný ventilátor. Ten je zdrojom hluku, preto je potrebné starostlivo zvoliť umiestnenie výmenníka, aby hluk neobťažoval obyvateľov domu ani susedov. Vonkajšia časť by nemala byť v miestach, kde sa môžu tvoriť vankúše studeného vzduchu. Vzduchové tepelné čerpadlá môžu pracovať aj pri teplote vonkajšieho vzduchu -12 °C, pri nižšej teplote je nutné zapnúť ďalší, tzv. bivalentný zdroj. Pri nízkych teplotách sa na vonkajšom výmenníku tvorí námraza. Energia spotrebovaná na jej odmrazovanie môže výrazne znížiť celkový vykurovací faktor a tým zvýšiť prevádzkové náklady.

Odpadový vzduch: Teplo je odoberané vzduchu odvádzanému vetracím systémom objektu. Tento vzduch má relatívne vysokú teplotu (18 až 24 °C). Tepelné čerpadlo môže efektívne pracovať aj za podmienok, kedy bežne používané systémy spätného získavania tepla (rekuperácia) nie je možné použiť. Teplo môže byť použité na vykurovanie vody v ústrednom kúrení alebo na ohrev vzduchu, ak je vykurovanie objektu teplovzdušné. Nevýhoda tohto systému je, že vetracieho vzduchu je k dispozícii len obmedzené množstvo, takže tepelné čerpadlo kryje len časť tepelnej straty objektu – približne tú, ktorá je potrebná na ohrev vetracieho vzduchu. Vždy je teda potrebný ešte ďalší zdroj pre krytie tepelnej straty konštrukciami, prípadne i pre ohrev vody. Na trhu sú dostupné tepelné čerpadlá s integrovanými ventilátormi, ktoré možno použiť ako centrálnu vetraciu jednotku domu.

 

Vykurovací faktor

Pomer tepelného výkonu (t.j. odovzdaného vykurovacieho výkonu) a spotrebovanej energie (t.j. elektrického príkonu na pohon tepelného čerpadla) je kľúčovým parametrom tepelného čerpadla a nazýva sa vykurovací faktor. Výrobcovia tepelných čerpadiel ho označujú aj ako výkonové číslo. Vypočíta sa nasledovne: ε= Q/E.

Hodnota vykurovacieho faktora sa pohybuje v rozmedzí od 2 do 5 a závisí od vstupnej a výstupnej teploty, typu kompresora a ďalších faktorov.

Niektorí výrobcovia niekedy nazapočítavajú pri výpočte vykurovacieho faktoru spotrebu obehových čerpadiel (alebo ventilátorov), ktoré sú nevyhnutné pre prevádzku tepelného čerpadla. Skutočný vykurovací faktor sa potom môže od údajov z propagačných prospektov značne líšiť.

Na dosiahnutie minimálnej spotreby pohonnej energie a čo najvyššej hodnoty vykurovacieho faktora je dôležité zabezpečiť najmä, aby:

• teplota zdroja nízkopotenciálneho tepla bola čo najvyššia, nesmie však presiahnuť maximálnu teplotu povolenú výrobcom pre daný typ tepelného čerpadla. Jeho výdatnosť musí byť dostatočná a ochladenie teplonosnej látky (chladiva) vo výparníku primerané, aby vyparovacia teplota nemusela byť zbytočne nízka. Okrem zníženého vykurovacieho faktoru totiž môže dôjsť k obmedzeniu funkčnosti tepelného čerpadla, napr. zamrznutím zdrojovej vody.
• rozdiel teplôt na vstupe a výstupe bol čo najnižšií, maximálna pracovná teplota tepelného čerpadla na výstupe by mala byť okolo 55 °C. Používanie tepelného čerpadla je teda výhodné v kombinácii s nízkoteplotným vykurovacím systémom (napr. podlahové vykurovanie). Čím menší rozdiel hladín teplôt musí tepelné čerpadlo prekonávať, tým menej energie spotrebuje a tým vyšší má vykurovací faktor.

Vykurovací faktor počas roka kolíše v závislosti na vstupnej a výstupnej teplote tepelného čerpadla. Priemerný ročný vykurovací faktor je pomerom celoročnej spotreby energie a celoročnej výroby tepla a používa sa pre vyhodnocovanie prevádzky. Bežne tepelné čerpadlá dodajú za ideálnych podmienok trikrát až štyrikrát viac tepla, než spotrebujú elektriny na svoju prevádzku.

 

Typy tepelných čerpadiel

Na vykurovanie rodinných domov a menších objektov sa najčastejšie používajú tepelné čerpadlá s kompresorom, ktorý je poháňaný elektromotorom. Kompresor možno poháňať aj akýmkoľvek iným motorom (napr. na zemný plyn). Pre relatívne malé výkony sú elektrické tepelné čerpadlá najvýhodnejšie.

Podľa druhu ochladzovaného a ohrievaného média rozlišujeme rôzne typy tepelných čerpadiel:

 

Tepelné čerpadlá s bivalentnou prevádzkou

Spotreba tepla na vykurovanie sa počas roka mení. Pokrytie celej spotreby tepla tepelným čerpadlom by teda vo väčšine prípadov nebolo ekonomické (väčšie tepelné čerpadlá a ďalšie vrty výrazne zvyšujú vstupné náklady). Preto sa systém dopĺňa ďalším špičkovým zdrojom tepla, obvykle elektrickým kotlom. Tento zdroj slúži aj ako záloha pre prípad výpadku tepelného čerpadla. Ako iný bivalentný zdroj možno použiť krb alebo iný interiérový zdroj tepla, ktorý nemusí byť napojený na systém ústredného vykurovania.

Systém v bivalentnej prevádzke funguje tak, že v určitom čase (napr. počas mrazov) je v prevádzke okrem tepelného čerpadla aj druhý zdroj tepla. Inštalovaný tepelný výkon tepelného čerpadla je v takomto režime nižší než je maximálny potrebný výkon (obvykle 50 – 75 %). Pri správne navrhnutom systéme špičkový zdroj dodáva iba 10 – 15 % celkovej spotreby tepla. Pri tepelných čerpadlách ochladzujúcich vonkajší vzduch je bivalentný zdroj nevyhnutný, aby bolo možné vykurovanie aj v období, kedy vonkajšia teplota klesne pod -12 °C.

Tepelné čerpadlá s monolentnou prevádzkou

Pri moderných, dobre izolovaných menších objektoch (napr. rodinných domoch) s tepelnou stratou do 10 kW je možné navrhnúť tepelné čerpadlo ako jediný zdroj tepla. Investičné náklady sa výrazne nezvýšia. Výhodou je najmä úspora prevádzkových nákladov. V súčasnosti konečná platba za elektrinu značne závisí od veľkosti hlavného ističa a preto úspora "za istič" môže byť výhodná. Iný spôsob zníženia veľkosti hlavného ističa je použitie neelektrického bivalentného zdroja.

 

Výber lokality a pravidlá dimenzovania

Tepelné čerpadlá na vykurovanie možno použiť takmer všade. Na ich dimenzovanie je dôležité poznať spotrebu tepla a teplej úžitkovej vody a ďalšie podmienky:

• Elektrická prípojka musí umožniť pripojenie tepelného čerpadla (dostatočný príkon).
• Vždy sa oplatí najprv dobre zatepliť objekt (potom postačia menšie a lacnejšie technológie, kratšie vrty atď).
• Vzduchové tepelné čerpadlo nie je výhodné používať v drsnejších klimatických podmienkach, kde vonkajšie teploty klesajú pod -15 °C (horské oblasti). Pri tomto type treba nájsť vhodné umiestnenie vonkajšej jednotky (hlučnosť, obmedzenie prietoku vzduchu, námrazy).
• V prípade využitia hlbinných vrtov je dobré vopred poznať geologické podmienky v podloží, aby nedošlo k ich poškodeniu (napr. k tzv. "zatvoreniu vrtu"). Vykonanie vrtu v 1. a v 2. ochrannom pásme kúpeľov a minerálnych vôd je upravené osobitnými predpismi.
• Pri využití podzemnej vody je podmienkou dostatočná výdatnosť zdroja vody a vhodné chemické zloženie (hrozí inkrustácia výmenníka tepelného čerpadla).
• Pri využití podpovrchových vôd sa platia poplatky správcovi toku, prípadne stočné.

Tepelné čerpadlá sa najčastejšie používajú na vykurovanie a klimatizáciu budov. V kancelárskych priestoroch sa často využíva možnosť reverzného chodu, kedy tepelné čerpadlo v lete ochladzuje vzduch v miestnostiach, zatiaľ čo v zime vykuruje interiér. Porovnanie emisií vzniknutých v dôsledku spotreby elektriny pre pohon tepelného čerpadla s emisiami vzniknutými pri spaľovaní tuhých palív (napr. v kotli) ukazuje, že od hodnoty priemerného ročného vykurovacieho faktora 2,33 dochádza k ich zníženiu (ak uvažujeme so stratami pri výrobe a prenose elektriny 70 % a pri spaľovaní tuhých palív 30 %).

 

Ekonomika prevádzky tepelných čerpadiel

Tepelné čerpadlá je výhodné inštalovať v budovách s nízkou mernou potrebou energie na vykurovanie (t.j. postavených s výbornými tepelno-technickými parametrami alebo dodatočne kvalitne a komplexne zateplených). Ich inštalácia v starých nezateplených budovách sa neoplatí. Nižšie teploty vykurovacej vody predurčujú využívanie tepelných čerpadiel najmä na vykurovanie prostredníctvom sálavých vykurovacích systémov (podlahových, stenových alebo stropných, prípadne aj klasických s radiátormi s väčšou odovzdávacou plochou). Takéto vykurovacie systémy nemusia stačiť udržať tepelnú pohodu v interiéroch nedostatočne zateplených budov v obdobiach s nízkymi vonkajšími teplotami a ich maximálne prevádzkové zaťaženie by nebolo ekonomicky hospodárne.

Berúc do úvahy relatívne vysoké vstupné investičné náklady na inštaláciu tepelného čerpadla je ich ekonomická návratnosť v prípade nízkoenergetických alebo dokonca pasívnych domoch (so spotrebou až desaťkrát nižšiou než pri bežných domoch) pomerne dlhá. Dôležité je, aby domácnosti vykurované tepelným čerpadlom mali k dispozícii elektrinu v nízkej tarife po dobu 22 hodín denne. V takom prípade by celkové náklady na elektrinu na osvetlenie, chladničku, práčku a ostatné domáce spotrebiče by mohli byť nižšie než v domoch vykurovaných plynom alebo drevom. 

 

Geotermálna energia 

Geotermálna energia získavaná z veľkých hĺbok nie je v pravom slova zmysle obnoviteľným zdrojom energie, pretože má pôvod v horúcom jadre Zeme, z ktorého uniká teplo cez vulkanické pukliny v horninách. Ale vzhľadom na obrovské, takmer nevyčerpateľné zásoby tejto energie, býva medzi tento druh zdrojov zaraďovaná.

Teplota jadra Zeme sa odhaduje na viac ako 4 000 °C a v desaťkilometrovej vrstve zemského obalu, ktorá je dostupná súčasnej vrtnej technike, sa nachádza dostatok energie na pokrytie spotreby energie ľudstva na obdobie niekoľko tisíc rokov. Teplo sa šíri zo žeravého zemského jadra k povrchu. Teplotný nárast sa pohybuje od 20 do 40 °C na vertikálny kilometer. V hĺbke asi 2 500 metrov sa často nachádza voda teplá až 200 °C.

Podľa energetického potenciálu hydrogeotermálnych rezervoárov sa využívajú tzv. obnovované alebo neobnovované zdroje. Vyskytujú sa v hĺbkach od 200 m do 5 000 m pod povrchom Zeme. Každých 100 m vrtu stúpa teplota prostredia o približne 3 °C.  Keďže táto metóda predpokladá sústavu hĺbkových vrtov, je investične veľmi náročná.

Obnovované zdroje

Tieto zdroje si vyžadujú iba tzv. ťažobný vrt, ktorým vystupuje para alebo horúca voda z podzemných rezervoárov do geotermálnej elektrárne, kde odovzdá svoju energiu a potom sa ochladená vypúšťa do povrchových tokov.

Neobnovované zdroje

Okrem ťažobných (produkčných) vrtov si tieto zdroje vyžadujú aj tzv. reinjektážny vrt, ktorým sa ochladená geotermálna voda vháňa naspäť do podzemného rezervoára. Tam dopĺňa zásobu horúcej vody, znovu sa v ňom ohrieva a potom čerpá.

Tento spôsob sa využíva vtedy, keď chemické zloženie geotermálnych vôd neumožňuje jej vypúšťanie do povrchových vôd, lebo by sa tým mohol ohroziť napríklad život v rieke alebo kvalita zdrojov pitnej vody. Ťažobné a reinjektážne vrty sú obyčajne blízko pri sebe, ale tak, aby nedochádzalo k nadmernému ochladzovaniu podzemného horúceho vodného rezervoára.

Horúca voda z ťažobného vrtu (primárny okruh) sa vháňa do výparníka, kde sa využíva jej teplo na odparenie organickej kvapaliny s nízkym bodom varu (sekundárny okruh).

V sekundárnom okruhu sa vzniknutý plyn s vysokým tlakom ženie do turbíny, kde poháňa rotor prepojený na generátor. Plyn sa po odovzdaní energie v turbíne mení na mokrú paru, ktorá sa v kondenzátore mení na horúcu kvapalinu a tá sa znova čerpá do výparníka. Generátor premieňa kinetickú energiu rotora na elektrickú energiu. Vyrobená elektrická energia v transformátore mení generátorové napätie na napätie v rozvodnej sieti.