Předpokládaný termín zahájení činnosti od 1.11.2022

Princip

Princip tepelného čerpadla:
1. kondenzátor 2. expanzní tryska 3. výparník 4. kompresor

Tepelné čerpadlo využívá nejčastěji kompresor. Jde o využití stejného mechanismu, jaký využívá kompresorová lednička (lednička využívá přímý Carnotův cyklus), avšak tepelné čerpadlo tento cyklus využívá obráceně (obrácený Carnotův cyklus). Lednička ochlazuje svůj vnitřní prostor na úkor ohřátí vnějšího (na zadní straně ledničky je během chodu teplé potrubí, které ochlazuje cirkulující chladivo na teplotu místnosti, čímž místnost ohřívá). Tepelné čerpadlo naopak ochlazuje vnější prostředí, aby ohřálo vnitřní prostor.

Chladivo je v kompresorovém tepelném čerpadle z plynného stavu stlačeno, čímž se sníží jeho objem a prudce se zahřeje. Poté je chladivo vpuštěno do kondenzátoru. Zde horké chladivo odevzdá své kondenzační skupenské teplo(např. ohřívané vodě či vzduchu pro vytápění uvnitř domu), čímž se ochladí a změní se přitom na kapalinu (kondezuje). Zkondenzované ochlazené chladivo projde v podobě kapaliny skrz expanzní trysku do venkovního výparníku (za tryskou dojde ke snížení tlaku), čímž se změní na plyn a spotřebuje k tomu výparné skupenské teplo, takže se plyn prudce ochladí (pod teplotu okolí) a následně se ohřeje přijmutím tepla ze svého okolí (čímž dojde k ochlazení okolí mimo vytápěný dům). Poté opět pokračuje do kompresoru a cyklus se opakuje.

Topný faktor

Jednou z charakteristik práce tepelného čerpadla je topný faktor. Ten udává efektivitu práce tepelného čerpadla jako poměr vyrobeného tepla a spotřebované energie. Obvyklá hodnota je tři, což znamená že spotřebováním určitého množství energie získáme její trojnásobek (například na ohřátí vody). Při výběru tepelného čerpadla je vždy nutné zohlednit, k jaké teplotě okolí se výrobcem uvedený topný faktor vztahuje.[1] Ukazatel se vypočítá jako poměr topného výkonu k příkonu při různých teplotách. Jedná se o teoretickou hodnotu, která v praxi bývá nižší.[2]

Vliv počasí na účinnost

Tepelná čerpadla pracují dobře jen v určitém rozmezí teplot (dle použitého média a kompresoru). Mimo doporučené pracovní teploty (v okolí výměníku) se účinnost tepelného čerpadla snižuje (snižuje se topný faktor). Účinnost omezí mrazy (cca od −15 °C do −28 °C) a také vysoké teploty (nad 45 °C). Proto není doporučeno umisťovat výměník na jižní stranu domu, kde se bude přehřívat a zároveň je nutné respektovat nejnižší venkovní teploty. Venkovní jednotky je možné polepit speciální fólií, která zvyšuje odolnost vůči mrazu a nebo přehřátí. Rozmezí nejvyšší účinnosti je dáno použitým chladivem, typem čerpadla (kompresoru) a tím i tlakem chladiva.

Chladivo

Topný faktor a jeho velikost za určitých venkovních teplot (počasí) je dán kvalitou kompresoru a použitým chladivem. Ideální chladiva mají však negativní účinky. Klimatizace dříve používaly chladivo R717 (nebezpečný jedovatý čpavek) nebo chladiva poškozující ozonovou vrstvu (freony, jejichž používání ukončila Vídeňská konvence o ochraně ozónové vrstvy). Poté byla používána například chladiva R32 nebo směsi (R407C), které sice nepoškozují ozonovou vrstvu, ale mají vysoký vliv na globální oteplování, a proto je jejich výroba také postupně ukončována podle Montrealského protokolu. Vyspělá tepelná čerpadla používají chladivo R290 (propan) nebo jiná, která mají nízký vliv na globální oteplování, např. R1270 (propylen), ve vývoji jsou pro R744 (oxid uhličitý). Za účelem porovnání vlivu chladiv na životní prostředí je používán index potenciálu globálního oteplování (GWP), kde CO2 má index 1 a látky s horším vlivem na životní prostředí mají vyšší číslo vyjadřující násobek škodlivosti CO2.

Rozdíl vůči klimatizaci

U laciných tepelných čerpadel výrobci používají jako základ jednotku klimatizace, která však není funkčně dobře přizpůsobena. Klimatizace jsou optimalizované na letní provoz, zatímco tepelná čerpadla na zimní provoz. Pokud je pro zimní topení využívána klimatizace, výsledkem je nižší účinnost, větší hlučnost, zamrzání venkovní jednotky a podobně. Použitý kompresor (čerpadlo) je u klimatizací z důvodu nižší ceny rotační (lze ho přirovnat k obrácenému Wankelovu motoru), zatímco výkonné klimatizace používají dražší a účinnější čerpadlo typu scroll (dvě spirály vložené do sebe).

Tepelná čerpadla k vytápění

Charakteristikou tepelných čerpadel je jejich relativně omezený výkon, pokud mají zároveň zůstat ekonomická. Ještě před několika lety byla drtivá většina novostaveb na vytápění až dvakrát energeticky náročnější. S příchodem nových materiálů, zateplovacích technologií, úspornějších systémů hospodaření s teplem a především s nástupem nízkoenergetických staveb dnes budovy ke svému provozu potřebují mnohem méně tepla než v minulosti. Technologie současných tepelných čerpadel sice od jejich objevu zůstává takřka stejná (princip je znám přes sto let), ale je možné navrhovat mnohem menší a levnější zařízení, jež dokážou běžný dům zásobit bez problémů. Navíc se stoupajícími cenami alternativních zdrojů energie a díky znatelné návratnosti investic role těchto zařízení roste. Obecně platí, že čím nižší energetické nároky na vytápění stavba má a čím jsou vytápěné prostory menší, tím je návratnost investice do finančně nákladnějších otopných soustav delší. [7] Standardní tepelné čerpadlo ohřívá otopnou soustavu maximálně na 60 °C, ale na trhu jsou také vysokoteplotní tepelná čerpadla, která dokážou vodu v otopné soustavě ohřívat až na 70 °C.

V roce 2018 byl podíl novostaveb rodinných a bytových domů s tepelným čerpadlem 12 %.

Nejčastěji se používají následující tepelná čerpadla:

Tepelné čerpadlo země/voda

  • Princip: Teplo je ze země do vody předáváno obíhající nemrznoucí kapalinou o nízké teplotě varu. Ta v plynném stavu sbírá teplo v potrubí uloženém do vrtu nebo do kolektoru pod povrchem země. V okruhu je pro dosažení požadované vysoké teploty zařazen kompresor.
  • Cyklus: V plastové trubce, několik set metrů dlouhé (zemním kolektoru), teče velmi chladná nemrznoucí kapalina, která se průchodem zemí ohřívá (v nezámrzné hloubce je stálá teplota cca 4 °C). Odtud putuje do prvního výměníku, kde teplotu předá plynnému médiu. V okruhu kompresoru se plyn stlačí, čímž se výrazně zahřeje. Ve druhém výměníku předá onen tepelný přírůstek topné vodě.
  • Odebírat nízkopotenciální energii ze země můžeme pomocí horizontálního plošného kolektoru nebo vertikálního vrtu.
  • Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla potřebujeme cca 12 m vrtu. Běžná hloubka jednoho vrtu je 50–150 m, ve výjimečných případech dosahuje hloubky až 200 m. Pokud je třeba zajistit pro tepelné čerpadlo více energie, odnímá se teplo z více vrtů.
  • Obecně lze říci, že na 1 kW výkonu tepelného čerpadla potřebujeme cca 30 m2 pozemku.
  • Cena se pohybuje od cca 250 tis., topný výkon od cca 7 kW.
  • U vrtu je třeba počítat s jeho regenerací, jinak může dojít k jeho vyčerpání a zamrznutí. Poté již zpravidla není vrt možné používat!

Tepelné čerpadlo vzduch/voda

Teplo je odebíráno ze vzduchu přes výparník tepelného čerpadla, jímž proudí venkovní vzduch. Výhodou tohoto zařízení jsou nízké pořizovací náklady a nenáročná instalace. Základ vychází z tepelného čerpadla vzduch/vzduch, tedy klasické klimatizace. Systém je doplněn o tak zvaný hydrobox, který teplo převádí do topné vody. Nevýhodou je závislost topného faktoru na teplotě vzduchu. V dnešní době tato zařízení efektivně pracují do −15 °C, některá tepelná čerpadla až do −20 °C. Pro vytápění při nižších teplotách je do hydroboxu instalován malý elektrokotel, který tepelnému čerpadlu pomáhá dosáhnout požadované teploty vody.

Momentálně je tento způsob vytápění budov považován spolu s kondenzačními plynovými kotly za nejekonomičtější na poli teplovodního vytápění. Tepelné čerpadlo vzduch/voda pro rodinný dům stojí přibližně 180 až 280 tisíc Kč.

Tepelné čerpadlo voda/voda

Toto čerpadlo získává teplo z vody, nejčastěji studny. Je potřeba mít dvě studny – čerpací a vsakovací. Voda se z jedné studny převádí přes výparník do druhé. Nevýhodou je, že může dojít k vyčerpání studny. Tento typ se u nás vzhledem k jeho náročnosti na podmínky a údržbu v podstatě nepoužívá.

Tepelné čerpadlo vzduch/vzduch

Tyto systémy jsou většinou konstruovány především jako klimatizace, která ale v zimě může pracovat obráceně, tedy jako tepelné čerpadlo. Hodí se zejména na přitápění v období jara a podzimu a v případě k tomu přizpůsobených jednotek i k celoročnímu vytápění. Vzhledem k výstavbě domů s nízkou tepelnou ztrátou a řízeným větráním je tento způsob vytápění stále častější (i tak je ale jeho použití výjimečné).

Tento typ tepelných čerpadel je investičně nejvýhodnější: 8kW jednotka stojí cca 70 tis. bez nutnosti pořizovat teplovodní soustavu. Cena multi‑splitového systému se třemi vnitřními jednotkami (tzn. do tří místností) je přibližně shodná.

Tepelné čerpadlo se označuje dvojslovem, kde první slovo (před lomítkem) znamená zdroj, odkud se energie čerpá, a druhé slovo označuje teplosměnné médium.