Pozrite si
Ak sa chystáte stavať, alebo rekonštruovať rodinný dom, pravdepodobne ste už zvažovali možnosti efektívneho vykurovania a ohrevu teplej vody. Solárne kolektory a fotovoltaika nie sú jedinými cestami, ako zužitkovať energiu zadarmo, ktorá ignoruje pohyby na burze, aj geopolitickú situáciu. Ďalšou možnosťou je tepelné čerpadlo.
Zrejme ste už o tepelných čerpadlách počuli, ale vedeli ste, že vynálezcom tejto technológie je slovenský vedec Aurel Stodola, ktorého najviac preslávili práce na konštrukcii parných a spaľovacích turbín? Rodák z Liptovského Mikuláša (*1859) od roku 1892 až do dôchodku (1929) pôsobil na Vysokej škole technickej v Zürichu, kde sa stretol aj s Albertom Einsteinom, s ktorým udržiaval priateľské kontakty. Jeho tepelné čerpadlo z roku 1928 dodnes pracuje v Ženeve, kde vykuruje radnicu. Ide o čerpadlo typu voda/voda, ktoré odoberá teplo zo Ženevského jazera.
Ako tepelné čerpadlo funguje?
Druhá termodynamická veta hovorí, že nie je možné, aby sa teplo samovoľne šírilo z chladnejšieho miesta na teplejšie. Tepelná energia z látky alebo predmetu s vyššou teplotou teda prúdi k látke alebo predmetu s nižšou teplotou. Tento dej prebieha v prírode samovoľne. Mohlo by sa teda zdať, že čerpať energiu z vonkajšieho, chladnejšieho prostredia na vykurovanie domu, kde potrebujete v ústrednom kúrení napríklad 50 °C, je neschodné riešenie.
Je však možné zostrojiť taký pracovný (chladiaci) cyklus tepelného stroja, ktorý s príspevkom dodatočnej energie smer toku tepla obráti. Tepelné čerpadlo v podstate funguje ako obrátená klimatizácia, alebo chladnička, hoci energiu nemusí (ale môže) čerpať len zo vzduchu.
Najčastejšie sa používa kompresorové tepelné čerpadlo, pracujúce na princípe obráteného Carnotovho cyklu. Chladiace médium v plynnom stave je stlačené kompresorom a vpustené do kondenzátora, kde odovzdá svoje skupenské teplo. Skondenzované chladivo prejde expanznou tryskou do výparníka, kde skupenské teplo (pri nižšom tlaku a teplote) prijme a odparí sa. Potom pokračuje do kompresora a cyklus sa opakuje.
Tepelné čerpadlá dokážu nízkopotenciálové teplo z prostredia previesť na vyššiu teplotnú úroveň, vhodnú na vykurovanie, alebo ohrev teplej vody. Na to však potrebujú dodať inú energiu (najčastejšie elektrickú, ale existujú aj tepelné čerpadlá s pohonom na plyn). Zisk tepla z okolitého prostredia je však vyšší v porovnaní so spotrebou elektriny, čo je aj zmysel tepelného čerpadla. V optimálnych podmienkach dokáže tepelné čerpadlo na 1 kWh spotrebovanej elektriny získať 3 až 4 kWh tepla, výnimočne aj viac.
Druhy tepelných čerpadiel – široká paleta možností, ale nie pre každého
Technológia tepelného čerpadla sa označuje prostredím odkiaľ sa teplo čerpá a médiom na výmenu tepla. Najčastejšie typy tepelných čerpadiel sú zem/voda, vzduch/voda, voda/voda a vzduch/vzduch, ale ako zdroj sa môže využívať napríklad aj odpadové teplo z nejakého technologického procesu a pod.
Tepelné čerpadlo vzduch/vzduch je vlastne klimatizácia, ktorá v zime pracuje obrátene, ako tepelné čerpadlo. Hodí sa najmä na prikurovanie v prechodnom období (jar / jeseň), existujú však aj výkonnejšie modely na celoročné vykurovanie. Takéto riešenie je vhodné najmä pre nízkoenergetické domy s dobrým zateplením a jeho výhodou sú relatívne nižšie investičné náklady bez nutnosti inštalovať ústredné, alebo podlahové kúrenie. Nevýhodou je potreba viacerých jednotiek (podľa počtu vykurovaných miestností) a neustále fúkanie ventilátora.
Ďalšou možnosťou je tepelné čerpadlo vzduch/voda, ktoré je variáciou systému vzduch/vzduch doplnený o takzvaný hydrobox, ktorý teplo prevádza do vykurovacej vody. Nevýhodou je závislosť vykurovacieho faktora na teplote vzduchu. Dnešné moderné zariadenia efektívne pracujú do -15 °C, niektoré až do -20 °C. Na vykurovanie pri nižších teplotách je do hydroboxu inštalovaný malý elektrokotol, ktorý tepelnému čerpadlu pomáha dosiahnuť požadovanú teplotu vody.
Tepelné čerpadlo zem/voda už predstavuje náročnejší a sofistikovanejší systém. Teplo zo zeme je do vody prenášané nemrznúcou kvapalinou s nízkou teplotou varu. Tá v plynnom stave zbiera teplo v potrubí v podobe meandrovitého kolektora uloženého v nezamŕzajúcej hĺbke (min. 80 cm, typicky 1-2 m) v zemi, alebo umiestneného do vertikálneho vrtu. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je potrebných asi 12 m vrtu, alebo cca 30 m2 pozemku v prípade kolektora. Ide o náročnejšiu investíciu – hĺbka vrtu dosahuje 50 až 200 m, pokiaľ je potrebné zaistiť vyšší výkon, použije sa niekoľko vrtov.
Funguje to tak, že v rúrke o dĺžke niekoľko sto metrov v zemnom kolektore, tečie veľmi chladná nemrznúca kvapalina, ktorá sa od zemského tepla ohrieva (v nezamŕzajúcej hĺbke je stála teplota okolo 4 °C). Vo výmenníku odovzdá teplo plynnému médiu, v kompresore sa plyn stlačí, čím sa výrazne zahreje. V druhom výmenníku odovzdá tento tepelný prírastok vykurovacej vode. Výhodou systému zem/voda je, že málo závisí od počasia, hoci v menšej hĺbke dokáže médium profitovať aj z naakumulovaného tepla zo slnečného žiarenia.
Efektívnosť čerpadla zem/voda závisí aj od typu pôdy. Najvyšší výkon poskytuje hlinitá pôda presýtená vodou, naopak najhoršie je na tom suchá piesočnatá pôda, kde môže byť odoberaný tepelný výkon len štvrtinový (10 W/m2).
Posledným zo základných typov je tepelné čerpadlo voda/voda, ktoré získava teplo z vody, najčastejšie zo studne (respektíve z vrtu). Pri svojom cykle potrebuje až dve studne – čerpaciu a vsakovaciu. Voda z čerpacej studne prechádza cez výparník do druhej studne. Ide o investične náročnejšie a málo používané riešenie, spojené navyše s rizikom, že strata podzemnej vody ohrozí funkčnosť celého systému.
Aurel Stodola použil pri prvom tepelnom čerpadle jazero, takže tento problém mu nehrozil.
Čo by ste mali vedieť
Efektivitu tepelného čerpadla charakterizuje takzvaný koeficient výkonu (Coefficient Of Performance, COP). Je to pomer výstupného tepelného výkonu k energetickému príkonu na vstupe čerpadla. Tento koeficient závisí od použitého primárneho zdroja tepla, aj média využívaného na odovzdávanie tepla, ale aj od ich teploty. V zásade platí, že čím je väčší tento teplotný rozdiel, tým menšiu efektivitu tepelné čerpadlo dosahuje. Koeficient COP sa mení aj v závislosti od vonkajšej teploty a ročného obdobia, preto sa na vyjadrenie efektivity čerpadiel používa sezónny výkonový faktor (Seasonal Performance Faktor, SPF).
Hodnota SPF závisí aj od použitého vykurovacieho systému. Pre maximálnu efektivitu tepelného čerpadla je vhodné používať nízkoteplotné veľkoplošné vykurovanie – veľkoplošné radiátory, alebo podlahové kúrenie, ktoré pracuje s vodou teplou napr. 35 °C. Klasické radiátory využívajú vodu o podstatne vyššej teplote (50-55 °C) a v systéme s tepelným čerpadlom budú mať nižšiu energetickú efektivitu.
Najvyššie hodnoty SPF (až 5,5) dosahujú čerpadlá voda/voda v kombinácii s nízkoteplotným, napríklad podlahovým kúrením. Znamená to, že vynaložená 1 kWh elektrickej energie na vstupe prinesie 5,5 kWh tepla na výstupe. Výrazne nižší SPF (asi 2,5) bude mať čerpadlo vzduch/voda pri vykurovaní klasickými radiátormi s teplotou vody 50 °C.
Výber a návrh systému vykurovania s tepelným čerpadlom je rozsiahla a pomerne zložitá problematika, preto je vhodné pri realizácii osloviť odborníkov. Metóda pokus-omyl by mohla v tomto prípade vyjsť dosť draho.
Podrobné informácie o tepelných čerpadlách nájdete napríklad na stránkach Slovenskej inovačnej a energetickej agentúry (SIEA).
Zdroj