Komu pomohou tepelná čerpadla vzduch-kapalina

Tepelné čerpadlo není perpetuum mobile, které by fungovalo za všech okolností. Foto: Zara, flickr.com
Tepelné čerpadlo není perpetuum mobile, které by fungovalo za všech okolností. Foto: Zara, flickr.com

V současné době většinu vlastníků rodinných domků, kteří využívají zemní plyn jako zdroj tepla pro vytápění a ohřev teplé vody, zachvátila pod tíhou vzrůstajících cen energií a války na Ukrajině panika. Lidé mají strach, výrazně přiživovaný médii, že v nejbližší době nastane značný nedostatek zemního plynu, který navíc bude velmi drahý. Proto hledají vhodnou alternativu k tomuto palivu a mnozí plánují situaci vyřešit pomocí tepelného čerpadla. Je to jedna z možných cest, ale je nutné si uvědomit některé dopady, které mohou nastat, pokud se na tuto změnu dostatečně nepřipravíme.

Nemyslím nyní majitele rodinných domů, kteří mají tepelné čerpadlo jako zdroj tepla instalováno již od počátku a celý systém vytápění a přípravy teplé vody v domě je na čerpadlo připravený. Necílím ani na vlastníky rodinných domů, kteří se rozhodli použít vysokoteplotní tepelná čerpadla se sériově řazenými kompresory v provedení vzduch-kapalina, která jsou nepoměrně dražší a účinnost nedosahuje hodnot uváděných prodejci běžných tepelných čerpadel (i když některé odstavce platí i pro ně). Cílovou skupinou pro dále uvedená doporučení jsou ti vlastníci rodinných domů, kteří zároveň představují cílovou skupinu pro prodejce a distributory běžných tepelných čerpadel vzduch-kapalina. Věřím, že po přečtení následujícího „desatera“ rad a jejich aplikaci při realizaci čerpadla se podaří zvýšit jejich spokojenost s tímto systémem jako zdrojem tepla.

Skutečná potřeba tepla pro daný rodinný dům

Za prvořadý bod považuji stanovení skutečné minimální potřeby tepla. Většina rodinných domů vznikla před určitou dobou a je možné, že u nich proběhla dílčí rekonstrukce, která mohla zlepšit kvalitu obvodového pláště (zateplení některých částí fasády či střechy, výměna oken apod.). Podobná rekonstrukce může výpočtově snížit stávající potřebu tepla. Totéž platí i pro způsob přípravy teplé vody.

Je nutné si uvědomit, že veškeré tepelně technické výpočty jsou prováděné na zimní výpočtový extrém, který ovšem nemusí za celé zimní období nastat, a zároveň se při výpočtu dle platných českých norem neuvažuje s vnitřními tepelnými zisky.

Nemalou hodnotu ve výkonu zdroje tepla tvoří i přirážky, které při provozu objektu nejsou aktuální, ale při prvotním návrhu stávajícího zdroje tepla byly zohledněny (přirážka na zátop při přerušovaném využívání nemovitosti, přirážky na osaměle stojící dům, vliv větru apod.). Dále je nutné vzít v úvahu, že při prvotním návrhu zdroje tepla se každý projektant jistí a zdroj většinou předimenzuje. Při každé další výměně zdroje tepla pak dochází, většinou s ohledem na výkonové řady výrobců kotlů, na jeho další předimenzování.

Bivalence zdroje tepla

Laikům tato slova asi mnoho neřeknou, ale v praxi znamenají, že v objektu je více zdrojů tepla, které je možné využívat v závislosti na využívání domu, venkovních klimatických podmínkách, dostupnosti a ceně paliva. Další faktor tvoří i technická spolehlivost hlavního zdroje tepla. Je nutné si uvědomit, že každý zdroj tepla má svoje specifika spočívající v rychlosti náběhu, teplotách topné kapaliny, regulaci výkonu apod. Tomu je třeba přizpůsobit i regulaci otopné soustavy, aby při využívání několika zdrojů tepla najednou nedošlo k její nestabilitě. V případě použití tepelných čerpadel vzduch-kapalina může být bivalentním zdrojem tepla elektrokotel či topné patrony, stávající kotel na zemní plyn či jiné palivo, krbová vložka apod.

Energetické napojení objektu

Než si necháme nainstalovat nový či záložní zdroj tepla, je potřeba zkontrolovat připojení objektu na elektrickou energii. To je zvláště nutné v případě, že záložním zdrojem energie určeným pro extrémní zimní klimatické podmínky bude opět elektrická energie. Tepelné čerpadlo funguje tak, že odebírá teplo z venkovního vzduchu, které pomocí kompresorového okruhu s chladivem zvedá na vyšší teplotní úroveň, a toto teplo předává topné kapalině. Čím je teplota vzduchu ve venkovním prostředí nižší, tím je pro tento kompresorový okruh teplo z venkovního vzduchu těžší získat a tím se i podstatně snižuje účinnost celého systému. Kompresorový okruh totiž již nemá odpovídající účinnost a teplota kapaliny, do které je teplo z tepelného čerpadla předáváno, je nižší, takže není schopna příslušný prostor vytopit. I z těchto důvodů je v extrémních klimatických podmínkách vhodné použít bivalentní zdroj tepla. Pozor ovšem na to, že v případě elektrokotle či elektrických vytápěcích patron se značně zatíží elektrické napojení objektu.

Hlučnost venkovní části jednotky

Pro správnou funkci tepelného čerpadla je nutné umístit výměník tepla fungující jako výparník (chladič) ve volném venkovním prostoru. Vzhledem k tomu, že tato venkovní část zařízení obsahuje také ventilátor zajišťující proudění vzduchu přes tento výměník vzduch-chladivo, představuje nepřetržitý zdroj hluku. V některých případech je součástí venkovní jednotky i kompresorová část, která může hluk vnikající do okolí budovy ještě zvýšit.

Proto doporučuji již ve fázi návrhu pečlivě zvážit, kde tuto venkovní část zařízení umístit, neboť hluk vznikající provozem tepelného čerpadla se může stát jablkem sváru mezi sousedy.

Dle platných předpisů nesmí hladina akustického tlaku 2 m před částí obvodového pláště v noční době převýšit hodnotu LPA = 40 dB (A). To může být problém, protože hladina akustického výkonu venkovní části tepelného čerpadla může být LWA = 90 dB (A) i více. Výrobci a prodejci tepelných čerpadel většinou ve svých technických materiálech uvádějí „líbivou“ hodnotu akustického tlaku v 10 m od výrobku, která působí velmi povzbudivě. Je však nutné mezi řádky vyčíst, že se jedná o hodnotu laboratorně změřenou za předpokladu určité tolerance této hodnoty ve volném prostoru s minimální dobou dozvuku. Reálná hodnota akustického tlaku v určené vzdálenosti může být podstatně vyšší, protože musíme do výpočtu zahrnout i směrové součinitele a odraz zvuku od nepohltivých ploch.

Zamrzání venkovní jednotky

Jak bylo uvedeno v předchozím odstavci, venkovní část tepelného čerpadla funguje jako chladič, jehož teplota musí být nižší než teplota okolního vzduchu. Při chlazení tohoto vzduchu při teplotách nižších než +8 ˚C většinou dochází ke kondenzaci, kdy se na výměníkových plochách sráží vzdušná vlhkost. Největší kondenzace nastává při teplotách venkovního vzduchu pod 8 ˚C až do teploty cca -2 ˚C.

Teplota chladiva v okruhu pro funkci tepelného čerpadla musí být nižší, než je teplota okolí (o cca 5 K), takže při teplotách venkovního vzduchu pod +4 ˚C dochází na výměníkových plochách k namrzání kondenzátu. To snižuje jednak prostupnost venkovního vzduchu přes výměník venkovní jednotky, jednak přestup tepla z venkovního vzduchu do chladiva.

Jednotka se v tomto případě uvede do režimu „defrostu“ – odmrazování. Námraza odtaje a kondenzát steče z výměníkových ploch pod jednotku. V případě venkovních teplot nad bodem mrazu odteče nebo se vsákne do dolní zeminy. V případě teplot pod bodem mrazu začne po odmrzání stékající voda mrznout a tvořit pod jednotkou ledovec, který při dlouhotrvajících mrazech může narůst do velkých rozměrů. Při návrhu systému tepelného čerpadla je nutné na toto myslet a zajistit kontinuální odvod kondenzátu po odmrazení (např. topné kabely).

Zároveň upozorňuji na to, že při tomto režimu provozu přestává tepelné čerpadlo do objektu dodávat teplo, a naopak dokonce část tepla z objektu spotřebovává pro odmrazování.

Stanovení velikosti tepelného čerpadla

Jak jsme již zmínili, tepelný výkon tepelného čerpadla vzduch- kapalina klesá s venkovní teplotou, kdy je zase použit vyšší tepelný výkon pro krytí tepelných ztrát. Větší tepelný výkon čerpadla znamená i větší hluk, větší investice apod. Nicméně s určitou hodnotou teploty venkovního vzduchu je nutné si uvědomit, že četnost hodin v průběhu kalendářního roku, kdy tyto teploty nastanou, se mění a svým průběhem odpovídá Gaussově křivce. To znamená, že kritických hodin s venkovní teplotou nižší než např. -8 ˚C (platí pro Prahu) nastanou desítky v roce. Proto doporučuji, aby tepelné čerpadlo bylo dimenzováno na nižší výpočtový tepelný výkon, než je výkon maximálně potřebný pro zimní výpočtový extrém. Rozdíl potřebného tepelného výkonu pokryje bivalentní zdroj. Ten sice bude mít vyšší provozní náklady na produkci 1 kWh tepla než tepelné čerpadlo, celková investice však bude výrazně nižší, než kdyby bylo tepelné čerpadlo dimenzováno na maximální výpočtový tepelný výkon zdroje.

Kontrola dostatečnosti topného výkonu otopných těles při jejich napojení na standardní tepelné čerpadlo vzduch-kapalina

Tepelná čerpadla (kromě 2 kompresorových jednotek řazených sériově za sebou) většinou pracují s teplotním spádem na topné vodě 55/50 ˚C a nižším (např. při venkovních teplotách pod -10 ˚C většinou s teplotním spádem 45/40 ˚C). Oproti tomu většina otopných systémů s plynovým kotlem jako hlavním zdrojem tepla pracuje s teplotním spádem 75/55 ˚C. Pokud budeme pracovat se střední teplotou topné vody, s níž pracuje stávající otopné těleso bez jeho zvětšení (výměny), bude střední teplota topného média cca 40–45 ˚C, což znamená minimální snížení topného prvku o cca 40 %. Další snížení topného výkonu stávajícího systému bude patrně způsobeno i topným médiem, které bude pracovat s menším rozdílem teplot vstupujícím do topného prvku.

Uveďme si jeden příklad: Na straně tepelného čerpadla bude teplotní spád kapaliny ∆t = 5–6 K např. 50/45 ˚C, ale původní rozvod byl většinou dimenzován na ∆t = 15–20 K např. 75/55 ˚C pro snížení potřeby čerpací práce, snížení dimenzí rozvodu topné vody i snížení příkonu oběhového čerpadla. Pokud se oba faktory sečtou (velikost topného prvku a dimenze rozvodu topné vody), bude topný výkon koncového vytápěcího prvku cca 30 % původního jmenovitého výkonu topného prvku. V praxi to znamená, že toto vytápěcí těleso bude schopno zajistit požadované parametry vnitřního prostředí maximálně do venkovní teploty cca 2 ˚C. Poté bude nutné teplotu přiváděné topné vody zvyšovat jiným topným zdrojem, než je standardní tepelné čerpadlo.

Nicméně toto hrozí jen v případě, pokud na stávající topný systém založený na plynovém kotli nebo elektrokotli bezmyšlenkovitě napojíme pouze standardní tepelné čerpadlo vzduch-kapalina.

Příprava teplé vody

Jak bylo uvedeno v předchozích odstavcích, tepelný výkon tepelného čerpadla i teplota topné kapaliny jsou ovlivňovány teplotou venkovního vzduchu. V letním období pak mohou být nastaveny na teplotní parametry, které umožní ohřev teplé vody přes deskový výměník (bojler) bez dodatečného zdroje tepla. Toto platí pouze pro letní teploty, kdy je možné teplou vodu ohřívat pomocí slunečního kolektoru bez potřeby další „placené“ energie. V zimním a přechodném období bohužel tepelné čerpadlo není schopné svými parametry výstupní topné vody plně zajistit ohřev teplé vody, a je proto nutné použít bivalentní vysokoteplotní zdroj tepla a tepelným čerpadlem teplou vodu pouze předehřát.

Tepelné čerpadlo jako zdroj chlazené vody pro klimatizaci

Někteří výrobci tepelných čerpadel uvádí jako jednu z jejich předností, že mohou být použita jako chladicí jednotka s výrobou chladicí vody o teplotních parametrech cca 6/12 ˚C. To je pravda, avšak jen pokud nejsou v objektu přípravy odpovídající koncové prvky chlazení. Ve většině objektů však odpovídající koncové prvky chlazení nejsou (například FCU s kondenzátními vanami, velkoplošné chladicí stropy apod.). V případě, že budeme do stávajících standardních otopných prvků pouštět chlazenou vodu, její teplotní spád musí být nad rosným bodem, protože jinak hrozí kondenzace a úkapy kondenzátu. To však způsobí, že chladicí výkon topného prvku bude max. 10 % topného výkonu tohoto prvku napojeného na rozvod topné vody z tepelného čerpadla, tj. naprosto zanedbatelný potřebný chladicí výkon.

Důkladná příprava před nákupem a instalací tepelného čerpadla

V případě výměny stávajícího topného zdroje u rodinných domů dvojnásob platí pořekadlo dvakrát měř a jednou řež. Před každou takovou výměnou je nutné si položit několik otázek a zároveň na ně mít správnou odpověď. Jinak se investor může dočkat nejednoho zklamání v podobě nefunkčního systému vytápění a přípravy teplé vody, případně nutnosti vynaložení dalších značných nákladů, se kterými nepočítal. Při přípravě návrhu tepelného čerpadla nesmí dát na jednostranná prohlášení prodejce či realizační firmy o výhodnosti této koupě. Před jakýmkoli podpisem smlouvy či objednávky se nesmí nechat zlákat nepodloženými sliby a ujištěními o jednoduchosti výměny zdroje tepla, zvláště pokud je provází nereálné ekonomické propočty návratnosti či dokonce příslib dotace. Rozhodně se nevyplácí jednat pod časovým nátlakem, protože v tomto případě je uspěchanost špatný rádce. Osobně doporučuji využít služeb nezávislého odborníka z oboru vytápění nebo ještě lépe nechat si od nezávislého projektanta zpracovat kompletní projektovou dokumentaci se všemi dopady do návazných profesí. Je třeba vyhledat odborníka, který má na danou činnost živnostenský list, nebo je alespoň autorizovanou osobou ve smyslu příslušného zákona s uzavřenou pojistkou na škody způsobené výkonem povolání.