O tepelných čerpadlech

Topný faktor

Topný faktor je schopnost tepelného čerpadla (dále jen TČ) zvýšit dodanou energii na jeho pohon (většinou el. energii) o tepelnou energii získanou nejčastěji ze vzduchu, vody nebo země. V průběhu roku se provozní podmínky mění a tím se mění i topný faktor. Skutečný celoroční průměrný topný faktor lze zjistit měřením dodané a odebrané energie. Za ekologickou mez se v evropských podmínkách považuje průměrný topný faktor 2,5. Toto odpovídá skutečnosti, že výroba a distribuce elektrické energie k zákazníkům probíhá s účinností kolem 40%.

Rozdíly efektivnosti vyššího topného faktoru

Z celoroční tepelné bilance moderního úsporného rodinného domu vyplývá, že potřeba tepla je 18000 kWh, což odpovídá cca výpočtové tepelné ztrátě 11 kW. Při průměrném celoročním topném faktoru 3,0 bude celoroční spotřeba elektřiny 6000 kWh. Při použití TČ s celoročním topným faktorem 3,5 bychom snížili roční spotřebu elektřiny o 857 kWh.
Zvýšením topného faktoru z 3,0 na 3,5, což je o 16,7% klesne spotřeba elektřiny o 857 kWh, což je o 4,8%.
Zvýšením topného faktoru z 3,5 na 4,0, což je o 11,4% klesne spotřeba elektřiny o 643 kWh, což je o 3,6%.
Orientačně lze udělat závěr, že přínosy úspor ve zvyšování topného faktoru nad 3,0 již nemá takový efekt, který bychom rádi očekávali.

Tepelné čerpadlo země-voda nebo vzduch-voda

Zatímco nevýhodou čerpadel vzduch-voda je jejich horší efekt při nejnižších teplotách, nevýhodou čerpadel země-voda je jejich horší efekt při časově delším období nižších teplot. Přitom nevýhoda čerpadel vzduch-voda se může v převážné míře eliminovat použitím měniče elektrického proudu a napětí (invertoru) zvyšováním otáček i výkonu kompresoru při nižších teplotách. Pak tedy jednoznačně začíná být na tom lépe tepelné čerpadlo vzduch-voda.

Invertor = vyšší účinnost

Proč invertory nejsou již dnes součástí všech tepelných čerpadel? Důvodem existence tepelných čerpadel bez invertorů je nedostatek flexibility výrobních závodů a dále pak zajisté i konzervativizmus. Některé firmy i projekční kanceláře používají zaběhlé postupy dlouhá léta a když se jich někdo zeptá, proč to či ono nejde jinak, odpoví: "To se tak nedělá, to se dělá takto: ..." a podobně. Tyto cesty ovšem nezlepšují efektivitu a úspory. Jsou jen v zájmu konzervativních myšlenek. Vývoj a cena invertorů je dnes na takové úrovni, že je nesmyslné je nepoužít v tepelném čerpadle. Specielně DC-invertorů (měničů na stejnosměrný proud). DC-invertory jsou na tom v účinnostech tepelných čerpadel ještě lépe, než AC-invertory (měniče na střídavý proud).

Elektronicky řízený expanzní ventil = vyšší účinnost

Invertorem je možné plynule regulovat výkon tepelného čerpadla - stroje jako takového. Důsledkem změny otáček kompresoru, a tím i průtočného množství chladiva, které se v chladivovém okruhu pohybuje, je vznik potřeby přesného řízení expanzního ventilu. Použití elektronicky ovládaného expanzního ventilu se sofistikovaným řízením, které zároveň zvyšuje účinnost, se stává nezbytností.

Předimenzovaný výparník - nižší sklony k namrzání = vyšší účinnost

O tom, že tepelné čerpadlo vzduch-voda prožívá nejhorší časy z hlediska tvorby námrazy při teplotách kolem nuly je asi každému jasné. Takových dnů je ale v topné sezóně hodně. Mlhy, vlhký vzduch, teplota výparníku lehce pod nulou, to jsou skvělé podmínky pro tvorbu námrazy na výparníku.
To je ale škoda, protože tepelná ztráta domu je ještě při těchto teplotách relativně nízká a tepelné čerpadlo nemusí tak jet naplno, mělo-li by frekvenční měnič a mohlo ubrat. Co se stane při nižších otáčkách kompresoru, tedy při nižším využívání výparníku? Výparník bude naddimenzován, tím i teplejší a námraza se tedy bude tvořit výrazně pomaleji.
Nejlepší však je z hlediska účinnosti ten fakt, že se sníží počet cyklů odtávání, které představují z hlediska celoročního topného faktoru děj značně negativní.

Bez akumulační nádoby - topíme na nejnižší možnou teplotu = vyšší účinnost

Jakou funkci má akumulační nádoba u tepelných čerpadel bez invertorů? Vlastně nesloužila k vytápění, ale ukládala teplo, které klasické tepelné čerpadlo vyrobilo v přechodových obdobích (jaro, podzim) zbytečně navíc. Navíc byla často zřizovaná jen z důvodu použitého tepelného čerpadla bez invertoru, protože to umí jen dát plný výkon nebo stát. Tedy aby se zabránilo častému cyklování (startu a vypnutí kompresoru). Bránila nežádoucímu rychlému nárůstu teploty a pohotovosti t.j. rychlému dodání tepla po spuštění tepelného čerpadla.
Akumulační nádoba je ještě ke všemu velká a všude se nevejde. Díky technologii přímého řízení výkonu invertorem můžeme tento prvek, kompenzující nedokonalosti chování systému v drtivé většině topných systémů vypustit.
Uvědomme si to, že teplota výstupní vody je vlastně důsledkem rovnováhy mezi dodaným teplem (resp. výkonem) a schopnostmi otopné soustavy toto teplo (výkon) vyzářit do domu.
Pokud tedy hodnotu výstupního výkonu budeme řídit vypínáním a zapínáním zdroje tepla a ukládáním tohoto tepla do zásobníku a jeho dalším mícháním, musí být teplota v zásobníku nutně vyšší aby bylo co míchat. Opět se jedná o kompromis mezi velikostí akumulační nádoby a mírou kolísání teploty v ní, resp. počet startů kompresoru v daném čase.

Vhodná regulace = vyšší účinnost

Existují i systémy, které topí na konstantní teplotu (např. 50°C) do akumulační nádoby. Toto řešení je příklad neefektivního systému, který navíc zbytečně a neúčelně opotřebovává kompresor a snižuje jeho životnost. Výstupní teplota odpovídá analogicky tlaku na výstupu kompresoru. Efektivní systémy tedy topí vždy na tu nejnižší možnou teplotu, která je v danou chvíli nutná.
Optimálním řešením je systém řízení, který zohledňuje jak venkovní teplotu, tak teplotu požadovanou a nastavenou.

Bez zbytečných prvků to jde levněji

Díky odpadnutí akumulačních nádob, u domů s malou tepelnou ztrátou i elektrokotlů, dalších oběhových čerpadel nebo směšovačů vychází tepelné čerpadlo s invertorem levněji jak v pořizovacích nákladech tak i v nákladech instalačních. Přece jen kotelna se u tepelného čerpadla s invertorem skládá z kompaktní vnitřní jednotky pověšené na zdi napojené dvěma trubkami na otopnou soustavu.

Závěrem

Je již ověřeno, zařízení s invertorem mají velmi solidní parametry. Průměrný celoroční topný faktor větší než 3 je zde samozřejmostí. Dřívější invertory toho nedosahovaly, což byla nevýhoda oproti tepelným čerpadlům země/voda. Dnes ovšem specielně s DC-invertory tyto nevýhody již nejsou.
Hlučnost je zde rovněž nižší, protože po většinu času tepelné čerpadlo běží na nižší výkon, než na maximální a to kontinuálně, bez rázů, zapínání a vypínání.
Při nasazování tepelného čerpadla s invertorem je zapotřebí zvážit pečlivě hydraulické zapojení, nutnost záložního zdroje tepla integrovaného do topné soustavy nebo způsob regulace celého systému.

Princip a funkce tepelného čerpadla

Pro naprosté laiky

Tepelné čerpadlo pracuje podobně jako chladnička, která odebírá teplo potravinám - chladí - a v zadní části lednice - topí. Rozdíl je pouze v tom, že tepelné čerpadlo pracuje na opačném principu s mnohem větším výkonem. Odebírá teplo vodě, vzduchu nebo zemi, a pomocí radiátorů nebo podlahového vytápění vytváří teplo.

Pro technicky zdatnější

Princip tepelného čerpadla je nejlépe zřetelný z následujícího schématu:

Princip a funkce tepelného čerpadla

Princip tepelného čerpadla


Chladivo koluje v uzavřeném okruhu a změnou skupenství předává tepelnou energii (teplo) a odebírá tepelnou energii (chlad)

1. Vypařování:
Chladivo kolující v tepelném čerpadle v prvním výměníku (výparníku) odebírá teplo ze vzduchu, vody nebo země, čímž změní skupenství z kapalného na plynné a následně se odpařuje.

2. Komprese:
Kompresor tepelného čerpadla prudce stlačí plynné chladivo ohřáté o několik stupňů, a díky fyzikálnímu principu komprese (při vyšším tlaku stoupá teplota), jako teplotní výtah znásobí malý přírůstek tepla na vyšší teplotní hladinu, která se pohybuje kolem 80°C.

3. Kondenzace:
Zahřáté chladivo předá pomocí druhého výměníku (kondenzátoru) teplo vodě, která předá teplo přes radiátory nebo podlahové topení do místností. Předáním tepla chladivo zkondenzuje.

4. Expanze:
Chladivo putuje průchodem přes expanzní ventil nazpátek k prvnímu výměníku (výparníku), kde se opět ohřeje.

Tento koloběh se neustále opakuje:

Princip a funkce tepelného čerpadla