Princip
Jak funguje tepelné čerpadlo
Tepelné čerpadlo plní v domě stejnou funkci jako klasický kotel, ale teplo nevyrábí spalováním. Místo toho ho přečerpává z okolního prostředí – ze vzduchu, ze země nebo z vody. Funguje na stejném principu jako běžná chladnička, jen v obráceném gardu. Zatímco lednička odebírá teplo potravinám a odvádí ho ven, tepelné čerpadlo odebírá teplo z venkovního prostředí a přesouvá ho dovnitř do domu.
Tento proces je vysoce efektivní. Při okamžitém nejlepším scénáři (například při mírných venkovních teplotách a nízké teplotě topné vody) dokáže z 1 kWh dodané elektřiny vyrobit 4 až 5 kWh tepla. Běžné čerpadlo tak při elektrickém příkonu zhruba 2 kW dodá 8 až 10 kW tepla. Většinu energie totiž bere zcela zdarma z okolí.
Často se objevuje otázka, zda přečerpávání tepla z chladného venkovního vzduchu do vyhřátého domu neporušuje fyzikální zákony. Neporušuje. Druhý termodynamický zákon zakazuje pouze samovolný tok tepla z chladnějšího tělesa na teplejší. Pokud do systému dodáme vnější energii – v tomto případě elektřinu pro pohon kompresoru – je přečerpání tepla na vyšší teplotní hladinu naprosto legitimní fyzikální proces.
Chladicí okruh krok za krokem
Srdcem tepelného čerpadla je uzavřený chladicí (termodynamický) okruh, ve kterém koluje chladivo. Pro fungování celého cyklu je nezbytná neustálá změna jeho skupenství. Okruh se skládá ze čtyř klíčových komponent, kterými chladivo prochází v přesném pořadí:
- Kompresor: Nasává plynné chladivo a stlačuje ho. Tím se výrazně zvýší jeho tlak, teplota i entalpie, čímž se teplo „zvedne“ na úroveň využitelnou pro vytápění domu.
- Kondenzátor: Horké stlačené chladivo zde kondenzuje (mění se z plynu na kapalinu) a během tohoto procesu předává své teplo do otopné vody.
- Expanzní (škrticí) ventil: Kapalné chladivo prochází ventilem, který prudce sníží jeho tlak. Tím jeho teplota dramaticky klesne, klidně i k −20 °C.
- Výparník: Podchlazené chladivo vstupuje do výparníku, kde odebírá teplo z vnějšího prostředí (vzduchu, země nebo vody). Tím se ohřeje, vypaří se zpět na plyn a cyklus se opakuje.
Tento princip vysvětluje, proč čerpadlo dokáže topit i v mrazu. Rozhodující je totiž teplotní rozdíl. Protože chladivo ve výparníku je díky expanznímu ventilu studenější než venkovní vzduch (chladiva vřou hluboko pod nulou), teplo přirozeně přechází z „teplejšího" mrazivého vzduchu do ještě studenějšího chladiva.
Je ale důležité vědět, že v silných mrazech klesá účinnost, na výparníku roste námraza a mnoho jednotek má z bezpečnostních důvodů (ochrana kompresoru) nastavený limit vypnutí kolem −20 až −25 °C. Schopnost odebírat teplo v mrazu tedy existuje, ale neznamená automaticky vysokou účinnost za těchto extrémních podmínek.
COP a SCOP
Účinnost tepelného čerpadla se udává pomocí dvou základních parametrů: COP a SCOP.
COP (topný faktor) udává okamžitý poměr mezi dodaným topným výkonem a celkovým elektrickým příkonem. Podle normy ČSN EN 14511 se do elektrického příkonu musí počítat nejen kompresor, ale i všechny pomocné prvky (ventilátory, odtávání, regulace). Pokud má čerpadlo COP 4, znamená to, že na 1 díl elektřiny dodá 4 díly tepla. Pro rezidenční jednotky se COP běžně pohybuje mezi 2,5 a 5.
Holé číslo COP je ale bez uvedení provozních teplot zcela bezcenné. Účinnost totiž silně závisí na teplotě zdroje a teplotě otopné vody. COP klesá s rostoucím teplotním rozdílem mezi venkem a topením. Proto se vždy uvádí s teplotními body – například A7/W35 (teplota vzduchu 7 °C / teplota vody 35 °C). Čerpadlo s COP 4 při 10/45 °C není nutně lepší než model s COP 3,2 při 0/50 °C. V mrazech navíc okamžitý COP běžně klesá k hodnotám 1,5 až 2,5.
SCOP (sezónní topný faktor) naproti tomu vystihuje reálný celoroční provoz. Podle normy ČSN EN 14825 jde o vážený průměr počítaný napříč mnoha teplotními pásmy (biny), částečným zatížením, klimatickými profily a započítává i spotřebu v pohotovostních režimech či využití záložních zdrojů. Není to jen prostý aritmetický průměr. Zatímco COP 4–5 je okamžitý ideální stav, realistický celoroční SCOP kvalitních jednotek se pohybuje kolem 3,5 až 4,5.
Typy tepelných čerpadel
Vzduch–voda
Odebírá teplo z venkovního vzduchu. Jde o nejdostupnější variantu, která tvoří zhruba 90–95 % všech prodaných tepelných čerpadel v ČR.
Výhody
- Rychlá instalace, nižší pořizovací náklady, není potřeba rozsáhlý pozemek.
Nevýhody
- Kolísavá teplota zdroje. Vzniká zde paradox: čerpadlo je nejúčinnější, když je venku teplo (a topit nepotřebujeme), a nejméně účinné v mrazu (kdy topíme nejvíc).
Kdy se hodí
Pro většinu běžných rodinných domů, kde není prostor nebo rozpočet pro zemní vrty.
Země–voda
Odebírá teplo ze země, buď pomocí plošného kolektoru pod povrchem zahrady, nebo z hlubinného vrtu. Ve výparníku koluje nemrznoucí směs.
Výhody
- Stabilní teplota zdroje. Výpočtová teplota země je celoročně cca 8 °C (směs vstupuje do výparníku typicky při 3–5 °C). Díky tomu má systém vyšší a stabilnější účinnost i v krutých mrazech.
Nevýhody
- Vyšší pořizovací náklady, nutnost stavebního povolení na vrt nebo velkého pozemku pro kolektor.
Kdy se hodí
Pro domy v chladnějších oblastech nebo tam, kde je kladen důraz na maximální celoroční efektivitu a je k dispozici vhodný pozemek.
Voda–voda
Zdrojem tepla je spodní nebo povrchová voda (typicky se čerpá ze studny do výparníku a druhou studnou se vrací zpět). Funguje na stejném principu jako předchozí typy.
Výhody
- Voda má výbornou tepelnou kapacitu a stabilní teplotu, což zajišťuje nejvyšší možnou účinnost.
Nevýhody
- Velmi náročné na geologické podmínky. Vyžaduje dostatečně vydatný a chemicky vhodný zdroj vody, který nevysychá.
Kdy se hodí
Specifické případy, kde je na pozemku garantovaný a legislativně povolený přístup k vydatnému zdroji vody.
Bivalence a záložní zdroj
Tepelná ztráta domu roste s klesající venkovní teplotou. Výkon tepelného čerpadla (zejména typu vzduch–voda) naopak v mrazu klesá. Bod, kde se tyto dvě hodnoty protnou – tedy venkovní teplota, při které výkon čerpadla přesně odpovídá tepelné ztrátě domu – se nazývá bod bivalence.
Při teplotách pod bodem bivalence už samotné tepelné čerpadlo nedokáže dům vytopit a musí mu pomoci záložní zdroj (typicky integrovaná elektrická topná patrona).
Podle toho rozlišujeme dva režimy provozu:
- Monovalentní provoz: Tepelné čerpadlo je navrženo tak, aby pokrylo celou potřebu tepla samo po celý rok bez jakékoliv zálohy.
- Bivalentní provoz: Čerpadlo funguje většinu roku samo, ale v největších mrazech ho doplňuje záložní zdroj. Pro výpočet sezónní účinnosti (SCOP) se tato záloha vždy počítá jako čistě elektrické topení s účinností COP = 1.
Na co myslet při výběru
Aby tepelné čerpadlo fungovalo efektivně, je nutné při návrhu zohlednit několik klíčových faktorů. Tím nejdůležitějším je otopná soustava a její teplotní spád.
Účinnost čerpadla roste s vyšší teplotou zdroje, ale klesá s vyšší teplotou otopné vody. Běžná čerpadla dodávají vodu o teplotě maximálně kolem 55 °C. Moderní vysokoteplotní jednotky (využívající jako chladivo propan/R290) zvládnou i 65–75 °C, ovšem za cenu znatelně nižšího COP. Ideální je proto nízkoteplotní soustava – například podlahové topení s teplotním spádem 40/35 °C (výstupní voda nepřesahuje 40 °C). V takovém systému dosahuje tepelné čerpadlo nejlepších výsledků.
Dále je zásadní kvalitní zateplení domu, které snižuje celkovou tepelnou ztrátu, a správné dimenzování výkonu čerpadla. Předimenzované i poddimenzované čerpadlo trpí častým spínáním nebo nadměrným chodem záložního zdroje. Zohlednit je třeba i umístění venkovní jednotky s ohledem na její akustiku, aby provoz nerušil obyvatele domu ani sousedy.
Časté mýty
Mýtus:Tepelné čerpadlo porušuje fyzikální zákony, teplo nemůže téct ze zimy do tepla.
Realita:Druhý termodynamický zákon zakazuje jen samovolný tok tepla z chladnějšího na teplejší. Tepelné čerpadlo využívá dodanou elektrickou energii k pohonu kompresoru, který chladivo stlačí a teplotu tak uměle zvýší. Fyzika zůstává neporušena.
Mýtus:V zimě a v mrazech čerpadlo vzduch–voda vůbec nefunguje.
Realita:Funguje. Chladivo uvnitř výparníku je prudce zchlazeno expanzním ventilem (vře hluboko pod nulou). Díky tomu je i při silných mrazech stále studenější než okolní vzduch a dokáže z něj odebírat teplo. Většina čerpadel má ochranný limit vypnutí až kolem −20 do −25 °C.
Mýtus:Čerpadlo s COP 5 je vždy lepší než čerpadlo s COP 3.
Realita:Holé číslo bez uvedení podmínek je bezcenné. COP silně závisí na teplotě zdroje a topné vody. Hodnota COP 5 mohla být naměřena při ideálních podmínkách (např. venku 7 °C, do podlahy 35 °C), zatímco COP 3 při náročném provozu (venku 0 °C, do radiátorů 50 °C).
Mýtus:Tepelné čerpadlo se nehodí do starého domu, je tam k ničemu.
Realita:I ve starším domě může čerpadlo fungovat, ale klíčové je snížit teplotu otopné vody. Pokud starý dům alespoň částečně zateplíte a využijete stávající (často předimenzované) litinové radiátory, může v nich obíhat voda o nižší teplotě, což čerpadlu svědčí. Moderní vysokoteplotní jednotky zvládnou ohřát vodu i na 70 °C, ale provoz bude mít nižší účinnost než u novostavby s podlahovým topením.
Časté dotazy
Funguje tepelné čerpadlo i v zimě?
Ano, funguje i při teplotách hluboko pod bodem mrazu. Chladivo ve výparníku je totiž ještě studenější než mrazivý venkovní vzduch, takže do něj teplo přirozeně přechází. Je ale pravda, že s klesající venkovní teplotou klesá i účinnost čerpadla.
Co znamená COP a SCOP?
COP (topný faktor) je okamžitý poměr mezi vyrobeným teplem a spotřebovanou elektřinou za konkrétních podmínek. SCOP (sezónní topný faktor) je mnohem přesnější údaj – jde o vážený průměr účinnosti za celou topnou sezónu, který zohledňuje výkyvy počasí i zapínání záložních zdrojů.
Jaký typ tepelného čerpadla si vybrat?
Většina lidí (až 95 % v ČR) volí systém vzduch–voda, protože je montážně i prostorově nejméně náročný. Pokud ale máte velký pozemek nebo rozpočet na hlubinný vrt a chcete maximální celoroční účinnost nezávislou na mrazech, je ideální systém země–voda.
Potřebuju pro tepelné čerpadlo nutně podlahové topení?
Není to nutnost, ale je to nejvýhodnější. Podlahové topení je nízkoteplotní (voda má obvykle do 40 °C), při kterém má čerpadlo nejvyšší účinnost. Lze ho připojit i na radiátory, ale čím teplejší vodu musí čerpadlo vyrábět, tím více elektřiny spotřebuje.
Zvládne tepelné čerpadlo vytopit dům samo bez pomoci?
Záleží na návrhu. Většina systémů se navrhuje jako bivalentní – většinu roku topí čerpadlo samo, ale v nejkrutějších mrazech, kdy klesne teplota pod tzv. bod bivalence, mu automaticky pomůže integrovaný elektrický záložní zdroj.
Spočítejte si návrh na míru
Konfigurátor zdarma navrhne typ i výkon tepelného čerpadla pro váš dům.