Jak funguje tepelné čerpadlo

Tepelné čerpadlo je zařízení, které pomocí elektricky poháněného chladicího okruhu odebírá nízkopotenciální teplo z venkovního vzduchu, země nebo vody a předává ho na vyšší teplotní hladině do otopné soustavy domu. Teplo tedy nevzniká spalováním paliva, ale přesouvá se – a právě proto může být dodaného tepla několikanásobně víc, než kolik zařízení spotřebuje elektřiny.

V českých domácnostech nahrazuje nejčastěji plynový kotel nebo kotel na tuhá paliva a může zároveň ohřívat teplou vodu. Kolik kilowattů takový zdroj pro konkrétní dům potřebuje, závisí na tepelné ztrátě – tu si spočítáte v konfigurátoru nebo si přečtěte, jak se tepelné čerpadlo dimenzuje.

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.

Podrobný rozbor obou čísel včetně toho, jak se SCOP počítá a co všechno do něj spadá, najdete v kompletním průvodci účinností tepelných čerpadel. Zkratky jako A2/W35, bivalentní bod nebo taktování stručně vysvětluje slovník tepelných čerpadel.

Účinnost neurčuje samotná venkovní teplota, ale teplotní zdvih – rozdíl mezi teplotou zdroje a teplotou otopné vody, kterou musí čerpadlo vyrobit. Fyzikálním stropem je Carnotův limit, tedy podíl absolutní teploty kondenzace a teplotního rozdílu. Skutečný kompresorový okruh se ztrátami dosahuje zhruba 40 až 50 % tohoto stropu.

Hodnoty jsou orientační pásma pro vzduchové tepelné čerpadlo, ne katalogové údaje konkrétního výrobku. Carnotův strop je dopočítaný a ve sloupci je uvedený pro otopnou vodu 35 °C. Každé pásmo reálného COP odpovídá 40–50 % Carnotova stropu pro svou vlastní teplotu vody – pro 55 °C je ten strop citelně nižší (například 6,8 místo 11,0 při venkovních +7 °C), proto poslední sloupec nevychází jako 40–50 % čísla vlevo. Pásma sedí na měřená data i na běžně deklarované body A7/W35 a A−7/W35 podle ČSN EN 14511. Skutečné číslo vaší instalace závisí na modelu, vlhkosti vzduchu a na tom, jak nízkou teplotu vody soustava potřebuje.

Z tabulky plynou dvě praktické věci. Zaprvé: teplota otopné vody rozhoduje víc než mráz venku – přechod z radiátorů na 55 °C na podlahovku na 35 °C zvedne COP zhruba o polovinu při jakékoli venkovní teplotě. Proto se vyplatí řešit výstupní teplotu vody dřív než výběr značky.

Zadruhé: nejhorší reálný propad nenastává v nejtvrdším mrazu, ale ve vlhku kolem nuly, kdy na výparníku nejčastěji namrzá a jednotka musí odtávat. Měření ukazují pokles COP až o 21 % při −2,8 °C a vysoké vlhkosti – rozebíráme to v článku o provozu tepelného čerpadla v zimě a odmrazování.

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.

Kde přesně bod bivalence u konkrétního domu leží a proč se nevyplatí čerpadlo předimenzovat „pro jistotu“, rozebíráme v článku o bivalentním bodu tepelného čerpadla a v textu o tom, kdy tepelné čerpadlo potřebuje dotop.

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 – čemu se přesně říká taktování. Zohlednit je třeba i umístění venkovní jednotky s ohledem na akustiku, aby provoz nerušil obyvatele domu ani sousedy. Než podepíšete smlouvu, projděte si kontrolní seznam k nabídce na tepelné čerpadlo.