Specifikace tepelných čerpadel pro využití v TZB

Současná energetická politika států Evropské unie se nachází v období dynamického rozvoje. Prvořadým cílem současné doby je zajistit energetickou stabilitu států EU s využitím především obnovitelných (čistých) zdrojů energie. Velký důraz je kladen na zvýšení účinnosti a efektivity provozu energetických zařízení, ale také na úspory v oblasti spotřeby energií. Největší množství vyrobené i spotřebované energie je soustředěno v energii tepelné. Jedním z možných způsobů úspor tepelné energie v rámci bytové a investiční výstavby je využití úspornějších zdrojů, jako jsou například tepelná čerpadla. Obecně lze říci, že využitím správně dimenzovaného tepelného čerpadla můžeme snížit spotřebu primárního zdroje, potřebného pro výrobu energie nutné pro pohon TČ.

Princip funkce tepelných čerpadel
Obecně lze říci, že tepelné čerpadlo obdobně jako chladicí agregát s výparníkem umístěným při zdroji tepla odebírá ze zdroje teplo varem a odpařováním teplonosné látky. Páry teplonosné látky jsou následně kompresorem přečerpávány do chladiče, kde se sráží, zkapalní a odevzdají své teplo okolí. Odevzdané teplo má vyšší teplotní potenciál než teplo odebírané ze zdroje. Tepelné čerpadlo je možné považovat za motor, který využívá Carnotova oběhu (jde o levotočivý cyklus - obr. 1). [1]

¤ Obr. 1. Carnotův levotočivý oběh v T - s diagramu

Pracovním principem tepelného čerpadla je tzv. chladicí okruh s parním oběhem. Tepelné čerpadlo, respektive chladicí okruh má čtyři základní části (obr. 2):

• výparník - do výparníku přivádí cirkulující pracovní látka (chlazená kapalina) nízkopotenciální teplo. Přivedené teplo způsobuje vypařování chladiva, páry chladiva se stávají nositelem této energie a přivádějí ji do kompresoru. Cirkulační pracovní látka (primární okruh TČ), ze které byla tepelná energie odvedena, se ochladí a musí být znovu zvýšena její teplota ve zdroji nízkopotenciálního tepla;
• kompresor - nasává páry z výparníku, stlačuje je a vytlačuje do kondenzátoru. Práce na pohon kompresoru se přemění v teplo, které se přičítá k teplu přivedenému ve výparníku;
• kondenzátor - z kondenzátoru odvádí cirkulující pracovní látka (topné médium) teplo, které se přivedlo do kondenzátoru z výparníku a kompresoru. Odvedené teplo způsobuje kondenzaci par chladiva. Energie přivedená do kondenzátoru parami chladiva se převádí do cirkulující pracovní látky (sekundární okruh TČ), převedeným teplem se pracovní látka ohřívá a zavádí se do topného systému;
• expanzní (škrticí) ventil - kapalné chladivo, které zkondenzovalo při vyšším (kondenzačním) tlaku, se převádí (škrtí) do výparníku, aby se zde opět vypařilo při nižším (vypařovacím) tlaku.

¤ Obr. 2. Princip funkce tepelného čerpadla

Topný faktor tepelného čerpadla
Základním měřítkem pro hodnocení provozních vlastností tepelného čerpadla je topný faktor. Topný faktor je dán jako poměr získaného tepla (topného výkonu) a energie potřebné pro přečerpání tepla. Vyjadřuje tedy kolikrát více energie získáme, než ve formě poháněcí energie přivedeme. Energetický topný faktor je dán následujícím vztahem [2]:

Pro přibližné určení topného faktoru lze také využít rovnici

která vychází z ideálního Carnotova oběhu. Ve vztahu uvedená konstanta 0,4 prezentuje ztráty při provozu reálného tepelného čerpadla.

¤ Obr. 3. Příklad bivalentního zapojení TČ

Typy tepelných čerpadel
V současné době jsou tepelná čerpadla vyráběna ve čtyřech základních provedeních:

• země - voda;
• voda - voda;
• vzduch - voda;
• vzduch - vzduch (klimatizační jednotky),

a to podle druhu nízkopotenciálního tepla pro tepelné čerpadlo a podle média, kterému je teplo předáváno pro vytápění. V České republice jsou nejvíce využívána tepelná čerpadla systému země - voda, především díky minimálním teplotním výkyvům v primárním zdroji energie (půda) v průběhu roku. Do popředí se však díky vylepšeným technologiím a nově využívaným kompresorům SCROLL dostávají vzduchové systémy, především systémy vzduch - voda, které jsou v současné době schopné pracovat i při teplotách okolí t_ok = -20 °C s dostatečně vysokým topným faktorem. Aby byl provoz systému s tepelným čerpadlem hodnocen jako výhodný, měl by být průměrný roční topný faktor roven minimálně hodnotě COP = 3.

Otopné systémy s tepelnými čerpadly
Využití tepelných čerpadel je vhodné především u obytných staveb (rodinných domů) s celkovou tepelnou ztrátou do Q_c = 12 kW. Systém s tepelným čerpadlem může být proveden jako monovalentní nebo bivalentní [4].
V monovalentním systému je tepelné čerpadlo hlavním a jediným zdrojem tepla. Systémy v tomto zapojení jsou poměrně málo využívány, a to z důvodů vyšších ekonomických a energetických nákladů na tepelné čerpadlo. Tepelné čerpadlo musí být voleno tak, aby svým výkonem krylo tepelné ztráty i při nejnižší teplotě okolního vzduchu, z čehož vyplývá, že není jeho výkon během celé otopné sezóny plně využit (systém je předimenzován). Problémem je i provozní rezerva, neboť použití dvou tepelných čerpadel by bylo investičně značně náročné.
V bivalentních systémech pracuje tepelné čerpadlo spolu s doplňkovým zdrojem tepla. Tepelný výkon tepelného čerpadla je v bivalentním systému navržen tak, aby tepelné čerpadlo krylo přibližně 60 % tepelných ztrát vytápěné budovy. Zbylé potřebné teplo je dodáno pomocí druhého (pomocného) zdroje. Tím může být např. elektrokotel, plynový kotel, přímotop, ale také solární systém. Provoz může být paralelní i alternativní.
Pro ekonomický a energeticky výhodný provoz tepelného čerpadla je velmi důležitá také volba otopné soustavy. Využití tepelných čerpadel je nejvýhodnější ve spojení s nízkoteplotními otopnými soustavami. Důvod této volby je následující - v případě že, bude tepelné čerpadlo pracovat s výstupní teplotou vyšší než 60 °C, stává se jeho provoz z energetického i ekonomického hlediska značně nevýhodný. Velmi vhodné je ve spojení s TČ využít podlahové vytápění nebo velkoplošné radiátory.

Závěr
Jak již bylo uvedeno výše využití tepelných čerpadel je výhodné u rodinných domů s tepelnou ztrátou do Q_c = 12 kW. Je však vždy nutné pečlivě zvážit všechny možnosti využití jiných zdrojů energie. Instalace tepelných čerpadel jsou velmi závislé na místních podmínkách. Je potřeba zvážit, zda tepelná kapacita primárního, zdroje je dostatečná. Další věcí, která je úzce spjata s aplikacemi tepelných čerpadel, je minimalizace tepelných ztrát obytné budovy. Není nutné stavět zrovna pasivní dům, ale je velmi vhodné při projektování novostavby uvažovat o nízkoenergetickém domu. V případě správného dimenzování systému s TČ je možno ušetřit až 40 % nákladů na vytápění např. oproti využití zemního plynu, ale při špatném projekčním návrhu se systém s TČ může stát naprosto nevýhodným.
Vývoj a výzkum v oblasti obnovitelných a nekonvenčních zdrojů energie na UEEN VUT FEKT v Brně je součástí výzkumu financovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR v rámci projektu č. MSM0021630516.

Použitá literatura
[1] Mastný, P.: Tepelná čerpadla v kombinovaných tepelných systémech. Vědecké spisy Vysokého učení technického v Brně, Edice PhD Thesis, sv. 392, ISSN 1213-4198, Brno 2006
[2] Mastný, P.: Tepelné čerpadlo a aktivní solární systém v kombinovaném provozu (I). TZB-info, ISSN 1801-4399, 2007, roč. 2007, č. 3, s. 1-6.
[3] Mastný, P.: Cooperation of Heat Pump and Solar System in the Common Power Unit In Proceedings of the 2nd IASME/WSEAS International Conference on ENERGY & ENVIRONMENT, Portorose, Slovenia, May 15-17, 2007. 2nd IASME/WSEAS, p. 186-194, ISBN 978-960-8457-69-0
[4] Dvořák, Z., Klazar, L., Petrák, J.: Tepelná čerpadla. Praha: SNTL 1987, s. 340, TČ: L12-B3-IV-31/22902