Vše, co potřebujete vědět o tepelných čerpadlech typu země-voda

Systém TČ země-voda je v mnoha vyspělých zemích ještě populárnější než vzduch-voda. Oba typy tepelných čerpadel prošly v posledním období rychlým technologickým vývojem a reprezentují budoucnost moderního vytápění a chlazení rodinných domů i velkých objektů. Jaké výhody nabízí tepelné čerpadlo země-voda?

Není sporu o tom, že fyzikální princip fungování tepelného čerpadla země-voda i vzduch-voda je shodný. Přesto se jejich provoz liší více, než by se na první pohled zdálo. Důvodem je, že tepelné čerpadlo země-voda má, na rozdíl od vzduch-voda, k dispozici stabilní, na venkovních podmínkách prakticky nezávislý a z pohledu tepelné kapacity velmi vydatný zdroj tepla: zemi.

Pokud bychom si přirovnali fungování obou systémů k jízdě autem, tepelnému čerpadlu země-voda se podmínky provozu prakticky nemění a jízda tak připomíná cestování ustálenou rychlostí po rovné silnici. Vzduch-voda se musí vyrovnat s většími rozdíly teploty vzduchu a změnami jeho vlhkosti. Připomíná to méně plynulou jízdu v členitějším terénu, s častým používáním pedálu plynu, a dokonce s občasným zastavením a couváním zpět (analogie odtávání výparníku). Je nasnadě, že z toho těží systém země-voda vyšší účinností a delší živostností.

*Horizontální kolektor k tepelnému čerpadlu*

Kolektor: horizontální či vertikální

Tepelné čerpadlo země-voda odebírá zemní teplo pomocí v zemi uloženého plastového kolektoru (nejčastěji PE 100 RC dimenze d32 případně d40), ve kterém obíhá nemrznoucí kapalina (nejčastěji směs vody a glykolu). Díky rozdílu teplot a tepelnému toku získá kapalina přes kolektor potřebnou energii – teplo, které následně odevzdává na výparník tepelného čerpadla. Rozlišujeme dva základní typy kolektorů.

Horizontální kolektor je náročnější na plochu pozemku, na 1 kW tepelné ztráty domu je potřeba jeho plocha cca 50 m². Způsobů uložení potrubí je několik, obvykle se volí uložení do jednotlivých výkopů (drážek) s roztečí 0,7 – 1,0 m nebo plošná orientace potrubí do rozměrnějšího výkopu (tzv. slinky). Hloubka uložení se obvykle volí okolo 1,2 – 1,5 m – ideálně 0,3 m pod úrovní nezámrzné hloubky v dané lokalitě. Plošný kolektor zpravidla přijímá absolutní většinu energie ze slunečního záření a obecně vnějšího atmosférického klima. Svým způsobem lze pak jeho princip chápat jako jakýsi velký akumulační zásobník solární energie, který jsme schopni v zimních měsících vyčerpávat. I na to je třeba myslet při projektování a umisťování daného zařízení.

Vertikální kolektor je tvořený nejčastěji svislým vrtem, do kterého je umístěno potrubí – výměník v podobě jednoduchého nebo dvojitého U. Takovémuto výměníku se v odborných kruzích říká sonda nebo též geotermální sonda a je vyráběno opět nejčastěji z materiálu PE 100 RC v dimenzích d32 a d40. Hloubka vrtu se standardně dnes pohybuje od cca 50 do 200 m, výjimkou už ale nejsou ani vrty hluboké přes 300 m. Na pokrytí 1 kW tepelné ztráty objektu potřebujeme cca 15-20 m vrtu. Výhodou svislého kolektoru je malá prostorová náročnost, která umožňuje vrt umístit na minimální pozemek nebo přímo pod základovou desku domu. Další skvělou vlastností tohoto kolektoru je mnohem účinnější možnost pasivního chlazení v letním období (viz dále). S ohledem na nákladnější práce spojené s vrtáním vychází cena vertikálního kolektoru přibližně o 50 % vyšší než u plošného kolektoru.

Provozní účinnost vytápění

Účinnost tepelných čerpadel hodnotíme topným faktorem COP, který vyjadřuje poměr získaného tepla vůči energii spotřebované na chod zařízení. Smysluplné je měřit účinnost za období celé topné sezóny, v tom případě použijeme tzv. sezónní topný faktor (SCOP). Porovnáme-li sezónní topný faktor tepelných čerpadel země-voda a vzduch-voda, která jsou na podobné technické úrovni a která budou vytápět identický objekt co do tepelné ztráty a otopné soustavy, tepelné čerpadlo země-voda bude dosahovat o cca 1,5 stupeň vyšší hodnotu SCOP než vzduch-voda. Jestliže v optimálním případě může vzduchové tepelné čerpadlo dosáhnout sezónní účinnost až na hodnotě 4,0, systém země-voda se v tomto případě bude pohybovat bezpečně okolo hodnoty 5,5.

Důvody lze shrnout do několika bodů: absence odtávání výparníku, relativně vysoká a stabilní vypařovací teplota chladiva a nižší nebo nulové nároky na bivalentní zdroj tepla. Provozní náklady s tepelným čerpadlem země-voda jsou tedy podle charakteru vytápěného objektu asi o 25-30 % nižší než se vzduchovým čerpadlem. Při současných a neustále rostoucích cenách elektrické energie jsou tak zemní tepelná čerpadla velmi zajímavou alternativou.

Chlazení tepelným čerpadlem země-voda

Význam letního chlazení interiéru domů a bytů bude v souvislosti se změnou klimatu narůstat. Mimořádnou vlastností tepelných čerpadel je to, že mohou plnit jak funkci vytápění, tak chlazení. Běžně, mluvíme-li o chlazení pomocí tepelného čerpadla, máme na mysli chlazení strojní (aktivní), kdy pro chlazení využíváme „studenou část“ tepelného čerpadla a naopak teplou kondenzátorovou část odvádíme v první řadě do teplé vody, následně pak do okolního prostředí – země.

Pokud chceme tepelné čerpadlo pro chlazení využít, je nutné na to myslet již při jeho nákupu. U tepelných čerpadel země-voda nebývá toto tzv. reverzní chlazení standardem a je nutné si za něj připlatit, nicméně vlastní proces chlazení je neporovnatelně účinnější a úspornější než systémy klasických klimatizací (systém vzduch-vzduch) nebo než systém vzduch voda. Důvod je prostý. Odváděné odpadní teplo mnohem snadněji „umořím“ v chladné zemi, než ve letním parném dni do vzduchu či na rozpálené střeše…

Odpadní teplo z chlazení není nezbytně nutné mařit jako je tomu u vzduchového čerpadla, protože je ho možné, nebo alespoň jeho část, vhodně využít, např. na ohřev teplé vody v domácnosti nebo k ohřevu bazénu. Kolik bychom například uspořili energie, pokud by hotely, které v horkých dnech klimatizují (chladí) interiér, odpadní teplo z chlazení neúčelně nevyfukovaly do okolního vzduchu, ale využily je k ohřevu svých lázní, vířivek, bazénů a k přípravě teplé vody…. Právě k takovému účelu jsou tepelná čerpadla ideální. Této myšlence se někdy říká „přečerpávání tepla“

Pasivní chlazení: benefit na druhou

V kombinaci se svislým kolektorem umožňuje tepelné čerpadlo země-voda tzv. pasivní chlazení (freecooling). Jedná se o přímé chlazení domu zemním výměníkem. Teplota pod povrchem země bývá stabilně okolo 10 – 13 °C a okolí vrtu přestavuje obrovský zemní zásobník, jehož chlad je možné přímo přivádět do objektu. Tím spíš, když po dlouhé zimní sezóně vrt ještě více podchladíme, např. jen na 4 – 5 °C. Modul pasivního chlazení může být příplatkovou výbavou každého tepelného čerpadla země-voda, u některých bývá již standardním vybavením integrovaným do samotného stroje. Chlazení probíhá bez potřeby práce kompresoru a je zajištěno výhradně chodem oběhových čerpadel, tzn. se zanedbatelnými provozními náklady (účinnost EER = cca 80, tzn. např. za 100W příkonu 8 kW chladu!)

Navíc teplo, které jsme odvedli do zemního zásobníku nám příznivě regeneruje, ohřívá vrt pro nadcházející zimní sezónu. S trochou nadsázky můžeme mluvit o jakési sezónní akumulaci tepla do horninového masivu. U vrtů v pevných skalních horninách bez větší dynamiky spodních vod můžeme toto zařízení skutečně vnímat jako velký akumulátor energie, který lze v letním období nabít a v zimě zase energii odebrat. Takovýto střídavý režim je nejvíce ekonomický a to nejen provozně, ale též investičně. Nucená a zaručená regenerace vrtů nám totiž může podstatně snížit potřebnou vrtnou metráž. Spolupráce zemního tepelného čerpadla a vrtu tak může představovat mimořádně energeticky efektivní systém vytápění a chlazení.

Pasivní chlazení je též možné přes horizontální zemní výměník. Ten je však v letních měsících značně ovlivněn venkovní dotací solárního záření a teplota v zemi může stoupat až k 20°C. Účinnost a stabilita výkonu těchto zařízení tak není zaručená, ovšem záleží vždy na konkrétní aplikaci a očekávání investora. Pokud budeme kolektor využívat „s rozumem“ a nebudeme od něj čekat zázraky, dokáže nám i tento systém pomoci k udržení potřebného komfortu v letních měsících např. přichlazováním přes podlahový systém.

Dimenzování tepelného čerpadla země-voda

Návrh výkonu tepelného čerpadla země-voda by měl vždy provádět projektant vytápění na základě korektně spočítané tepelné ztráty, dle množství připravované teplé vody a dle dalších případných odběrů (VZT, bazén atd.). Návrh výkonu na 100% pokrytí veškerých výkonových požadavků není příliš ekonomické ani smysluplné. Je třeba si uvědomit, že tepelná ztráta objektu je počítána pro venkovní návrhový stav, např. pro Prahu -12°C. Jak často k danému dochází? Velmi zřídka a to jen např. přes noc. Tím v žádném případě nechceme říci, že takovýto stav nemůže nastat. Spíše však míříme k tomu, abychom si uvědomili, že tento výkonný a drahý zdroj tepla nám má sloužit zejména pro to, aby pokryl drtivou spotřebu všech energií tepla/chladu. Pokrytí výkonových špiček je pak možné bez problému vykrýt tzv. monoenergetickým zdrojem, kterým bývá zpravidla vestavěný elektrokotel. Správný a ekonomický návrh výkonu tepleného čerpadla tak bývá u standardních rodinných domů na cca 70 – 80 % součtu tepelné ztráty prostupem a větráním s přídavkem cca 0,2 – 0,25 kW na každou osobu pro přípravu teplé vody. Pokud bychom systém navrhnuli na 100% výkonu, provozní náklady tím nijak nesnížíme, protože těch pár hodin puštěného špičkového zdroje – elektropatrony v celkové spotřebě ani nenajdeme.. Navíc ale budeme platit více při instalaci – větší TČ a pravděpodobně i primární okruh + kompresor tepelného čerpadla bude častějším spínáním více namáhán = sníží se životnost.

Co o prodeji zemních tepelných čerpadel říkají odborníci?

Prodeje tepelných čerpadel země-voda nerostou tak rychle jako čerpadel vzduch-voda, nicméně jejich přednosti přetrvávají. Vedle vyšší efektivnosti vytápění i chlazení, vyšší spolehlivosti a delší životnosti, umožňují i zpětné využití odpadního tepla z chlazení nebo energeticky výhodnou spolupráci se zemním výměníkem. Jejich funkce není závislá na bivalentním zdroji, díky čemuž vystačí s nižší hodnotou elektrického jističe. A v neposlední řadě přináší nulovou hlukovou zátěž venkovního prostoru, což je stále naléhavější téma.

Ing. Jiří Svoboda, jednatel firmy Master Therm tepelná čerpadla s.r.o.