Na začiatok by mal byť projekt. Pre návrh tepelného zdroja (zdrojov) je v prvom rade potrebné stanoviť tepelnú stratu budovy (Q), ktorá zohľadňuje či už lokalitu (výpočtová vonkajšia teplota −12; −15; −18 alebo −21 °C), tak teplotu vnútorného priestoru (obvykle 20 ˚C). Tepelná strata zahŕňa pritom straty vetraním aj prestupom konštrukciou (obvodové múry, podlaha, okná, dvere…). Hodnota vyjadruje tepelný výkon potrebný pre vykurovaní pri výpočtovej vonkajšej teplote a požadovanej vnútornej teplote, pričom jednotkou je watt (W). Podrobný výpočet tepelnej straty budovy definuje norma STN EN 12831-1, ak však poznáme napríklad ročnú spotrebu plynu na vykurovanie, je možné orientačne použiť vzorec Q = spotreba (kWh za rok) / 2500. Pri 15 000 kWh spotrebovaného plynu ročne vychádza tepelná strata na 15000 / 2500 = 6 kW.
Ďalšou úlohou pre tepelný zdroj je príprava teplej vody. Na prípravu teplej vody sa počíta výkon 0,2 kW na osobu (cca 5 kWh/deň), ktorý vychádza z dennej spotreby 80–100 l vody v teplote 45 °C. Pri štvorčlennej rodine to znamená ďalších 0,8 kW. Pozor na to, že väčšina taríf pre odber elektrickej energie od odberateľov navyše požaduje, aby po určitú časť dňa bolo vykurovanie blokované (mimo prevádzky). Napríklad sadzba D57d platí 20 hodín denne, počas ktorých sa musí dodať všetko teplo. Požadovaný výkon (pri použití výhradne elektriny) musí byť preto navýšený na 6,8 × 24 / 20 = 8,16 kW.
Tepelné čerpadlo ako zdroj energie
Pripomeňme si niekoľko faktov ohľadom spôsobu fungovania tepelných čerpadiel. Hlavným kritériom vypovedajúcim o efektivite tepelného čerpadla je tzv. vykurovací faktor – COP (Coefficient Of Performance), ktorý vyjadruje pomer medzi teplom získaným čerpadlom a k tomu spotrebovanou elektrickou energiou. Dej, ktorý v tepelnom čerpadle prebieha [1], prvýkrát teoreticky popísal francúzsky fyzik Nicolas Léonard Sadi Carnot. Za ideálnych podmienok je COP podielom termodynamickej teploty (udávanej v Kelvinoch) ohrievaného prostredia a rozdielu teplôt medzi ohrievaným prostredím a prostredím ochladzovaným. V praxi – vplyvom strát vznikajúcich pri prevádzke tepelného čerpadla, veľkostí teplosmenných plôch, parametrov reálneho chladiva, účinnosťou kompresora a pod. – je dosahované približne 40–50 % teoretickej hodnoty, čo (pre 40 %) popisuje nasledujúci vzorec:
kde tH je teplota teplejšieho prostredia (vyhrievaného) a tC chladnejšieho (ochladzovaného), oboje už v ˚C. Ako veľmi je vykurovací faktor závislý na spomenutých teplotách ukazuje tabuľka 1.
Ak užívateľ očakáva od tepelného čerpadla nízke prevádzkové náklady (vysoký COP), potom je potrebné zaistiť čo najnižšie teploty na sekundárnej strane (teplota vody do vykurovania). V prípade celoplošného vykurovania (podlahové / stropné) s tým nie je problém. Čo ale pri rekonštrukciách, kde sme limitovaní použitím radiátorov? Aj tu sa ponúka veľa možností.
Optimalizácia účinnosti tepelného čerpadla
K prenosu tepla z tepelného čerpadla (či kotla) do vykurovacích telies sa ako transportné médium využíva voda [2]. Vďaka jej vysokej mernej kapacite je pri teplotnom rozdiely 10 ˚C a rýchlosti prúdenia 0,5 m/s (teplovodné kúrenie je navrhované najčastejšie od 0,2 do 1,0 m/s) možno prenášať bežnou 18mm medenou trubkou s vnútorným priemerom 16 mm viac než 4 000 W. Pri rozdiely medzi teplou vodou a spiatočkou 5 ˚C potom polovinu z toho, teda cca 2 000 W.
Aby sa však tepelný rozdiel medzi vstupom a výstupom z radiátora vytvoril, musí samozrejme radiátor kúriť zodpovedajúcim výkonom. Samotný vykurovací výkon radiátorov je závislý na trojici teplôt - teplote vstupnej vody (hodnota pred lomítkom viď ďalej), teplote výstupnej vody (hodnota za lomítkom) a teplote vzduchu v miestnosti. Príkladom, pri radiátore 120 × 60 cm a teplote interiéru 20 ˚C, sa jedná o tieto hodnoty: voda 55/20 ˚C – 419 W; voda 45/35 ˚C – 350 W; voda 40/35 ˚C – 300 W; voda 45/25 ˚C – 200 W; voda 35/30 ˚C – 200 W.
Pri prevádzke tepelného čerpadla v systéme s radiátormi je v prvom rade potrebné mať dobre nastavené prietoky radiátorov. Rad termostatických ventilov má niekoľko stupňov nastavenia prietoku a je dosť možné, že niektoré vykurovacie telesá sú zbytočne priškrtené a iné naopak otvorené moc (typicky vykurovací rebrík v kúpeľni). Zatiaľ čo plynový kotol a termostatické hlavice na radiátoroch si so situáciou vďaka vyššej teplote vody do kúrenia poradia, pri tepelnom čerpadle nastane problém. Každé zvýšenie teploty vody sa totiž prejaví na nižšej účinnosti (horšie COP).
Tip: Na použitie tepelných čerpadiel v rámci rekonštrukcií myslia aj výrobcovia radiátorov, ktorí ponúkajú teplovodné konvektory dodávajúce oproti bežným radiátorom pri rovnakej teplote vody násobne vyšší výkon. Ide o druh vykurovacieho telesa, vo vnútri ktorého je výmenník voda/vzduch značne zvyšujúci zdieľanie tepla prúdením (konvekciou). Ohriaty vzduch môže z konvektora prúdiť či už prirodzene (vplyvom tlakového rozdielu), tak aj s pomocou ventilátorov. Toto riešenie je pre mnohých užívateľov príjemnejšou a prirodzenejšou formou vykurovania ako horúce kúrenie. Ďalšia výhoda pri použití spolu s tepelným čerpadlom spočíva v možnosti letného chladenia. Pre predstavu je dobré spomenúť aj konkrétne navýšenie vykurovacieho výkonu, kedy napríklad konvektor s rozmermi 50 × 120 cm disponuje pri teplotnom spáde 35/30 ˚C a teplote miestnosti výkonom od 562 do 756 W (podľa rýchlosti ventilátora) [2], zatiaľ čo bežný doskový radiátor rovnakých rozmerov iba 200 W. Konvektorom venujeme samostatný článok.
Regulácia prietoku je časovo náročná. Začína väčšinou tak, že sa odmontujú všetky termostatické hlavice, na ventiloch nastaví prietok na maximum a postupne, po ustálení, sa potom obmedzuje prietok u tých vykurovacích telies, kde je to potrebné. Pozor na to, že prietok vykurovacími telesami môže byť znížený tiež nie celkom otvoreným pripojovacím uzatvárateľným skrutkovaním.
Ak máme zregulovaný prietok radiátorov, je potrebné taktiež dobre nastaviť termostat (ak je ním systém vybavený), prípadne ekvitermnú reguláciu stanovujúcu teplotu vykurovacej vody na základe požadovanej vnútornej teploty a na vonkajšej teplote. Kým nebude vyššie uvedené hotové, odporúčame nechať odmontované termostatické hlavice (alebo ich aspoň naplno otvoriť). Vyššiu než požadovanú teplotu interiéru znižujeme nie termostatickými hlavicami, ale pomocou zníženia teploty výstupnej vody z tepelného čerpadla.
Kombinácia viacerých zdrojov tepla
Často zabúdaným spôsobom vedúcim k zlepšeniu vykurovacieho faktora tepelného čerpadla je vykurovanie pomocou chladnejšej výstupnej vody, kedy tepelné čerpadlo systémovo pokryje iba časť tepelnej straty. Toto riešenie sme úspešne otestovali v rámci modernizácie vykurovania v radovom rodinnom dome, kam bolo tepelné čerpadlo pridané paralelne k plynovému kotlu (tzv. hybridná prevádzka).
Spôsob zapojenia a regulácie je pritom veľmi jednoduchý. Tepelné čerpadlo (6 kW) s ekvitermicky nastavenou teplotou výstupnej vody na 30–35 ˚C je v prevádzke 20 hodín denne (v čase nízkej tarify) a na zvyšné 4 hodiny sa púšťa plynový kotol. Ak je chladný deň a radiátory nahriate tepelným čerpadlom s teplotou obmedzenou na 35 ˚C nezvládli dodať dostatok tepla, dohreje vo zvyšných 4 hodinách dom plynový kotol (24 kW). Pokiaľ je interiérová teplota dostatočná, plynový kotol sa vďaka informácii z izbového termostatu ani nerozbehne.
Čo s ohrevom vody
Na vykurovací faktor je pri uvedenej inštalácii myslené tiež pri vykurovaní teplej úžitkovej vody. Pôvodný 300-litrový zásobník s dvojicou vykurovacích špirál je napojený „spodnou“ špirálou na tepelné čerpadlo a „hornou“ špirálou na plynový kotol. Jeho vykurovanie prebieha tak, že v zimnom období tepelné čerpadlo nahrieva vodu iba v „časovom okne“ zahŕňajúcom 4 hodiny denne a to na teplotu 35 ˚C. Následne vrchnú časť zásobníka dokúri kotol. Výhodou tohto spôsobu prevádzky je priebeh teplôt v zásobníku: Najprv sa počas dňa teplá voda spotrebováva, čím sa dostáva dospodu zásobníka voda studená (cca 15 ˚C). Tepelné čerpadlo nahreje 1 krát denne vodu a to z východiskových 15 ˚C na 35 ˚C (zo začiatku TČ kúri len na 20 ˚C a teplota postupne rastie zhruba na 40 ˚C).
Nespoliehajte sa iba na tepelné čerpadlo
Je dobré si uvedomiť, že tepelné čerpadlo vzduch/voda nie je vhodné prevádzkovať monovalentne (ako jediný zdroj tepla), ale je ideálne ho kombinovať s iným zdrojom tepla (bivalentná prevádzka). V dome môže byť krb, je možné využiť elektrické vykurovacie rebríky v kúpeľniach, dohriať miestnosť obyčajným olejovým radiátorom do zásuvky, dohriať bojler elektrinou atď.
Možno prekvapí, že z ekonomického hľadiska môžeme tiež nechať pracovať tepelné čerpalo s nízkou výstupnou teplotou (a tým pádom s maximálnym vykurovacím faktorom) a zvyšok dohriať inak. Príkladom môže byť situácia pri vonkajšej teplote vzduchu, kedy potrebujeme vykurovať výkonom povedzme 3 000 W. V prvom variante použijeme iba tepelné čerpadlo a budeme ohrievať vodu na 45 ˚C – pri COP 1,69 dostaneme odber elektrickej energie 3000 / 1,69 = 1775 W. Alternatívne môžeme nechať tepelné čerpadlo ísť iba s teplotou výstupnej vody 35 ˚C (COP 2,75), čo nám prekryje cca 60 % tepelnej straty (chladné radiátory nebudú stíhať) a zvyšných 40 % dohrejeme napr. nejakým menším vykurovacím zariadením prípadne iným zdrojom – výsledkom je odber 3000 × 0,6 / 2,75 + 3000 × 0,4 = 655 + 1200 = 1855 W. Nech si každý sám posúdi, či náklady na „silnejšie“ tepelné čerpadlo vykompenzuje úspora nákladov za elektrinu.
Fotovoltika
Ak sme majiteľmi fotovoltickej elektrárne, môžeme časť energie na prevádzku tepelného čerpadla pokryť z iných prebytkov. Vzhľadom k výkupným cenám elektriny, ktoré sú často krát aj záporné, sa toto riešenie priamo ponúka. O tom ale niekedy nabudúce.
Prečítajte si tiež:
Hlučnosť vonkajších jednotiek tepelných čerpadiel
Tepelné čerpadlo a ako mu porozumieť
Pravda a nepravda o tepelných čerpadlách
