Súčasný stav životného prostredia a znižovanie zásob primárnych zdrojov energie nás núti zamyslieť sa nad využívaním obnovitelných zdrojov energií. Jednou z obnovitelných zdrojov energií je nízkoteplotná energia, ktorá sa nachádza naakumulovaná zo Slnka priamo v našom okolí a to v okolitom vzduchu, vode (povrchovej aj podzemnej), alebo v zemi. Na efektívne využívanie nízkoteplotnej energie nám slúži tepelné čerpadlo, ktoré prečerpáva nízkoteplotnú energiu na vyššiu teplotnú úroveň.
Funkcia tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlo pracuje na princípe využitia chladiaceho obehu podobne ako v chladničke. Rozdiel medzi chladničkou a tepelným čerpadlom je len v tom, že užitočný tepelný tok v chladničke je odber tepla výparníkom a užitočný tepelný tok v tepelnom čerpadle je získavané teplo v kondenzátore tzn., že nízkoteplotná energia odobratá prírode pri teplote blízkej v zime 0°C vo výparníku tepelného čerpadla je odovzdaná v kondenzátore tepelného čerpadla do vykurovacieho systému a na ohrev TÚV prípadne bazénu a podobne pri teplote max. 55°C.
Výkonové číslo
Základným parametrom pre hodnotenie “úspornosti” tepelného čerpadla je výkonové číslo, ktoré vyjadruje pomer medzi tepelným výkonom tepelného čerpadla a jeho elektrickým príkonom. Výkonové číslo sa výrazne mení podľa teplôt na primárnej ( studenej ) a sekundárnej ( teplej ) strane tepelného čerpadla. Pokiaľ je napr. teplota nemrznúcej zmesi na výstupe z vrtu 0°C a teplota vykurovanej vody na výstupe z tepelného čerpadla 45°C, výkonové číslo bude 3,2. Pokiaľ však pri rovnakých podmienkach vo vrte bude teplota vykurovanej vody 35°C (podlahová vykurovacia sústava), výkonové číslo sa zvýši na 4,1.
A. Zdroje nízkoteplotnej energie
Voľba spôsobu odberu tepla závisí od miestnych podmienok.
A.1 Vzduch
Jedným z lacnejších spôsobov odberu tepla je okolitý vzduch. Jeho výhodou je ľahká dostupnosť, avšak nevýhodou je, že v dobe najväčšej potreby tepla má nízku teplotu a tepelné čerpadlo pracuje s malým výkonovým číslom., ako aj menšia životnosť komponentov, ktoré sú namáhané v lete vysokými a v zime nízkymi teplotami.
A.2 Voda
A.2.1 Podzemná voda
Odber tepla s podzemnej vody patrí k problematickejším systémom. Na jednej strane ponúka zdroj tepla s relatívne vysokou teplotou 7 až 12°C, na druhej strane je toto riešenie spojené s niekoľkými rizikami. V prvom rade je treba mať k dispozícii dostatočné množstvo podzemnej vody (cca 180 l/h na jeden kW výkonu tepelného čerpadla). Druhou podmienkou je čistota vody, v ktorej by sa nemalo nachádzať nadmerné množstvo nečistôt.
A.2.2 Povrchová voda
Z povrchových tokov nie je možné priamo čerpať vodu pre potreby tepelného čerpadla. Dôvodom sú nízke teploty vody v zimnom období, kedy by mohla voda pri ochladení v tepelnom čerpadle zamŕzať. Je možné položiť do jazera alebo rybníka plošný kolektor (hadica z PE s rozstupom 1 m), ktorý sa zaťažený ukladá na dno.
A.3 Zem
A.3.1 Plošný kolektor
Odber tepla s plošného kolektora patrí k lacnejším variantom odberu tepla. Umožňuje tepelnému čerpadlu pracovať bez ohľadu na teplotu okolitého vzduchu. Obmedzujúcou podmienkou je veľkosť pozemku. Hadica z PE sa ukladá do hĺbky min. 1 m s rozstupom 1 m. Dĺžka jednej vetvy je obmedzená z dôvodov tlakových strát na 350 m. Pri použití viacerých vetiev, by mali mať všetky vetvy rovnakú dĺžku.
A.3.2 Vrt
Odber tepla z vrtu patrí k rozšírenejším, ale zároveň najdrahším riešeniam. Vrty je možné urobiť až na malé výnimky prakticky kdekoľvek, s minimálnymi požiadavkami na priestor. Obvyklé hĺbky vrtov sa pohybujú od 50 do120 m.
B. Ďalšie zdroje nízkoteplotnej energie
Medzi ďalšie zdroje nízkoteplotnej energie môžme zahrnúť slnečné kolektory, ktoré je možné použiť ako veľmi účinný doplnkový zdroj pre tepelné čerpadlo (zvyšujú investičné náklady), alebo odpadné tepelné toky s priemyselnej a poľnohospodárskej výroby.
Optimálny výkon a spotreba energie tepelného čerpadla
Najbežnejším spôsobom návrhu tepelného čerpadla je bivalentné zapojenie. Pri tomto zapojení pokrýva tepelné čerpadlo iba časť tepelnej straty objektu a zvyšok je v prípade potreby pokrytý iným zdrojom tepla, napr. elektrokotlom. Dôvody pre voľbu bivalentného zapojenia sú:
- zníženie investičných nákladov na tepelné čerpadlo
- zníženie počtu štartov tepelného čerpadla a predĺženie životnosti kompresora
- druhý zdroj tepla zároveň slúži ako záloha pri výpadku tepelného čerpadla
Ďalšou výhodou bivalentného zapojenia tepelného čerpadla je zmenšenie prípadných problémov s hlukom, menšie nároky na veľkosť vrtov atď.
Bivalentným zdrojom tepla môže byť elektrokotol, kotol na zemný plyn, propán, ľahký vykurovací olej. Optimálne z technického hľadiska je dohrev elektrickým kotlom.
Z hľadiska spotreby energie je pre tepelné čerpadlo najvýhodnejšie podlahové vykurovanie. Jednak vďaka nízkej teplote vykurovacej vody ( tepelné čerpadlo pracuje s vyšším výkonovým číslom ), ako i z dôvodov veľkej akumulácie tepla, ktorá znižuje počet zapnutí kompresora a predlžuje jeho životnosť. Akumulácia tepla pri podlahovom vykurovaní prispieva tiež k obmedzeniu špičiek odberu tepla a znižuje dobu chodu bivalentného zdroja tepla, ktorý má vyššie prevádzkové náklady ako tepelné čerpadlo.
Tepelné čerpadlá dokážu veľmi efektívne ohrievať TÚV, najmä pri použití dvojplášťových bojleroch. Taktiež je možné najmä pri použití odberu tepla zo zeme ( z vrtov ), použiť tepelné čerpadlo ako zdroj chladu pre klimatizáciu.
Využívanie obnovitelnej nízkoteplotnej energie pomocou tepelných čerpadiel je prijateľným riešením pre vykurovanie rodinných domov, dôkazom čoho je veľké množstvo inštalácií v technicky vyspelých krajinách (Švédsko, Švajčiarsko, Rakúsko), ale už aj v ČR, kde štát vytvára podmienky na využívanie obnovitelných zdrojov energií.
