Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání Tepelné čerpadlo pro vytápění rodinného domu Bakalářská práce Vedoucí bakalářské práce: Ing. Tomáš Vítěz, Ph.D. Vypracoval: Marek Paráček Brno 2012
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Tepelné čerpadlo pro vytápění rodinného domu vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a ředitelky vysokoškolského ústavu ICV Mendelovy univerzity v Brně. Brno, dne... Podpis studenta...
Rád bych na tomto místě poděkoval Ing. Tomášovi Vítězovi, Ph.D. za odborné vedení při zpracování této bakalářské práce, za rady a trpělivost. Stejně tak bych chtěl poděkovat Mikitovi Kaplanovi za pomoc při vytváření návrhu tepelného čerpadla, za poskytnutí rad a praktických poznatků vztahujících se k tématu této práce.
ABSTRAKT V této bakalářské práci je zpracováno téma tepelných čerpadel od jejich historického vývoje po současnost. Stejně tak je zde popsán princip činnosti tepelného čerpadla a základní zdroje tepla pro tato čerpadla. V rámci návrhu tepelného čerpadla pro rodinný dům byly sledovány především tepelné ztráty objektu a místní podmínky ovlivňující volbu tepelného čerpadla. V závěru této bakalářské práce je provedeno srovnání různých technologií vytápění rodinného domu. Z výsledků vyplývá na jedné straně velká ekonomická náročnost pořízení tepelného čerpadla, na straně druhé ekologický a nejlevnější roční provoz ze všech srovnávaných technologií vytápění. V dlouhodobém horizontu disponuje technologie tepelného čerpadla velkým potenciálem pro snížení celkových nákladů potřebných na vytápění. KLÍČOVÁ SLOVA Nízkopotenciální teplo, zdroj tepla, tepelná ztráta, topný faktor. ABSTRACT In this thesis I deal with the subject of heat pump development from the historical point of view. This study also describes the principle of heat pump operation and basic resources of heat for these pumps. In the design of a heat pump for a family house I mainly focused on the heat loss in the building and the local conditions influencing the choice of a heat pump. At the end of this thesis there is a comparison of various technologies for family house heating. On one hand the results show extensive financial cost for the heat pump purchase. But on the other hand the heat pump represents the most ecological option and is least demanding on the yearly operation from all the technologies being compared in this thesis. In long term view the heat pump technology offers a huge potential in terms of decreasing the overall cost of heating. KEY WORDS Low-potential heat, heat source, heat loss, coefficient of performance.
OBSAH 1 Úvod... 7 2 Cíl bakalářské práce... 8 3 Tepelná čerpadla současný stav... 9 3.1 Současný stav v západní Evropě a ČR... 9 3.2 Historie tepelných čerpadel... 10 3.3 Vývoj tepelných čerpadel v ČR... 11 3.4 Dotace na pořízení tepelného čerpadla... 13 3.5 Mezinárodní značka kvality tepelných čerpadel... 14 3.6 Vybrané platné normy a zákony související s problematikou návrhů, instalací a provozu tepelných čerpadel... 15 4 Princip činnosti tepelného čerpadla... 16 4.1 Popis funkce tepelného čerpadla... 16 4.2 Druhy a vlastnosti chladiv pro použití v tepelném čerpadle... 18 4.2.1 Přírodní, organické látky (nehalogenová chladiva) - čpavek... 18 4.2.2 Regulovaná chladiva, freony... 19 4.2.2.1 Propan (C 3 H 8 ) - označení dle ISO R290... 19 4.2.2.2 Oxid uhličitý (CO 2 ) - označení dle ISO R744... 19 4.2.3 Azeotropní směsi... 19 4.3 Druhy kompresorů pro použití v tepelném čerpadle... 19 4.3.1 Pístové kompresory... 20 4.3.2 Spirálové kompresory (SCROLL)... 20 4.3.3 Rotační kompresory... 20 4.4 Druhy výměníků pro použití v tepelném čerpadle... 20 4.4.1 Deskový výparník (pájený nebo rozebíratelný)... 20 4.4.2 Trubkový výměník... 21 4.5 Zdroje nízkopotenciálního tepla pro tepelná čerpadla... 21 4.5.1 Půda... 21 4.5.1.1 Plošný kolektor... 21 4.5.1.2 Geotermální vertikální vrt... 23 4.5.1.3 Energetické piloty... 24 4.5.2 Vzduch... 25 4.5.2.1 Venkovní vzduch... 25 4.5.2.2 Vnitřní vzduch... 26 4.5.3 Voda... 27 4.5.3.1 Podzemní voda... 27 4.5.3.2 Povrchová voda... 28 4.5.4 Sluneční energie... 28 5 Návrh tepelného čerpadla pro vytápění rodinného domu... 29 5.1 Výpočet tepelných ztrát rodinného domu... 29 5.1.1 Tepelné ztráty prostupem konstrukcemi... 29 5.1.2 Tepelná ztráta větráním... 30 5.2 Výběr tepelného čerpadla... 30 5.2.1 Topný faktor - základní parametr tepelného čerpadla... 30 5.2.2 Výběr tepelného čerpadla - systém země/voda... 31 5.2.3 Položkový rozpočet, záruka... 33 6 Diskuze doporučení pro praxi... 34 7 Závěr... 38 8 Seznam použité literatury... 39
1 ÚVOD Jednou ze základních lidských potřeb je teplo. Tepelnou pohodu uvnitř rodinného domu, jeho vytápění, lze zajistit mnoha způsoby. Můžeme využít jak neobnovitelné zdroje energie, tak zdroje obnovitelné (alternativní), které nám v neomezeném množství poskytuje Země a Slunce. V dnešní době, kdy je životní prostředí na Zemi stále více zatěžováno nejrůznějšími emisemi, je využití obnovitelných zdrojů velice aktuální. Příkladem možného využití obnovitelných zdrojů energie je vytápění rodinného domu tepelným čerpadlem. Tepelné čerpadlo představuje léty prověřenou technologii šetrnou k životnímu prostředí. 7
2 CÍL BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Cílem této bakalářské práce je návrh a výběr tepelného čerpadla jako zdroje tepelné energie pro vytápění rodinného domu a dále porovnání tohoto zdroje tepla s dalšími způsoby vytápění. Stejně tak si tato práce klade za cíl popsat princip činnosti, historii a současný stav v oblasti tepelných čerpadel. 8
3 TEPELNÁ ČERPADLA SOUČASNÝ STAV 3.1 Současný stav v západní Evropě a ČR V současné době, mimo jiné, v důsledku neustálého zdražování veškerých energií, dochází k výraznému nárůstu zájmu o použití tepelných čerpadel. Jak uvádí Karlík (2009), technologií tepelného čerpadla je dnes v České republice vybavena asi každá desátá novostavba rodinného domu. Vzrůstající počty instalací tepelných čerpadel v ČR jsou pozitivní informací, nicméně v porovnání se západní Evropou stále zaostáváme. Například ve Švýcarsku je tepelné čerpadlo instalováno v 60 % novostaveb, v tradiční zemi tepelných čerpadel Švédsku dosahuje počet těchto instalací v nově budovaných rodinných domech hodnoty 90 % [22]. Podíváme-li se na statistické údaje z let 2005 až 2009, zpracované EHPA (European Heat Pump Association, Evropská asociace tepelných čerpadel se sídlem v Bruselu), ukazující počty prodejů tepelných čerpadel v zemích západní Evropy, konkrétně se jedná o Rakousko, Německo, Itálii, Francii, Švýcarsko, Velkou Británii, Norsko, Finsko a Švédsko, můžeme jednoznačně sledovat výrazný nárůst 16 % pa [27]. Obr. 1: Celkové počty prodejů tepelných čerpadel v Rakousku, Německu, Itálii, Francii, Švýcarsku, Velké Británii, Norsku, Finsku a Švédsku v letech 2005-2009 (zdroj: EHPA, Thomas Nowak) Zaměříme-li se konkrétně na Českou republiku, tak v roce 2009 u nás bylo dle údajů EHPA instalováno 3 400 tepelných čerpadel [27]. 9
Obr. 2: Počty prodejů tepelných čerpadel v jednotlivých státech v roce 2009 (zdroj: EHPA, Thomas Nowak) V roce 2009 vyrobila tepelná čerpadla, v Rakousku, Finsku, Francii, Německu, Itálii, Norsku, Švédsku, Švýcarsku a Velké Británii, celkem 6,83 TWh elektrické energie [27]. 3.2 Historie tepelných čerpadel Základní ideu funkce tepelného čerpadla formuloval již v roce 1852 jako první skotský fyzik William Thomson (1824 1907), známější pod svým šlechtickým jménem Lord Kelvin of Largs [13]. Formuloval druhou větu termodynamickou, určující směr předávané energie - teplo se vždy šíří ve směru od teplejší ke studenější části, teplo nemůže samovolně přecházet z chladného tělesa na těleso teplejší. Na tomto principu je založena funkce tepelného čerpadla [39]. První prototyp tepelného čerpadla sestrojil na konci 40. let minulého století americký vynálezce Robert C. Weber, který prováděl pokusy s nízkými teplotami, s hlubokým zamražením [22]. V roce 1927 instaloval Američan T. Haldane tepelné čerpadlo o výkonu 1,4 MW. Jednalo se o první průmyslové využití tepelného čerpadla [13]. K rozšíření technologie tepelného čerpadla, k jeho praktickému využití, dochází až v době tzv. světové energetické krize. V období kolem roku 1980, ropná krize, obavy z blížícího se vyčerpání zásob paliv a obavy z růstu jejich cen, vedou ke zvýšenému zájmu o hledání jiných alternativ k vytápění fosilními palivy. 10
Po prudkém nárůstu v tomto období dochází v následujících letech k výraznému propadu, který se zastavuje až kolem roku 2000, kdy dochází k opětovnému nárůstu počtu instalovaných tepelných čerpadel [4] [13] [38]. Tento vývoj počtů instalací tepelných čerpadel byl zásadně ovlivněn dvěmi příčinami. První příčinou byly nevyřešené a nejasné všechny teplotní provozní stavy, se kterými musí tepelné čerpadlo pracovat (průběžná změna vstupních a výstupních parametrů). První instalovaná zařízení byla značně poruchová, což se samozřejmě odráželo v důvěře dalších potenciálních uživatelů. Dalším důvodem poklesu zájmu o tepelná čerpadla byly chybné instalace čerpadla byla zapojována do stávajících topných systémů, tudíž výkon celého zařízení nemohl být takový jak se předpokládalo [4]. V současné době dosahují čerpadla vysoké technické úrovně, montáž provádí odborné firmy s praxí sahající až do počátků 80. let minulého století (např. v Německu bylo začátkem 90. let minulého století přes 50 společností, které se zabývaly vývojem a montážemi tepelných čerpadel, v současnosti těchto společností funguje již asi jenom 5) [4]. 3.3 Vývoj tepelných čerpadel v ČR Před rokem 1990 byla tepelná čerpadla v České republice rozšířena jen velmi zřídka (převážně se jednalo o propagačních účely, o dlouhodobé ověřování spolehlivosti). V dalších letech dochází k postupnému nárůstu trhu. Do ČR se dováží první tepelná čerpadla (vyráběná sériově, čemuž odpovídala kvalita ve srovnání s českými výrobky montovanými doma na koleni ) ze zemí s dlouholetými zkušenostmi v tomto oboru jako jsou Švédsko a Německo. Postupně se na trhu objevují výrobky českých producentů [4] [36] [38]. V prvních letech se jednalo o instalace desítek kusů, nárůst instalací byl jenom velmi pozvolný z důvodů levných cen ostatních energií. V dalších letech to už byly stovky instalací. Návratnost investice v těchto letech přesahovala 20 let [4] [38]. Zásadní rozvoj u nás nastává po roce 2000. Tento rok se v ČR, z hlediska počtu instalací tepelných čerpadel, nazývá jako rok 0. Hlavní překážky bránící v této době dalšímu rozvoji tepelných čerpadel v České republice: levný zemní plyn a dovozy upravených klimatizačních jednotek, které jsou nevhodné pro zdejší podnebí [36] [38]. 11
Používání tepelných čerpadel napomáhají tyto podpůrné mechanismy: 1. vznik Asociace pro využití tepelných čerpadel 2. Státní fond Životního prostředí a jeho dotační politika 3. byly zavedeny speciální sazby za elektrickou energii pro tepelná čerpadla 4. poskytování dotací městy na tepelná čerpadla (např. Praha, Plzeň) [4]. Po roce 2000 dochází k nárůstu cen energií, což ovlivňuje návratnost investice do tepelného čerpadla. Zároveň dochází k postupnému zpřísňování kritérií pro udělení dotace na instalaci tepelného čerpadla a to až do té míry, že samotná instalace čerpadla byla dražší než případná získaná dotace. To způsobilo opětovné odvrácení potenciálních zájemců o tento způsob vytápění k sice levnějším, ale méně ekologickým způsobům vytápění [38]. Problémy s dotační politikou spolu s růstem ceny zemního plynu, elektřiny a paliv obecně způsobily, že lidé začali hledat způsoby jak ušetřit, jak snížit spotřebu těchto energií [38]. V roce 2006 byla původní speciální sazba za elektrickou energii D55 změněna na sazbu D56, která už nebyla tak výhodná a motivující jako sazba původní. Nicméně i přes tyto demotivující změny k očekávanému poklesu instalací tepelných čerpadel nedošlo. Jedním z důvodů proč k poklesu instalací nedošlo byl růst cen energií a jejich očekávané narovnávání na úroveň cen v Evropské unii. Dalším důvodem bylo zvýšení informovanosti o tomto odvětví a to jak mezi odborníky, tak i mezi laickou veřejností [38]. Na konci roku 2006 bylo v ČR instalováno více jak 10 000 tepelných čerpadel. Do roku 2000 byly instalovány zejména systémy země/voda. Po roce 2000 se na našem trhu objevují nová tepelná čerpadla se systémem vzduch/voda. Tato čerpadla, díky zavedení kompresoru typu Scroll umožňujícímu efektivní využití až do venkovních teplot 20 C, z trhu vytlačila zařízení fungující jen při plusových teplotách a vypínající se již při teplotách pod 0 C. Postupně tedy docházelo k nahrazování prvních systémů země/voda novými systémy vzduch/voda. V současné době je v České republice, stejně jako v ostatních středoevropských zemích, podíl těchto dvou systémů tepelných čerpadel přibližně stejný [38]. 12
Následující graf ukazuje vývoj počtu instalací tepelných čerpadel v ČR. Obr. 3: Vývoj počtu instalací tepelných čerpadel v České republice v letech 2001 2010 (zdroj: Ing. Josef Slováček, Asociace pro využití tepelných čerpadel v ČR) 3.4 Dotace na pořízení tepelného čerpadla Pořízení tepelného čerpadla podporuje dotacemi především Státní fond životního prostředí ČR - Program zelená úsporám. Jedná se o program Ministerstva životního prostředí, který administruje Státní fond životního prostředí ČR. Tento Program podporuje, mimo jiné, vytápění za použití obnovitelných zdrojů energie. Dále tento program podporuje náhradu neekologického vytápění (například kotle na uhlí, na kapalná paliva) za tepelná čerpadla včetně instalace tohoto čerpadla do novostaveb [36] [49]. V Programu zelená úsporám je registrováno přibližně 2 400 typů tepelných čerpadel (pokud tepelné čerpadlo není registrováno, není možné poskytnout na jeho instalaci dotaci) [36] [49]. Žadatelem o dotaci může být: fyzická osoba podnikající i nepodnikající, společenství vlastníků bytových jednotek, bytové družstvo, město nebo obec, právnické osoby. Nevýhodou tohoto programu je, že podpora není nároková. I když žadatel splní všechny dané podmínky, neznamená to, že automaticky obdrží podporu v plné požadované výši. Podporu nemusí obdržet vůbec, nebo může získat jen určitou část z požadovaného obnosu [39] [42]. Příjem žádostí o poskytování podpory z Programu zelená úsporám je aktuálně od konce října 2010 pozastaven, datum opětovného zahájení příjmu žádostí zatím nebylo stanoveno [49]. Další možnou finanční podporu při pořízení tepelného čerpadla představují dotace poskytované obcemi, městy a kraji. K dnešnímu dni (19.2. 2012) není v Jihomoravském kraji žádná tato dotace poskytována. 13
3.5 Mezinárodní značka kvality tepelných čerpadel Z důvodu objektivního hodnocení a porovnávání kvality jednotlivých tepelných čerpadel byla pod záštitou Evropské asociace tepelných čerpadel EHPA sjednocena metodika jak objektivně a seriózně hodnotit tepelná čerpadla. Výsledkem je zavedení mezinárodní značky kvality EUROPEAN QUALITY LABEL FOR HEAT PUMPS [3]. Značka kvality European Quality Label for Heat Pumps má svůj původ v systému hodnocení kvality označovaném jako D-A-CH (zavedeném v Německu, Rakousku a Švýcarsku). Tento systém byl sjednocen se systémy hodnocení kvality v dalších zemích Evropské unie (především ve Skandinávii a Francii). Sjednocení metodiky měření a hodnocení následovalo sjednocení a ustanovení pravidel pro měření, která jsou základem hodnocení výrobků [3]. Kvalitu měření zajišťuje 10 specializovaných evropských zkušeben tepelných čerpadel. Tyto zkušebny získaly akreditaci od Evropské asociace tepelných čerpadel EHPA. Pouze výsledky jejich měření jsou přijatelné pro další hodnocení. V současné době není v České republice žádná zkušebna s touto akreditací [3]. Výrobce, který má zájem o udělení této značky kvality, zajistí testování svého výrobku v jedné z akreditovaných zkušeben. Dle výsledných naměřených hodnot pak výrobce žádá Národní komisi pro přidělování značky kvality o udělení této značky [3]. Kromě výsledků měření je nezbytnou součástí žádosti i splnění dalších základních kritérií požadovaných Asociací pro využití tepelných čerpadel (nabídka záruky, zajištění servisní sítě a dalších) [3]. Česká asociace pro využití tepelných čerpadel vytvořila v roce 2010, podle pravidel Evropské asociace tepelných čerpadel EHPA, Národní komisi (předseda prof. Ing. Radomír Adamovský, Dr.Sc.), která má právo udělovat mezinárodní značku kvality EUROPEAN QUALITY LABEL FOR HEAT PUMPS v České republice [5]. Nabídka tepelných čerpadel je v posledních letech v České republice značně rozsáhlá. Jedním z důvodů jejího růstu byla i podpora ze strany Státního fondu životního prostředí České republiky. Orientace mezi výrobky a technologiemi, na které je možno získat dotaci, bývá často složitá i pro odborníky. U některých výrobků buď úplně chybí nebo jsou naprosto nedostačující regulérní informace týkající se jejich technických a výkonových parametrů. Některé tyto výrobky byly také testovány v laboratořích, které neměly adekvátní vybavení a tudíž ani získané výsledky měření nemohou být zcela objektivní [3]. 14
První mezinárodní značky kvality v České republice byly uděleny v květnu 2011. Získaly je produkty výrobců NIBE, DIMPLEX a PZP (český výrobce). V lednu 2012 byla značka kvality udělena výrobkům značek ALPHA INNOTEC a STIEBEL ELTRON [3] [37]. 3.6 Vybrané platné normy a zákony související s problematikou návrhů, instalací a provozu tepelných čerpadel ČSN EN 1264 Zabudované vodní velkoplošné otopné a chladící soustavy ČSN EN 12831 Tepelné soustavy v budovách Výpočet tepelného výkonu ČSN EN 12828 Tepelné soustavy v budovách Navrhování teplovodních tepelných soustav ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov ČSN EN ISO 13789 Tepelné chování budov Měrné tepelné toky prostupem tepla a větráním ČSN EN ISO 13790 Energetická náročnost budov Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení [9] [22]. Zákon č. 180/2005 Sb., o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů) Zákon č. 63/2002 Sb., o poskytování dotací na podporu hospodárného nakládání s energií [25]. 15
4 PRINCIP ČINNOSTI TEPELNÉHO ČERPADLA 4.1 Popis funkce tepelného čerpadla Tepelné čerpadlo pracuje s alternativními zdroji obnovitelné energie. Využívá, odnímá tepelnou energii obsaženou v okolním prostředí v zemi, ve vzduchu, ve vodě. Tepelná energie je v těchto zdrojích velmi rozptýlená a nedá se běžně využít. Tepelné čerpadlo odebere tepelnou energii z velkého objemu daných látek, prostřednictvím kompresoru ji stlačí a převede na vyšší teplotní hladinu [25]. Tepelné čerpadlo neporušuje žádný z fyzikálních zákonů. Druhý termodynamický zákon, Clausiusova formulace (Rudolf Julius Emanuel Clausius, německý fyzik, narozený 1822 zemřel 1888) říká, že teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší. Nicméně pokud této soustavě těles dodáme nějakou vnější energii (u tepelného čerpadla je to elektrický proud pohánějící kompresor), můžeme teplo, tepelnou energii z chladného tělesa převést na vyšší teplotní hladinu. Tuto tepelnou energii pak využíváme pro vytápění a ohřev teplé vody [12] [39]. Tepelné čerpadlo tvoří většinou dvě části venkovní a vnitřní. Venkovní část zprostředkovává odběr tepelné energie z vybraného okolního prostředí. Vzhled venkovního zařízení záleží na tom, z jakého zdroje se teplo odebírá. Vnitřní zařízení, vzhledově velmi podobné klasickému plynovému kotli, zajišťuje předávání tepla do vlastního systému topení [1]. Jak uvádí Srdečný, Truxa (2005) název tepelné čerpadlo (anglicky heat pump) vznikl z paralely s vodním čerpadlem. Voda teče samovolně pouze shora dolů. Pokud jí dodáme čerpadlem energii, může voda téct i zdola nahoru. Obdobný princip platí i pro tok tepla [39]. Zjednodušeně se dá říct, že tepelné čerpadlo pracuje na podobném principu jako chladnička, která odebírá teplo potravinám v ní uloženým a tímto teplem vytápí místnost. Tepelné čerpadlo získává teplo z okolního prostředí, které ochlazuje a toto odebrané teplo dodává do vytápěcího systému nebo pro ohřev teplé vody [22] [39]. Tepelné čerpadlo využívá fyzikální jevy související se změnou skupenství chladiva. Tepelné čerpadlo odebírá prostřednictvím pracovní látky nízkopotenciální teplo (jeho nízká teplotní hladina neumožňuje jeho přímé energetické využití) okolnímu prostředí. Pracovní látkou, získávající teplo z okolního prostředí nejčastěji bývá denaturovaný líh, vzduch, voda. Tato pracovní látka ohřátá přírodním teplem se vede 16
do výparníku (výměníku tepla) tepelného čerpadla. Zde se nízkopotenciální teplo předává chladivu. Za nízké teploty se chladivo ve výparníku vypaří. Tím, že chladivo změní skupenství z kapaliny se zde mění na páru spotřebuje určité teplo. Toto teplo je tím teplem, které odebere např. zemi, vzduchu v okolním prostředí [22] [39]. Chladivo ve formě plynu je následovně nasáváno hlavní pracovní částí tepelného čerpadla - kompresorem, který plyn prudce stlačí na vyšší tlak. Tímto stlačením je chladivu, formou práce, dodána další energie. Energii pro vykonání této práce dodává motor, nejčastěji poháněný elektrickou energií. Tuto dodanou energii, spotřebu kompresoru, musíme zaplatit. Díky fyzikálnímu principu komprese s rostoucím tlakem roste teplota se původní nízkopotenciální teplo mění na teplo s teplotní hladinou přibližně 80 C [22] [39]. Chladivo stlačené a zahřáté kompresorem poté vstupuje do druhého výměníku tepla, kondenzátoru. V kondenzátoru se stlačené chladivo ochladí tím, že zkondenzuje. Tím, že páry chladiva zkondenzují, vznikne teplo, které se předává do topné vody. Tato voda se využívá pro vytápění domu, ohřev teplé vody. Teplo, které vznikne kondenzací par chladiva v kondenzátoru představuje energii, kterou z tepelného čerpadla získáme. Kapalné chladivo se poté vrací přes expanzní ventil, kde se sníží jeho tlak a tím se ochladí, do výparníku [22] [39]. Jak již bylo uvedeno výše, pracovní cyklus můžeme rozdělit na primární a sekundární okruh. Primárním okruhem se rozumí část tepelného čerpadla umístěná v zemi - čerpadlo země/voda. U tepelného čerpadla vzduch/voda primární okruh nahrazuje přívod vnějšího vzduchu pomocí ventilátoru. Sekundární okruh tvoří samotný topný systém [22]. Obr. 4: Princip funkce tepelného čerpadla (zdroj: www.energetickyporadce.cz) 17
Pro výpočet získaného tepla uvádí Dvořák, Klazar, Petrák (1987) následující podobnostní vztah: (1) kde: Q T teplo získané po přečerpání [J] Q Z teplo odebrané zdroji [J] Q E přiváděná energie [J] [13] 4.2 Druhy a vlastnosti chladiv pro použití v tepelném čerpadle Tepelné čerpadlo využívá faktu, že teplotu varu (kondenzace) různých látek ovlivňuje tlak. Výběr chladiva pro použití v konkrétním tepelném čerpadle se provádí podle několika kritérií. Jak uvádí Dvořák, Klazar, Petrák (1987) jedná se například o požadavky na adekvátnost tlaků, na vlastnosti chladiva, bezpečnost a podobně [13]. Podle Dvořáka, Klazara, Petráka (1987) můžeme chladiva rozdělit do tří skupin: přírodní (organické látky, nehalogenová chladiva), regulovaná chladiva a azeotropní směsi [13]. 4.2.1 Přírodní, organické látky (nehalogenová chladiva) - čpavek Čpavek (NH3), označení dle ISO R717, patří do skupiny organických látek. Jedná se o jedno z nejdéle používaných chladiv např. v průmyslu nebo na zimních stadionech. Používá se zejména pro tepelná čerpadla s nízkými teplotami na výtlačné straně cca do 50 C. Čpavkové páry jsou lehčí než vzduch. Při atmosférickém tlaku 101 325 Pa (tento tlak Wikipedie definuje jako průměrnou hodnotu tlaku vzduchu při mořské hladině na 45 s.š., při teplotě 15 C a tíhovém zrychlení 9,8 m s -2 ) se čpavek vaří při -33,3 C. V případě stlačení na tlak 2 MPa, vaří (kondenzuje) až při teplotě 50 C [6] [13] [39]. V současné době se nicméně využívají více jiné typy chladiv zejména freony a jejich alternativy - propan a oxid uhličitý. 18
4.2.2 Regulovaná chladiva, freony Vlastnosti freonů: vysoká prolínavost zařízení musí být maximálně utěsněné, nejedovatost, nevýbušnost, nehořlavost, nízká rozpustnost s vodou, poškozují ozónovou vrstvu [13]. 4.2.2.1 Propan (C 3 H 8 ) - označení dle ISO R290 Propan patří do skupiny nasycených uhlovodíků, je bezbarvý, bez zápachu, hořlavý. Je těžší než vzduch. Propan nepoškozuje ozonovou vrstvu. Propan jako chladivo využívá jen malé množství čerpadel [32] [39]. 4.2.2.2 Oxid uhličitý (CO 2 ) - označení dle ISO R744 Jedná se o bezbarvý plyn, bez chuti, bez zápachu. Je těžší než vzduch, nehořlavý. Oxid uhličitý způsobuje minimální korozi, protože obsahuje jen velmi malý podíl vlhkosti. Tato látka se jako chladivo využívá jen ve velmi omezeném množství vyžaduje vyšší tlaky a tudíž i kompresory odpovídající těmto náročnějším požadavkům [3] [46]. Při opravách tepelného čerpadla je nutno vždy zajistit, aby chladivo neuniklo do ovzduší. Freony se odsávají speciálním zařízením a následně se likvidují, popř. recyklují [14] [18]. 4.2.3 Azeotropní směsi Jedná se o kapalnou směs, která je za dané teploty a tlaku v rovnováze s parami o stejném složení jako má kapalina. Azeotropní směsí je např. chladivo R502 (48,5 % hm. R22/51,2 % hm. R115) [7] [13]. 4.3 Druhy kompresorů pro použití v tepelném čerpadle Na kompresor tepelného čerpadla jsou kladeny následující požadavky: schopnost pracovat v požadovaném rozsahu teplot a tlaků, nízké nároky na odběr energie, dlouhodobá životnost, funkčnost, nízká cena [13]. Kompresory používané v tepelných čerpadlech jsou: kompresory pístové, spirálové a rotační. 19
4.3.1 Pístové kompresory U pístových kompresorů dochází ke změně tlaku za pomoci přímočarého vratného pohybu pístu ve válci. Pístový kompresor saje pracovní látku po částech. Tento typ kompresoru charakterizuje nízká cena, ale také horší topný faktor a vyšší hladina hluku. Jeho životnost je asi 15 roků [13] [19]. 4.3.2 Spirálové kompresory (SCROLL) V současné době je spirálový kompresor v tepelných čerpadlech nejpoužívanější. Tento kompresor tvoří jednak pohyblivá spirála a také spirála pevně upevněná k vlastnímu tělu kompresoru. Montáž spirál je provedena se 180 fázovým posunem. Pohyblivá spirála se pohybuje po dráze v pevné spirále. Tímto oběžným pohybem se vytváří plynové kapsy, které se pohybují mezi oběma spirálami. Nasátý plyn se prostřednictvím tohoto pohybu přesouvá doprostřed spirál. Plynové kapsy se směrem dovnitř zmenšují a tím dochází ke zvýšení tlaku a teploty. Tyto kompresory jsou dražší než pístové, dosahují velmi dobrých topných faktorů. Životnost tohoto typu kompresoru je asi 20 roků [34] [35] [39]. 4.3.3 Rotační kompresory Z uvedených tři skupin kompresorů je tento typ v tepelných čerpadlech používán nejméně, více se využívá v klimatizacích. Ke změně tlaku u těchto kompresorů dochází otáčením pístu kolem osy, která je rovnoběžná s válcem. Tento kompresor může být lamelový, dvourotorový (dva po sobě se odvalující písty) nebo šroubový (používá dva do sebe zapadající šrouby). Rotační kompresory nedosahují vysoké topné faktory, jsou vhodné pro malé výkony [8] [34] [39] [40]. 4.4 Druhy výměníků pro použití v tepelném čerpadle Výměníky tepla jsou pro spolehlivé fungování celého systému tepelného čerpadla velice důležité. Nejpoužívanějšími výměníky jsou, dle konstrukce, výměníky deskové a trubkové. 4.4.1 Deskový výparník (pájený nebo rozebíratelný) Tento výparník je složený ze sady plechových desek, které tvoří jeden svazek. Desky se po dvojicích opakují a tvoří systém průtočných kanálků. Chladivo jako 20
kapalina vstupuje do spodního hrdla a jako plyn vystupuje z hrdla horního. U deskového kondenzátoru je tok chladiva opačný chladivo jako plyn vstupuje do horního hrdla a jako kapalina vystupuje z hrdla spodního. Tento typ výměníku je účinnější než trubkový výměník. umožňuje více přiblížit teploty, tudíž lepší přenos tepla. Pro instalace v rodinných domech se většinou používají levnější pájené výměníky [13] [28] [30] [44] [48]. 4.4.2 Trubkový výměník Výměník je tvořen svazkem nerezových trubek umístěných ve válcovém plášti. Pro trubkový výměník je velice důležitý návrh jeho délky, aby předávání tepla probíhalo co nejlépe. Pro správné navržení výměníku je třeba znát výkon tepelného čerpadla a teplotu topné vody [13] [28] [30] [48]. 4.5 Zdroje nízkopotenciálního tepla pro tepelná čerpadla Tepelná čerpadla zajišťující vytápění rodinných domů využívají zejména přírodních zdrojů tepla. Do skupiny těchto zdrojů patří půda, vzduch, povrchová a spodní voda a sluneční záření [31]. 4.5.1 Půda Odběr nízkopotenciálního tepla z půdy je, vzhledem ke klimatickým podmínkám v České republice, jedním z nejrozšířenějších způsobů získávání tepla. U tepelného čerpadla využívající teplo tohoto druhu jsou kladeny vysoké požadavky, mimo jiné, na kvalitu a instalaci primárního okruhu tato část tepelného čerpadla je velice těžce opravitelná, ne-li neopravitelná vůbec, tudíž vyžaduje velmi kvalitní materiály a vysoce odbornou a pečlivou montáž. Nízkopotenciální teplo můžeme z půdy získávat prostřednictvím plošných kolektorů, vrtů nebo energetických pilotů [13] [22]. 4.5.1.1 Plošný kolektor Využití plošných kolektorů je po všech stránkách nejjednodušším způsobem získávání nízkopotenciálního tepla z půdy. V případě novostavby je možné výkopové práce provádět souběžně se všemi ostatními zemními prácemi, pro povolení stavby je plně dostačující pouze ohlášení na stavebním úřadě [16] [22][39]. Plošný kolektor vyžaduje dostatečně velký pozemek nacházející se v okolí dané budovy. Tento pozemek nesmí být v budoucnosti dále zastavován, protože půda 21
v oblasti plošného kolektoru více promrzá. Na pozemku by také neměly být stromy s velkým kořenovým systém, který by mohl způsobit poškození kolektoru. Plošný kolektor využívá, odebírá tepelnou energii, která je akumulována v horních vrstvách půdy. Při montáži plošného kolektoru je velice důležitá jeho poloha a také okolní prostředí. Vzhledem k tomu, že kolektor využívá energii slunce přicházející shora, nesmí být plošný kolektor zakryt [13] [16] [22] [39]. Rozměr plošného kolektoru závisí na využívání tepelného čerpadla. Pokud je například tepelné čerpadlo využíváno celoročně, musí být plocha kolektoru větší než v případě, kdy je tepelné čerpadlo využíváno pouze pro vytápění. Pokud je plošný kolektor správně navržený není potřebné letní vyhřívání. Jestliže je tepelné čerpadlo používáno v létě k chlazení objektu, můžeme teplo (v tomto případě se jedná o odpadní teplo) do kolektoru vracet [39]. Plošný kolektor bývá nejčastěji vyrobený z vysokohustotního polyethylenového potrubí. Průměr tohoto potrubí je 25, 32 a 40 mm. V tomto potrubí proudí nemrznoucí směs. Toto potrubí je uloženo vedle daného objektu v nezámrzné hloubce 0,8 1,5 m. Plošný kolektor musí být umístěný v dostatečné vzdálenosti 1,5 m - od základů objektu. V opačném případě hrozí nebezpečí jeho promrzání [22]. Při návrhu plošného kolektoru je nejdůležitějším parametrem jeho plošná výměra. Délka jednotlivých okruhů se doporučuje 100 300 m. Vodovodní přípojku a kanalizaci může plošný kolektor křížit pouze pokud jsou jak kolektor, tak přípojka izolovány [22]. Obr. 5: Schéma plošného kolektoru (zdroj: www.energetickyporadce.cz) 22
Jak uvádí Karlík (2009) je objem tepla získaného z plošného kolektoru závislý na druhu a vlastnostech půdy. Následující tabulka uvádí objemy tepla získané z jednotlivých druhů podloží. Sloupec 2 400 hodin provozu platí pro čerpadla pracující v monovalentním provozu, sloupec 1 800 hodin provozu platí pro tepelná čerpadla sloužící pouze k vytápění daného objektu [22]. Tab. 1: Objem tepla získaného ze země (zdroj: Tepelné čerpadlo pro váš dům, Karlík) Možný odběr tepla Podloží 1 800 hodin provozu 2 400 hodin provozu Suchá nesoudržná hornina 10 W m -2 8 W m -2 Zvodnělé štěrky a písky 20 až 30 W m -2 16 až 24 W m -2 Protékající spodní voda, štěrky a písky 40 W m -2 32 W m -2 4.5.1.2 Geotermální vertikální vrt Geotermální vrty jsou v České republice nejrozšířenější metodou získávání geotermálního tepla pro tepelná čerpadla. Nejdůležitějšími parametry souvisejícími s návrhem vlastního geotermálního vrtu jsou průměrný tepelný tok na Zemi a tepelná vodivost jednotlivých hornin. Tato je například pro suché štěrky a písky udávána 0,4 W (m K) -1, pro žulu 3,4 W (m K) -1 [22] [39]. Nízkopotenciální teplo se získává prostřednictvím vrtů. Jejich hloubka se většinou pohybuje v rozmezí 70 150 m. Jednotlivé vrty vyžadují mezi sebou 10 m odstup, abychom zabránili jejich vzájemnému ovlivňování. V případě, že jsou vrty jen dva, může být tato vzdálenost upravena na 7 m. Hloubka vrtu závisí na geologických poměrech v dané oblasti a na výkonu tepelného čerpadla. Na 1 kw výkonu tepelného čerpadla je nutná hloubka geotermálního vrtu 12 18 m. Pokud potřebujeme například dva vrty o celkové hloubce 150 m, je lepší vyvrtat jeden vrt hlubší, než provádět dva kratší vrty [22] [39]. Hloubku vrtu stanovuje, na základě hydrogeologické mapy, hydrogeolog. Pokud je vrt nesprávně navržen je příliš malý - může se stát, že při velkých odběrech tepla se země výrazně ochladí, popř. se může vytvořit námraza kolem vrtu. Tepelné čerpadlo v tomto okamžiku nefunguje a jeho správná funkce je obnovena až po rozmrznutí zeminy okolo vrtu. Kratší vrt můžeme použít v případě, že je nízkopotenciální teplo odebíráno pouze sezónně, pro vytápění [22] [39]. 23
Obr. 6: Schéma geotermálního vertikálního vrtu (zdroj: www.cerpadla-ivt.cz) Průměr geotermálního vrtu bývá ve většině případů 130 220 mm. Do vyvrtaného otvoru se zavede polyethylenová (LDPE) hadice kolektoru. Tato hadice je naplněna nemrznoucí směsí. Použitá hadice (geotermální sonda) musí být určena výhradně pro použití jako výstroj vrtu. Není možné použít hadice např. pro vodu nebo plyn [22] [39]. Každý vrt musí být tamponován, utěsněn. Může být použita jak běžná cementová nebo jílocementová směs, tak speciální směs, která má nižší obsah pórů a obsahuje příměs minerálů, které ovlivňují přenos tepla. Tamponáž je nutná, protože pokud by vrt nebyl utěsněn a narazil by na podzemní vodu, tak by se tímto neutěsněným vrtem mohla do podzemní vody dostat znečištěná povrchová voda [22] [39]. Výhody použití geotermálního vrtu: vynikající hodnoty topného faktoru - v průběhu roku prakticky neměnné (technologií geotermálního vrtu se získává teplo při celoročně stálé a vysoké teplotě), malá prostorová náročnost, pozemek není znehodnocen, vrt lze v létě využít pro chlazení objektu [22] [39] [43] [46]. 4.5.1.3 Energetické piloty Nízkopotenciální energie pro tepelné čerpadlo je v tomto případě získávána prostřednictvím potrubí, která jsou instalována v základech dané budovy. Systém energetických základů lze aplikovat pouze u novostaveb [22] [33]. Součástí energetických pilotů je, na rozdíl od klasických pilotů, potrubí z vysokohustotního polyethylenu, které obsahuje nemrznoucí kapalinu. Potrubí z jednotlivých pilot pak vedou do technické místnosti, hlavní vedení pak dopravuje kapalinu do tepelného čerpadla [22] [33]. Beton pod danou stavbou slouží k akumulaci tepla a chladu. Piloty musí být vždy použity jak pro vytápění, tak pro chlazení. V létě se teplo ukládá do energetických pilot, budova se chladí. V zimě tuto tepelnou energii využívá tepelné čerpadlo pro vytápění. 24
Energetické piloty nesmějí být používány při teplotách pod 0 C. Pro správný návrh energetických pilot je nutno znát přesný počet a velikost jednotlivých pilot, druh betonu a geologické podmínky v místě uvažované stavby. Energetické piloty se většinou umísťují do míst, kde se nachází spodní voda. Pokud systém pilot použijeme pro chlazení, zvyšujeme její teplotu [22] [33]. Energetické piloty většinou dokáží zajistit kompletní požadovanou dodávku tepla. Pokud jsou požadavky na dodávky tepelné energie větší, lze piloty kombinovat s hlubinnými vrty. Tyto můžou být jak mezi piloty, tak mimo ně v okolí stavby [22] [33]. 4.5.2 Vzduch 4.5.2.1 Venkovní vzduch Jedním z dalších přírodních zdrojů nízkopotenciálního tepla pro tepelné čerpadlo je venkovní, okolní vzduch. Jedná se o nejjednodušší způsob využití nízkopotenciálního tepla není nutno budovat plošné kolektory ani hlubinné vrty [39]. Využití tohoto zdroje tepla je v současné době stále rozšířenější. Tento nárůst je způsoben zvyšující se kvalitou tepelných čerpadel, jejichž provozní parametry dosahují výborných hodnot především v klimaticky mírných oblastech. Průměrný topný faktor těchto tepelných čerpadel se svojí hodnotou blíží topnému faktoru tepelných čerpadel získávajícím tepelnou energii ze země [13] [22] [39]. Tepelné čerpadlo využívající venkovní vzduch má dvě části venkovní a vnitřní. Ventilátor ve venkovní části vzduch žene přes výparník, který odebírá vzduchu nízkopotenciální teplo. Vzhledem k tomu, že jednak vzduch má malou hustotu a měrnou tepelnou kapacitu a jednak hodnoty součinitele přestupu tepla mezi vzduchem a výparníkem jsou také velmi nízké, výparníkem musí protékat velmi velké objemy vzduchu v tisících m 3 za hodinu. Tepelné čerpadlo, resp. kompresor tepelného čerpadla, pak toto nízkopotenciální teplo transformuje na vyšší teplotní úroveň [13] [22] [39]. Zásadním faktorem ovlivňující obsah tepelné energie ve vzduchu je vlhkost tohoto média. V chladném vzduchu je obsah vlhkosti velmi nízký. Množství tepelné energie obsažené ve vzduchu není přímo úměrné teplotě, nýbrž klesá rychleji. Znamená to tedy, že v období velmi nízkých venkovních teplot, kdy jsou požadavky na dodávky tepla do domu nejvyšší, tepelné čerpadlo pracuje s nejnižším topným faktorem a většinou i s nižším výkonem. Z tohoto důvodu jsou tepelná čerpadla využívající venkovní vzduch projektována pro bivalentní provoz. Pokud se teplota pohybuje pod 25
bodem bivalence - bodem, kdy výkon tepelného čerpadla je stejný jako tepelná ztráta domu (pro tepelná čerpadla využívající venkovní vzduch se tento bod nachází v rozmezí teplot -3 až -5 C), tak se do systému zapojuje další zdroj tepla např. elektrický nebo plynový kotel [2] [11] [13] [22] [26] [39] [43]. V současné době jsou na trhu tepelná čerpadla, která jsou schopná efektivně pracovat při teplotách do 25 C. Pokud by se venkovní teploty dlouhodobě pohybovaly pod touto hranicí, musí být další zdroj tepla elektrický nebo plynový kotel schopný na 100 % pokrýt požadovaný tepelný výkon. Vzhledem k tomu, že venkovní vzduch obsahuje vodní páru, která při teplotách kolem 0 C namrzá na stěnách výparníku, je nutné zajistit odtávání námrazy. Odtávání námrazy snižuje efektivitu, topný faktor tepelného čerpadla [22] [39]. Jako další nevýhodu lze uvést hlučnost ventilátoru, jeho venkovní části. Hladina tohoto hluku se pohybuje v rozmezí 40 50 db. Doporučuje se umístit venkovní jednotku do akusticky pohltivého prostředí. Další možností jak snížit hladinu hluku je použití systému tepelného čerpadla celého umístěného uvnitř daného objektu. Venkovní vzduch je pak nasáván pomocí otvorů v obvodových stěnách. Otvor, kterým z objektu vystupuje ochlazovaný vzduch musí být umístěn tak, aby tento vzduch nebyl znovu sán do tepelného čerpadla [22] [39]. Ačkoli mají tepelná čerpadla využívající venkovní vzduch horší efektivitu v případě velmi nízkých venkovních teplot, eliminují úspěšně tuto nevýhodu možností jejich dlouhodobého využití v období jara a podzimu, kdy se teploty vzduchu pohybují v rozmezí od 0 C do 12 C [22]. 4.5.2.2 Vnitřní vzduch Jednou z dalších alternativ získávání nízkopotenciálního tepla je využití odváděného vzduchu, který vykazuje určitou teplotu. Tento postup je vhodný pro nízkoenergetické (pasivní domy) vybavené řízeným větráním. Tyto stavby jsou prakticky vzduchotěsné, proto je nutné pro proudění vzduchu použít speciální ventilační zařízení. Systém řízeného větrání řídí cirkulaci vzduchu v daném objektu, umožňuje vzduch filtrovat, upravovat jeho vlhkost, teplotu. Ventilační zařízení jsou většinou kombinována s rekuperační jednotkou. Rekuperace představuje získávání a využívání odpadní energie, tepla z odpadního vzduchu. Ve výměníku této jednotky je odpadní vzduch ochlazován, poté je odváděn z budovy. Naopak čerstvý vzduch je ve výměníku ohříván a vháněn do budovy [15] [22] [39]. 26
Větrací tepelné čerpadlo může odebírat teplo jak z odpadního vzduchu (odběr je zajištěn prostřednictvím vedení vzduchotechniky, které je instalováno v místnostech ve kterých se vytváří vlhkost), tak může být tento odběr tepla kombinován s plošným kolektorem nebo vrtem. Nevyžaduje-li objekt aktuální potřebu vytápění nebo ohřevu teplé užitkové vody, potom se nadbytečné teplo z odpadního vzduchu ukládá do země, do podzemního kolektoru. Toto přebytečné teplo uložené v zemi zajistí po celý rok její vyšší teplotu a tepelné čerpadlo následně pracuje s vysokým topným faktorem [22] [26]. Větrací tepelné čerpadlo nepokrývá celou spotřebu tepla, tudíž je nutné použít pro vytápění objektu další zdroj tepla, například plošný zemní kolektor [39]. Použití větracího tepelného čerpadla oproti rekuperační jednotce je efektivnější zejména v případech velkých tepelných zisků v objektu, které rekuperací nedokážeme zužitkovat. Tepelné čerpadlo také dokáže, na rozdíl od rekuperačního zařízení, chladit venkovní příchozí vzduch [39]. Větrací tepelné čerpadlo a rekuperační jednotku lze kombinovat. V tomto případě tepelné čerpadlo ochlazuje vzduch, který opouští rekuperační jednotku. Tato kombinace zapojení umožňuje využít všechnu tepelnou energii ze vzduchu [39]. 4.5.3 Voda 4.5.3.1 Podzemní voda Podzemní voda je považována za zdroj nízkopotenciálního tepla, díky kterému tepelné čerpadlo pracuje, v porovnání s ostatními typy tepelných čerpadel, nejefektivněji. Průměrný roční topný faktor dosahuje velmi vysokých hodnot. Tato vysoká efektivita provozu je dána především poměrně vysokou teplotou podzemní vody a velmi nepatrným kolísáním této teploty v průběhu roku [13]. V hloubkách 15 m a více je teplota vody po celý rok prakticky stálá a pohybuje se v rozmezí 7 až 12 C. Ze zdrojové studny (může být jak klasická, tak vrtaná) je podzemní voda odebírána prostřednictvím ponorného čerpadla do výparníku tepelného čerpadla. Zde dochází k předávání nízkopotenciální energie chladivu. Ochlazená voda je následně vracena do vsakovací studny. Tato voda by se neměla odvádět do kanalizační sítě. Vsakovací studna by měla být umístěna ve směru proudění podzemní vody. Vzdálenost mezi oběma studnami by měla být alespoň 15 m [13] [22] [39]. Podzemní voda jako zdroj nízkopotenciální energie, musí splňovat tyto základní požadavky: vydatnost pramene, čistota vody, hloubka studny [22]. 27
Vydatnost pramene, který zajistí dostatečné množství podzemní vody je primárním požadavkem pro fungování celého systému tepelného čerpadla. Pro běžný rodinný dům se uvažuje přítok přibližně 5 10-5 m 3 s -1 (vztaženo na 1 kw výkonu tepelného čerpadla). Vydatnost pramene podzemní vody a tedy i možnost odběru vody z tohoto zdroje se zjišťuje čerpací zkouškou [20] [22]. Čistota vody je další neméně důležitou podmínkou správné funkce tepelného čerpadla. Voda nesmí být znečištěna mechanickými nečistotami, stejně tak je nevhodná i voda obsahující velké množství železa a minerálů, které by mohly nepříznivě působit na funkci výměníku [22]. Dalším důležitým požadavkem je hloubka studny. U běžného rodinného domu je dostačující hloubka studny do 25 m [22]. 4.5.3.2 Povrchová voda Využití povrchové vody pro zapojení do systému tepelného čerpadla je v České republice spíše teoretickou záležitostí, která se aplikuje velice zřídka. Teplota povrchové vody je nízká, nestálá a může klesnout i pod 0 C. Tepelná energie se z povrchové vody odebírá prostřednictvím kolektoru z PE hadic ukotvených na dně rybníka [13] [22]. 4.5.4 Sluneční energie Tepelnou energii získanou ze slunce prostřednictvím solárních kolektorů je možné úspěšně využít v systému vytápění tepelným čerpadlem. Pokud samotný solární systém dodává dostatek energie pro ohřev teplé užitkové vody nebo vytápění objektu, tepelné čerpadlo se na výrobě tepla nepodílí. V okamžiku, kdy vzrostou nároky na dodávku tepelné energie se teplo získané ze solárního panelu akumuluje ve speciální zásobní nádrži do vody. Tepelné čerpadlo poté zajistí následný dohřev této vody [13] [22] [41] [47]. 28
5 NÁVRH TEPELNÉHO ČERPADLA PRO VYTÁPĚNÍ RODINNÉHO DOMU Předmětem tohoto návrhu je výběr optimálního tepelného čerpadla systému země/voda pro vytápění rodinného domu, pro ohřev teplé užitkové vody v tomto domě a pro celoroční ohřev bazénu. Rodinný dům je situován na úpatí Drahanské vrchoviny v obci Drnovice, okres Vyškov. 5.1 Výpočet tepelných ztrát rodinného domu Základním parametrem pro navržení optimální velikosti tepelného čerpadla k vytápění rodinného domu je tepelná ztráta daného objektu. Tepelné čerpadlo se většinou navrhuje na výkon, který odpovídá 70 až 80 % tepelných ztrát při bivalentním provozu nebo na výkon odpovídající 100 % tepelných ztrát v případě monovalentního provozu [22]. Pro okres Vyškov se obecně uvažuje venkovní výpočtová teplota -12 C. Na základě místního šetření, zhodnocení klimatických podmínek a požadavků investora tepelného čerpadla volíme hodnotu této teploty nižší. Vstupní parametry pro výpočet tepelných ztrát jsou zobrazeny v následující tabulce. Tab. 2: Vstupní parametry pro výpočet tepelných ztrát Kubatura objektu 321 m 3 Průměrná vnitřní výpočtová teplota 22 C Venkovní výpočtová teplota -15 C Intenzita výměny vzduchu 0,4/hod. 5.1.1 Tepelné ztráty prostupem konstrukcemi Tab. 3: Tepelné ztráty jednotlivých typů konstrukcí (zdroj: Mikita Kaplan - ELEKTRO) typ konstrukce Součinitel prostupu tepla Tepelná ztráta Podlaha 0,95 W m -2 K -1 2422,5 W Stěny 0,8 W m -2 K -1 3492,8 W Střecha 0,2 W m -2 K -1 629 W Okna 1,3 W m -2 K -1 769,6 W Dveře, garážová vrata 1,8 W m -2 K -1 399,6 W Tepelná ztráta prostupem konstrukcemi celkem: 7,7 kw 29
5.1.2 Tepelná ztráta větráním Tepelná ztráta větráním celkem: 1,6 kw Celková tepelná ztráta objektu je dána součtem hodnot tepelné ztráty prostupem konstrukcemi a tepelné ztráty větráním. Celková tepelná ztráta daného rodinného domu je 9,3 kw. 5.2 Výběr tepelného čerpadla 5.2.1 Topný faktor - základní parametr tepelného čerpadla Stěžejním parametrem tepelného čerpadla udávajícím efektivitu jeho provozu je bezrozměrná veličina zvaná topný faktor ε T. Tento údaj bývá někdy také značen zkratkou COP, odvozenou z anglického Coefficient of Performance [22] [39]. Karlík (2009) definuje topný faktor jako poměr vyrobeného tepla a spotřebované elektrické energie. Pro výpočet se používá následující podobností vztah: (2) kde: ε T topný faktor [-] Q T teplo získané po přečerpání [J] Q E přiváděná energie pro pohon kompresoru tepelného čerpadla [J] [22] Hodnoty topného faktoru se většinou pohybují v rozmezí od 2,5 do 4,5. U velmi dobrých čerpadel může topný faktor dosahovat hodnot 5. Topný faktor není pevně dán, mění se podle okolních podmínek. Závisí na vstupní teplotě (teplota zdroje nízkopotenciálního tepla) i výstupní teplotě z tepelného čerpadla. Výrobci tepelných čerpadel udávají hodnoty topného faktoru při různých vstupních i výstupních teplotách média. Proto, chceme-li regulérně porovnávat tepelná čerpadla podle hodnoty topného faktoru, je třeba znát podmínky - teplotu média na vstupu a teplotu média na výstupu při kterých byly dané hodnoty topného faktoru získány [22] [39]. 30
Hodnotu topného faktoru lze také stanovit z rozdílu kondenzační a vypařovací teploty. Internetové energetické konzultační a informační středisko ČEA (www.iekis.cz, 2012) udává pro výpočet tento podobnostní vztah: T = T [-] T k k. ( k - T o ) (3) kde: k korekční součinitel respektující skutečný oběh (hodnoty k = 0,4 0,6) T k kondenzační teplota - teplota topného systému [K] T o vypařovací teplota teplota zdroje [K] [21]. Pro dosažení maximální hodnoty topného faktoru je nutné, aby rozdíl teplotních hladin mezi zdrojem tepla a požadovanou výstupní teplotou byl co nejmenší. Teplota ze zdroje nízkopotenciálního tepla by měla být co nejvyšší. Čím je rozdíl teplotních hladin menší, tím má tepelné čerpadlo menší spotřebu energie [21]. Tepelnému čerpadlu je nutno dodávat, kromě energie pro pohon kompresoru, také energii pro pohon oběhových čerpadel. Započteme-li tuto hodnotu do výpočtu topného faktoru dostáváme skutečný topný faktor. Jelikož je požadavek na pohonnou energii oběhových čerpadel velmi malý, tak se tato jejich spotřeba při výpočtu topného faktoru většinou neuvažuje [39]. 5.2.2 Výběr tepelného čerpadla - systém země/voda Tab. 4: Vstupní parametry pro výběr tepelného čerpadla (zdroj: Mikita Kaplan - ELEKTRO) Tepelná ztráta objektu pro vytápění 9,3 kw Požadovaná vnitřní teplota 22 C Roční potřeba elektrické energie pro vytápění 18 415,03 kwh Tepelná ztráta pro teplou užitkovou vodu (TUV) 0,61 kw Roční potřeba elektrické energie pro TUV 5 334,84 kwh Tepelná ztráta pro celoroční ohřev bazénu (plocha 28 m 2 ) 2,8 kwh Roční potřeba elektrické energie pro ohřev bazénu 7 000 kwh Tepelné ztráty pro vytápění, TUV a ohřev bazénu 13,29 kw Roční potřeba elektrické energie pro teplo 30 753,28 kwh Topný systém - podlahové vytápění 0 C / 35 C Roční potřeba elektrické energie pro dům 7 000 kwh Pro vytápění rodinného domu bylo vybráno tepelné čerpadlo značky NIBE FIGHTER 1145-10 pracující v bivalentním provozu 31
Tab. 5: Technické parametry tepelného čerpadla NIBE FIGHTER 1145-10 (zdroj: www.nibe.cz) Příkon kompresoru 1,98 kw Výkon tepelného čerpadla 9,98 kw Topný faktor (0 C / 35 C) 5,04 Výška 150 cm Šířka 60 cm Hloubka 62 cm Hmotnost 170 kg Integrované topné těleso 9 kw Chladivo R407C Navrhovaný tepelný výkon tepelného čerpadla je 9,98 kw. Tepelné čerpadlo pokrývá svým výkonem 94% celkové roční potřeby tepelné energie na vytápění, ohřev teplé užitkové vody a celoroční ohřev bazénu [23]. Toto čerpadlo plně pokrývá potřebný tepelný výkon do teploty bivalence - 3,5 C. Pro krytí nejvyšších hodnot tepelných ztrát je použito, z výroby integrované, topné těleso. Toto těleso má tepelný výkon 9 kw (tento výkon lze nastavit na 3 kw, 6 kw nebo 9 kw) [23]. Zdrojem nízkopotenciálního tepla je vertikální vrt. Hloubka vrtu je 150 m. Délka zemního kolektoru uloženého ve vrtu je 300 m [23]. Tepelné čerpadlo NIBE FIGHTER 1145-10 je standardně vybaveno vestavěnou řídící jednotkou. Tato jednotka umožňuje, v závislosti na venkovní teplotě, upravovat teplotu topné vody. Jedná se o tzv. ekvitermní regulaci. Stejně tak v případě potřeby zajistí spuštění bivalentního zdroje integrovaného topného tělesa [23]. Součástí navrhovaného systému je také bojler s objemem 300 l, který zajišťuje ohřev teplé užitkové vody pro domácnost. Objem tohoto bojleru je během dne dohříván na zadanou teplotu. Po dosažení nastavené spodní meze teploty začne automatické dohřívání teplé užitkové vody v bojleru. Do systému vytápění je dále vložen, pro zvětšení objemu topné vody a pro zajištění dodávky tepla v době blokování činnosti tepelného čerpadla, taktovací zásobník topné vody s objemem 350 l. Minimální objem topné vody v systému je, pro zajištění jeho správného chodu, 15 20 litrů na 1 kw výkonu tepelného čerpadla. Součástí navrhovaného vytápěcího systému je také sada pro připojení bazénu Nibe Pool 40 [23]. 32