Návrh zapojení tepelného čerpadla se samozřejmě liší hlavně podle typu. Jinak se řeší zapojení primární strany tepelného čerpadla země/voda s hlubinnými vrty, jinak s plošným kolektorem. Stejně rozdílně je třeba přistupovat k tepelnému čerpadlu typu voda/voda a také vzduch/voda.
Jaké režimy tepelného čerpadla existují?
Podle účelu využití tepelného čerpadla (dále jen TČ) je třeba rozhodnout, jaký provozní režim bude využívat. Rozeznáváme:
- Monovalentní režim – tj. režim, při kterém je veškerá potřebná energie dodávána jen pomocí tepelného čerpadla.
- Paralelně bivalentní a monoenergetický režim – takový režim, kdy TČ dodává energii jen do určité vytápěcí teploty a dále se přidá druhý zdroj tepla, který čerpadlu pomůže dotopit.
- Alternativně monovalentní režim – v něm tepelné čerpadlo dodává energii jen do určité teploty jímacího zdroje, pak je celý výkon nahrazen např. elektrickým kotlem (taktéž monoenergetický). Tento režim se využívá tehdy, pokud pod teplotou přepnutí je topný faktor menší než 1 a provoz TČ se nevyplatí.
- Částečně paralelně bivalentní režim – je to kombinace režimu 2 a 3, kdy dochází k určitému souběžnému chodu tepelného čerpadla a elektrokotle.
Především je třeba mít na paměti, že úspěšnost realizace tepelného čerpadla je přímo závislá na splnění „potřeb“ TČ, protože pokud mu řešení primární strany (jímání tepla) nevyhovuje, případně vyhovuje jen částečně, plně se to projeví na jeho výkonu. Velmi důležité je uvědomit si, že výkon čerpadla je přímo závislý na jímacích podmínkách, které se navíc v průběhu roku mění. Tím je proměnlivý i jeho výkon.
Jaké jsou zásady při návrhu a zapojení tepelného čerpadla?
Zapojení tepelného čerpadla země/voda
U tepelných čerpadel země/voda s hlubinnými vrty je jejich výkon v čase nejstálejší, protože v zemské kůře je teplota v okolí místa jímání tepla téměř konstantní. Při návrhu sond je třeba počítat s jímací schopností, která je závislá na typu horniny a jejím zavodnění. Střední hodnota se v České republice pohybuje okolo 50 W na metr hloubky. U rozsáhlejších aplikací je třeba provést zkoušku (např. GRT test) autorizovanou firmou, aby po čase nedošlo k vyčerpání vrtů.
U čerpadel země/voda s plošnými kolektory je teplota okolní zeminy (hloubka kolektoru cca 1,2 – 1,5 m pod povrchem) silně ovlivňována slunečním zářením, a proto kolísá i mezi létem a zimou. Teplota zeminy může být v létě vyšší (i přes 20 °C), takže se ne vždy dají tato čerpadla využít k pasivnímu chlazení objektu.
U obou typů TČ je třeba uvažovat s realizací expanzní nádoby, která slouží k zachycení objemových změn provozní kapaliny. Návrh její velikosti a plnící tlak lze najít v technických předpisech, je ale třeba mít poměrně větší technické znalosti. Proto se tento návrh doporučuje přenechat odborníkům.
Návrh zapojení pro tepelná čerpadla voda/voda
Při návrhu tepelného čerpadla voda/voda je třeba dbát především na polohu mezi jímacím a vsakovacím vrtem (studnou) podzemní vody. Ty musí být tzv. po vodě, tedy jímací vrt musí být na toku dříve než vsakovací, aby nebyl ovlivňován.
Dále je třeba provést poměrně dlouhodobou čerpací zkoušku, aby došlo k průkazu, že jímací množství tepla je dostatečné. Teplotní spád mezi sondami při chodu TČ nesmí být více jak 2–3 K. Celoročně nemůže být teplota jímané vody nižší než +5 až +7 °C, jinak by došlo k zamrznutí výparníku.
Neméně důležitou vlastností jímané vody je její chemické složení, které přímo ovlivňuje poškozování výměníku chemickou agresivitou a případné nečistoty, proto se doporučuje meziokruh s výměníkem.
Návrh zapojení pro tepelná čerpadla vzduch/voda
U dnes nejčastěji používaných tepelných čerpadel vzduch/voda se jímací strana moc řešit nemusí, protože vzduchu kolem nás je zatím dostatek a průchodem přes čerpadlo se neznehodnocuje, jen snižuje jeho teplota. S tímto faktem je třeba počítat při osazování rostlin okolo výdechů ochlazeného vzduchu tepelného čerpadla.
Dále je třeba dbát na ovlivňování okolí hlukem vydávaným používaným TČ. K tomu je vhodné (a stavební úřady to většinou vyžadují) nechat si zpracovat hlukovou studii ovlivnění okolí a tím po realizaci předejít případným sousedským sporům.
Tip: Přečtěte si více o hlučnosti tepelných čerpadel a radách pro jejich umístění
Dimenzování otopné soustavy
Dalším dimenzovaným okruhem je otopná soustava. Prvním kritériem pro její návrh je maximální možná teplota vytápěcí vody. Ta je závislá na použitém tepelném čerpadle a je vždy udávána výrobcem. Této teplotě je třeba přizpůsobit charakter otopné plochy; u běžných TČ se pohybuje okolo 55 °C. Špičková TČ dosahují použitím nových technologií (vstřik části chladiva do kompresoru), případně nových chladiv teplot, výstupní vody až 70 °C. Tomu je třeba přizpůsobit typ otopné plochy. Čím je teplota nižší, tím je menší jmenovitý výkon z m2 této plochy a je tedy potřeba větší plochy k dosažení stejného výkonu. Tomu nejlépe vyhovuje podlahové vytápění, kterému stačí teplota vytápěcí vody i pod 40 °C. Naopak pro čerpadla s vysokou výstupní teplotou lze použít i desková otopná tělesa.
Vždy je však třeba sledovat tzv. topný faktor, což je hodnota, kterou udávají pro konkrétní podmínky výrobci TČ. Značí, kolik tepelné energie (nejčastěji elektrické) se získá z TČ při příkonu 1 kW. Pro přesnější vyhodnocení slouží tzv. sezónní topný faktor, který udává průměrnou hodnotu za celou sezónu včetně započtení spotřebované primární energie i pro pohon oběhových čerpadel, případně ventilátorů u tepelných čerpadel vzduch/voda.
Pro návrh velikosti TČ a otopné plochy je také velmi důležitý sjednaný odběrový tarif s dodavatelem elektrické energie. Pokud je například sjednán odběr po dobu 20 hodin denně s tím, že 4 hodiny, kdy je přívod energie zastaven, nesmí dodavatel používat v celku, ale jen maximálně 2 a 2 hodiny, a také s tím, že časový úsek mezi přestávkami nesmí být kratší než 4 hodiny, je třeba zohlednit akumulační schopnost vytápění stavby, aby nedocházelo k příliš velkému poklesu vnitřní teploty v budově v případě odstávky energie. Tomu se často předchází vložením dostatečně velké akumulační nádrže mezi TČ a otopnou soustavu, která tuto přestávku překoná a navíc pomůže s vylepšením hydraulických podmínek v soustavě.
U tepelného čerpadla typu vzduch/voda se tato nádrž využívá také ke zpětnému získání energie pro odtávání výparníku při teplotách okolo +7 až 0 °C, kdy dochází k největšímu namrzání vzdušné vlhkosti na jeho lamelách. Pro TČ o výkonu 10 kW postačí akumulační nádrž o objemu 200 litrů. Dále je při návrhu výkonu nutné počítat s tím, že v době odtávání není TČ v provozu. Tato doba může být cca 10 min z hodiny. Zároveň je třeba zajistit odvod zkondenzované vody tak, aby se pod venkovní jednotkou netvořila homole ledu, která by za čas ledem zabalila i výparník.
Důslednost při návrhu a zapojení čerpadla je důležitá
Z předchozího textu je patrné, že návrh tepelného čerpadla, otopné soustavy a jejich následné zapojení není jednoduchou záležitostí. Pokud z tepelného čerpadla chceme vytěžit maximum co do výkonu i životnosti, důslednost při plánování a realizaci je nezbytná. Proto se oplatí svěřit tyto úkony odborníkům z řad výrobců TČ, případně odborných topenářských firem s dostatečnou praxí.
