Oblasť tepelných čerpadiel ako zdroj tepla ohrev vody pre TÚV a ÚK  
 

 

  
 
 
     
 
 
     
 
Otázka:
 Kedy je možné bez problémov použiť tepelné čerpadlo na vykurovanie domu, dá sa ním nahradiť klasický vykurovací kotol?
Odpoveď:
 Napriek tomu, že úlohou obchodníkov je predať zariadenie zákazníkovi za každú cenu, je nutné v tomto prípade myslieť aj na to, či zariadenie splní svoj účel a zaistí užívateľovi plné pokrytie jeho energetických potrieb. A práve tepelné čerpadlá patria do kategórie, ktorá vyžaduje určité podmienky, za ktorých budú plne funkčné. Podmieňujú to v prvom rade fyzikálne zákony, ktoré nie je možné nijak obísť:
-maximálna výstupná teplota podmienená maximálnou kondenzačnou teplotou chladiva (zdroj úžitkovej teploty tepelného čerpadla) je 50-55oC.
-výkon vyjadrený v kW tepla je nutné do priestoru (rodinného domu) odovzdať pri povrchovej teplote vykurovacieho telesa zodpovedajúcej výstupnej teplote z tepelného čerpadla. Bohužiaľ, v praktických podmienkach je nutné pre zachovanie dostatočnej efektívnosti (pomeru príkonu k výkonu tepelného čerpadla) výstupnú teplotu držať ešte nižšie. Ak má dom radiátory dimenzované na teplotu vykurovacej vody 90oC, čo je pre plynový kotol optimálny režim, pri zapojení tepelného čerpadla do systému sa nám nepodarí jeho výkon cez takéto radiátory odviesť do priestoru. Samozrejme môžeme doplniť články ,alebo radiátorové panely a znásobiť aktívnu plochu pre odovzdávanie tepla, ale nemáme tým ešte vyhrané. Pri snahe odovzdať plný výkon cez zväčšené vykurovacie telesá zistíme, že musíme znásobiť aj množstvo vykurovacej vody, ktorá telesami pretečie. A to riešiť len výmenou obehového čerpadla za silnejšie vždy nejde- musíme mať dostatočnú svetlosť rozvodného potrubia vykurovacej vody.
Mnoho problémov odpadá pri novostavbách, kde sa s otázkou nízkopotenciálového vykurovania počíta. Do tejto kategórie patria okrem veľkoplošných radiátorových sústav aj systémy podlahového a stenového vykurovania, ktoré sú obzvlášť vhodné pre prevádzku s tepelným čerpadlom alebo solárnym systémom.
Dom, ktorý má mať efektívnu prevádzku s akýmkoľvek moderným alternatívnym zdrojom, musí mať aj iné predpoklady:
Musí mať enviromentálnu štrukturovanosť, v ktorej sa odráža okrem kvalitnej dobre izolovanej stavby (najlacnejšia je nespotrebovaná energia) aj riešenie pasívneho získavania tepla a celkového režimu jeho obyvateľov (vetranie, rekuperácia a iné).
 
     
 
Otázka: Ak mám dobre izolovaný dom s nízkopotenciálovým vykurovaním (podlahovka na prízemí a veľkoplošné radiátory na poschodí), ako môžem zakomponovať do systému tepelné čerpadlo a čo ešte potrebujem?
Odpoveď: Tepelné čerpadlo nie je perpetum mobile a na svoju prevádzku potrebuje energiu.
Tú delíme na primárnu, získavanú z prírody (z pôdy, z vody, zo vzduchu alebo solárneho akumulátora) a sekundárnu, ktorá poháňa čerpadlá a kompresor transformujúci energiu z prírody na využiteľnú hodnotu (napr.10oC teplú pôdu podchladzujeme na 2-3 oC a v tepelnom čerpadle produkujeme 45-55oC do vykurovania).Určitou výhodou je, že teplo vyprodukované samotným kompresorom sa nestráca , ale je príspevkom do výkonu tepelného čerpadla. Z týchto poznatkov vychádza aj otázka , akým spôsobom môžeme predovšetkým primárnu energiu získať. Zase nám do problematiky vstupujú fyzikálne zákony a pri fakte, že počet kilowattov tepla ktoré chceme odovzdať do domu, musí zodpovedať počtu kilowattov, ktoré odoberieme z prírody, potom pochopíme , že tento fakt nie je vôbec jednoduchá záležitosť:
-ak našim primárnym zdrojom je vzduch, na jeho využívanie potrebujeme relatívne lacný rebrovaný výmenník s ventilátorom, ktorý intenzitu odberu vzduchu zaistí jeho núteným prefúkavaním cez úmerne veľkú konvekčnú plochu rebrovania. Žiaľ v zimnom období, keď je potreba odberu najžiadanejšia, je kvalita vzduchu súvisiaca s okolitou teplotou najnižšia a podmienky na získavanie prírodnej energie sú najhoršie. Efektívnosť sa pri veľmi nízkych teplotách blíži 1:1 (1 kilowatt elektrickej energie na pohon systému produkuje 1 kilowatt
energie využitej z prírody) a systém stráca efektívnosť. Tepelné čerpadlá využívajúce vzduch sú lacné, ale okrem problémov s efektívnosťou v zimnej prevádzke sa potýkajú s otázkou cyklického rozmrazovania vonkajšej jednotky, ktorá v procese prevádzky namŕza a je potrebné počítať aj s určitou hladinou hlučnosti produkovanou ventilačnou sústavou.
Na druhej strane je kritická doba relatívne krátka (niekoľko týždňov v roku) a pri spojení s lacným závesným kotlom, alebo s elektrovložkou ktorú často tvorí výbava tepelného čerpadla sa dá zaistiť celoročná prevádzka s efektom značných úspor.
-ak budeme ako primárny zdroj využívať pôdu, dostaneme výhodu, že v určitej hĺbke (už pod 1,2 metra) sa nám podarí získať pomerne stabilnú teplotu. Napriek tomu ešte nemáme vyhrané. Musíme si uvedomiť, že pôda má svoju vodivosť a keď z nej budeme odoberať energiu, tak sa nám podchladí. A aby sme sa nedostali pod bod mrazu nemôžeme energiu čerpať z malej plochy, systém by nám spôsobil vytvorenie ľadového koreňa a my by sme do vykurovaného objektu nedostali takmer žiadny výkon. Empirické vzťahy nás teda doviedli do poznatku, že keď vytvoríme v nemrznúcej hĺbke veľkoplošný kolektor z rúr tvaru meandra a sľučiek, musíme na získavanie energie obetovať plochu minimálne 2x takú , aká je vykurovaná plocha objektu.
-Ak si nechceme nechať rozrýpať celú záhradu, potom nás napadne ísť do hĺbky. Ale pozor, napriek tomu, že so vzrastajúcou hĺbkou nám teplota pôdy vzrastá, pre nás to nemá až taký význam, ako si mnoho ľudí predstavuje. Znova tu vstupujú zákony fyziky do hry a my si musíme uvedomiť, že bez dostatočnej aktívnej plochy z ktorej budeme odoberať energiu a zamedzenia lokálneho podchladenia (pôda musí deficit energie stíhať dopĺňať) sa nedostaneme k potrebnému výkonu. Preto reálne vrty potrebné pre rodinný dom sa pohybujú na úrovni 100 m. A neide o dosiahnutú hĺbku a teplotu v nej, ako sa mnoho ľudí mylne domnieva, ale o plochu vzniklú pozdĺž steny vrtu, ktorá celá slúži na odber energie. Ak je to výhodné, potom sa môže na rovnaký rozmer realizovať niekoľko kratších vrtov, ale v dostatočnej osovej vzdialenosti, aby sa tepelne vzájomne neovplyvňovali.
-Ak máme šancu využiť podzemné pramene na svojom pozemku môžeme na vŕtaní hodne ušetriť, ale pozor, voda je síce ideálny nosič energie a dá sa výhodne transportovať na želané miesto, ale pri jej reálnej teplote na zásobovanie procesu prebiehajúceho v tepelnom čerpadle jej potrebujeme značné množstvo, v trvalom prítoku a musíme ju podchladenú vrátiť do zeme
na takom mieste, aby sa nám nezmiešala s tou , ktorú používame na energetický odber. Preto sa v praxi vŕtajú dve dostatočne vzdialené studne, jedna na odber (rádove litre za sekundu!) a druhá na vsakovanie do zeme za rovnakých prietokových podmienok. Toto riešenie nie je ideálne ani z titulu zanášania výmenníka, pokiaľ voda vykazuje tvrdosť. Stáva sa dokonca, že činnosť väčšieho zariadenia s tepelným čerpadlom spôsobuje podmývanie základov priľahlých stavieb.
-Mať tak vlastný rybníček, alebo jazierko, dalo by sa jeho dno výhodne využiť na uloženie kolektorovej sľučky , ale takéto realizácie sú u nás z hľadiska vodohospodárskeho zákona dosť nereálne.
Ak sme našli vhodný primárny zdroj (uviedli sme len najčastejšie používané) a máme v kotolni miesto pre samotné zariadenie tepelného čerpadla, potom musíme do jeho vstupu pripojiť médium privádzajúce vonkajšiu energiu. Pre vzdušný systém to je chladiarenské potrubie naplnené chladivom, pre ostatné systémy hadicová sľučka naplnená nemrznúcou zmesou. Obehové čerpadlo ktoré je súčasťou zariadenia zaistí transport energie cez primárny výmenník. Zariadenie sa samozrejme musí zapojiť na elektrickú energiu a na výstup sa môže pripojiť spotrebič: zásobník teplej úžitkovej vody, vykurovacia sústava. Slúži k tomu zabudovaný výmenník a sekundárne obehové čerpadlo. Na výstupe je v prípade nízkoobjemovej vykurovacej sústavy doporučené inštalovanie akumulátora (zásobníka o objeme napr. 600 litrov). Zabráni sa tým problémom v regulácii výkonu tepelného čerpadla, ktoré je pomerne tvrdým zdrojom a v prípade náhleho poklesu odberu energie z výstupu sa môže zacyklovať a znížiť životnosť kompresora zbytočnými reštartmi. Má to svoj význam aj pri diaľkovom vypínaní počas zvýšenej tarify elektrickej energie.
 
     
 
Otázka: Ako vyzerá zemný kolektor pre získavanie tepla z pôdy a budem vedieť si ho v prípade možnosti vedieť aj svojpomocne vyrobiť?
Odpoveď:

Zemný kolektor je vlastne plastová hadica o priemere 40 mm z PEM o hrúbke steny 2,4 mm naplnená nemrznúcou zmesou. Jej celková dĺžka dosahuje stovky metrov(60m na 1kW je približná hodnota pre dostatočne vlhkú pôdu) s tým, že nad 400m sa už doporučuje deliť na dve paralelné sľučky po 200 metrov. Na pozemku sa vyčlení plocha 2-3 násobná oproti vykurovanej ploche domu.
Podľa dĺžky potrubia si plochu rozdelíme tak, aby sme z nej vytvorenú sľučku-meander-špirálu rovnomerne rozdelili na celú plochu. Povrch si označíme napríklad vápnom, alebo vykolíkujeme a do hĺbky 1-1,2 m vykopeme ryhu, ktorú vysypeme pieskom, vkladáme hadicu a môžeme ju priebežne prisypávať. Alternatívny postup je aj taký, že začneme od päty domu a ukladáme hadicu postupne v radoch s osovou vzdialenosťou min 1 m.
Obe konce hadice musia ústiť do kotolne k miestu, kde bude agregát. To je všetko.
Hadica sa bežne používa pre rozvody vody, jediná podmienka je pre dobrý prestup tepla- mala by byť tenkostenná. Pre budúcnosť je vhodné nad povrch trasy hadice uložiť vyznačovaciu fóliu!
 
     
 
Otázka:
 Ak si chcem nechať urobiť hĺbkový vrt pre získanie tepla zo zeme ako mám postupovať?
Odpoveď:

Praktický postup je veľmi jednoduchý. Pred tým, ako si dohodneme príchod vŕtacej súpravy pripravíme si PEM hadicu (32x2,9 alebo lepšie 40x 3,7) s tým, že polovica celkovej dĺžky vytvorenej „U“ sľučkou tvorí vlastne hĺbku vrtu. Celkovú dĺžku rozvinutej hadice dimenzujeme vzhľadom na reálny predpoklad dostatočnej hĺbkovej vlhkosti 50-60 m na 1 kW požadovaného tepelného výkonu. Hadicu naplníme vodou a na ohybe pripevníme závažie .Po dosiahnutí želanej hĺbky U hadicu spustíme do vývrtu a môžeme ju prisypať.
Priemer vývrtu stačí okolo 150mm, žiadne vložkovanie nie je nutné. Pre dobrú účinnosť je
zaplavenie vývrtu vodou a zbortenie stien iba výhodou. (neskôr vodu v hadici nahradíme nemrznúcou zmesou.) Do kotolne vykopeme ryhu a dovedieme konce hadíc v nemrznúcej hĺbe s dostatočným oddelením „teplej a studenej“ vetvy k zariadeniu. Prívodnú trasu je možné alternatívne aj zaizolovať, ak hrozí namrznutie, alebo vzájomné ovplyvňovanie vetiev primárnej hadice. Ak je miesto vývrtu od kotolne veľmi vzdialené, prívodnú trasu vyhotovujeme ako zemný kolektor s horeuvedenými zásadami (aj táto trasa môže prispievať k celkovému získavaniu energie).
 
     
 
Otázka:
 S akým výkonom tepelného čerpadla mám počítať pri návrhu do rodinného domu keď mám teraz plynový kotol o výkone 14 kW ?
Odpoveď:
 Pri dimenzovaní tepelných čerpadiel platia úplne iné pravidlá ,ako sú pri dimenzovaní kotlov. Energia získateľná z kotla je k dispozícii kedykoľvek a získať špičkový výkon počas vykurovacieho obdobia je otázkou jeho nadimenzovania s určitou ( v konvenčnej praxi s dosť vysokou )rezervou . Cena samotného kotla, odhliadnúc od špeciálnych riešení( kondenzačný kotol) nie je podstatnou investíciou. Dosť na tom, že pri súčasných cenách tepelných čerpadiel je otázka ich efektívneho využitia počas celoroku oproti kotlu nie nepodstatná položka. Ak bude tepelné čerpadlo o výkone 12 kW 9-10 mesiacov nevyužité (na výrobu teplej úžitkovej vody stačí 1,5-2 kW výkon), potom v zimnej prevádzke , keď sa jeho účinnosť znižuje (aj pri stabilnej primárnej teplote zo zeme) akonáhle potrebujeme do kúrenia hajcovať viac ako 45oC, dostávame sa do polohy zbytočne predimenzovaného, celý rok málo vyťaženého zdroja s vysokými vstupnými nákladmi, ktorý aj tak v extrémnych situáciách (výnimočné mrazy) nestačí pokryť potreby domu.
Preto sa výkon tepelného čerpadla dimenzuje na 55-70% nominálneho výkonu. Aký to má význam?
Celý návrh ide do polohy ekonomickej efektívnosti. Je v praxi overené, že takto „poddimenzované „tepelné čerpadlo, ktorému pomôže lacný nenáročný zdroj, aj tak zapnutý do prevádzky len pár týždňov v roku, takpovediac len na výpomoc, zaručí dobrú návratnosť a skoré zefektívnenie investície.