Tepelné čerpadlo funguje so zdrojmi primárnej energie, ktoré sú bezplatne k dispozícii. Voda, vzduch a zem sú obnoviteľnými zdrojmi energie pre techniku tepelných čerpadiel, ktorá zabezpečuje nezávislosť od fosílnych palív, ako sú olej a plyn. Jedným zo systémových variantov je tepelné čerpadlo zem/voda, ktoré sa označuje aj ako zemné tepelné čerpadlo.
Princíp fungovania a zdroje energie
Tepelné čerpadlo zem/voda využíva ako zdroj energie teplo zo zeme. Zem je totiž vynikajúcim zásobníkom geotermálnej energie. Teploty sa po celý rok pohybujú medzi siedmimi a trinástimi stupňami Celzia. Platí to aj pre chladné ročné obdobie a aj vtedy, keď je horná vrstva zeme zamrznutá. Bez ohľadu na región, kde sa tepelné čerpadlo inštaluje, nie je potrebné riešiť pomocný zdroj tepla.
Celý proces umožňuje takzvaný primárny okruh. Skladá sa z dlhých plastových rúr, ktoré spájajú zem s tepelným čerpadlom. Na dopravu geotermálnej energie prúdi cez potrubie kvapalina. Kvapalina sa skladá z vody a nemrznúcej zmesi (soľanky) a nezamrzne ani pri teplotách pod nula stupňov Celzia. Zachytáva geotermálnu energiu, zohrieva sa a túto energiu potom znovu odovzdáva výmenníku tepla na tepelnom čerpadle.
Možnosti odberu tepla zo zeme
- Zemné sondy: Realizujú sa od 40 až do hĺbky 130 metrov. Sondy sa zapúšťajú do zeme vertikálne prostredníctvom vrtu, preto je potreba miesta pre realizáciu oveľa menšia. Na tieto vrty je potrebné povolenie banského úradu.
- Zemné kolektory: Na rozdiel od sond sú položené horizontálne a na veľkej ploche. Ukladajú sa do hĺbky minimálne 1,2 až 1,5 metra (nezamrznutá hĺbka). Odstup medzi jednotlivými rúrami je 0,3 až 0,8 metra.
Pokiaľ ide o zvýšenie odberného výkonu kolektorov, oplatí sa nechať vsakovať na týchto plochách dažďovú vodu, pretože tým sa zvýši schopnosť pôdnych vrstiev akumulovať teplo. Výhodná je aj kombinácia s solárnym zariadením, ktoré počas leta odovzdáva nadbytočné teplo do zeme a zvyšuje tak teplotu zdroja.
Účinnosť a ekonomika prevádzky
Účinnosť tepelného čerpadla zem/voda je o to vyššia, o čo menší je rozdiel medzi teplotami zdroja a vykurovacieho systému. Účinnosť udáva výkonové číslo (COP) alebo ročné pracovné číslo (SCOP). V súčasnej dobe neexistuje ekologickejší spôsob vykurovania bez vzniku škodlivých emisií.
Tabuľka: Orientačné náklady na inštaláciu
| Typ komponentu | Odhadovaná cena |
|---|---|
| Hĺbkový vrt (sondy) | 40 - 80 € / meter hĺbky |
| Zemné kolektory | 20 - 30 € / m² plochy |
| Technológia čerpadla | 10 000 - 15 000 € |
Životnosť zemných tepelných čerpadiel je väčšinou až o 1/3 dlhšia ako pri vzduchových čerpadlách. Pri správnom návrhu je životnosť kompresora cca 50 000 - 70 000 prevádzkových hodín, čo predstavuje viac ako 20 rokov prevádzky.
Chladenie pomocou tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlo a stropné chladenie tvoria ideálnu kombináciu. Zmena tepelnej energie vody alebo zeme na chlad či teplo je základnou prácou týchto zariadení. Rozlišujeme dva základné spôsoby:
Pasívne chladenie
Pasívne chladenie (natural cooling) využíva nízku teplotu zeme v lete. Energia odobraná cez systém podlahového alebo stropného vykurovania sa cez výmenník tepla odovzdá do okruhu nemrznúcej zmesi a následne do zeme. Tento systém dokáže vyprodukovať viac než 10-násobne vyššiu účinnosť v porovnaní s aktívnymi systémami, pretože kompresor tepelného čerpadla nie je v prevádzke.
Aktívne chladenie
Pri aktívnom chladení funguje tepelné čerpadlo v reverznom chode. Teplý vzduch sa odoberá z interiéru a odvádza sa do okolitého prostredia. Tento proces vyžaduje prevádzku kompresora, a teda spotrebúva elektrickú energiu podobne ako klasická klimatizácia.
Ako fungujú geotermálne tepelné čerpadlá
Ohrev teplej úžitkovej vody (TÚV)
Ohrev TÚV môže v domácnostiach predstavovať až 50 % spotreby energií. Tepelné čerpadlá sú výrazne úspornejšie ako tradičné elektrické bojlery. Štatistiky potvrdzujú, že pri ohreve vody tepelným čerpadlom sa spotrebuje o 60 % až 75 % menej elektriny.
Zariadenia ako NIBE alebo Viessmann umožňujú ohriať vodu až na 65 °C bez použitia prídavného elektrického telesa. V prípade dvojrežimovej prevádzky so solárnym systémom regulácia zabezpečí, že ak je aktívny solárny okruh, tepelné čerpadlo vodu nevyrába, čím sa maximalizuje využitie bezplatnej energie zo slnka.
Výhody oddeleného ohrevu TÚV:
- Nízke investičné a prevádzkové náklady.
- Možnosť úplne vypnúť hlavný kotol počas letných mesiacov.
- Dehumidifikácia (odvlhčovanie) priestorov, napríklad pivnice, kde je zariadenie inštalované.
- Zníženie rizika vzniku plesní a ochrana muriva.
Analýza reálnej prevádzky a COP
Dlhodobé merania v reálnych podmienkach rodinných domov ukazujú, že sezónna hodnota COP na prípravu teplej vody nie je konštantná. Ovplyvňuje ju kolísanie teploty pôdy a aktuálny režim prevádzky:
- Režim s vykurovaním: Priemerné COP je nižšie kvôli častému prepínaniu a nižším teplotám primárneho okruhu v zime (cca 2,33).
- Režim bez chladenia a vykurovania: V prechodných obdobiach COP stúpa až k hodnotám 2,95 vďaka regenerácii pôdy slnečným žiarením.
- Režim s chladením: Dosahuje najvyššiu efektivitu (COP až 3,23). Odpadové teplo z chladenia budovy sa ukladá do zeme, čím zvyšuje teplotu primárneho zdroja pre následný ohrev TÚV.