Jan Strmniska | 27. 8. 2020

Jak funguje tepelné čerpadlo. Jak to, že můžu doma topit vzduchem, který má třeba -20 stupňů?

V normálním světě musí mít zdroj tepla vyšší teplotu než příjemce. Třeba vařič a hrnec. Ale máme tady fyzikální trik, díky kterému to jde udělat jinak.

Energii vlastně nikdy nejde vyrobit. Jak už tušíme z názvu slavné rovnice, energie je vždy zachována, jen se přeměňuje. Z elektřiny na teplo (přímotop), spalováním něčeho na teplo (plynový nebo jiný kotel) a nebo třeba ze Slunce, což je opět spalování, jen formou termonukleární fúze. A my pak elektromagnetické vlnění dále chytáme. Vyrábíme (chytáme) teplo, ne energii. Takže jak do toho zapadá tepelné čerpadlo?

Není tepelné čerpadlo jen klimoška naopak?

Lednička nebo klimatizace jsou také tepelná čerpadla. Tepelná energie se v nich čerpá z místa, kde ji nechceme (mrazák nebo kancelář), někam jinam, většinou ven, do volného prostoru. Jednoduché. Jenže pokud jde o tepelné čerpadlo v domech, o kterých je tento článek, tohle nemůže fungovat a nebude to stačit. Fungovalo by to, pokud bychom vyhloubili vrt až někam do nitra Země. Tam jsou zbytky energie ještě z doby, kdy Země vznikala. Je to také teplo vyvolané gravitační diferenciací hmoty (ten obrovský tlak dole způsobí uvolňování tepla) a několika dalšími faktory. Jestli vás to zajímá, geologické detaily najdete tady. Zemské jádro má teplotu přes 5000 stupňů, ale navíc při tlaku 1,5 milionu atmosfér. Teplota dolů stoupá dokonce exponenciálně, takže už i relativně malé hloubky dávají smysl. V dolech na stříbro v Kutné Hoře v hloubce 500 metrů neklesly teploty nikdy pod 35 stupňů. V příbramském dole Vojtěch (poprvé na světě se tu v roce 1875 dosáhlo do hloubky 1000 metrů) už bylo žhavých 50 stupňů.

Takže pro tepelné čerpadlo musím mít kilometrový vrt?

Naštěstí ne. Dokonce nemusíte mít žádný vrt. Tepelná čerpadla k vám domů totiž nedodávají geotermální energii, jak se lidé často domnívají, ale jen využívají rozdílu dvou teplot pro vytvoření topného okruhu, do kterého se energie dodává zvenku (elektrická). Funguje to trochu podobně jako fyzika v zemském jádru. Prudkým stlačením (topného média, jako je voda) vznikne teplo. To dělá kompresor/čerpadlo. Podobně jako když pumpujete kolo a pumpička se začne prudce zahřívat. Tepelné čerpadlo tedy zjednodušeně řečeno spojí elektrickou energii a proudění způsobené rozdílem teplot. Proto můžete doma topit vzduchem, který má třeba -20 stupňů. Vy přímo s ním neohříváte. Spíš to teplo koncentrujete a zesilujete. Vlastně topíte na elektřinu. Proto také záleží, z jakého zdroje elektřinu využíváte. Když pochází z uhelných elektráren, není to s ekologií vašeho tepelného čerpadla zas tak moc slavné. Je to ještě trochu složitější, ale pro pochopení to tak stačí.

Tohle je základní princip, jak to funguje. Díky prudkému stlačení topného média kompresorem uprostřed nákresu. Ilustrace: Shutterstock

Existují pak různé typy tepelných čerpadel. Podle toho, mezi jakými systémy přesouváte energii. Když vrtáte do země, je to systém země/voda. To se energie země, kde máte tu díru ven, přesouvá pomocí vodního média. Tedy říkáme voda, ale ve skutečnosti je to nemrznoucí směs. Ale existuje třeba i systém voda/něco, kdy místo vrtu poslouží třeba vedlejší rybník. A pak jsou systémy vzduch/něco, kdy místo vrtání díry pracujete s rozdílem teploty okolního vzduchu. Materiálu máte pak nekonečně, ale není moc stabilní jeho teplota.

A každé tepelné čerpadlo je stejně efektivní?

Kdepak. Říká se tomu tepelný nebo topný faktor, COP (Coeficient Of Performance). To je koeficient, který udává poměr vyprodukovaného tepla a spotřebované energie. Tedy něco jako účinnost tepelného čerpadla. Kolik do toho musíte nalít elektřiny, aby vám to co nejvíc topilo. Čím vyšší topný faktor to zařízení má, tím lépe a tím máte levnější provoz. COP je nejdůležitější parametr tepelných čerpadel.

PŘÍKLAD ROVNICE: když má čerpadlo výkon 10 kW a já mu v konkrétní chvíli dodávám 2 kW z externího zdroje, je výsledný topný faktor 10/2, tedy 5.

Pozor ale na to, že výrobci někdy neuvádí, za jakých podmínek přesně těchto parametrů dosáhli. Což je zásadní. Jde o to, že to samé čerpadlo má za různých podmínek různý topný výkon. Záleží především, jaká je venkovní teplota (u systémů se vzduchem to skáče obrovsky – systémy se zemí jsou stabilnější). Jednou je to 5, jindy 7 a nakonec třeba 2,5.

Chtějte vědět, pro jakou teplotu platí prezentovaný COP.

TIP: Nejlepší porovnání najdete u tepelných čerpadel registrovaných v programu pro kotlíkové dotace. Parametr „Sezonní energetická účinnost“ přesně popisuje úspornost každého konkrétního tepelného čerpadla za konkrétních podmínek a ty jde mezi sebou snadno porovnávat. Seznam registrovaných výrobků je tady. Základní informace o programu kotlíkových dotací, kdy mohou majitelé rodinných domů žádat o finanční příspěvek na výměnu starých, neekologických kotlů na pevná paliva, jsou tady, na webu ministerstva.

Sezonní topný faktor SPF

A aby to nebylo tak jednoduché, COP je vlastně stále ještě docela teoretická kategorie. Pro přesnější představu toho, jak to bude fungovat v reálu, se používá ještě sezonní topný faktor. To jsou výsledky skutečného měření v reálném světě. Nejpodrobnější data má německá agentura Fraunhofer ISE, která má výsledky více než 200 testů skutečných instalací čerpadel. Pro představu, jak se tedy čerpadla chovají v realitě, výsledky jejich testů v novostavbách s podlahovým vytápěním, tedy v místech s maximální efektivitou, jsou SPF = 3,9 (pro tepelná čerpadla ZEMĚ/voda) a SPF = 2,9 (pro VZDUCH/voda). Úplně nejvyšší účinnost SPF 5,2 měl naměřený jediný specifický systém s extrémně hlubokým vrtem 300 metrů.

Vrtání na zahradě pak vypadá takhle. Foto: Shutterstock

Mohu se tedy obejít bez vrtání?

Tepelná čerpadla pracující se vzduchem jsou nyní dost populární. Lehce se dají instalovat, startovní náklady jsou relativně nízké. Ale fyziku neukecáte. Vzduch může mít v zimě třeba -20 stupňů a účinnost je pak už velice nízká. Oproti tomu v hloubce 100 metrů, což je běžná hloubka vrtu pro tato čerpadla, je celoroční stálá teplota 4 stupně. To už jde využít. Jaké jsou typy vrtů?
Buď musíte jít do hloubky, nebo do plochy. Hlubinný vrt je jasný. Pak ale existuje i možnost rozložit to do plochy. Firma vám na zahradě zakope plastové hadice s nemrznoucí směsí. Něco jako obrovskou topnou spirálu. Tohle ale nejde použít jako klimošku a potřebujete mít docela velkou plochu zahrady.

Jak fungují teplotní okruhy?

Nebojte, v topení vám doma neteče kapalina brutálně ochlazená. Když už dáváme extrémní příklad toho, že je venku taková zima: Jeden kapalinový okruh je to, co teče pod zemí, třeba kapalina vysoce ochlazená na -25. Ta se právě ohřívá od okolí. Když máte hezké 4 stupně, tak skvělé, ale může být -20 a pořád to ještě funguje. A tohle vede do čerpadla. Tam se provedou ta kouzla s tlakem a čerpadlo už dodává do druhého okruhu klasickou teplou vodu, která teče do vašich radiátorů.

Vychytávky navíc zdarma

Většina systémů umí i klimatizovat (chladit), takže je na vás, jestli to chcete. Jsou pak i některé, které čistí a zvlhčují vzduch. Třeba čerpadlo IVT Nordic Inverter má zabudovaný ionizační filtr Plasmacluster Ion, který emituje pozitivní a negativní ionty, jež čistí vzduch a útočí na škodlivé látky v celém prostoru objektu s 99% účinností. Pokud tuto funkci zapnete, zbavíte se virů i spórů plísní, a dokonce i statické elektřiny. A ještě budete mít doma vzduch jako po dešti. Čerpadla také umí fungovat na velice úsporný režim, takže třeba jen temperují objekt na 10 stupňů, a když dorazíte, přepnete je naopak krátkodobě na jakési turbo. Speciálně systémy se vzduchem pak nemají problém kdykoli výrazně navýšit výkon. Tohle všechno se dá samozřejmě ovládat i na dálku přes mobil.

O nás: Kalkulátor.cz je srovnávač elektřiny, plynu, brzy i pojištění a mnohem víc. Je to první projekt podobného typu v ČR, který je opravdu fér. Na Kalkulátoru všechny výpočty fungují okamžitě, celé a bez ukecávání do telefonu.

Můžete tak teď na energiích ušetřit tisíce korun ročně. Naše výpočty zahrnují všechny aktuálně dostupné tarify na trhu a u vybraných dodavatelů energií jsme schopni zajistit plynulý přechod bez jakékoli vaší námahy. Neplatíte nic navíc, k ničemu se u nás nezavazujete, peníze na náš provoz získáváme jinak. Smlouvu máte přímo s dodavatelem jakého si vyberete. Spočítejte si svou slevu ihned v našem kalkulátoru energií.