V České republice slaví tepelná čerpadla vzduch-voda v posledních letech fenomenální úspěch. Jejich podíl na celkových prodejích tepelných čerpadel přesahuje 95 % a instalace systémů země-voda nebo voda-voda neustále klesá. Je to správný trend?

V zemích západní Evropy jsou vzduchová tepelná čerpadla také populární, ale poměr jejich prodejů není tak extrémní jako u nás.

Systém tepelných čerpadel vzduch-voda, který byl ještě před 20 lety prakticky neznámý, se v poslední době s rozvojem elektronického vstřikování chladiva a technologie plynulého řízení výkonu podstatně technicky vylepšil. Jde o nejdostupnější typ tepelného čerpadla vhodný pro vytápění, ohřev teplé vody, s možností letního chlazení a se snadnou a rychlou instalací. V porovnání s jinými systémy tepelných čerpadel ale dosahuje typ vzduch-voda nižší účinnosti, proto doporučujeme instalaci zejména do zateplených objektů s nižší spotřebou energie.

Účinnost (COP) vytápění a chlazení

Někteří prodejci vzduchových čerpadel občas překrucují realitu a nadhodnocují jejich účinnost. Nicméně z fyzikální podstaty vyplývá, že tato čerpadla mají poněkud nižší efektivitu při vytápění a také při chlazení než konkurenční systémy země-voda nebo voda-voda. Je to dáno několika faktory:

U tepelných čerpadel vzduch-voda se vytváří námraza na výparníku při venkovní teplotě přibližně +4 °C a nižší. Námrazu je nutné cyklicky odtávat dodatečným teplem (obvykle reverzací chodu). Přibližně 70 % tepla na vytápění, které tepelné čerpadlo v průběhu topné sezóny vyprodukuje, je zatíženo touto prémií v podobě dodatečné spotřeby energie.
Vzduch má malou tepelnou kapacitu, díky čemuž je vypařovací teplota chladiva vůči teplotě okolního vzduchu výrazně snížená, běžně o 8-12 °C. Při venkovní teplotě +2 °C je tedy vypařovací teplota chladiva pouze cca -8 °C, což zvyšuje příkon kompresoru a zhoršuje COP.
Při extrémně nízkých teplotách klesá účinnost a výkon tepelného čerpadla vzduch-voda do té míry, že je buď nezbytné přivádět dodatečné teplo z jiného zdroje – obvykle elektrokotle, nebo se využije vysoký příkon kompresoru při maximálních otáčkách. Výsledek je podobný: významně se zvýší hodnota elektrického příkonu a zhorší topný faktor.
V režimu reverzačního chlazení je logicky mnohem efektivnější mařit odváděné teplo do chladné země (země-voda) nebo vody (voda-voda) než do okolního vyhřátého vzduchu, proto je účinnost letního chlazení vzduchovým tepelným čerpadlem horší.

Dimenzování a zapojení tepelného čerpadla vzduch-voda

Specifickou výhodou tepelného čerpadla vzduch-voda je vysoká účinnost vytápění v letním období. Proto, je-li uvažováno použití tepelného čerpadla i pro sezónní ohřev bazénu, může být vzduchové čerpadlo výhodnější než země-voda nebo voda-voda.

Podlahové, stěnové či stropní vytápění je výhodné i pro letní bezkondenzační chlazení interiéru: bez jakýchkoliv dalších investic do chladící soustavy je možné účinně ochlazovat přehřátý interiér. Při využití tzv. desuperheateru lze dokonce odpadním teplem z chlazení částečně ohřívat teplou vodu. Instalace tepelného čerpadla v rodinném domě znamená sníženou sazbu elektřiny pro celou domácnost, což poměrně významně šetří další náklady a pomáhá snížit návratnost investice.

Ideální je instalace vzduchového tepelného čerpadla do domů s tepelnou ztrátou do 8-10 kW a s velkoplošnou otopnou soustavou typu podlahového, stěnového nebo stropního vytápění. S kvalitním tepelným čerpadlem je možné v takovém případě dosáhnout průměrné účinnosti vytápění SCOP blížící se hodnotě 4. Znamená to, že u domu s tepelnou ztrátou 10 kW mohou náklady na vytápění a celoroční ohřev teplé vody pro 4 osoby klesnout až k částce okolo 20 tisíc Kč (cena elektrické energie v sazbě D57d pro rok 2020). Vhledem k tomu, že většina nové postavených domů má tepelnou ztrátu jen okolo 6-7 kW, výsledný účet bude ještě nižší.

Pokud má dům malou tepelnou ztrátu a spotřeba tepla pro vytápění je nízká, nižší provozní účinnost tepelného čerpadla nehraje významnou roli.

Provozní náklady

Pro zajištění kvalitního a úsporného vytápění je důležité zvolit správný výkon tepelného čerpadla. Ten musí korespondovat s tepelnou ztrátou objektu při nízkých venkovních teplotách, resp. při tzv. výpočtové venkovní teplotě dané polohou objektu. Výpočet tepelné ztráty určuje norma EN 12 831.

Výkon vzduchového tepelného čerpadla při podmínkách A7/W35 (venkovní teplota 7 °C, výstupní teplota topné vody 35 °C) musí s dodatečnou rezervou na ohřev teplé vody pokrýt celou hodnotu tepelné ztráty. U tepelných čerpadel s proměnným výkonem kompresoru (inverter) se za směrodatný výkon považuje hodnota topného výkonu při středních otáčkách kompresoru. Při orientačním návrhu topného výkonu tepelného čerpadla je možné vycházet také z údaje na energetickém štítku tepelného čerpadla.

Pokud je tepelné čerpadlo zapojeno do klasických otopných těles – radiátorů – energetický štítek musí obsahovat hodnocení energetické účinnosti jak při nízko teplotním (teplota výstupní vody 35 °C), tak při středně teplotním provozu (55 °C). Vedle dostatečného výkonu je nezbytné dbát na to, aby otopná soustava pracovala s nejvyšší teplotou topné vody 45-55 °C. Pokud je teplotní spád vyšší, hrozí, že otopná soustava nebude schopná přenést topný výkon tepelného čerpadla do interiéru a tepelné čerpadlo bude vypadávat do poruchových stavů.

Tepelné čerpadlo je možné zapojit do otopné soustavy napřímo jako součást okruhu vytápění, nebo prostřednictvím akumulačního zásobníku. První způsob je instalačně a prostorově nenáročný a provozně efektivní, ale vyžaduje dostatečně velkou kapacitu otopné soustavy (s ohledem na odtávání výparníku). Dále je nutné omezit regulační prvky, např. termostatické ventily nebo hlavice, které ovlivňují průtok otopnou soustavou a mohou způsobovat poruchové stavy tepelného čerpadla vyvolané nedostatečným průtokem.

Instalace akumulačního zásobníku, který plní současně funkci anuloidu, tyto vlivy zcela eliminuje a je také nezbytný při zapojení tepelného čerpadla do soustavy s jiným zdrojem tepla (např. krbovou vložkou) nebo u více okruhových otopných soustav.

Vzduch-voda u velkých objektů

Technologie vzduch-voda není vázána pouze pro vytápění malých rodinných domů. U velkých objektů typu výrobních a sportovních hal, bytových domů, administrativních a obchodních center, škol a podobně – pokud není možné použít zemní tepelné čerpadlo – je typ vzduch-voda dobrou volbou.

Potřebný topný výkon se obvykle vyskládá z několika tepelných čerpadel zapojených do kaskády, kdy regulace připíná jednotlivá zařízení podle aktuální potřeby tepla. Na rozdíl od běžných rodinných domů mají velké objekty často k dispozici bivalentní zdroj tepla v podobě kotle na zemní plyn, biomasu nebo centrální kotelny: v takovém případě lze s výhodou nižší investice navrhnout celý systém vytápění tak, že vzduchová čerpadla kryjí tepelnou ztrátu jen při plusových teplotách a při nižších venkovních teplotách potřebu vykrývá bivalentní zdroj. I v tomto případě platí, že tepelná čerpadla v letním provozu mohou zajišťovat ohřev teplé vody a chladit interiér objektu.

V příštím článku se blíže podíváme na tepelná čerpadla země-voda a voda-voda.