V minulém článku jsme se zaměřili na tepelná čerpadla vzduch-voda a objasnili jsme si důvody jejich obliby zejména v České republice, ale i celé Evropě. Konkurenční systém země-voda je přesto v mnoha vyspělých zemích ještě populárnější než vzduch-voda. Oba typy tepelných čerpadel prošly v posledním období rychlým technologickým vývojem a reprezentují budoucnost moderního vytápění a chlazení rodinných domů i velkých objektů. Jaké výhody nabízí tepelné čerpadlo země-voda? 
Není sporu o tom, že fyzikální princip fungování tepelného čerpadla země-voda i vzduch-voda je shodný. Přesto se jejich provoz liší více, než by se na první pohled zdálo. Důvodem je, že tepelné čerpadlo země-voda má, na rozdíl od vzduch-voda, k dispozici stabilní, na venkovních podmínkách prakticky nezávislý a z pohledu tepelné kapacity vydatný zdroj tepla: zemi.
Pokud bychom si přirovnali fungování obou systémů k jízdě autem, tepelnému čerpadlu země-voda se podmínky provozu prakticky nemění a jízda tak připomíná cestování ustálenou rychlostí po rovné silnici. Vzduch-voda se musí vyrovnat s většími rozdíly teploty vzduchu a změnami jeho vlhkosti. Připomíná to méně plynulou jízdu v členitějším terénu, s častým používáním pedálu plynu, a dokonce s občasným zastavením a couváním zpět (analogie odtávání výparníku). Je nasnadě, že z toho těží systém země-voda vyšší účinností a delší životností.
Kolektor: horizontální či vertikální
Tepelné čerpadlo země-voda odebírá zemní teplo pomocí v zemi uloženého plastového kolektoru, ve kterém obíhá nemrznoucí kapalina (směs vody a glykolu). Průchodem přes kolektor se kapalina od země ohřívá a teplo odevzdává na výparníku tepelného čerpadla. Rozlišujeme dva základní typy kolektorů.
Horizontální kolektor je náročnější na plochu pozemku, na 1 kW tepelné ztráty domu je potřeba jeho plocha 35-40 m2. Způsobů uložení plastových trubek je několik, obvykle se volí uložení do jednotlivých výkopů (drážek) s roztečí 0,8 m nebo plošná orientace potrubí do rozměrnějšího výkopu (tzv. slinky). Hloubka položení se obvykle volí okolo 1,2 m. Plošný kolektor přijímá téměř 100% energie shora, jedná se tedy v podstatě o rozměrný solární kolektor.
Vertikální kolektor je tvořený svislým vrtem, do kterého je umístěno potrubí v podobě jednoduchého nebo dvojitého U. Hloubka vrtu se standardně pohybuje do 100 m, ale nejsou výjimkou ani vrty hluboké 150-200 m. Na pokrytí 1 kW tepelné ztráty objektu potřebujeme 15-20 m vrtu. Výhodou svislého kolektoru je malá prostorová náročnost, která umožňuje vrt umístit na minimální pozemek nebo přímo pod základovou desku domu. Další skvělou vlastností tohoto kolektoru je možnost pasivního chlazení v letním období (viz dále). S ohledem na nákladnější zemní práce spojené s vrtem vychází cena vertikálního kolektoru přibližně o 50 % vyšší než u plošného kolektoru.
Provozní účinnost vytápění
Účinnost tepelných čerpadel hodnotíme topným faktorem COP, který vyjadřuje poměr získaného tepla vůči energii spotřebované na chod zařízení. Smysluplné je měřit účinnost za období celé topné sezóny, v tom případě použijeme tzv. sezónní topný faktor (SCOP). Porovnáme-li sezónní topný faktor tepelných čerpadel země-voda a vzduch-voda, která jsou na podobné technické úrovni a která budou vytápět identický objekt co do tepelné ztráty a otopné soustavy, tepelné čerpadlo země-voda bude dosahovat o stupeň vyšší hodnotu SCOP než vzduch-voda. Jestliže v optimálním případě může vzduchové tepelné čerpadlo dosáhnout sezónní účinnost na hodnotě 4, země-voda se může pohybovat až okolo hodnoty 5.
Důvody lze shrnout do několika bodů: absence odtávání výparníku, relativně vysoká a stabilní vypařovací teplota chladiva a nižší nebo nulové nároky na bivalentní zdroj tepla. Provozní náklady s tepelným čerpadlem země-voda jsou tedy podle charakteru vytápěného objektu asi o 20-30 % nižší než se vzduchovým čerpadlem.
Chlazení tepelným čerpadlem země-voda
Význam letního chlazení interiéru domů a bytů bude v souvislosti se změnou klimatu narůstat. Mimořádnou vlastností tepelných čerpadel je to, že mohou plnit jak funkci vytápění, tak chlazení. Běžně, mluvíme-li o chlazení pomocí tepelného čerpadla, máme na mysli chlazení reverzační (aktivní), kdy je otočen směr proudění chladiva v chladícím okruhu, objekt je s pomocí práce kompresoru ochlazován a teplo je odváděno do okolí.
Pokud chceme tepelné čerpadlo pro chlazení využít, je nutné na to myslet již při jeho nákupu. U tepelných čerpadel země-voda nebývá reverzační chlazení standardem a je nutné si za něj připlatit, nicméně vlastní proces chlazení je neporovnatelně účinnější a úspornější nejen oproti klasické klimatizaci, ale i oproti vzduchovému tepelnému čerpadlu.
Odpadní teplo z chlazení není nezbytně nutné mařit jako je tomu u vzduchového čerpadla, ale je ho možné, resp. alespoň jeho část, vhodně využít, např. na ohřev teplé vody v domácnosti nebo k ohřevu bazénu. Kolik bychom například uspořili energie, pokud by hotely, které v horkých dnech klimatizují (chladí) interiér, odpadní teplo z chlazení neúčelně nevyfukovaly do okolního vzduchu, ale využily je k ohřevu svých lázní, vířivek, bazénů a k přípravě teplé vody…. Právě k takovému účelu jsou tepelná čerpadla ideální.
Pasivní chlazení: benefit na druhou
V kombinaci se svislým kolektorem umožňuje tepelné čerpadlo země-voda tzv. pasivní chlazení (freecooling). Jedná se o přímé chlazení domu zemním výměníkem. Teplota pod povrchem země je stabilně okolo 10 °C a okolí vrtu přestavuje obrovský zemní zásobník, jehož chlad je možné přímo přivádět do objektu. Modul pasivního chlazení může být příplatkovou výbavou tepelného čerpadla země-voda. Chlazení probíhá bez potřeby práce kompresoru a je zajištěno výhradně chodem oběhových čerpadel, tzn. se zanedbatelnými provozními náklady.
Navíc teplo, které jsme odvedli do zemního zásobníku, zde zůstává uloženo a na začátku topné sezóny je tepelné čerpadlo s vysokou účinností využije zpět pro vytápění. Spolupráce zemního tepelného čerpadla a vrtu tak může představovat mimořádně energeticky efektivní systém vytápění a chlazení.
Dimenzování tepelného čerpadla země-voda
Návrh výkonu tepelného čerpadla země-voda je, na rozdíl od systému vzduch-voda, jednodušší. Při nominálních podmínkách B0W35 (pro podlahové topení) nebo B0W55 (radiátory) musí tepelné čerpadlo pokrýt tepelnou ztrátu vytápěného objektu. Pokud není uvažován bivalentní zdroj, musí vše zajistit kompresor. V případě instalace bivalentního zdroje, např. elektrokotle, by jeho podíl na celkovém topném výkonu neměl přesahovat 20-25 %. U moderních inverterových čerpadel země-voda se již obvykle s elektrickou bivalencí neuvažuje (resp. patrona funguje jen jako nouzový zdroj), a to s ohledem na maximální účinnost vytápění. Výhodou takového řešení, kdy kompresor pokrývá celou tepelnou ztrátu, je i snížení nároků na velikost elektrického jističe.
Prodeje tepelných čerpadel země-voda nerostou tak rychle jako čerpadel vzduch-voda, nicméně jejich přednosti přetrvávají. Vedle vyšší efektivnosti vytápění i chlazení, vyšší spolehlivosti a delší životnosti, umožňují i zpětné využití odpadního tepla z chlazení nebo energeticky výhodnou spolupráci se zemním výměníkem. Jejich funkce není závislá na bivalentním zdroji, díky čemuž vystačí s nižší hodnotou elektrického jističe. A v neposlední řadě přináší nulovou hlukovou zátěž venkovního prostoru, což je stále naléhavější téma.
