Tepelná čerpadla: příprava teplé vody a chlazení prostoru

Článek je zaměřen na potenciál instalace tepelných čerpadel konstruo­vaných pro přípravu teplé vody s použitím v místnostech pro odvod tepelné zátěže např. v kotelnách, u technologických procesů, nebo místností s nutností udržování konstantních klimatických podmínek (sklady potravin apod.). Autor zmiňuje nejen základní možnosti instalace využití těchto typů tepelných čerpadel, ale také ukazuje základní ekonomické zhodnocení vhodnosti takového řešení.

Recenzent: Roman Vavřička

Úvod

Předpokládám, že většina čtenářů tohoto časopisu se ve své praxi setkala s kotelnou, strojovnou vytápění nebo výměníkovou stanicí. Jako projektant technických zařízení budov jsem si před lety položil otázku, zda jsem v těchto prostorách někdy pociťoval chlad. Odpověď byla jednoznačná – technologické místnosti jsou zpravidla teplé, mnohdy až přehřáté. Tato zkušenost mě přivedla k úvaze, zda by nebylo možné toto přebytečné teplo smysluplně využít. V běžné praxi se totiž nadbytečné tepelné zisky z prostoru odvádějí pomocí vzduchotechnických zařízení do venkovního prostředí.

Před několika lety se na trhu objevila kompaktní tepelná čerpadla vzduch-voda určená přímo pro přípravu teplé vody a integrovaná do zásobníků teplé vody. Jejich širší uplatnění v praxi však přicházelo postupně. Původně byla tato zařízení určena zejména pro rodinné domy. Nový přístup však spočívá v přesunu zařízení přímo do prostoru s potenciálním zdrojem tepelných zisků. Nejde tedy o změnu technologie, ale o změnu koncepce jejich využití.

Princip je v podstatě jednoduchý – zařízení je umístěno v prostoru s vyšší okolní teplotou, odkud odebírá teplo. Při provozu s relativně vysokým topným faktorem (COP) tak zajišťuje přípravu teplé vody a současně dochází k odvodu tepelné zátěže daného prostoru. Tepelné zisky technologie jsou tímto způsobem efektivně využity pro přípravu teplé vody. S rostoucí teplotou nasávaného vzduchu roste současně i hodnota topného faktoru (COP). Například při podmínkách A20/W10–55 dosahují tato tepelná čerpadla hodnot COP až 3,9.

Princip tepelného čerpadla pro přípravu teplé vody

Níže jsou uvedena technická specifika použití konkrétního typu tepelného čerpadla pro přípravu teplé vody (obr. 1). Text [1] je upraven pro potřeby tohoto článku.

Chladicí okruh tepelného čerpadla je uzavřená soustava, v níž cirkuluje chladivo, které slouží jako pracovní látka přenášející teplo. Při nízkém tlaku a nízké teplotě se chladivo ve výparníku odpařuje a odebírá teplo ze vzduchu v okolním prostoru. Následně je plynné chladivo stlačeno v kompresoru na vyšší tlak, čímž dojde k výraznému zvýšení jeho teploty – na úroveň převyšující teplotu ohřívané vody v zásobníku. V kondenzátoru předává chladivo své teplo teplé vodě, dochází k jeho ochlazení a následné kondenzaci. Po průchodu expanzním prvkem se tlak i teplota chladiva sníží na původní úroveň, čímž je cyklus cirkulace uzavřen. Tento proces probíhá kontinuálně po celou dobu provozu tepelného čerpadla.

Provozní podmínky tepelného čerpadla pro přípravu teplé vody

Provoz tepelného čerpadla je možný při teplotě okolního vzduchu v rozmezí −7 °C až +35 °C. Vzduch musí být čistý, s relativní vlhkostí nepřesahující 50 % při teplotě +35 °C. Při nižších teplotách může být přípustná relativní vlhkost vyšší. Zařízení je konstruováno tak, aby odebíralo teplo z okolního vzduchu, případně aby byl vzduch přiváděn prostřednictvím vzduchových potrubí. Po ochlazení ve výparníku je vzduch odváděn buď zpět do prostoru, nebo do venkovního prostředí.

Možnosti instalace se liší podle způsobu přívodu a odvodu vzduchu. Nejčastější je umístění tepelného čerpadla v prostoru s významnými tepelnými zisky, odkud je nasáván teplý vzduch. V případě, že je využíván vzduch ze stejné místnosti, ve které je zařízení instalováno, musí mít tento prostor minimální objem a minimální světlou výšku (např. 2,5 m a 50 m³).

Vedlejším účinkem provozu tepelného čerpadla je odvod tepelné zátěže, a tedy snižování teploty v instalované místnosti. Tento efekt může být přínosný nejen v kotelnách a technologických prostorách, ale také v prostorách, kde je vhodné udržovat nižší teploty jako např. sklad potravin (obr. 2).

V počáteční fázi instalací těchto zařízení se objevovaly určité komplikace. Někteří výrobci deklarovali tepelná čerpadla pro přípravu teplé vody výhradně pro použití v rodinných domech. Na menší kotelny, například v objektech zdravotnických zařízení či mateřských škol, tak nebylo oficiálně pamatováno. Z technického hlediska bylo možné zařízení instalovat i v těchto provozech, avšak výrobce v takovém případě neposkytoval záruku. Postupně tato omezující podmínka z technických podkladů výrobců mizela a současně se na trhu objevila zařízení s objemem zásobníku teplé vody až 450 l a i vyšším topným faktorem.

Tato zařízení jsou obecně vhodná zejména pro kotelny s instalovaným výkonem přibližně 200 až 500 kW. Při návrhu je však vždy nutné vycházet z konkrétní potřeby přípravy teplé vody v daném objektu.

Předběžný výpočet úspory energie

Pro ilustraci uvádím orientační výpočet úspory energie při denní spotřebě teplé vody 1000 l·den^–1, při uvažovaném koeficientu energetických ztrát soustavy přípravy teplé vody 0,5, je pak roční spotřeba energie cca 24 700 kWh·a^–1. Při ceně zemního plynu cca 15 Kč·m^–3 bez DPH představuje tato spotřeba roční náklad cca 39 020 Kč·a^–1.

Při přípravě teplé vody tepelným čerpadlem s průměrným ročním topným faktorem SCOP = 3,9 činí roční spotřeba elektrické energie cca 6333 kWh·a^–1. Při ceně elektrické energie 4,8 Kč/kWh odpovídá roční provozní náklad částce cca 30 400 Kč.

Roční úspora tak v tomto modelovém případě činí přibližně 8620 Kč·a^–1. Při ekonomickém posouzení je vždy nutné vycházet z konkrétních cen energií daného odběratele a z aktuální situace na trhu. Orientační návratnost investice se ale pro tento příklad může pohybovat okolo 9 let.

Do celkového ekonomického hodnocení lze zahrnout i vedlejší efekt provozu tepelného čerpadla, tedy ochlazování a případné odvlhčování prostoru, které však obvykle není samostatně kvantifikováno.

Způsob zapojení tepelného čerpadla pro přípravu teplé vody

Volba instalace tepelného čerpadla se odvíjí od požadovaného množství dodávané teplé vody a od časového průběhu jejího odběru. Při nižší potřebě teplé vody je možné instalovat tepelné čerpadlo jako samostatný zdroj. Pokud je požadavek na přípravu teplé vody vyšší, než je tepelné čerpadlo schopno pokrýt, lze využít bivalentní zdroj energie. Typicky například vestavěnou přímotopnou elektrickou topnou vložku nebo připojení vestavěného výměníku na přívod otopné vody z kotle. Konkrétní řešení by mělo být vázáno samozřejmě nejen na technické možnosti, ale taky ekonomické záležitosti týkající se cen energonositelů jako je elektrická energie vs. zemní plyn, tuhá paliva, centrální zásobování teplem apod.

Bivalentní zdroj tepla může být rovněž využit k provedení termodezinfekce systému přípravy teplé vody, tedy k jeho periodickému ohřevu na zvýšenou teplotu za účelem omezení rizika výskytu bakterií rodu Legionella.

Další využití v případě, že je odběr teplé vody výrazně vyšší, než odpovídá výkonovým možnostem tepelného čerpadla, je vhodné využít zařízení jako předehřev studené vody před zásobníkem natápěným z hlavního zdroje tepla. Při správném návrhu výkonu tepelného čerpadla se může projevit další úspora spočívající v tom, že v letním období, resp. během letní odstávky otopné soustavy, není nutné provozovat hlavní zdroj tepla pro přípravu tepla, ale postačí tepelné čerpadlo.

Provozní podmínky a omezení instalace

Daná řešení mají i svá omezení. Setkal jsem se například s případem, kdy bylo zvažováno umístění zařízení v prádelně hotelu, kde byl dostatek přebytečného tepla. Instalaci však nebylo možné reali-
zovat z důvodu zvýšené prašnosti prostředí. Obdobně je nutné dbát zvýšené opatrnosti v bazénových strojovnách, kde se může vyskytovat agresivní chlor. Ten je při dlouhodobém působení schopen poškodit jednotlivé části tepelného čerpadla a významně zkrátit jeho životnost.

Při návrhu instalace je vždy nutné vyhodnotit, zda bude tepelné čerpadlo jediným zdrojem tepla pro přípravu teplé vody, nebo zda bude plnit funkci předehřevu v rámci širší soustavy přípravy teplé vody.

Osazení je vhodné zejména v kotelnách a strojovnách s větším množstvím instalované technologie, kde lze očekávat vyšší vnitřní teplotu nebo kde se již přebytečné teplo přirozeně vyskytuje. Vhodné je rovněž využití ve starších budovách, zejména v suterénních kotelnách, které bývají vlhké. V těchto případech se pozitivně projeví schopnost tepelného čerpadla prostor i částečně odvlhčovat.

Závěr

V současné době jsou tepelná čerpadla obecně preferovaným zdrojem tepla. Při správném návrhu a využití odpadního tepla je v zimním období dosažitelný příznivý topný faktor, v letním období pak přispívá provoz zařízení ke zlepšení mikroklimatických podmínek v místnosti.

Ve své praxi se postupně setkávám s menším počtem odmítavých reakcí na instalaci tohoto typu zařízení. Instalatérské a topenářské firmy, které realizovaly jednu či více instalací, si v praxi ověřily jeho funkčnost i přínos z hlediska provozních nákladů investora.

Onehdy mne pobavila poznámka jednoho z techniků zajišťujících obsluhu kotelny: „Co je to za kotelnu, když je v ní zima?“ I tato výtka nepřímo potvrzuje, že zařízení plní svou funkci.

V samotném závěru článku bych rád poděkoval společnostem Brilon a. s. a TEP Jablonec, spol. s r.o. za poskytnutí odborných podkladů a součinnost při zpracování článku.

Literatura

[1] AUSTRIA EMAIL. Návod k použití a montáži: Tepelná čerpadla pro přípravu TUV WPA ECO. Verze 11. CZ. 12/2024. ID 17-16-20-2979-11. [online].

Recenzent: Ing. Roman Vavřička, Ph.D., Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze

---

Heat Pumps for Domestic Hot Water Preparation

The article focuses on the potential for installing heat pumps designed for domestic hot water preparation, intended for use in rooms where heat load needs to be removed, such as boiler rooms, technological process areas, or spaces requiring the maintenance of constant climatic conditions (e.g., food storage facilities).
The author not only discusses the basic installation options and possible applications of these types of heat pumps but also presents a basic economic assessment of the suitability of such a solution.

Keywords: domestic hot water heat pumps; waste heat recovery; heat load removal; seasonal performance factor (SCOP); energy savings.