Aktívny nízkoenergetický dom

Ak je v dome zdrojom tepla a chladu tepelné čerpadlo a klimatizácia je zabezpečená progresívnym stropným chladením, respektíve dom vetrá vetracia jednotka s rekuperáciou, spĺňa váš dom kritériá aktívneho domu. Domu, ktorý na vykurovanie, ako aj na chladenie využíva iba obnoviteľné zdroje.

Tepelné čerpadlo

Rozhodli ste sa pri vykurovaní vášho rodinného domu využiť ako zdroj tepla namiesto plynového kotla tepelné čerpadlo? Výborne, prvý krok ste zvládli. Teraz vám už ostáva iba vyriešiť, aký typ tepelného čerpadla si vybrať. Na prevádzku tepelného čerpadla treba zabezpečiť buď dostatok vody zo studne, alebo zemné vrty v potrebnej dĺžke, alebo zemný kolektor, prípadne dostatočný prívod vzduchu. Reálne využitie tej-ktorej možnosti rozhoduje o tom, aký typ tepelného čerpadla použiť. Keďže každý typ má výhody aj nevýhody, pokúsime sa ich v nasledujúcej časti porovnať.

Niečo o princípe tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo sa skladá z troch základných častí:

• výparníka – primárna časť, 
  
• kompresora – zabezpečuje cirkuláciu média v tepelnom čerpadle
  
• kondenzátora – sekundárna časť.

Konštrukčne tvoria tieto časti uzatvorený okruh, v ktorom cirkuluje médium. Táto kvapalina sa odparuje pri veľmi nízkych teplotách (niekedy aj pri teplote –32 °C). Primárnou časťou je výparník, kde sa médium odparuje, a keďže ide o médium s bodom odparovania pri veľmi nízkej teplote, odparuje sa veľmi ochotne a rýchlo. Médium pri odparovaní, tak ako každá kvapalina, odoberá teplo z okolia. Teda aj pri odparovaní média vo výparníku sa výparník výrazne ochladzuje. Ak by sme nechali bežať tepelné čerpadlo a výparníku by sme nedodávali teplo, veľmi rýchlo by nám zamrzol a cirkulácia by sa zastavila. Teplo, ktoré potrebujeme na ohrievanie výparníka, môže byť napríklad z vody zo studne, ktorá svojou teplotou 10 °C spoľahlivo ohrieva výparník a zabraňuje jeho zamrznutiu. Zamrznutiu výparníka dokáže zabrániť aj vzduch s teplotu –10 °C, a to vďaka tomu, že použité médium zamŕza až pri teplote –32 °C.

Z uvedeného je zrejmé, že tepelné čerpadlo nezvýši teplotu studničnej vody tak, aby ňou mohlo vykurovať dom, ale túto vodu použije len na to, aby ohrievalo primárnu časť tepelného čerpadlo a zabránilo jeho zamrznutiu, takže môže vzduchové tepelné čerpadlo vykurovať aj pri teplotách hlboko pod bodom mrazu – dokonca ani teplota vonkajšieho vzduchu –20 °C nie je problém. Odparené médium, ktoré zmenilo skupenstvo na plynné, nasáva z výparníka kompresor a tlačí ho do sekundárnej časti tepelného čerpadla – do kondenzátora. Aby plyn kondenzátorom len tak „neprefičal“, je za kondenzátorom umiestnený automatický ventil, ktorý zabezpečí, že v kondenzátore bude stále taký tlak, aby sa médium opäť zmenilo na kvapalinu. Pri stláčaní plynného média a pri jeho následnom skvapalňovaní odovzdáva médium množstvo tepla okoliu. Tu vzniká pridaná hodnota tepelného čerpadla – teplo, ktoré sa zužitkováva ďalej. Práca kompresora a skvapalnenie plynného média je kľúčom k tomu, ako dokáže tepelné čerpadlo vyrobiť teplo na vykúrenie vášho domu s takými nízkymi nákladmi.

Investičné náklady: plynové kúrenie verzus tepelné čerpadlo Ak si jednoduchými počtami porovnáme cenu plynového kotla a tepelného čerpadla, tak sa na prvý pohľad zdá, že tepelné čerpadlo je drahé. Keď však k cene plynového kotla začneme pripočítavať položky, ktoré tepelné čerpadlo nepotrebuje, cenový rozdiel sa pomaly vyrovnáva. Ide napríklad o komín alebo plynovú prípojku. Málokto si uvedomuje, koľko zaplatil za plynovú prípojku v cene pozemku alebo že tepelné čerpadlo nebude potrebovať každoročné revízie plynových zariadení. A ak plynové potrubie neleží priamo pri pozemku, môže sa táto suma ľahko dostať aj na takú výšku, že cenový rozdiel medzi plynovým kotlom a tepelným čerpadlom prestane existovať. Ak rozdiel v cene bude 100 000 až 200 000 Sk v neprospech tepelného čerpadla, tak úspory za nákup energie tieto zvýšené investičné náklady vrátia v priebehu 3 až 7 rokov. Ak zohľadníme pri porovnávaní nákladov aj náklady na studne alebo vrty, potom sa nám návratnosť, samozrejme, predĺži – vtedy začnú byť zaujímavé vzduchové tepelné čerpadlá, ktoré nijaké vrty a studne nepotrebujú. Na záver jedno konštatovanie: Do inštalácie tepelných čerpadiel sa často púšťajú ľudia, ktorí nemajú presne vyrátané, za koľko sa im vrátia zvýšené náklady na tepelné čerpadlo, ale považujú toto riešenie za investíciu do budúcnosti, pretože vedia, že v budúcnosti nebudú závislí od neustále sa zvyšujúcej ceny plynu a od politickej situácie na Ďalekom a Blízkom východe. Všetky tieto výpočty sa totiž odvíjajú od súčasných cien plynu.

Vodné tepelné čerpadlo

V prípade, že máte na pozemku stabilný zdroj spodnej vody, môžete uvažovať o využití vodného tepelného čerpadla. Voda zo studne bude pretekať primárnou časťou tepelného čerpadla a ohrievať ho. Aj voda zo studne však musí spĺňať určité kritériá. Dôležité je vedieť, či je zdroj naozaj stabilný, aby sa voda po niekoľkých rokoch prevádzky nestratila. Stabilnými sa dajú označiť veľké územia v dosahu veľkých riek, ktoré za milióny rokov vytvorili nánosy štrkov, takže vlastne súbežne s riekou tečie množstvo vody. Také je napríklad povodie Dunaja, kde sa nachádza aj najväčší potenciál spodných vôd. Kvalitných lokalít s dobrými podmienkami pre vodné čerpadlá je na Slovensku v porovnaní so susednými krajinami veľmi veľa.

Ďalšou dôležitou vlastnosťou vodného zdroja, ktorú potrebujete s istotou vedieť ešte predtým, ako sa rozhodnete pre vodné tepelné čerpadlo, je výdatnosť studne. Tu zistíte najľahšie čerpacou skúškou. Zo studne sa čerpá voda najlepšie nepretržite niekoľko dní a meria sa, aký stabilný je prietok. Potrebný prietok vody pre rodinný dom je v rozpätí 1,2 až 1,5 litrov za sekundu. Kvalita vody je dôležitá najmä preto, aby sa vylúčilo nebezpečenstvo, že voda je priveľmi mineralizovaná a agresívna a svojím zložením by mohla nadmerne atakovať alebo zanášať niektoré časti technológie, napríklad výmenník. Nadmerne mineralizovaná voda sa dá upraviť predradením ďalšieho výmenníka, ktorý tepelné čerpadlo ochráni. Teplota vody, napriek tomu, že ľudia sa na ňu pýtajú najčastejšie, zvyčajne nepredstavuje nijaký problém. Voda máva teplotu okolo 10 °C, teda rovnakú ako teplota zemského podložia. Nemala by však klesnúť pod 5 °C. Problém by mohol vzniknúť, ak by teplotu vody v studni v podhorských oblastiach na jar ovplyvňovala napríklad voda z topiaceho sa snehu.

Málokto si uvedomuje, že jedna studňa pre tepelné čerpadlo nestačí. Tepelné čerpadlo čerpá vodu zo studne a prechodom vody cez čerpadlo sa voda ochladí z 10 na asi 6 °C. Keby sme túto vodu vracali do tej istej studne naspäť, netrvalo by dlho a voda v studni by sa ochladila tak, že by studňa zamrzla. Preto treba vodu čerpať z jednej studne, kam stále priteká čerstvá voda zohriata zemským podložím. Druhá studňa – vsakovacia – slúži na vypúšťanie ochladenej vody. Aby sa neovpylvňovala teplota vody v prvej studni, mala by byť vsakovacia studňa vzdialená aspoň 10 m od prvej. K nákladom na realizáciu tepelného čerpadla treba prirátať aj vedľajšie náklady, ako sú náklady za vyvŕtanie studní. Majú rozličnú výšku, čo závisí aj od hĺbky studne. Niekde stačí vykopať studňu s hĺbkou 10 m a výdatnosť postačuje.

Inokedy sú potrebné také hlboké studne, že ich cena znevýhodní použitie vodného čerpadla. Cena za 1 bežný meter vŕtanej studne sa pohybuje okolo 2 500 Sk, treba však počítať aj s cenou ponorného čerpadla, ktoré vytláča vodu zo studne do čerpadla. V prospech vodného tepelného čerpadla často hovorí skutočnosť, že stavebník, aj keď nechce tepelné čerpadlo, vybuduje na pozemku studňu, napríklad na polievanie záhrady, prípadne aby využíval úžitkovú vodu v dome. V tomto prípade cena za vŕtanie studne, ako aj cena za ponorné čerpadlo nie sú náklady navyše, pretože jednu studňu možno použiť tak pre tepelné čerpadlo, ako aj na polievanie záhrady.

Zemné tepelné čerpadlo

Ak na pozemku nenarazíte na stabilný zdroj spodnej vody, máte možnosť zabezpečiť prevádzku tepelného čerpadla pomocou suchých vrtov. Tak ako v predchádzajúcom prípade omývala primárnu stranu čerpadla voda zo studne, v prípade vrtov zabezpečí ohrievanie čerpadla nemrznúca kvapalina, ktorá cirkuluje v potrubí zapustenom v suchom vrte. Teplota zeme už v niekoľkometrovej hĺbke dosahuje teplotu 10 °C a táto teplota, ak nie je v podzemí tektonická porucha (puklina), býva stabilná aj do hĺbky niekoľko sto metrov. Pre tepelné čerpadlo sa vŕtajú suché vrty do hĺbky 100 m. Ich celková dĺžka je daná druhom podložia a výkonom tepelného čerpadla. Pri dimenzovaní vrtu platí pravidlo, že čím väčší dom, tým väčší výkon čerpadla, takže sú potrebné hlbšie vrty. Aj kvalita podložia ovplyvňuje dĺžku vrtu, pretože nie každé podložie dokáže odovzdať nemrznúcej kvapaline v potrubí maximálne množstvo tepla. Najlepšie sa vŕta kompaktná skala, ktorá má aj najlepšiu tepelnú výdatnosť (70 W/m). Naopak, najhoršie sú íly, piesky, sutiny – nielenže sa zle vŕtajú, ale majú aj malú výdatnosť (30 až 40 W/m). To znamená, že ak bude pre rodinný dom stačiť 150 až 200 m vrtu v žule, v hlinitej pôde to bude i dvojnásobok.

V súčasnosti sa cena vrtu pohybuje okolo 1 500 Sk/m. Pri zemnom tepelnom čerpadle treba hĺbkové vrty chápať ako investíciu pre viaceré generácie, z toho pohľadu sú vrty stabilným a spoľahlivým zdrojom tepla na ohriatie primárnej časti vášho tepelného čerpadla. Vo vrte sú zapustené dve potrubia s priemerom 32 mm (v každom vrte tvoria dve slučky), aby v nich cirkulovala nemrznúca zmes (nahradzuje vodu, ktorá preteká vodným tepelným čerpadlom). Primárna strana tepelného čerpadla cirkulujúcu zmes ochladzuje. Ochladená zmes sa v potrubí vracia do zeme a znovu naspäť k tepelnému čerpadlu. Počas tejto cesty sa snaží nemrznúca kvapalina znova ohriať, teda odobrať z podložia teplo. Celý kolobeh sa neustále opakuje. Kým je tepelné čerpadlo v prevádzke, musí nemrznúca zmes vo vrtoch cirkulovať. Dobre nadimenzovaná dĺžka vrtu zabezpečí, aby sa teplota nemrznúcej kvapaliny pohybovala medzi +7 °C na vstupe do čerpadla a +4 °C na výstupe z čerpadla. Ak je dĺžka vrtu poddimenzovaná, môže byť táto teplota aj nižšia, môže sa dostať na hodnoty –1 až –5 °C.

Ďalšou možnosťou, ako využiť teplo zeme na ohrievanie primárnej časti tepelného čerpadla, sú pôdne kolektory. V tomto prípade sa potrubia, kde sa zohrieva kvapalina, nezasúvajú do 100-metrových vrtov, ale v hĺbke 1,5 až 2 m sa plošne zakryjú zemou. Princíp je rovnaký – taktiež je potrebná dostatočná dĺžka potrubí. Nevýhodou je nárok na pomerne veľkú plochu pozemku. Pôdny kolektor potrebuje plochu aj niekoľko 100 m², ktorá navyše nie je ani po montáži kolektoru ľubovoľne využiteľná. Vzhľadom na premŕzanie pôdy nie je napríklad možné pestovať na ploche nad kolektorom stromy. Problémy môže robiť aj pestovanie bežných rastlín, dokonca i trávnika.

149224	149225
Kompaktné zemné tepelné čerpadlo so zásobníkom	Vzduchové tepelné čerpadlo umiestnené v interiéri
149226	Vzduchové tepelné čerpadlo exteriérové s možnosťou pripojenia solárnych kolektorov Schémy: Stiebel Eltron

Vzduchové tepelné čerpadlo

Ak nemáte na pozemku vodu, nechce sa vám presúvať množstvo pôdy nad zemným kolektorom a nemáte chuť investovať do zemných vrtov, môžete sa rozhodnúť pre vzduchové tepelné čerpadlo. Tam, kde pri vodnom tepelnom čerpadle omýva primárnu stranu voda zo studne alebo v zemnom čerpadle cirkulujúca nemrznúca kvapalina z vrtov či pôdneho kolektoru, vo vzduchovom tepelnom čerpadle primárnu stranu čerpadla „ovieva“ vzduch. Vo vzduchovom tepelnom čerpadle je vytvorený okruh, v ktorom opäť cirkuluje nemrznúca kvapalina. Pri pretekaní nemrznúcej kvapaliny vonkajším výmenníkom je vzduch hnaný ventilátorom na lamely výmenníka, kde ohrieva nemrznúcu kvapalinu. Tento proces si človek vie predstaviť pri teplotách vonkajšieho vzduchu okolo +20 °C, ale ako dokáže vzduch zohriať primárnu časť tepelného čerpadla pri teplote –10 °C? Tepelný zisk umožňuje náplň čerpadiel, t. j. nemrznúca kvapalina, ktorá tuhne až pri teplote –32 °C, takže vzduch s teplotou –10 °C je pre ňu dostatočne teplý. Na tomto mieste treba zdôrazniť, že ani pri teplotách menej ako –20 °C, keď vzduchové tepelné čerpadlo prerušuje svoju prevádzku a čaká, kým teplota vonkajšiehovzduchu znova nestúpne nad –20 °C, nezostane objekt bez tepla. Každé tepelné čerpadlo je vybavené elektrickou špirálou, ktorá chladné obdobie preklenie. Takže sa vzduchových tepelných čerpadiel netreba obávať, nižšia účinnosť je vyvážená podstatne nižšími investičnými nákladmi.

Porovnanie úspor pri jednotlivých čerpadlách Pri porovnávaní nákladov na prevádzku vychádzame z podmienok na vykurovanie rodinného domu s obytnou plochou 150 m2 – vykurovanie plynom s ročnými nákladmi na plyn 50 000 Sk. Ak bude takýto dom vykurovať vodné tepelné čerpadlo so stabilným celoročným výkonovým číslo 5, tak náklady klesnú pri optimálnych podmienkach na 1/5, čiže na 10 000 Sk. Veľmi podobne by vyzerali náklady pri zemnom tepelnom čerpadle s výkonovým číslom 5 (v prípade dobre navrhnutých vrtov). Náklady na vykurovanie by klesli na 1/5, takže aj zemné tepelné čerpadlo by na svoju prevádzku potrebovalo 10 000 Sk. Ak by sme použili vzduchové tepelné čerpadlo s priemerným výkonovým číslom 3, vypočítaným z celoročnej prevádzky, úspory by dosiahli asi dve tretiny nákladov na plyn, teda náklady na vykurovanie vzduchovým tepelným čerpadlom by boli okolo 16 000 Sk.

Výkonové číslo – ekonomické porovnanie prevádzkových nákladov

Jeden z hlavných ukazovateľov efektívnosti prevádzky tepelného čerpadla je jeho výkonové číslo. Ak dodáme tepelnému čerpadlu vo forme elektrickej energie1 kW, ktorá poháňa elektromotor kompresora, tak na sekundárnej strane, teda na strane vykurovania, môže tepelné čerpadlo vyrobiť až 5 kW tepla. Vtedy je výkonové číslo tepelného čerpadla 5. Výkonové číslo ale nie je pevne určené – mení sa v závislosti od rôznych typov čerpadiel, ale najmä od toho, akou teplotou vieme zohrievať výparník na primárnej strane a akú teplotu budeme potrebovať na sekundárnej strane v kondenzátore, teda na akú teplotu budeme chcieť zohriať vodu na kúrenie.

V praxi to znamená, že čím vyššiu teplotu bude mať napríklad voda zo studne alebo exteriérový vzduch pri vzduchovom čerpadle, tým vyššie bude výkonové číslo. Výkonové číslo vodného tepelného čerpadla môže pri dostatočne teplej vode zo studne dosiahnuť až hodnotu 6, teda podobne ako pri zemnom tepelnom čerpadle s dostatočnou dĺžkou vrtov a dobrou kvalitou podložia. Teplota vody, zemného podložia alebo vzduchu však nie je počas roka rovnaká. Na konci vykurovacej sezóny bude nižšia, ako na jej začiatku, to znamená, že sa vrty počas zimy vyčerpávajú, teda postupne ochladzujú. Tento rozdiel nemusí byť pri dobre navrhnutom vodnom alebo zemnom čerpadle dramatický, ale znamená, že sa výkonové číslo tepelného čerpadla mení v rozpätí 3,5 až 5,5. Pri vzduchovom tepelnom čerpadle sa môže výkonové číslo meniť výraznejšie. V lete, keď vzduch má teplotu 25 °C, bude výkonové číslo najvyššie. Ako však teplota vzduchu klesá, bude klesať aj výkonové číslo. Vzduchové tepelné čerpadlo dokáže pracovať aj pod hranicou mrazu s teplotami oveľa nižšími ako 0 °C, pretože nemrznúca kvapalina, ktorá cirkuluje v tepelnom čerpadle, zamŕza až pri –32 °C.

Samozrejme, že so znižujúcou sa teplotou vonkajšieho vzduchu klesá aj výkonové číslo, ktoré je pri teplote vonkajšieho vzduchu –20 °C také malé, že z 1 kW elektrickej energie vyrobíme len o málo viac ako 1,5 kW tepla. Vzhľadom na tento výnimočný stav (štatisticky ide o niekoľko dní z roka) je tepelné čerpadlo vybavené elektrickou vykurovacou vložkou, ktorá dom vykúri. Významný faktor, ktorý ovplyvňuje výkonové číslo, je teplota, ktorú požadujeme od čerpadla na jeho sekundárnej strane, teda teplota vody vo vykurovaní. Z tohto dôvodu je pri prevádzke tepelného čerpadla rozdiel, či je dom vykurovaný podlahovým vykurovaním s teplotou vykurovacieho média 35 °C, alebo vykurovaním vykurovacími telesami, ktoré potrebuje 50 °C. Výkonové číslo tepelného čerpadla, ktoré vyhrieva podlahové kúrenie, bude podstatne vyššie. Rozdiel vo výkonovom čísle môže byť v niektorých prípadoch až 1,5.

Aké vybrať tepelné čerpadlo Ak je na pozemku dostatok vody s celoročne dostatočnou teplotu, ktorá nie je ovplyvňovaná v horskom prostredí topiacim sa snehom, vychádza ako najlepšie riešenie vodné tepelné čerpadlo. Náklady na vŕtanie studní nie sú vysoké (asi 2 500 Sk/m) a hĺbka studne nebýva väčšia ako 20 m, takže investícia do studní sa pohybuje okolo sumy 50 000 Sk. Navyše, studňu možno v lete využiť aj na polievanie. Ak voda na pozemku nie je, vysokú účinnosť zemného tepelného čerpadla môžu zabezpečiť správne nadimenzované suché vrty alebo zemný kolektor. Pre bežný rodinný dom (úžitková plocha 150 až 250 m2) treba vyvŕtať 100 až 200 m vrtu. Bežný meter vrtu pre tepelné čerpadlo s potrubím zaliatym bentonitom a preskúšaným tlakovou skúškou stojí asi 1 500 SK/m. Celková investícia sa môže pohybovať v rozpätí 150 000 až 300 000 Sk. Životnosť takýchto vrtov je taká dlhá, že vrty treba chápať, ako investíciu pre niekoľko generácií. Ak na pozemku nie je voda, alebo dokonca nie je ani pozemok, môžeme sa rozhodnúť pre vzduchové tepelné čerpadlo. Jeho účinnosť je síce v zime nižšia, ale pri pohľade na priemernú teplotu a výkonové číslo, získame i tak zaujímavé riešenie. Počet dní, ktoré nepriaznivo pôsobia svojimi nízkymi teplotami v zimnom období na chod tepelného čerpadla, je veľmi nízky a úspory oproti plynovému kúreniu sú stále veľmi veľké. Keď si uvedomíme, že s inštaláciou vzduchového tepelného čerpadla nie sú spojené nijaké ďalšie investície, tak je vzduchové tepelné čerpadlo zaujímavou alternatívou, ako získať lacné teplo.

Vykurovania a chladenie v kombinácii s tepelným čerpadlom

Zatiaľ sme rozprávali iba o vrtoch a studniach, no k vykurovaniu neodmysliteľne patrí aj vykurovacia sústava. Možností výberu vykurovacej sústavy nie je mnoho. Ako najvhodnejšie sa javí podlahové, respektíve stropné alebo stenové vykurovanie. Keď hovoríme o tepelnom čerpadle, nesmieme zabudnúť na to, že tepelné čerpadlo nie je len zdrojom tepla na vykurovanie, ale môže byť aj zdrojom chladu. Kvalitné tepelné čerpadlá dokážu v lete využiť možnosť reverzného chodu – ten istý princíp, ktorým vyrobia teplo v zime, použijú na výrobu chladu v lete. Princíp je jednoduchý a využíva skutočnosť, že na strane výparníka vzniká pri odparovaní média chlad, ktorý sa využíva na chladenie domu. Tento chlad sa nemusí v dome distribuovať len známym, a nie veľmi obľúbeným spôsobom, teda fúkaním chladného vzduchu do miestnosti. Na klimatizovanie domu tepelným čerpadlom je vhodné využiť stropné chladenie. Pri stropnom chladení sa chladiaca voda rozvedie po dome v plastových rozvodoch – tenké plastové rúrky, v ktorých chladiaca voda cirkuluje a ktoré sú v jednotlivých miestnostiach zabudované do stropov. Teplota chladiacej vody pri výstupe z čerpadla býva asi 16 °C. Teplota v jednotlivých miestnostiach sa reguluje individuálne podľa potrieb obyvateľov. Takýto spôsob regulácie sa volá aj IRC (Individual Room Control).