Energetický hit - tepelné čerpadlo

Nové možnosti úsporného vykurovania budov a rodinných domov

Vo vyspelej Európe už niekoľko rokov používajú na vykurovanie budov novú, veľmi efektívnu metódu tzv. tepelných čerpadiel. Aj pre našu ekonomiku, ktorá na vykurovanie používa klasické komodity (pevné palivo, plyn a elektrickú energiu) a platí najmä za ne ročne miliardy a miliardy, by tento spôsob vykurovania mohol byť veľmi zaujímavý. V súčasnosti napríklad vo Švédsku je už nainštalovaných 360-tisíc takýchto zariadení, v Rakúsku 150-tisíc, avšak u nás iba 25 kusov. Naliehavosť hospodárne využívať energiu každého druhu sa preniesla už aj do oblasti využívania nízko-potenciálnej energie. Tej je síce dostatok všade okolo nás, avšak jej využitiu zatiaľ bráni nízky potenciál jej využitia. Ak odoberiem napríklad jednému kubíku vody teplo tým, že ju ochladíme o jeden stupeň Celzia, získame množstvo tepla rovné 1,16 kWh. Podobne môžeme

teplo odobrať

zo vzduchu, ktorého je dostatok všade okolo nás, alebo tiež napríklad pôde. Prostredie, v ktorom žijeme, je dostatočnou zásobárňou tepla. Ide už len o to, previesť ho na teplotu, ktorú práve potrebujeme. A práve toto dokáže zabezpečiť tepelné čerpadlo. Pracuje v princípe ako chladiace zariadenie, ktorého hnacím prvkom je kompresor poháňaný elektromotorom. Zariadenie odoberá do výparníka teplo z prostredia s nižšou teplotou, tým prostredie ochladzuje a pomocou hnacej elektrickej energie ho odovzdáva cez kondenzátor do prostredia s vyššou teplotou (napríklad vykurovacie médium, voda), a tým ho zohrieva. Teplo privádzané z výparníka do kondenzátora sa pritom zvyšuje o teplo, na ktoré sa mení v kompresore hnacia energia. Zjednodušene povedané, tepelné čerpadlo je vykurovacím zariadením, ktoré pracuje na opačnom princípe ako kompresorová alebo absorpčná chladnička. Chladnička odoberá teplo z potravín, ktoré sú v nej uložené a zadnou stenou (drôtovým hadom) ho odvádza do prostredia. Tepelné čerpadlo odoberá teplo z prostredia (vzduch, voda a pôda) a odvádza ho do vykurovacieho média. Toto zariadenie teda odvádza teplo z nižšej teplotnej hladiny do vyššej. Mení pritom

studený zdroj

tepla na paru pracovnej látky. Veľmi jednoducho si môžeme tento proces vyskúšať pomocou kolínskej vody. Keď kvapnete kolínsku vodu na pokožku ruky, rýchle sa odparí a miesto na ruke ostane chladnejšie, pretože odovzdalo teplo kolínskej. Tepelné čerpadlo nepracuje celkom bez dodanej energie. Jeho tepelný (vykurovací) výkon je daný súčtom oboch vložených energií (energia prostredia a energia pohonu) a je preto vždy väčší ako energia vynaložená na pohon. Na celkovom množstve tepla odovzdávaného do druhého prostredia - a teda tepelnom výkone - sa asi 65 % podieľa teplo odobraté z prvého prostredia (kde je zadarmo k dispozícii) a asi 30 - 40 % dodaná energia (pohon), ktorá sa musí zaplatiť. Pomer tepelného výkonu a príkonu je tzv. výkonové číslo, ktoré je vždy vyššie ako číslo 1. Z jednej kWh elektrickej energie je teda možné získať pomocou tepelného čerpadla v priemere asi 2,5 až 4 kWh tepelnej energie. V tomto prípade je výkonové číslo spravidla asi 2,5 až 4. Pri tepelných čerpadlách sú pritom skoro

nulové náklady

na prevádzku a údržbu. Prenos tepla v tepelnom čerpadle sa uskutočňuje pomocou pracovnej látky, čiže chladiva, ktoré v zariadení trvalo obieha a cyklicky mení svoje skupenstvo. Pri sacom tlaku sa vo výparníku vyparuje a pri výtlačnom tlaku kompresora sa v kondenzátore kondenzuje. Prevod a stláčanie pár z výparníka do kondenzátora zabezpečuje kompresor. Vhodný expanzný ventil zabezpečuje prevod kvapalného chladiva z kondenzátora do výparníka. Kompresor, ktorý je súčasťou tepelného čerpadla, je spravidla poháňaný elektrinou. Na jednu kWh potrebnú na pohon kompresora pripadajú v priemere 3 kWh tepelnej energie, ktoré toto zariadenie dodáva do vykurovania. Zariadenie teda odoberá jednu tretinu elektriny zo siete a ďalšie dve tretiny odoberie z prírodného tepla, ktoré slnko uložilo všade okolo nás. Tepelné čerpadlo pomáha energiu

nielen šetriť,

ale udáva aj spôsob, ako znížiť množstvo spaľovaných pevných nosičov energie na vykurovanie (napríklad uhlie), ktoré vytvárajú tzv. skleníkový efekt. Preto je aj hospodárnosť tejto alternatívnej techniky zreteľná. Podľa toho, čo je nosičom tepelnej energie, rozoznávame tieto základné druhy tepelných čerpadiel: vzduch - voda, voda - voda, zem - voda. Pritom prvá časť názvu uvádza nižšiu teplotnú hladinu (čiže odkiaľ sa teplo odoberá) a druhá časť vyššiu teplotnú hladinu (kam sa teplo odovzdáva). Existujú rôzne typy tepelných čerpadiel. Kompresorové tepelné čerpadlá sa vyznačujú vytváraním studenej pary a v súčasnosti predstavujú väčšiu časť vyrábaných tepelných čerpadiel. Z technického hľadiska majú tiež význam tepelné čerpadlá absorpčné. Rozdiel medzi nimi je len v tom, že druhý typ má namiesto mechanického kompresora termický kompresor. Spodná voda, ako aj pôda

sú aj v zime

relatívne teplé až po hranicu zamrznutia. Ani vonkajší vzduch nie je nikdy taký studený, aby nemohol nejaké teplo odovzdať. Slnečné žiarenie, ale aj odpadové teplo z priestorov a z pracovísk ponúkajú možnosti využitia tepla. Časť tohto tepla sa dá „vytiahnuť“ pomocou tepelného čerpadla, napumpovať na 40 až 60 stupňov Celzia, a potom použiť na vykurovanie. V skutočnosti každý doteraz vymenovaný zdroj tepla vytvorilo slnečné žiarenie. Z toho vyplýva, že teplo vo vzduchu, v spodnej vode a v pôde nie je nič iné, ako naakumulovaná slnečná energia, ktorú je možné využiť pomocou tepelného čerpadla na vykurovanie alebo prípravu teplej úžitkovej vody. Tepelné čerpadlá sú zvlášť vhodné na využitie pravidelne vznikajúceho odpadového tepla. Napríklad

odpadové teplo

z priemyslu je možné využiť na vykurovanie celých mestských štvrtí. Pri teplote od 10 do 20 stupňov Celzia je toto teplo za normálnych okolností bezcenné. Pomocou tepelných čerpadiel je možné zvýšiť túto teplotu až na 55 stupňov Celzia, ktorá môže poslúžiť v teplovodnom vykurovaní. Na dopravu teplej vody domov úplne postačí neizolované plastové potrubie vedené v zemi, pretože pri nepatrnom rozdiele teplôt vznikajú len nepatrné straty. V porovnaní s konvenčnými vykurovacími systémami je možné takýmto spôsobom ušetriť okolo 40 % primárnej energie. Poľnohospodárske farmy, ale aj súkromní podnikatelia v poľnohospodárstve môžu využiť odpadové teplo z chovu hovädzieho dobytka alebo ošípaných. Zmysluplné je nasadenie tepelného čerpadla pri kontrolovanom vetraní budov a spätnom získavaní tepla. Pri kontrolovanom vetraní priestorov, aj pri uzatvorených oknách, zabezpečujú prísun čerstvého vzduchu ventilátory. Využitý vzduch sa pritom

nevypúšťa von,

ale sa odvádza do výmenníka tepla, ktorý z neho odoberie časť tepla a dodá ho čerstvému vzduchu prichádzajúcemu zvonka. Pôda je „sezónnym akumulátorom“ tepla zo slnečného žiarenia až do hĺbky dvoch metrov. Toto teplo sa naakumuluje počas leta do povrchovej časti pôdy a počas vykurovacej sezóny sa dá využiť. Prax a vedecké merania dokázali, že toto zariadenie je veľmi vhodné aj z hľadiska ekológie. Teplo z pôdy je možné technicky získať rôznymi spôsobmi. Teplo sa môže odovzdávať pomocou vykurovacieho média - solanky (zmes vody a glykolu) a získané teplo sa prenáša pomocou výmenníka tepla. Existujú aj tepelné čerpadlá s priamym odparovaním chladiva. V zemi uložených rúrových kolektoroch cirkuluje chladivo tepelného čerpadla. Toto sa po ohriatí

teplom pôdy

mení na paru a v plynnej forme je vedené do kompresora. V tomto prípade je potrebný len jeden výmenník tepla. Kolektory pritom môžu byť v zemi uložené rôznymi spôsobmi.

Voda ako zdroj tepla

Ako zdroj tepla pre tepelné čerpadlo môže byť aj povrchová voda riečnych tokov, jazier a nádrží. Nevýhodou povrchových vôd je zmena teploty počas roka. Preto je jedným z najvhodnejších zdrojov tepla spodná voda, ktorá je k dispozícii takmer všade. Má relatívne vysokú a stálu teplotnú úroveň, približne 7 až 12 stupňov Celzia. Pre inštaláciu tepelného čerpadla na spodnú vodu je potrebné vyhĺbiť dve studne, pričom jedna je odberová a druhá presakovacia. Pritom je potrebné brať do úvahy prúdenie spodnej vody. V dobre izolovanom dome je potrebné uvažovať s požiadavkou na maximálne 0,5 litra vody prietoku za sekundu. Takéto tepelné čerpadlo môže pokryť skoro celoročnú potrebu tepla. Vo veľkých priemyselných podnikoch je možné namiesto

spodnej vody

využiť odpadovú vodu. Existujú tiež príklady na využitie termálnej vody na vykurovanie pomocou tepelného čerpadla. V takýchto prípadoch je dôležité vykonať rozbor termálnej vody.

Zdrojom tepla môže byť aj vzduch

Pre voľbu vonkajšieho vzduchu ako zdroja tepla pre tepelné čerpadlo je potrebná znalosť klimatických a meteorologických podmienok na mieste realizácie. Vonkajší vzduch sa vedie cez výmenník tepla. Chladivo odoberá z neho časť tepla, ktoré sa ďalej odvádza v plynnom skupenstve. Tieto tepelné čerpadlá sú vhodné najmä pre bivalentnú prevádzku. To znamená, že do vonkajšej teploty asi - 5 stupňov Celzia pokrýva tepelné čerpalo celkovú potrebu tepla na vykurovanie, avšak pri nižších teplotách je potrebné uviesť do prevádzky ďalšie vykurovacie zariadenie, napríklad kotol. V takomto prípade je možné pri pomerne nízkych prevádzkových nákladoch pokryť celoročnú potrebu tepla na vykurovanie. Toto tepelné čerpadlo je ideálne na dodatočnú inštaláciu kúrenia. V poslednom čase sa využíva aj kontrolované vetranie obydlí. Niektorí výrobcovia tepelných čerpadiel

ponúkajú modely,

ktoré pracujú aj pri veľmi nízkych vonkajších teplotách, a pritom pokrývajú celkovú ročnú potrebu tepla. Tieto zariadenia, pri ktorých je zdrojom tepla vonkajší vzduch, sú často využívané na veľmi hospodárnu prípravu teplej úžitkovej vody. Ak sa zaoberáme myšlienkou inštalovať tepelné čerpadlo, musíme uvážiť účel jeho využitia, vplyv predpokladaného tepelného zdroja, investičnú a prevádzkovú ekonomiku a spôsob prevádzky. Pri inštalácii čerpadla je potrebné uvážiť ekonomickú efektívnosť investície. Pre ilustráciu uvádzame zjednodušený výpočet (investícia bez využitia úveru)

Inv. NTČ - Inv. NEVK

= ------------------------------ (rok)

Ar . C el - A tč . Cel

pričom - N = návratnosť v rokoch

Inv. NTČ - investičné náklady na dodávku a montáž tepelného čerpadla vrátane nákladov na nízko-teplotný vykurovací systém

Inv. NEVK - investičné náklady na dodávku a montáž elektrického vykurovacieho systému

Ar - ročná spotreba elektrickej energie pri vykurovaní elektrinou

A tč - ročná spotreba el. energie pri vykurovaní tepelným čerpadlom

C el - cena energie za 1 kWh elektrickej energie

Využitie tepelných čerpadiel vyplýva z možností teplôt, ktoré môžeme s ich pomocou dosiahnuť. Je to teplota 55 stupňov Celzia a v niektorých prípadoch až 60 - 70 stupňov Celzia. Je tiež dôležité počítať s tepelnými stratami vykurovacieho objektu. Technika tepelných čerpadiel je možnosťou, ako najmenej negatívne ovplyvniť kvalitu životného prostredia. Využíva totiž inak nevyužiteľnú úroveň teploty na vykurovanie a prípravu teplej úžitkovej vody. Požaduje veľmi nízky vstup primárnej energie, a tým znižuje ohrozenie životného prostredia v súvislosti so spaľovaním pevných palív. Pri lepšom a hospodárnejšom využití energie tepelným čerpadlom je potrebné brať do úvahy aj tvorbu kysličníka uhličitého a iných skleníkových plynov, ktoré vznikajú pri používaní pevných palív. Na Slovensku je v súčasnosti inštalovaných 25 tepelných čerpadiel. Neexistuje štátny program na podporu obnoviteľných zdrojov energie, ani na podporu energetických úspor. Navyše štátna správa nemá záujem o spoluprácu v tejto oblasti. Tepelné čerpadlá sú navyše zaťažené vysokým percentom DPH (23 %), čo v praxi spôsobuje, že pre široké vrstvy obyvateľstva sú tepelné čerpadlá z cenových dôvodov nedostupné. Na Slovensku je

veľká zásoba

nízko-potenciálneho tepla, ktorá je napríklad ukrytá v spodnej vode Žitného ostrova. Táto teplota sa dá transformovať na vyššiu, využiteľnú teplotu práve pomocou tepelných čerpadiel. Odborníci z Asociácie pre využitie tepelných čerpadiel pri Dome energetického poradenstva Slovenských elektrární preto navrhujú znížiť súčasnú DPH zo súčasných 23 % na 10 %. Tiež by pomohlo odpustenie dovoznej prirážky. Je rovnako potrebné určiť pravidlá na poskytovanie dotácií, prípadne bezúročných pôžičiek, ktoré by umožnili masívnejší rozvoj aplikácie tepelných čerpadiel. Ide o štátny program, na ktorom by sa podieľalo ministerstvo životného prostredia a ministerstvo hospodárstva. Ak by sa prijali tieto, prípadne ďalšie opatrenia, nepochybne by pozitívne vplývali na zvýšenie záujmu o tepelné čerpadlá, čo by nadväzne umožnilo aj ich výrobu na Slovensku. Súčasný technický pokrok je už na takej úrovni, že tepelné čerpadlá dokážu z 1 kWh dodanej na ich pohon, získať až päťnásobné množstvo tepelnej energie z okolia vykurovaného objektu. V ČR je v súčasnosti nainštalovaných 2500 tepelných čerpadiel a do roku 2005 sa plánuje zvýšiť tento počet na 30-tisíc. V rámci štátneho programu na podporu úspor možno

získať dotáciu

vo výške 30 - 40 % z potrebných investičných nákladov, pričom DPH na tepelné čerpadlá je len 5 %. Vo Švédsku je už nainštalovaných 360-tisíc tepelných čerpadiel, v susednom Rakúsku 149-tisíc, pričom tam možno získať na inštaláciu tepelných čerpadiel dotáciu až do výšky dvoch tretín potrebných investičných nákladov. Zostáva len veriť, že keď sa upokojí slovenská politická a ekonomická situácia, zlepšia sa aj podmienky na toto veľmi úsporné vykurovanie budov a rodinných domov.

Jozef Kunik