Jak vytopit dům? Teplem vody, vzduchu a země.
Naše Země je štědrá, ale její zdroje nejsou bezedné. Na Zemi se nacházejí mimo neobnovitelných i obnovitelné zdroje energie. Proč si tedy nevybrat například na vytápění energii, kterou poskytuje Země ustavičně bez ohledu na to, zda je využita, nebo ne? Jedním ze způsobů vytápění obnovitelnými energiemi je vytápění tepelnými čerpadly.
Zázrak zvaný tepelné čerpadlo
Tepelné čerpadlo využívá tepelnou energii, která je obsažena v zemi, ve vodě nebo ve vzduchu. Zdá se vám nemožné vytopit dům vodou, která má jen několik stupňů nad nulou? Díky tepelnému čerpadlu se to však dá. Tepelná energie je v dané látce natolik rozptýlena, že se nedá použít a v žádném případě nestačí na vytopení domu. Velmi zjednodušeně lze říci, že tepelné čerpadlo odebírá teplo z velkého množství této látky, kompresorem ji "zahustí" a zvýší její teplotu na výšku potřebnou k topení nebo ohřev vody. Ani tepelné čerpadlo však není perpetuum mobile - pohání ho jiná energie, většinou elektřina. Vložená energie tvoří asi 20 až 40 procent z výsledné energie čerpadla. Poměr vložené a získané energie se nazývá výkonové číslo a pohybuje se kolem 2,5 až 5. Pokud z 1 kWh elektrické energie získáme pomocí tepelného čerpadla například 3 kWh tepla, výkonové číslo se v tomto případě rovná 3.
Princip práce tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlo pracuje podobným způsobem jako chladnička, ale zatímco u chladničky je cílem, aby zařízení odebíralo teplo potravinám a snižovalo jejich teplotu, tepelné čerpadlo dodává teplo do topného systému nebo ohřívá vodu. Hlavními zdroji tepla, které mohou tepelná čerpadla využít, jsou voda, země, vzduch, odpadní teplo (v podobě vody nebo vzduchu) z domácností, průmyslu, ze stájí pro hospodářská zvířata, ze vzduchotechniky a sluneční záření.
Voda
Podzemní voda je pro svou stálou, poměrně vysokou teplotu (okolo 10 ° C) velmi vhodným zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo. Podmínkou jsou příznivé hydrogeologické podmínky (zda ji lze použít jako zdroj tepla) a dostatečná vydatnost podzemní vody (pro rodinný dům musí dosahovat 0,5 l / s). Na fungování čerpadla, které čerpá teplo z vody, jsou zapotřebí dvě studny - z jedné se voda ponorným čerpadlem odčerpává a zchlazená se do druhé, vsakovací vrací. Vzájemná vzdálenost studní je od 10 do 25 m. Kromě podzemních vod lze využívat povrchovou vodu z potoka, řeky, jezera a odpadní vodu z průmyslu nebo domácnosti. Použití podzemních i povrchových vod musí schválit vodohospodářský úřad.
Země
V našich klimatických podmínkách země v hloubce větší než 80 cm nezamrzá. Proto lze i tento zdroj považovat za teplotně ustálený. Přenos tepla mezi zemí a tepelným čerpadlem zprostředkovává plastové potrubí uložené v zemi vodorovně nebo v kolmých vrtech. Vodorovné uložení je finančně méně náročné (až o 50 procent ve srovnání se zemními sondami), ale na vytopení rodinného domu je nutná dvoj-až trojnásobná plocha kolektorů, jako je plocha vytápěného prostoru. Potrubí se ukládá v hloubce 1,5 až 2 m, se vzdáleností mezi potrubími 1 m. Délka jednoho potrubí nemá být větší než 350 m. Pokud tato délka nestačí, je třeba uložit více potrubí, které musí být stejně dlouhé. Aby se plocha země, pod kterou se nachází kolektor, co nejvíce přehřívala, musí být co nejméně zastíněna. Pokud pozemek nebo jiné podmínky neumožňují použít vodorovné kolektory, používají se hloubkové vrty, které lze udělat u každého domu, protože zabírají minimum místa.
Výhodou hloubkových vrtů je, podobně jako u podzemní vody, poměrně vysoká teplota i v chladných dnech, tedy tehdy, když potřebujeme nejvíce tepla na vytopení domácnosti. Vrty bývají hluboké 50 až 120 m, a tak je problémem jejich velká finanční náročnost (1 m vrtu stojí až 1 200 až 1 400 Kč). Přesná hloubka vrtu závisí na geologických poměrech a výkonu čerpadla. Pokud je nutná větší hloubka, než dovolují geologické poměry nebo technické možnosti, celkovou délku lze rozdělit do několika stejných vrtů, vzdálených mezi sebou minimálně 5 m. Pokud jsou jednotlivé vrty kratší než 50 m, doporučuje se zvětšit celkovou délku potrubí (a tedy i vrtů) o 10 procent.
Teplo z půdy se odevzdává pomocí nemrznoucí směsi, kterou jsou naplněny polyethylenové trubky. Cirkulující voda odebírá ze země teplo, které se v čerpadle zpracuje a předá. Tímto procesem se zem podchladzuje, což se projevuje například jejím pozdějším rozmrzaním. S tímto faktem je třeba při návrhu tepelného čerpadla počítat a umístit potrubí tak, aby podchlazení země neohrožovalo dům nebo rostlinstvo. Nejúrodnější půdou pro tepelná čerpadla je vlhká jílovitá půda, která dobře vede teplo.
Vzduch
Využívání tepla, které obsahuje vzduch, je nejjednodušší, protože tento systém lze realizovat bez technického omezení. Tepelné čerpadlo pracuje až do teplot vzduchu -15 ° C. Je až neuvěřitelné, že i takový chlad může být zdrojem tepla. Účinnost čerpadla je samozřejmě v těchto teplotách nízká. V případě, že teplota venkovního vzduchu klesne pod určitou hranici (většinou je to -5 ° C), je výhodnější vytápět záložním zdrojem tepla. Naopak výbornou účinnost dosahuje čerpadlo na jaře a na podzim, tj. v přechodných obdobích, kdy je teplota vzduchu vyšší než například teplota země nebo vody. Právě velké kolísání teploty vzduchu je hlavní nevýhodou tohoto zdroje energie. Kromě čerstvého vzduchu lze efektivně využít odpadní vzduch vyprodukovaný domácností (například při kontrolovaném větrání), průmyslem nebo v zemědělství, kde jsou velkým zdrojem tepla prasata a skot.
Sluneční energie
Téměř všechny zdroje tepla sloužící pro čerpadla zásobuje slunce. Teplota podzemních a povrchových vod, vzduchu i země závisí na slunečním záření a dá se říci, že tyto zdroje jsou pouze velkými zásobníky nahromaděné sluneční energie. Kromě sluneční energie v takové "skryté" podobě lze využívat i přímou sluneční energii, kterou sbírají sluneční kolektory. Ty spolupracují s tepelným čerpadlem tak, že akumulují do vody, kterou tepelné čerpadlo jen dohřeje na požadovanou teplotu. Tyto systémy jsou však náročné na investice.
Kam ano, kam ne?
Tepelné čerpadlo je vhodné zejména do nízkoenergetických domů a domů, které mají nízké tepelné ztráty. Nejvýhodnější je pro něj nízkoteplotní otopná soustava - podlahové nebo stěnové vytápění. Pokud je celý rok čerpadlo schopné vytopit dům, mluvíme o monovalentním provozu. Takové řešení lze použít například u čerpadla, které odebírá teplo z dostatečně velkého podzemního zdroje vody. Když se musí vytápění čerpadlem doplnit jiným zdrojem, například elektrokotlem, kotlem na plyn nebo i krbem, hovoříme o takzvaném bivalentním provozu.
Další alternativy vytápění
Využívání alternativních zdrojů energie je jednou z cest, které směřují k budoucímu uspokojení naší potřeby energie v co nejlepším souladu s přírodou. Velmi významnými zdroji vedle energii větru, vody a geotermální energií jsou aktivní využití sluneční energie a biomasa. Sluneční energie se kromě využití při tepelném čerpadle dá použít i přímo, a to pomocí solárních kolektorů. Solární kolektor je plocha, která zachycuje sluneční záření a přeměňuje ho na teplo. Na výrobě tepla se podílí každá jeho část. Nejdůležitější je absorbér, který zachycuje sluneční záření. Teplo dále přechází z teplonosného média do potrubní sítě. Nosnou konstrukci kolektoru tvoří rám, který by měl mít nízkou hmotnost, velkou mechanickou pevnost, odolnost proti korozi a vodotěsnost. Průhledné pokrytí kolektoru představuje vlastně jeho tepelnou izolaci z přední strany. Ta má zabránit přenosu tepla, ale umožňuje prostup slunečního záření. Kompletní solární ohřev obsahuje ještě zásobník, elektronickou regulaci, expanzní nádobu, oběhové čerpadlo a celou řadu dalších armatur, které jsou potřebné na bezchybnou funkci slunečních kolektorů. Solární systémy se dají využít na přípravu teplé užitkové vody, pro přitápění budov či ohřev vody v bazénech.
V podmínkách naší země je dostatečně perspektivním zdrojem biomasa. Biomasu tvoří materiály rostlinného a živočišného původu, vhodné pro průmyslové a energetické využití. Zdrojem na výrobu bioplynu a bionafty je odpadní dřevní hmota, zemědělský odpad (výlisky ze slunečnice, z kukuřičného odpadu, sláma apod.), ale i domovní odpady a odpady z čistíren odpadních vod. Ročně lze získat z tohoto zdroje 14 procent energie. Nejrozšířenější a výhodný potenciál je dřevní hmota. Ta se splynuje ve zplyňovacích kotlích a dřevoplyn pak ohřívá vodu na vytápění. Jedno přiložení do kotle vydrží 12 hodin a výkon kotle se dá automaticky regulovat.
Autor: Martina Dvořáková
