Proč porovnávat účinnost tepelných čerpadel podle klimatu
Účinnost tepelného čerpadla (TČ) zásadně závisí na klimatických podmínkách – především na venkovní teplotě, vlhkosti, rychlosti větru a výšce nad mořem. Vliv má také požadovaná teplota topné vody a provozní profil budovy. Stejný model TČ tak může v různých regionech dosahovat výrazně odlišného sezónního topného faktoru (SCOP) a roční spotřeby elektřiny. Tento článek systematicky popisuje metriky, fyzikální souvislosti a praktické doporučení pro výběr a návrh TČ s ohledem na klima.
Základní metriky účinnosti
- COP (Coefficient of Performance) – okamžitý poměr dodaného tepla ku příkonu elektřiny při daném provozním bodě (např. A7/W35).
- SCOP (Seasonal COP) – vážený průměr COP přes klimatický rok podle binové metody; zahrnuje odmrazování, částečné zatížení, standby a pomocné spotřeby.
- SPF (Seasonal Performance Factor) – reálný dlouhodobý poměr dodaného tepla z TČ ku veškeré elektřině na místě (kompresor, oběhová čerpadla, řídicí systém, dohřev).
- LT/HT provoz – nízkoteplotní (např. 30–45 °C pro podlahové topení) vs. vysokoteplotní (55–65 °C pro radiátory); vyšší teplota výstupu vždy snižuje COP/SCOP.
Klimatické zóny a jejich charakteristiky
Pro srovnání účinnosti se obvykle pracuje se standardizovanými „bin“ klimatickými profily (teplá, střední, chladná). Pro návrh je však vhodné jemnější členění:
- Mírné oceánské klima: mírné zimy, vyšší vlhkost, časté srážky; častější odmrazování u vzduch-voda TČ.
- Kontinentální klima: větší amplitudy teplot, sušší vzduch; méně odmrazování, ale častější provoz při nízkých teplotách.
- Subalpinské/subarktické klima: dlouhé období pod bodem mrazu; vyšší podíl bivalentního provozu a nutnost nízkoteplotních otopných soustav.
- Mediterránní klima: krátká zima, dlouhé přechodové období; velmi vysoké SCOP, důraz na chlazení a odvod kondenzátu v létě.
Fyzika účinnosti: teplotní spád a entalpie
Teplotní rozdíl mezi zdrojem (venkovní vzduch, zemní kolektor, podzemní voda) a spotřebičem (topná voda) určuje kompresní poměr a tedy i COP. Platí:
- Čím nižší teplota topné vody (např. 35 °C místo 55 °C), tím vyšší COP.
- Čím vyšší teplota zdroje (země +0 až +10 °C, voda +7 až +12 °C vs. vzduch −15 až +10 °C v zimě), tím vyšší COP.
- Vlhkost a námraza u vzduchových TČ zvyšují potřebu odmrazovacích cyklů a snižují SCOP.
Vliv klimatu na jednotlivé typy tepelných čerpadel
| Typ TČ | Stabilita zdroje | Citlivost na klima | Typické SCOP (LT) | Poznámka |
|---|---|---|---|---|
| Vzduch–voda | Proměnná (−20 až +10 °C) | Vysoká (teplota, vlhkost, vítr) | ~ 3,0–4,5 (mírné), 2,5–3,8 (chladné) | Odmrazování, správné umístění venkovní jednotky klíčové |
| Země–voda (solanka) | Relativně stabilní (0 až +10 °C) | Střední (délka kolektoru, geologie) | ~ 4,0–5,0 | Vyšší investice, vysoká sezónní stabilita |
| Voda–voda | Velmi stabilní (+7 až +12 °C) | Nízká (kvalita a vydatnost zdroje) | ~ 4,5–6,0 | Hydrogeologické nároky, povolení, filtrace |
Rozsahy jsou orientační pro nízkoteplotní otopné systémy (W35) a kvalitní návrh. Vysokoteplotní provoz (W55) typicky snižuje SCOP o 15–30 %.
Odmrazování u vzduchových TČ: klima, vlhkost, vítr
- Vlhké a mírně nadnulové klima (0 až +5 °C) vede k časté tvorbě námrazy na výparníku a k pravidelným odmrazovacím cyklům (reverzace chodu), které dočasně snižují COP.
- Vítr a umístění jednotky ovlivňují přestup tepla a rovnoměrnost namrzání; chraňte jednotku před srážkami a cirkulací vlastního výfuku.
- Regulace odmrazu (snímač teploty/Δp, optimalizace délky cyklu) zásadně ovlivňuje SCOP – příliš častý nebo opožděný odmraz zvyšuje spotřebu.
Výšková nadmořská výška a kvalita vzduchu
S rostoucí nadmořskou výškou klesá hustota vzduchu, a tím i hmotnostní průtok při stejné rychlosti ventilátoru. Vzduchová TČ mohou vyžadovat delší chod ventilátoru (vyšší příkon) pro stejný výkon. Prašnost a pyl zanášejí lamely – pravidelná údržba (mytí výparníku) je v prašných oblastech nezbytná pro udržení COP.
Teplota topné vody: největší páka účinnosti
- Každé snížení výstupní teploty o ~5 °C obvykle zlepší COP o 5–10 % (závisí na chladivu a kompresoru).
- Trvale nízkoteplotní soustava (podlahové/velkoplošné vytápění, předimenzované radiátory) je předpoklad vysokého SCOP zejména v chladném klimatu.
- Ekvitermní regulace minimalizuje zbytečné dohřívání a snižuje spínání přímotopného bivalentu.
Bivalentní bod, monovalentní a hybridní provoz
Bivalentní bod je venkovní teplota, pod níž TČ již nepokrývá veškeré tepelné ztráty a nastupuje dohřev (elektrický/plynový). Volba režimu závisí na klimatu a investičních možnostech:
- Monovalentní (bez dohřevu): proveditelné v teplých a mírných oblastech s LT soustavou a dostatečně dimenzovaným TČ.
- Bivalentně alternativní: při nízkých teplotách přebírá topení druhý zdroj (např. kotel) – vhodné v chladném klimatu.
- Bivalentně paralelní: TČ běží spolu s dohřevem v mrazivých špičkách – kompromis pro omezení příkonu.
Částečné zatížení a invertorová regulace
Reálný provoz probíhá většinu sezóny v částečném zatížení. Invertorová TČ s plynulou modulací kompresoru minimalizují taktování, zvyšují účinnost a prodlužují životnost. Ve studeném klimatu je důležité, aby minimální výkon nebyl pod dlouhodobou teplotní potřebou objektu v přechodných obdobích – jinak hrozí časté vypínání a pokles SPF.
Ohřev teplé vody (TUV) napříč klimaty
- Ohřev TUV vyžaduje vyšší teplotu (obvykle 50–60 °C), a proto má nižší COP než vytápění; jeho podíl na roční energii je v teplém klimatu relativně vyšší.
- Pro zlepšení SPF: smart grid režimy (ohřev v teplejší části dne), větší výměník, antilegionelní cykly plánovat s ohledem na tarif a fotovoltaiku.
Porovnání klimat: modelové scénáře
| Scénář | Venkovní klima (zima) | Soustava | Očekávaný SCOP vzduch–voda | Očekávaný SCOP země–voda |
|---|---|---|---|---|
| Mírné, vlhké | často 0 až +7 °C, vysoká vlhkost | LT 35–40 °C | 3,2–4,0 (odmrazy časté) | 4,2–4,8 |
| Kontinentální | −10 až +5 °C, sušší | LT / HT (předimenz. radiátory) | 2,8–3,8 (méně odmrazů) | 4,0–4,7 |
| Chladné | dlouho < −5 °C | LT 30–35 °C, bivalent | 2,5–3,2 (častý dohřev) | 3,8–4,5 |
| Mediterránní | zřídka < 0 °C | LT, časté přechody | 3,8–4,5 | 4,5–5,0 |
Rozsahy předpokládají kvalitní návrh, správné dimenzování a ekvitermní regulaci. Vysokoteplotní provoz (např. starší radiátory bez úprav) snižuje uvedené hodnoty o ~0,3–0,8 bodu.
Ekologické srovnání: emise a zdroj elektřiny
Emisní přínos TČ závisí nejen na SCOP, ale i na uhlíkové intenzitě elektřiny. Provoz s SCOP = 3 v síti s nízkými emisemi vede k výrazně nižší uhlíkové stopě než kotel. V chladném klimatu s horším SCOP může být stále ekologicky výhodnější díky dekarbonizaci výroby elektřiny a možnosti párovat TČ s fotovoltaikou.
Návrhové zásady pro různé klimatické podmínky
- Teplé/mírné klima: priorita nízké teploty vody, invertor, optimalizace odmrazu, možnost reverzibilního chlazení; pozor na letní odvod kondenzátu.
- Kontinentální klima: předimenzujte teplosměnné plochy otopné soustavy, zvažte „hybrid“ s bivalentním bodem −5 až −10 °C; důkladně řešte akustiku a nasávání.
- Chladné klima: preferujte země–voda nebo voda–voda, případně vzduch–voda s promyšleným bivalentem a LT soustavou; krytí špiček akumulací/řídicím dohřevem.
Umístění a instalace venkovní jednotky (vzduch–voda)
- Ochrana před srážkami a vlastní recirkulací vzduchu; volný nasávací/výfukový prostor.
- Odvod kondenzátu a námrazy mimo pěší trasy; nezamrzající drenáž.
- Vliv větru – nevhodné rohy budov s „venturiho“ efektem; případně větrolam.
Hydraulika a regulace: klíč ke SCOP
- Správná regulace oběhových čerpadel (ΔT/Δp), vyvážení okruhů, řízené ekvitermní křivky.
- Akumulace dle potřeby (odmraz, taktování, více okruhů), ale bez zbytečných ztrát.
- Integrace s TUV: zásobník s velkým výměníkem, stratifikace, antilegionelní logika.
Binová metoda: jak vyhodnotit sezónní výkon
- Získejte distribuci venkovních teplot (binové hodiny) pro danou lokalitu.
- Pro každý bin určete COP(Tven, Tvoda) z dat výrobce.
- Zohledněte odmrazy a část zatížení (invertor vs. on/off) a bivalent.
- Vypočtěte SCOP jako vážený průměr dodané energie ku příkonu přes všechny biny.
Tento postup umožňuje reálné srovnání konkrétního TČ v různých klimatických scénářích i při různých teplotách topné vody.
Typické chyby při posuzování účinnosti
- Porovnávání laboratorních COP bez ohledu na teplotu vody a odmrazy.
- Nedostatečně dimenzované teplosměnné plochy (radiátory) – nutí TČ k vyšším teplotám.
- Špatné umístění venkovní jednotky (námraza, vítr, recirkulace) → ztráta SCOP.
- Nepřesné stanovení bivalentního bodu a nekontrolovaný dohřev.
- Ignorování pomocných spotřeb (čidla, čerpadla, ventilátory) v SPF.
Kontrolní seznam pro výběr a návrh podle klimatu
- Klimatická data (binové hodiny), návrhová venkovní teplota, vlhkostní režim.
- Požadované teploty topné vody dnes i po úpravě soustavy (LT/HT, předimenzování těles).
- Volba typu TČ (vzduch–voda vs. země–voda vs. voda–voda) vs. investice a možnosti pozemku.
- Invertorová modulace, rozsah výkonu, akustika a způsob odmrazování.
- Umístění venkovní jednotky, drenáže kondenzátu, ochrana proti větru a srážkám.
- Bivalentní strategie, velikost jističe a síťové podmínky (příkony při špičkách).
- Integrace TUV, případně chlazení (reverzibilní režim) a řízení přes ekvitermu.
Závěr
Účinnost tepelného čerpadla je výslednicí klimatu, teplotního spádu, kvality instalace a regulace. Pro korektní srovnání napříč regiony používejte sezónní metriky (SCOP/SPF) a modelování binovou metodou, nikoli jednorázové COP. V teplých a mírných oblastech dosahují skvělé výsledky i vzduchová TČ – pokud jsou správně navržena. V chladných klimatických pásmech se vyplácí zemní či vodní zdroj, případně promyšlený bivalent. Klíčovou pákou zůstává nižší teplota topné vody a precizní regulace, které zvyšují účinnost bez ohledu na geografii.
