Jak funguje tepelné čerpadlo

Proč se o tepelná čerpadla zajímat

Tepelné čerpadlo (TČ) je zařízení, které přenáší teplo z nízkoteplotního zdroje (vzduch, země, voda) na vyšší teplotní úroveň vhodnou pro vytápění a přípravu teplé vody. Umožňuje vytápět s výrazně nižší spotřebou primární energie než přímotopné či kotlové systémy na fosilní paliva. Díky reverzibilnímu chodu může v létě zajišťovat i chlazení. Jeho přínosy se projevují v nižších provozních nákladech, komfortu regulace a redukci emisí CO₂, zejména při kombinaci s fotovoltaikou a nízkoteplotními otopnými soustavami.

Princip činnosti: chladivový oběh

Tepelné čerpadlo pracuje na principu parokompresního chladivového cyklu. Základní komponenty tvoří uzavřený okruh:

• Výparník: chladivo s velmi nízkou teplotou varu přijímá teplo z okolního média (vzduch/země/voda) a vypařuje se.
• Kompresor: stlačí páry chladiva na vyšší tlak a teplotu (dodává „pracovní“ energii – elektřinu).
• Kondenzátor: horké páry předají teplo otopné vodě (nebo vzduchu) a zkondenzují.
• Expanzní ventil: snižuje tlak chladiva na výchozí úroveň; chladivo se podchladí a vrací do výparníku.

Výsledkem je přesun tepla „proti“ přirozenému toku – z chladnějšího prostředí do teplejšího vnitřního systému. Z pohledu energetiky platí, že malý příkon kompresoru umožní přenést několikanásobek energie ze zdroje.

Výkonnostní parametry: COP, SCOP a teplotní spád

• COP (Coefficient of Performance) je okamžitý poměr dodaného tepla k elektrickému příkonu kompresoru: COP = Q_teplo / P_el. Typicky 2,5–5 podle podmínek.
• SCOP (Seasonal COP) vyjadřuje sezónní průměr zahrnující proměnlivé klima, odmrazování, cyklování a pomocné příkony.
• Teplotní spád soustavy silně ovlivňuje účinnost: čím nižší požadovaná výstupní teplota topné vody (např. 30–40 °C pro podlahové topení), tím vyšší COP.

Typy tepelných čerpadel podle zdroje tepla

• Vzduch–voda: nejběžnější, nízké investiční náklady, snadná instalace. Výkon i COP kolísají s venkovní teplotou; vyžaduje odmrazovací cykly (reverzní chod) při nízkých teplotách a vysoké vlhkosti.
• Země–voda: stabilnější zdroj (cca 0–10 °C). Realizace jako plošný zemní kolektor (větší plocha pozemku) nebo vrtané sondy (menší půdorys, vyšší investice). Vyšší sezónní účinnost, bez odmrazování.
• Voda–voda: využití podzemní/ povrchové vody se stálou teplotou (např. 8–12 °C). Nejvyšší potenciální účinnost, ale náročnější legislativa, filtrace a ochrana proti zanášení.
• Vzduch–vzduch: klimatizační split jednotky využitelné pro vytápění vzduchem; vhodné pro nízkoenergetické objekty a zónové vytápění.

Klíčové komponenty a konstrukční varianty

• Kompresory: rotační, scroll, spirálové; u moderních TČ obvykle invertorové (plynulá modulace výkonu, méně cyklování, vyšší účinnost částečného zatížení).
• Expanzní prvky: elektronický expanzní ventil (EEV) umožňuje přesné řízení přehřátí a adaptaci na proměnné podmínky.
• Hydraulika: deskový kondenzátor, oběhová čerpadla s regulací, směšovače a případně vyrovnávací (akumulační) nádoba pro stabilitu oběhu.
• Chladiva: přechod od HFC (R410A, R134a) k nízko-GWP plynům (R32, R290 – propan) nebo směsím. Nízké GWP chladiva pomáhají snižovat environmentální zátěž; u R290 nutná vhodná konstrukce kvůli hořlavosti (malé náplně, kapslování).
• Reverzibilita: čtyřcestný ventil umožňuje obrácení toku pro aktivní chlazení. U zemních systémů lze využít i pasivní chlazení – cirkulace přes zemní okruh bez chodu kompresoru.

Provoz a regulace: jak dosáhnout vysoké účinnosti

• Ekvitermní řízení: výstupní teplota topné vody se přizpůsobuje venkovní teplotě, čímž se drží nízká teplota v soustavě a zvyšuje COP.
• Hydraulické vyvážení: správný průtok přes výměníky a otopná tělesa omezuje šum, cyklování a teplotní přeskoky.
• Akumulace: u TČ vzduch–voda pomáhá malá akumulační nádoba nebo dostatečný vodní objem soustavy ke stabilnímu režimu; při kombinaci s fotovoltaikou umožňuje časově posunutý odběr.
• Odmrazování: inteligentní algoritmy minimalizují ztráty; správná instalace venkovní jednotky (odvod kondenzátu, nezamrzající podloží) je nezbytná.

Volba otopné soustavy: nízkoteplotní je výhodou

TČ nejlépe spolupracují s podlahovým či stěnovým topením, případně velkoplošnými nízkoteplotními radiátory. Cílem je dosažení projekční teploty např. 35/28 °C místo 55/45 °C. U rekonstrukcí s původními radiátory je třeba prověřit, zda při nižších teplotách zajistí výkon; často pomůže navýšení plochy těles, ventilátorové konvektory nebo zateplení obálky.

Dimenzování výkonu a bivalentní provoz

• Monovalentní: TČ pokrývá celou tepelnou ztrátu i při výpočtové venkovní teplotě. Vyšší investice, ale plný komfort bez bivalence.
• Bivalentně alternativní: při mrazech pomáhá špičkový zdroj (elektrická patrona, stávající kotel). Výhodné pro TČ vzduch–voda; optimalizuje investici.
• Hybridní systémy: integrace s plynovým kotlem; řízení přepíná podle ceny energií a klimatických podmínek.

Správné nadimenzování zohledňuje ztrátu objektu, požadavek na TUV, provozní profily a klima. Naddimenzované TČ více cykluje, poddimenzované vyžaduje častou bivalenci – obojí zhoršuje efektivitu.

Tepelná čerpadla a příprava teplé vody

TUV vyžaduje vyšší teploty (obvykle 50–60 °C). TČ je dosahují s nižším COP než při vytápění, proto se často používají dedikované TČ pro TUV nebo kombinované zásobníky s inteligentní stratifikací. Důležité je antibakteriální opatření (periodické dohřátí na hygienickou teplotu).

Chlazení s tepelným čerpadlem

• Aktivní chlazení: reverzní chod kompresoru; vyšší elektrický příkon, ale přesné řízení teploty.
• Pasivní chlazení (zemní okruh): velmi nízké provozní náklady; nutno hlídat rosné body a kondenzaci v konstrukcích.

Hluk, vibrace a umístění jednotky

• Venkovní jednotka: umístěte mimo ložnice a sousední citlivé prostory; respektujte protihlukové normy a odstupy od hranic pozemku.
• Antivibrační opatření: pružné podložky, oddělené potrubní prostupy a pružné hadice omezí přenos vibrací.
• Odvod kondenzátu: musí být nezamrzající, se spádem a bez odkapu na veřejné komunikace.

Instalace, uvedení do provozu a údržba

• Projekt a hydraulické schéma: jasná definice zdrojů, směšování, čerpadel, zpáteček a pojistných prvků.
• Uvedení do provozu: nastavení ekvitermy, průtoků, kontrola chladivového okruhu a funkce odmrazování.
• Servis: pravidelná kontrola filtrů, tlaků, expanzky, anody zásobníku a aktualizace firmware regulace.

Energetická a ekonomická bilance

• Provozní náklady závisí na SCOP, tarifech elektřiny a bivalenci. Každé zvýšení SCOP o 0,1 snižuje roční spotřebu cca o ~2–4 % (orientačně).
• Investice zahrnuje zdroj, hydrauliku, zásobník TUV, případně zemní práce (sondy/kolektor) a úpravy otopné soustavy.
• Životnost kompresoru typicky 10–15 let provozu, celého systému 15–20+ let při správné údržbě; zemní okruhy 40–60 let.

Environmentální aspekty a chladiva

Celková uhlíková stopa závisí na mixu elektřiny a účinnosti. Přechod na nízko-GWP chladiva snižuje dopady případných úniků. Při volbě dbejte na servisní dostupnost a legislativní požadavky k F-plynům nebo přírodním chladivům (bezpečnostní zóny, větrání, detekce úniku podle typu instalace).

Integrace s fotovoltaikou a řízení spotřeby

• Smart grid ready: TČ s rozhraním pro řízení umožní posouvat ohřev TUV a akumulaci tepla do doby vlastní výroby.
• Akumulační zásobníky a betonová akumulace (podlahy) poskytují „tepelné baterie“ pro využití přebytků.
• Dynamické tarify: optimalizace provozu podle ceny elektřiny zvyšuje ekonomiku řešení.

Typické chyby při návrhu a jak se jim vyhnout

• Poddimenzovaný výměník na straně zdroje: nízký průtok nebo malá plocha snižují COP a spolehlivost (časté odmrazování).
• Vysoké teploty v otopné soustavě: zbytečně degradují účinnost; zvažte zvětšení plochy otopů.
• Nedostatečný odvod kondenzátu a námrazy: vede k ledu pod jednotkou a hluku ventilátoru.
• Chybějící vyvážení okruhů: některé zóny přetékají, jiné nedotápí; kompresor cykluje.
• Nekvalitní elektrické jištění: nedostatečné průřezy, chybějící ochrany, špatně dimenzované jističe a chrániče.

Legislativní a povolovací aspekty

Pro venkovní jednotky je nutné respektovat hlukové limity a odstupy. Vrtané sondy a odběr podzemní vody vyžadují povolení dle vodního a horního práva a hydrogeologický posudek. V bytových domech/řadové zástavbě je vhodná koordinace se sousedy a správcem (statika, vibrace, požární bezpečnost prostupů).

Kdy zvolit který typ tepelného čerpadla

• Nízké investiční náklady, rychlá instalace: vzduch–voda s bivalentní podporou pro špičky a nízkoteplotní otopy.
• Nejvyšší sezónní účinnost a chlazení: země–voda s vrty; vhodné u novostaveb a tam, kde je prostor/legislativní možnost.
• Stabilní zdroj a nejvyšší COP: voda–voda, pokud je dostupná a legislativně průchodná kvalitní voda.
• Rekonstrukce bytu či zónové řešení: vzduch–vzduch pro doplňkové vytápění a letní chlazení.

Modelový příklad provozu

Rodinný dům s tepelnou ztrátou 6 kW, podlahové topení 35/28 °C, klimaticky mírné pásmo. TČ vzduch–voda 7 kW (invertor), SCOP ~3,5, zásobník TUV 250 l s antibakteriálním dohřevem jednou týdně. Roční teplo pro vytápění a TUV 12 MWh → očekávaná spotřeba elektřiny kompresoru ~3,4 MWh. Integrace s 6 kWp FVE pokryje část zimního i letního provozu, přebytky směřují do TUV a předtápění podlahy.

Závěr: systémové řešení pro komfort a nízké náklady

Tepelné čerpadlo je vysoce účinný, komfortní a flexibilní zdroj tepla, pokud je správně navrženo, integrováno a regulováno. Nejlepších výsledků dosáhnete s nízkoteplotní otopnou soustavou, kvalitní montáží a chytrým řízením – ideálně v kombinaci s fotovoltaikou a akumulací. Vhodný výběr typu TČ podle lokálních podmínek a promyšlená hydraulika zajistí dlouhou životnost, nízké provozní náklady a nízkou ekologickou stopu.