Vytápění a chlazení domu tepelným čerpadlem. Úvod do moderní energetiky.

I ve středoevropských podmínkách se ukázalo, že vedle zimní energetiky budov je dobré nebo dokonce nutné pracovat i s jejich letní energetikou. Pro léto jsou totiž typické velké, ale nežádoucí sluneční zisky, které „sbírají“ střecha, stěny i okna domu. Dobrou zprávou je, že zimu i léto dnes dobře vyřešíme jediným zařízením, které v zimě vytápí, v létě chladí a celoročně ohřívá vodu. Řeč je o tepelném čerpadle s celoročním provozem.

Pod pojmem tepelné čerpadlo myslíme v tomto příspěvku zařízení, které realizuje oba jeho provozní režimy (zimní vytápění a letní chlazení) a nejlépe mezi nimi automaticky přepíná podle okamžité potřeby. Zároveň s tím realizuje celoroční ohřev pitné vody. Toto zařízení zkrátka nemá topnou, ani chladicí „sezónu“, vytápí, chladí a ohřívá vodu celoročně, ale jen když je potřeba.

Tepelné čerpadlo jako významný krok k soběstačnému domu

Dům, o němž je řeč, je přestavbou rodinného domu na administrativní budovu s možností její zpětné adaptace na bydlení či kombinaci obojího. Dům není formálně „pasivní“, avšak v…

Proč v létě chladit?

Oficiální stavebnictví řeší jen zimu a topnou sezónu zahajuje, až když venkovní teplota trvale klesne pod +13 °C. A při trvalém zvýšení venkovní teploty nad +13 °C ji ukončí. Podrobnosti stanoví norma, která dále detailizuje přechodné podzimní a jarní období, kdy venkovní teploty oscilují kolem ±13 °C; tomu se ale věnovat nebudeme.

Léto z hledáčku normotvůrců téměř zmizelo. Průměrné letní denní teploty vzduchu totiž jen málokdy překročí 30 °C, což je jen o 3 °C nad normovým požadavkem. A to byl důvod léto oficiálně spíše neřešit. Věc má ale háček: když totiž ostré letní slunce rozpálí fasádu na 60 °C a střechu až k 80 °C, což se opakuje den co den i několik týdnů po sobě, stane se z obydlí bez chlazení velmi nepohodlné místo!

Tepelné čerpadlo a tepelná izolace domu

Kvalitní tepelná izolace domu sice není nutnou podmínkou pro instalaci tepelného čerpadla, nicméně špatně izolující dům vyžaduje vyšší otopný výkon, a tudíž robustnější a výkonnější zdroj tepla. Navíc špatně zaizolovaná stavba je temperována nerovnoměrně: v místech tepelných mostů je na interiérové straně nižší teplota, což působí teplotní nepohodu, v horším případě i stavební poruchy (vlhkost, plísně). Řešením je pak často vytápění na vyšší teplotu.

Celoroční stabilní vnitřní teplota

Máme-li kvalitně izolovaný dům, potom všechny celoroční venkovní teplotní extrémy, ať už jde o teploty vzduchu nebo teploty venkovních povrchů domu (fasády a střechy), vyřešíme správně zvoleným tepelným čerpadlem. Čerpadlem lze velmi lehce řešit i řízenou proměnlivost vnitřní teploty podle denní a roční situace: Například v zimě můžeme vnitřní teplotu nechat během dne oscilovat kolem 21±2 °C, v létě pak třeba 26±2 °C atp. Shrňme si hlavní přednosti moderních tepelných čerpadel:

a) kvalita a technická úroveň dnešních zařízení umožňuje celoroční teplotní stabilizaci budovy; b) tepelná čerpadla v zimě vytápějí, v létě chladí a celoročně ohřívají užitkovou vodu; c) tepelné ztráty nových a rekonstruovaných domů jsou malé, což umožní realizaci vhodných otopných řešení s tepelným čerpadlem.

Téma: sálavé vytápění a chlazení

Specialista na vytápění: „Trvám na tom, že Viessmann byl a stále je nejlepší.“

Jaromír Bašta je špičkový specialista v oblasti návrhu a zejména realizace otopných soustav, jenž pro svůj rodinný dům na Benešovsku volil technologii společnosti Viessmann. Jejím…

Sluneční architektura

Při plánování domů se přehnaná pozornost věnuje teplotám venkovního vzduchu a opomíjí se sluneční záření. Vznikají tak problémy spojené s chabou způsobilostí domů chránit své obyvatele před letními vlnami vedra, které teplovzdušná tepelná ochrana budov neumí ani pojmenovat, natož řešit.

Příklad: Středně velký rodinný dům čtvercového půdorysu 10x10 m o výšce 8 m a s plochou střechou budiž orientován v prostoru tak, že jeho venkovní rohy míří k hlavním světovým stranám (sever-východ-jih-západ). S pomocí výpočtového programu Účinný podíl sklonité plochy a celodenní sluneční dopadající energie na stránkách www.stavebnictvi3000.cz snadno odvodíme pozoruhodné skutečnosti:

Letní slunovrat

Při jasném počasí a v první letní den je celodenní dopad slunečního záření na tento dům něco málo přes 2,163 MWh. Tyto megawathodiny představují v ceně elektřiny 11 750 Kč/den.

Pro porovnání ještě uveďme, že při průměrné celodenní venkovní teplotě v zimě -10 °C je celodenní tepelná ztráta téhož domu jen necelých 67 kWh za cca 360 Kč v ceně elektřiny. To je méně než 1/30 letního dopadu slunečního záření.

Tepelné čerpadlo + fotovoltaická elektrárna + solární ohřev = optimalizace

Trendy v oblasti vytápění a ohřevu vody jsou určovány alternativními přístupy. Jedním z nich je využití tepelného čerpadla jako hlavního topného zařízení. To využívá pro svůj…

Zimní slunovrat

Při jasném počasí v první zimní den je celodenní dopad slunečního záření na tento dům 1,250 MWh. Tyto megawathodiny představují v ceně elektřiny 6 790 Kč/den.

Pro porovnání ještě uveďme, že při průměrné celodenní venkovní teplotě v zimě -10 °C je celodenní tepelná ztráta téhož domu jen necelých 67 kWh za cca 360 Kč v ceně elektřiny. To je méně než 1/18 zimního dopadu slunečního záření na budovu.

Poznámka

Samozřejmě že ne všechno sluneční záření, které dopadne na budovu, se dostane až do interiéru. Nicméně ta jeho část, která neprojde okny dovnitř, způsobí významné ohřátí všech venkovních povrchů domu, včetně oken a dokonce i jejich vnitřního zasklení. Přímé zimní slunce, které dopadá na dům, tak téměř vždy obrátí směr toku tepla a učiní (na dotčených plochách) ze ztráty zisk!

Průvodním dějem je zvýšení povrchové teploty i na vnitřní straně osluněných ploch domu (střechy, fasády i oken), které má ale zpoždění z důvodu tepelné akumulace dané konstrukce. U oken jde o zanedbatelný děj.

Vliv sluncem rozpálených domů

Je dobré vědět, a naše redakční experimenty to potvrzují, že zejména tmavé povrchy domu, které jsou během dne osluněné, se na povrchu ohřívají až k 80 °C. Je-li pod tímto povrchem lehká tepelná izolace, rychle se ohřeje i ona, čehož důsledkem je vždy snížení její tepelně izolační účinnosti.

Navíc letní teplotní spád, který se v takto osluněné konstrukci realizuje, dosahuje až 50 °C. Výsledkem je pak pak mnohem rychlejší letní prohřívání interiéru, než předpovídá systémová tepelná technika budov. Řešení je prosté, byť tvrdě naráží na tradici:

Bílé domy, stínění a zeleň

Bílá barva střechy, fasády a okenních stínicích předmětů v létě odráží ostré sluneční záření, a udržuje tak venkovní povrchové teploty domu cirka na teplotní úrovni vzduchu, s čímž počítá norma.

Naopak v zimě, a zejména v noci pod jasnou oblohou, sníží bílé či světlé povrchy domu sálavý přestup tepla do atmosféry cca o 90 % procent! Když to nezvládne člověk, někdy to za něho udělá sněhová pokrývka střechy.

Výjimečně nízkoteplotní otopná soustava

Volba tepelného čerpadla pro účely stropního vytápění a v létě chlazení byla v plánu už při pořizování starší vily, která je dnes sídlem naší vydavatelské skupiny. V rámci její kompletní přestavby proběhla instalace originálního teplovodního stropního vytápění s velmi rychlou reakcí na regulační podnět.

Celková plocha otopných stropů je 160 m² (80 m² na patro), což umožňuje i za venkovní teploty pod bodem mrazu vytápět vodou jen o 2 až 3 °C teplejší, než je požadovaná prostorová teplota 20 až 21 °C. Jde o celostropní vytápění aplikované v obou nadzemních patrech budovy pro každou místnost zvlášť.

Pozn.: Při psaní tohoto textu byla venkovní teplota 8 °C, teplota otopného stropu do 23 °C a prostorová teplota kolem 22 °C.

Fotovoltaika

Řečený dům není speciálně navržen jako pasivní či něco takového, ale má výtečné chování i v létě. Dodejme, že plochá střecha domu má povrchový nátěr Reflexolem, což je stříbrolesklý nátěr, který i pod přímým sluncem zůstává chladný.

Navíc je plochá střecha nosičem pro 33 fotovoltaických panelů v rámci plně ostrovní elektrárny. Tím se osluněnost střechy (a s ní i její teplota) ještě sníží. Fotovoltaika navíc pohání tepelné čerpadlo, zejména pak v létě.

Tepelné čerpadlo s reverzním provozem

Jde o jednotku, která obstarává jak zimní vytápění, ale i letní chlazení a zároveň s tím i celoroční přípravu teplé užitkové vody. Naše volba nakonec padla na splitové zařízení Vitocal 100-S o jmenovitém tepelném výkonu 4,0 – 12,0 kW, které zastane všechny požadované funkce včetně letní výroby chladu. „Splitové” se mu říká proto, že se skládá z vnitřní a venkovní jednotky.

Zařízení funguje takto: Energie, chcete-li teplo z venkovního vzduchu, je přijímána výparníkem vnější jednotky (lamelový výměník) a předávána do chladiva, které se změní v páru. Ta je pak adiabaticky (bez sdílení tepla s okolím) stlačena kompresorem tak, aby její teplota vzrostla požadovanou úroveň. Horké chladivo je pak potrubím přivedeno do vnitřní jednotky, kde v kondenzátoru (deskový výměník) předává teplo do domácí topné soustavy.

Reverzibilní provedení splitového tepelného čerpadla umožňuje jak zimní vytápění, tak letní chlazení a zároveň celoroční ohřev vody v jediném zařízení.

Téma: sálavé vytápění a chlazení

Závěr

Kombinace vysoké tepelné izolace popsaného domu

• a) s extrémně nízkoteplotním celostropním vytápěním v zimě (jen o 2 až 3 °C nad vnitřní prostorovou teplotou 21 °C) a zároveň s
• b) celostropním letním chlazením o povrchové teplotě jen o 2 až 3 °C pod vnitřní prostorovou teplotou 27 °C)

umožnila řešit celoroční potřebu tepla či chladu tohoto objektu na úrovni odpovídající pasivnímu domu. Toto řešení, na rozdíl od pasivního domu, systémově řeší i letní energetiku domu a vnitřní klima. To byl i důvod, proč celá otopně - chladicí soustava byla řešena jako extrémně nízkoteplotní a její energetická potřeba byla kryta relativně malým tepelným čerpadlem. Ukázalo se, že toto čerpadlo celoročně plní svou očekávanou funkci, když pracovalo jen na noční proud, aby zásobilo teplem/chladem vodní akumulační zásobníky s otopnou vodou.

Co je topný faktor tepelného čerpadla (COP) či chladicí faktor klimatizace (EER) a jak se během roku mění

Topný faktor tepelného čerpadla vyjadřuje poměr mezi čerpadlem získaným teplem a k tomu spotřebovanou elektrickou energií. Čím je vyšší, tím je tepelné čerpadlo účinnější. Podobně…