Chlazení domu tepelným čerpadlem je šetrnější než klimatizace

Chlazení interiérů domů a bytů je téma, které se s narůstajícími letními horky v posledních letech stává stále aktuálnějším. Jak konkrétně chlazení tepelným čerpadlem probíhá? Je dostatečně účinné, aby dokázalo nahradit běžnou klimatizaci? A jak je to s provozními náklady? To vše si probereme v tomto článku.

Nejprve si vyjasníme, o jakých tepelných čerpadlech se budeme bavit: půjde o tepelná čerpadla vzduch-voda a země-voda, která jsou u nás nejrozšířenější a která obvykle slouží jako hlavní zdroj tepla pro vytápění. Jak ale dnes sami uvidíte, umí i chladit.

Kde se v domě bere horko?

Důležité je sdělit si něco o fyzikálních důvodech přehřívání interiérů. Lidé se často domnívají, že podobně jako v zimě je doma chladno kvůli nízké venkovní teplotě, v létě je uvnitř horko kvůli vysoké venkovní teplotě, respektive teplotě vzduchu. Tak tomu ale není: zatímco v zimě dosahují běžně rozdíly mezi průměrnou venkovní a vnitřní teplotou 20 i více stupňů, v létě je dlouhodobá venkovní teplota v červenci a srpnu okolo 18 °C a jen ve zcela výjimečných případech přesáhne průměrná denní teplota vzduchu hodnotu 23–24 °C. To znamená, že ani v teplých obdobích žádné významné rozdíly mezi venkovní teplotou a teplotou interiéru neexistují (krátkodobé extrémy navíc vykryje tepelná kapacita domu a jeho izolace). Veškeré přehřívání vnitřních prostor budov má na svědomí sluneční záření, zejména oslunění oken a střechy objektu. Právě díky dlouhotrvajícímu slunečnému počasí mohou vnitřní teploty přesáhnout i 30 °C. Pokud zabráníme přímému oslunění interiéru okny, výrazně snížíme teplotní zátěž prostoru a velmi podstatně zredukujeme náklady na případné chlazení. Vždy platí, že je lépe nepustit teplo do interiéru (pomocí venkovní rolety, žaluzie, markýzy atd.) než dům nákladně chladit.

Reverzační chlazení tepelným čerpadlem

Pokud mluvíme o chlazení tepelným čerpadlem, vesměs máme na mysli chlazení tzv. reverzační (neboli aktivní), kdy je chod tepelného čerpadla obrácen, interiér objektu je ochlazován a teplo z chlazení je mařeno do okolního prostředí.

Nejrozšířenějšími tepelnými čerpadly u nás jsou systémy vzduch-voda. Jedná se o jediný typ tepelného čerpadla, který je vždy vybaven reverzačním ventilem z důvodu odtávání výparníku v zimním provozu (každý cyklus odtávání výparníku je v podstatě krátký režim reverzačního chlazení). Díky tomu čerpadla vzduch-voda reverzační chlazení obvykle umožňují – ať již v základní výbavě, nebo volitelně za příplatek.

U tepelných čerpadel země-voda nebo voda-voda běžně reverzační ventil v chladicím okruhu chybí, neboť pro funkci vytápění není potřeba. V případě požadavku na aktivní chlazení je tedy nutné objednat speciální výbavu, resp. speciální tepelné čerpadlo. Další možností, která se u systémů země-voda nabízí, je možnost nahradit reverzační ventil na chladicím okruhu reverzací na kapalinovém potrubí vně tepelného čerpadla. Jednoduchým systémem s třícestnými ventily se primární okruh přesměruje do chladicí soustavy domu a sekundární (teplá) strana tepelného čerpadla se přepnutím ventilu nasměruje do vrtu nebo plošného kolektoru. Dosáhne se tím shodného efektu jako při reverzaci chladiva. Reverzace na kapalinovém potrubí je také vhodná u velkých tepelných čerpadel země-voda s vysokým topným výkonem, kde by instalace reverzačního ventilu na chladicí okruh byla problematická.

Obecně platí, že pokud má tepelné čerpadlo dostatečný topný výkon pro vytápění daného objektu v zimním období, má i dostatek chladicího výkonu pro jeho ochlazení v horkém počasí.

Jak je to s energetickou účinností chlazení

Moderní inverterové tepelné čerpadlo vzduch-voda je technicky velmi vyspělý chladicí agregát a nabízí obvykle shodnou nebo vyšší účinnost chlazení než nejdokonalejší klimatizační jednotky. Přesto platí, že ostatní způsoby chlazení objektu s tepelným čerpadlem jsou ještě podstatně energeticky efektivnější (a tudíž provozně levnější). Jde o aktivní chlazení čerpadly země-voda nebo voda-voda, kdy se odpadní teplo efektivně maří do chladné země nebo spodní vody. Tabulka níže udává přehled o energetické účinnosti reverzačního chlazení tepelnými čerpadly a porovnání s vyspělou klimatizací – viz tabulka.

U tepelných čerpadel země-voda nebo voda-voda není nezbytné odpadní teplo z chlazení mařit do okolí, ale může být energeticky využito např. pro ohřev teplé vody v domácnosti nebo bazénu.

Chlazení kondenzační a bezkondenzační

Vysvětlili jsme si, že tepelné čerpadlo je vhodným zdrojem chladu (v tomto případě chladicí vody) pro sezonní chlazení interiéru domů a bytů. Je nutné se zmínit o tom, jak můžeme chlad do obytného prostoru distribuovat. Běžný otopný systém tvořený otopnými tělesy není pro chlazení použitelný.

Způsob chlazení závisí na použité teplotě chladicí vody. Pro plnohodnotné (tzv. ostré) chlazení, které známe z klimatizací, je nutná teplota chladicí vody nižší, než je teplota rosného bodu vzduchu v místnosti (byť mluvíme o chladicí vodě, jde v tomto případě o směs vody a glykolu, tedy o nemrznoucí směs). Teplota chladicí vody na vstupu do systému je typicky okolo 10 °C. Pro přenos chladicího výkonu se používají konvektory (fan-coily) s nuceným pohybem vzduchu. Konvektory mohou být umístěny pod stropem, v podlaze nebo na stěně místnosti, přičemž je možné je používat buď výhradně pro chlazení, nebo jak pro chlazení, tak i vytápění. Konvektory nasávají vzduch z místnosti a ochlazený a odvlhčený ho vyfukují zpět do interiéru. Ze vzduchu tak odebírají latentní i citelnou složku tepla a s ohledem na kondenzaci vzdušné vlhkosti musí být vybaveny odvodem kondenzátu. Z důvodu nebezpečí kondenzace vyžaduje celá chladicí soustava – včetně veškerých rozvodů – důkladnou tepelnou izolaci. Nástup chladicího účinku je rychlý a přenášený chladicí výkon vysoký.

Další, méně známou možností je použití teploty chladicí vody nad teplotou rosného bodu, obvykle 18–20 °C. Díky absenci kondenzace umožňuje přenášet chladicí výkon do prostoru bez jakéhokoliv omezení, přičemž vhodné jsou zejména velkoplošné otopné soustavy typu podlahového, stěnového nebo stropního vytápění, a dokonce je možné po určité úpravě použít i běžná otopná tělesa. Výhoda bezkondenzačního chlazení (někdy též označovaného jako přichlazování) tkví tedy především v možnosti použít existující otopnou soustavu. Chladicí výkon je nižší než u ostrého chlazení, neboť je limitován schopností topného systému chlad předat (příkladně podlahový systém chladí výkonem max. 30 W/m²), je tedy nutné chladit dlouhodobě, aby se účinek významně projevil. Bezkondenzační chlazení snižuje pouze citelné teplo, a tudíž je s ním spojen adekvátní nárůst relativní vlhkosti. To na druhou stranu přispívá k jeho mimořádně vysoké účinnosti, která není negativně ovlivněna spotřebou energie na kondenzaci vodní páry, a chlazení je proto provozně velice úsporné. V neposlední řadě se přichlazování, na rozdíl od ostrého chlazení, projevuje daleko přirozeněji, pozvolněji a obejde se bez proudění studeného vzduchu. Nemá tudíž známé negativní účinky na lidský organismus, které jsou s běžným (ostrým) chlazením spojeny.

Přichlazování je možné realizovat reverzačně všemi druhy tepelných čerpadel (vzduch-voda, země-voda i voda-voda) s tím, že teplota chladicí vody bude omezena rosným bodem. To lze nastavit manuálně nebo využít čidla vlhkosti, která požadovanou teplotu chladicí vody zajistí automaticky (v případě tepelných čerpadel Master Therm je v nabídce odpovídající prostorový přístroj s vlhkostním čidlem).

Provozní náklady chlazení

Jak konkrétně to bude vypadat s náklady na chlazení? Jako příklad si vezměme běžný rodinný dům s obytným prostorem o velikosti cca 120 m², kde můžeme uvažovat s průměrnou letní spotřebou 75 kWh chladu za den. Orientační náklady na den chlazení jsou vyčísleny v následující tabulce.

* Pozn.: pro nezvýhodněnou sazbu el. energie

Důležitou roli v ceně chlazení hraje, v jaké sazbě domácnost elektrickou energii nakupuje. Ve výhodě jsou tedy provozovatelé tepelného čerpadla (nebo elektrického vytápění), kteří automaticky mají nárok na sníženou sazbu, a to i v případě, že chladí klimatizací. Naopak v domech vytápěných zemním plynem, biomasou apod. bude provoz klimatizace vždy podstatně dražší.

Freecooling – nejúspornější chlazení

Přichlazování je možné realizovat i přímým odvodem tepla do chladného okolí, a to bez běžícího kompresoru. Jde o tzv. pasivní chlazení (volné chlazení, freecooling). Prostřednictvím tepelného výměníku se teplo z chladicího systému domu přenáší přímo do země nebo spodní vody. Z tepelných čerpadel se tato možnost týká zejména čerpadel země-voda zapojených do svislého kolektoru (vrtu). Má-li být vrt využitý pro plnohodnotné pasivní chlazení, měl by být vyprojektovaný nejen pro potřeby vytápění, ale i chlazení. V opačném případě může v průběhu letní sezony hrozit vyčerpání chladicí kapacity vrtu a v jeho důsledku snížení chladicího výkonu. Aby k tomu nedocházelo, je možné zkombinovat pasivní chlazení s reverzačním, kdy je nejprve chlad z vrtu vytěžen pasivně a následně se aktivuje reverzační režim.

K pasivnímu chlazení lze přizpůsobit i systémy voda-voda, naopak není možné použít čerpadla vzduch-voda a nejsou vhodná ani zemní čerpadla s plošným kolektorem, který nezajišťuje potřebný teplotní spád a dostatečnou chladicí kapacitu.

Pasivní chlazení je chlazení v podstatě zdarma, neboť se obejde zcela bez práce kompresoru a spotřeba energie se redukuje jen na napájení oběhových čerpadel a je s ohledem na přenášený chladicí výkon prakticky zanedbatelná.

Pokud uvažujete o instalaci chlazení do vašeho obydlí, nezapomínejte na možnosti, které nabízí využití tepelného čerpadla. Koneckonců je to jediný zdroj tepla pro vytápění, kterým je možné také chladit. V neposlední řadě věnujte pozornost kvalitní izolaci střechy domu a vnějšímu zastínění oken.

JIŘÍ SVOBODA
Foto: archiv autora

Ing. Jiří Svoboda (*1966)
– absolvoval Fakultu strojní ČVUT, obor strojírenská technologie. Pracuje jako jednatel ve společnosti Master Therm tepelná čerpadla s. r. o., jeho specializací je průmyslové využití tepelných čerpadel.

Související články:
Jak funguje tepelné čerpadlo? V hlavní roli kondenzace a vypařování
Vysokoteplotní tepelná čerpadla. Mimořádně úsporné řešení ohřevu teplé vody v bytových domech a hotelech
V létě chladí, v zimě hřeje, to je tepelné čerpadlo
Nová budova ČSOB SHQ: Vytápění a chlazení zemními tepelnými čerpadly