Základní myšlenkou tepelného čerpadla je přečerpání nízkopotencionální tepelné energie na energii s vyšším tepelným potenciálem. Nositelem energie je v tomto případě tekutina (chladivo), kdy podle platných fyzikálních zákonů dochází při jejím odpařování k odnímání tepla svému okolí a naopak předání tepla při kondenzaci tekutiny. Základní podmínkou je ovšem prostředí, ze kterého je možné trvale odebírat tepelnou energii.
Tepelné čerpadlo se skládá ze čtyř základních částí: kompresoru, kondenzátoru, expanzního ventilu a výparníku. Ve výparníku tepelného čerpadla dochází k odpaření chladiva a tudíž přeměně kapaliny na plyn, který je poté kompresorem stlačen. Díky stlačení dochází k zahřátí plynu na teplotu, při které plyn v kondenzátoru zkapalní. Mění tedy své skupenství a tudíž předává energii svému okolí, kterou je možno dále využívat. V expanzním ventilu se chladivo seškrtí na původní nízký tlak, a oběh se opakuje.
Účinnost tepelného čerpadla je dána tzv. topným faktorem. Je dán poměrem topného výkonu (množství získaného tepla) a příkonu (energie pro pohon kompresoru) tepelného čerpadla. Topný faktor závisí na teplotě zdroje tepla a na výstupní teplotě z čerpadla, při které je teplo spotřebováváno. Je to hodnota, která se vždy vztahuje na určitý provozní stav.
Schéma tepelného čerpadla:
Schéma čerpání energie zemním kolektorem |
Velikost plošných kolektorů závisí na tepelné ztrátě objektu a výkonu tepelného čerpadla. Hadice se ukládají v rozteči 1 m, což znamená, že 1 bm hadice odpovídá 1 m2 plochy kolektoru, hloubka uložení je minimálně 1 m. Délka jedné smyčky je omezena z důvodu
tlakových ztrát na 350 m. Při použití více smyček je vhodné, aby smyčky měly stejnou délku. Jako materiál hadice se používá rozvětvený PE 40x3,7 mm, PN 6 bar. Schopnost země předávat teplo závisí na kvalitě půdy a pohybuje se mezi 10-40 W/m2. Teplota zeminy v hloubce 1 m
kolísá v průběhu roku od 3 °C (leden) až do 18 °C (srpen)a proto lze pro dimenzování kolektoru lze uvažovat průměrnou teplotu pro vstup do tepelného čerpadla okolo 0 °C. Pokud
nejsou k dispozici podrobnější údaje o vlastnostech povrchové vrstvy zeminy, je možné uvažovat s těmito průměrnými tepelnými toky:
|
Hloubka a počet vrtů závisí zejména na geologických podmínkách, zejména pak na proudění spodní vody a tepelné vodivosti zeminy, a použité technologii vrtání. Obvyklé hloubky vrtů se pohybují od 50 do 120 m. Při větším počtu vrtů se celková délka rozdělí do více vrtů stejné délky. Pokud geologické podmínky, nebo technologie vrtání neumožní dosáhnout hloubky 50 m, je vhodné zvětšit celkovou délku vrtů o 10%. Vzdálenost vrtů od sebe by neměla být menší než než 5 m. Průměrná teplota zeminy v hloubce 2 m je během roku +10 °C a směrem do hloubky roste o 3 °C na každých 100 m hloubky. Lze tedy při dimenzování používat spolehlivě střední teplotu směsi okolo 0 °C na vstupu do tepelného čerpadla. Není-li podrobný geologický průzkum o podloží v okolí vrtu, lze vrt předběžně dimenzovat na tyto hodnoty měrných tepelných toků:
| Měrné výkony jímání | qz [W/m] |
| hornina s velkým výskytem spodní vody | 100 |
| pevná hornina s vysokou tepelnou vodivostí | 80 |
| normální pevná hornina | 55 |
| suchá zemina s nízkou tepelnou vodivostí | 30 |
Odběr tepla ze spodní vody patří k nejproblematičtějším systémům. Na jedné straně nabízí zdroj tepla o relativně vysoké teplotě 7 - 12 °C (průměrně se uvažuje 10 °C na vstupu do čerpadla), což znamená po celý rok příznivý topný faktor čerpadla, na druhé straně je toto řešení spojeno s některými riziky. Musí být k dispozici dostatek spodní vody v množství asi 180 l/h na 1 kW výkonu tepelného čerpadla. Druhou podmínkou je čistota vody, aby nedocházelo k zanášení výměníku, případně filtru. Vždy je nutné provést rozbor spodní vody a zvážit výhodnost tohoto systému. V neposlední řadě je zde riziko zamrzání vody na výparníku tepelného čerpadla při poruše vodního čerpadla ve studni, to je však řešitelné vložením předřazeného výměníku nebo hlídačem průtoku, který při snížení průtoku vody tepelné čerpadlo včas vypne. Pro tento způsob získávání tepla je třeba zřídit jednu studnu pro čerpání vody a druhou pro jímání vody. Použití spodní vody musí být povoleno příslušným vodohospodářským úřadem.
| Nejjednodušším způsobem odběru tepla je venkovní vzduch, je totiž všude kam se podíváte. Jeho nevýhodou je, že v době největší potřeby tepla má nízkou teplotu a tepelné čerpadlo pracuje s nízkým topným faktorem. Při nízkých venkovních teplotách vzduchu je vhodná kombinace s jiným zdrojem tepla, který buď pomáhá tepelnému čerpadlu, nebo pokrývá celou tepelnou ztrátu objektu. Je třeba tedy stanovit teplotu, při které bude spuštěn dodatečný zdroj tepla ( bivalentní zdroj ), která se nazývá "bivalentní bod". Tato teplota závisí zejména na výkonu tepelného čerpadla a teplotě topné vody, kterou topný systém vyžaduje. | 
Schéma čerpání energie z okolního vzduchu |
Nejběžnějším způsobem návrhu tepelného čerpadla je bivalentní zapojení. Při tomto zapojení pokrývá tepelné čerpadlo pouze část tepelné ztráty objektu a zbytek je v případě potřeby pokryt jiným zdrojem tepla, např. elektrokotlem. Důvody pro volbu tohoto zapojení jsou v zásadě tři : snížení investice na tepelné čerpadlo, snížení četnosti startů TČ, tzn.prodloužení životnosti, a druhý zdroj tepla slouží jako záloha při odstavení TČ.
Volba výkonu tepelného čerpadla je závislá na mnoha okolnostech a zpravidla si každá firma, zabývající se instalacemi čerpadel provádí návrh podle konkrétního projektu sama. Jelikož se výkony tepelných čerpadel vzhledem k tepelné ztrátě objektu mění podle podkladů jednotlivých firem, jsou zde uvedené podklady např. fy Veskom, která nabízí tepelná čerpadla IVT vyráběná ve Švédsku, a výkon tepelného čerpadla navrhuje na 50 - 60% tepelné ztráty. Při tomto výkonu dokáže tepelné čerpadlo pokrýt potřebu tepla z 82 - 89 %, jak ukazuje následující tabulka. Samozřejmě je možné tepelným čerpadlem pokrýt celou tepelnou ztrátu, avšak je nutné posoudit hospodárnost takového návrhu vzhledem k vyšší vstupní investici za tepelné čerpadlo.
Další firmy zabývající se instalací tepelných čerpadel: Stiebel-Eltron, Ekowatt
Závislost míry bivalence a množství energie dodané tepelným čerpadlem
| Krytí spotřeby tepla při různých výkonech tepelných čerpadel | ||||||||||||
| Podíl TČ (%) ** | 0 | 30 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 65 | 70 | 80 | 90 | 100 |
| Krytí spotřeby (%) * | 0 | 61 | 72 | 78 | 82 | 86 | 89 | 91 | 93 | 96 | 98 | 100 |
* podíl tepelného čerpadla je poměr výkonu TČ a tepelné ztráty objektu
** krytí potřeby je podíl tepelné energie dodané do objektu tepelným čerpadlem
- schéma zapojení tepelného čerpadla pro vytápění a ohřev TUV -
- Dispoziční zásady pro umístění tepelného čerpadla v objektu -
Minimální vzdálenost tepelného čerpadla od zdi |
Optimální velikost kotelny |