Tento článek je pokračováním seriálu o tepelných čerpadlech. V prvním díle jsme se podívali na to, v čem tkví výhody tepelných čerpadel. Nyní se podíváme na to, jak tepelná čerpadla vznikla, kdo a co stálo za jejich vznikem a jak se postupně tepelná čerpadla vyvíjela v čase včetně nejdůležitějších milníků.

Na rozvoji a zavedení technologie tepelných čerpadel do praxe se podílela v historii řada významných vědců i vynálezců, kteří čerpali jak z vlastních zjištění, tak i z poznatků svých předchůdců a současníků. Tento vývoj byl ovlivněn i národními prioritami, což často vedlo k tomu, že jednotlivé státy upřednostňovaly některé průkopníky této technologie.

Historický vývoj tepelných čerpadel

Přestože se s tepelnými čerpadly setkáváme teprve několik desítek posledních let, jejich princip je znám mnohem déle. Málokdo přitom ví, že má tato technologie kořeny právě na českém území.

Za prvního vynálezce tepelného čerpadla je obecně považován rakouský vynálezce s českými kořeny – Peter Rittinger (narozen 23.1.1811 v Novém Jičíně, zemřel 7. prosince 1872 ve Vídni). V dobových dokumentech se můžete setkat také se jménem Peter Ritter von Rittinger nebo Peter von Rittinger, všechna tato jména nicméně označují jednu a tu samou osobu. O tomto významném vynálezci a jeho životě si můžete přečíst zde.

Historický vývoj tepelných čerpadel je výsledkem práce mnoha známých i méně známých vědců, techniků a inženýrů, kteří postupně přetvářeli teoretické poznatky do praktických aplikací. Tito průkopníci často navazovali na objevy svých předchůdců i současníků, což vedlo k postupnému zdokonalování této technologie. Různé historické zdroje se však liší v tom, koho považují za klíčové osobnosti tohoto oboru, což často odráží také v určité lokální perspektivy a národní priority.

Evropským lídrem v prvních instalacích tepelných čerpadel, jako zdroje tepla, bylo Švýcarsko. Zásadním impulzem k jejich zavádění byla kombinace vyspělého technického zázemí, strojírenských schopností a snaha o energetickou soběstačnost, která se stala obzvláště naléhavou během druhé světové války. V té době bylo Švýcarsko téměř zcela závislé na dovozu fosilních paliv. To vedlo k úzké spolupráci mezi univerzitami, průmyslem a státem. Výsledkem bylo, že již v roce 1955 bylo ve Švýcarsku v provozu přibližně 60 tepelných čerpadel, z nichž největší mělo výkon 5,86 MW. Nicméně k širšímu nasazení menších tepelných čerpadel s výkony okolo 25 kW došlo až o několik desetiletí později, kdy si tento segment vyžádal významné investice do výzkumu a výroby.

Pokrok v technologii tepelných čerpadel byl možný díky rozvoji teoretických znalostí termodynamiky, zejména chování par při stlačování. Zároveň hrály klíčovou roli inovace v konstrukci kompresorů i jejich mazání, rozvoj expanzních ventilů a výměníků tepla, stejně jako v oblasti řízení provozu. Vzniklo tak několik různých směrů a typů tepelných čerpadel, z nichž každý využívá odlišného fyzikálního principu pro přenos tepla.

Sorpční tepelná čerpadla, která jsou mechanicky jednodušší než kompresorová, však čelila pomalejšímu vývoji. Jejich pokrok vyžadoval hlubší teoretické znalosti interakcí mezi látkami na atomární a molekulární úrovni, což je odlišovalo od kompresorových systémů, které mohly více stavět na empirických zkušenostech. Navíc nižší topný faktor sorpčních systémů často vedl k vyšším provozním nákladům, což jejich rozšíření brzdilo.

Dnes tepelná čerpadla představují jeden z nejrychleji rostoucích segmentů v oblasti zdrojů tepla, což je důkazem dlouholeté práce a inovací vědců a techniků z celého světa.

Počátky tepelných čerpadel

Historie umělého chlazení a tím i počátky technologie tepelných čerpadel sahají až do roku 1748. Právě tehdy skotský lékař, chemik a zemědělec William Cullen, uznávaný profesor lékařské fakulty v Edinburghu, uskutečnil první doložený experiment s umělým chlazením v Glasgow. Právě William Cullen jako provedl první historicky doloženou veřejnou ukázku umělého chlazení, při kterém byla tepelná energie přenesena z chladnější látky na teplejší, což vedlo ke snížení teploty chladnější látky a zvýšení teploty teplejší. K tomu použil jednoduché pístové čerpadlo, kterým vytvořil částečné vakuum v nádobě obsahující diethylether. Tato látka, běžně využívaná jako anestetikum a rozpouštědlo, měla díky sníženému tlaku nižší bod varu, což způsobilo její odpařování. Při této reakci došlo k absorpci tepla z okolí, což vedlo ke vzniku ledu nebo jinovatky z vodní páry obsažené ve vzduchu.

Tehdy byla poprvé identifikována možnost odebírat teplo chladnější látce a předávat jej teplejší látce, tedy opačně, než je přirozený směr přestupu tepla. Tento princip byl poprvé využit v chladicím zařízení, které sloužilo k výrobě ledu.

Na tomto principu navázal v roce 1834 americký vynálezce Jacob Perkins, působící v Anglii.

Ačkoliv první takové zařízení bylo zkonstruováno a představeno v roce 1834, první komerčně dostupný výrobník ledu se objevil na trhu až o dvacet let později – tedy až v roce 1854.

Jacob Perkins postavil první funkční ledničku a získal patent na cyklický proces stlačování par (Vapour-Compression Cycle). Jako chladivo použil ether a jeho zařízení obsahovalo čtyři hlavní komponenty, které se využívají i dnes: kompresor, kondenzátor, expanzní ventil a výparník. Přestože zařízení nebylo určeno ke zvýšení teploty, lze ho považovat za předchůdce moderních tepelných čerpadel.

V roce 1852 položil základy technologie tepelných čerpadel slavný fyzik a vynálezce William Thomson (známý také jako Lord Kelvin), významný matematik, fyzik a inženýr z Belfastu, který přišel s novou teorií, která se stala základem konstrukcí všech tepelných čerpadel. Přišel s tezí, že by cyklus komprese páry, využívaný k ochlazování odebráním tepla, mohl fungovat také i opačně – tedy nejenom ke chlazení, ale také k ohřevu vzduchu přidáváním tepla. Tato myšlenka představovala průlom v pochopení principů přenosu tepla.

Původně veškeré snahy směřovaly k výrobě chladícího zařízení, které je samozřejmě také tepelným čerpadlem, avšak využívaným v obráceném směru než topná zařízení. Jako chladiva byla používána voda, dietyléter, metyléter, oxid uhličitý, oxid siřičitý a jiné. Následně, jak jsme si již popsali, v roce 1834 sestrojil J. Perkins zařízení pracující s dietyléterem, a v roce 1859 pak vznikl první systém využívající čpavek jako chladivo. Teprve počátkem dvacátých let 20. století se rozšířilo používání chladící techniky i do domácností. První prakticky využitelný chladicí systém byl uveden do provozu až v roce 1924 ve Švýcarsku. K výraznějšímu rozšíření chladicí techniky došlo po roce 1932, kdy americká společnost Kinetic Chemicals Inc. začala používat nové chladivo s obchodním názvem Freon. Tento krok odstartoval éru masového používání bezpečných, nejedovatých a chemicky velmi stabilních chladiv na bázi chlorovaných uhlovodíků. V té době však ještě nikdo netušil, jak škodlivý dopad mohou mít tyto látky na životní prostředí. Postupně byly vyrobeny statisíce tun freonů a jejich využití se rozšířilo i mimo oblast chladicí techniky a tepelných čerpadel. Paralelně s freony se v chladicích systémech používal – a dodnes používá – také čpavek. V 80. letech 20. století byl prokázán negativní vliv chloru z freonů na ozonovou vrstvu Země. To vedlo k postupnému omezování výroby těchto látek a k intenzivnímu hledání náhrad – sloučenin a směsí s podobnými termodynamickými vlastnostmi, které by však byly šetrnější k životnímu prostředí.

V tom samém roce (1952) si pak tuto technologii (tepelné čerpadlo, které využívalo cyklus parní komprese a expanze k přenosu tepla) nechal William Thomson také patentoval . Tato technologie byla však stále v rané fázi vývoje a nebyla široce využívána.

Významnou postavou v dalším vývoji byl rakouský inženýr Peter Rittinger s českými kořeny (narozen v roce 1811 v Novém Jičíně). Věnoval se zejména technologiím spojeným s důlním průmyslem, především v Báňské Štiavnici na Slovensku a v Jáchymově. V roce 1855 navrhl zařízení, které mělo efektivněji odpařovat solanku, tedy solný roztok získaný z důlních vod. Jeho návrh spočíval v mechanické kompresi odpadních par z varné pánve, jejichž teplo mělo být využito k dalšímu ohřevu roztoku, což mělo šetřit palivové dřevo.

Peter Rittinger popsal své zařízení teoreticky jako „parní čerpadlo“ ve své publikaci z roku 1855. Následně bylo toto zařízení experimentálně postaveno v letech 1856–1857 na solných dolech v Ebensee v Rakousku. Jeho návrh měl dosahovat teoretického výkonu 14 kW a sliboval až 80% úsporu paliva díky využití odpadních par k dalšímu ohřevu solného roztoku. V praxi však zařízení narazilo na závažné problémy. Prosolené páry způsobovaly zanášení systému a akumulaci krystalizované soli, kterou bylo nutné manuálně odstraňovat. Tento proces vyžadoval pravidelné otevírání varné pánve, což vedlo ke ztrátě tlaku nezbytného pro správnou funkci zařízení. Tyto technické komplikace znemožnily jeho dlouhodobé a efektivní využití.

Ale Rittingerův vynález inspiroval další průkopníky, kteří jeho koncept dále zdokonalili. V roce 1877 bylo ve švýcarském Bexu instalováno vylepšené zařízení, které bylo poprvé uvedeno do trvalého provozu a využíváno při odpařování solanky.

Na počest Petera Rittingera, jehož práce ovlivnila vývoj tepelných čerpadel, byla zřízena Mezinárodní cena Petera von Rittingera. Tato prestižní cena, udělovaná od roku 2005 každé tři roky Mezinárodní energetickou agenturou (IEA), oceňuje nejlepší inovace a výrobky v oblasti tepelných čerpadel a klimatizační techniky.

Dalším vědcem, který měl zásadní vliv na vývoj tepelných čerpadel (přestože jeho přínos není dostatečně doceněn), byl Aurel Stodola, významný slovenský vědec a inženýr z Liptova. Aurel Stodola byl dokonce i blízkým přítelem Alberta Einsteina a přispěl ke konstrukci prvního tepelného čerpadla, které kombinovalo funkce vytápění a chlazení. Před jeho prací byly systémy zaměřeny výhradně na vytápění. Stodola poprvé prakticky využil rovnici Louise Georgese Gouyho z roku 1889, známou jako Gouy-Stodolova rovnice. Tato rovnice popisuje termodynamické vztahy v otevřených systémech a stanovuje podmínky, za kterých systém může efektivně fungovat jako tepelné čerpadlo (tzn. za jakých podmínek nedochází k energetickým ztrátám).

Pokud jsou tyto podmínky dodrženy, tepelné čerpadlo dokáže pracovat s minimálními energetickými ztrátami a maximální účinností, což je klíčové pro jeho praktické využití v topných či chladicích aplikacích.

Kolem roku 1900 byla hromadná aplikace tepelných čerpadel pro vytápění stále spíše vizí než realitou. K pokroku významně přispělo Švýcarsko, které díky své přesné strojírenské výrobě a úzké spolupráci univerzit s průmyslovou praxí vytvořilo příznivé prostředí pro inovace. Heinrich Zoelly, švýcarský inženýr, získal v roce 1912 patent na elektricky poháněné tepelné čerpadlo typu země-voda pro nízkoteplotní vytápění.

V té době však chyběly vhodné komponenty, jako například dnes rozšířený scroll kompresor, který byl patentován až v roce 1905, ale sériová výroba začala teprve po roce 1980.

Ostatně Švýcarsko se hodně zasadilo o rozšíření tepelných čerpadel, protože se stalo jednou z prvních zemí, která už v prvopočátcích začalo rozvíjet tepelná čerpadla – částečně k tomu bylo Švýcarsko donuceno okolnostmi. Během první světové války byly ceny paliv ve Švýcarsku velmi vysoké, ale země měla dostatek vodní energie. Když bylo neutrální Švýcarsko v následujících letech zcela obklopeno zeměmi ovládanými fašistickými režimy, začal být nedostatek uhlí opět alarmující. Díky svému vedoucímu postavení v oblasti energetických technologií postavily a uvedly švýcarské firmy Sulzer, Escher Wyss a Brown Boveri do provozu přibližně 35 tepelných čerpadel mezi lety 1937 a 1945. Hlavními zdroji tepla byly voda z jezer, řek a podzemních vod a také odpadní teplo. Zvláštní pozornost si zaslouží šest historických tepelných čerpadel z města Curych s tepelným výkonem od 100 kW do 6 MW. Mezinárodním milníkem je tepelné čerpadlo postavené firmou Escher Wyss v letech 1937/38, které nahradilo kamna na dřevo v curyšské radnici. Aby se předešlo hluku a vibracím, byl použit nově vyvinutý rotační pístový kompresor. Toto historické tepelné čerpadlo vytápělo radnici po dobu 63 let – až do roku 2001. Teprve tehdy bylo nahrazeno novým, účinnějším tepelným čerpadlem.

I v poválečném vývoji hrálo Švýcarsko v oblasti tepelných čerpadel důležitou roli – bylo jednou z prvních zemí, které je začalo instalovat ve větším měřítku – roce 1991 bylo ve Švýcarsku v provozu přibližně 30 000 tepelných čerpadel s průměrným výkonem 25 kW. Přibližně dvě třetiny z nich využívaly jako zdroj tepla okolní vzduch, zatímco rostl podíl systémů využívajících teplo ze zemních vrtů. Reálné sezónní topné faktory se tehdy pohybovaly kolem 2,4 u systémů vzduch-voda a 2,5 u systémů solanka-voda (země-voda), což odráželo nižší účinnost tehdejších technologií.

Další tepelné čerpadlo sestrojil (v podstatě náhodou) americký vynálezce Robert C. Webber  na konci čtyřicátých let minulého století (1948). Právě když prováděl pokusy s hlubokým zamrazením, dotkl se omylem výstupního potrubí mrazícího přístroje a popálil si dlaň. To ho přivedlo na myšlenku základní funkce tepelného čerpadla.

Propojil výstup z mrazáku s bojlerem na teplou vodu a jelikož měl ale stále přebytek tepla, napojil horkou vodu na potrubní smyčku a pomocí malého větráku začal vhánět teplý vzduch do domu. Následně zkusil úspěšně čerpat teplo ze země pomocí zemních kolektorů. A jelikož ho výsledky velmi příjemně překvapily, v následujícím roce již prodal svůj starý kotel na uhlí. Robert C. Webber je tak považován za autora prvního návrhu a konstruktéra tepelného čerpadla využívajícího energii ze země (zemního tepelného čerpadla).

Širšímu využívání tepelných čerpadel dlouhou dobu bránila vysoká cena zařízení vzhledem k nízkým cenám energií. To platilo obecně ve světě i u nás. Větší rozšíření tepelných čerpadel nastalo až v osmdesátých letech minulého století, kdy docházelo ke zvyšování cen energií.

Během 20. století se technologie tepelných čerpadel postupně stále více a více zdokonalovala. Významný milník přišel v roce 1928, kdy americká společnost DuPont představila první syntetické chladivo známé jako Freon (konkrétně CFC-12). Freon byl stabilní, nehořlavý a netoxický, což z něj udělalo ideální médium pro chlazení i tepelná čerpadla. Jeho použití výrazně zvýšilo účinnost a spolehlivost těchto zařízení a umožnilo jejich rozšíření do běžného provozu – například v klimatizacích, lednicích nebo právě v tepelných čerpadlech.

První velkokapacitní instalace tepelného čerpadla se uskutečnila v souvislosti s výstavbou Royal Festival Hall v Anglii.

Royal Festival Hall představuje významné koncertní a kulturní budovu na jižním břehu Temže v Londýně, která byla slavnostně otevřena v roce 1951 u příležitosti události s názvem Festival of Britain – jednalo se o velkou národní výstavu a oslavu britské kultury, vědy, techniky, průmyslu a designu, která probíhala v roce 1951 ve Spojeném království, především v Londýně. Festival měl za cíl pozvednout morálku národa po druhé světové válce, ukázat moderní a inovativní Británii a inspirovat vizi lepší budoucnosti. Tato budova byla vybavena reverzibilním tepelným čerpadlem typu voda–voda, které využívalo vodu z řeky Temže jako zdroj tepla v zimě a jako chladicí médium v létě. Jednalo se o čerpadlo poháněné městským plynem (town gas), které bylo navrženo tak, aby vytápělo prostory v chladných měsících a chladilo je během léta.

Tato instalace byla na svou dobu mimořádně inovativní a představovala průlomové využití tepelného čerpadla ve veřejné budově v měřítku, které tehdy nemělo obdoby.

V 70. a 80. letech se začala zvyšovat pozornost k ekologickým dopadům syntetických chladiv. Freony a další látky typu CFC a HCFC byly identifikovány jako látky poškozující ozonovou vrstvu. To vedlo k mezinárodní dohodě z roku 1987 – Montrealskému protokolu, který postupně omezil a zakázal jejich používání. Freon v průběhu času nahradila jiná chladiva, která nejsou pro životní prostředí tak riziková s nižším potenciálem globálního oteplování (GWP), například R-410A, R-32 nebo přírodní chladiva jako CO₂ a propan.

Z údajů ze západoevropských zemí, například Francie, Německa a Rakouska, je patrné, že první výraznější vlna instalací nastala právě kolem roku 1980.

K náhlému zdražení cen energií došlo především v důsledku ropných krizí z let 1973 a 1979. Tyto krize byly způsobeny geopolitickými událostmi – v prvním případě embargem arabských zemí na vývoz ropy do západních států po jomkipurské válce, ve druhém případě revolucí v Íránu, která narušila globální dodávky ropy. Ceny ropy tehdy prudce vzrostly, což vedlo k hledání alternativních a úspornějších způsobů vytápění. Tepelná čerpadla se v této době začala prosazovat jako perspektivní technologie, která umožňuje snížit závislost na fosilních palivech, zejména na drahém topném oleji.

Následoval ale rychlý propad, který ukázal, že technologie ještě zdaleka není připravena na masové nasazení.

Hlavní důvody byly dva:

1. Technická nezralost – tepelné čerpadlo je ve své podstatě chladicí zařízení, které přenáší teplo z jednoho prostředí do druhého. To vyžaduje, aby zařízení dokázalo spolehlivě fungovat při neustále se měnících provozních podmínkách. První modely ale nebyly na tyto proměnné dostatečně připravené – byly poruchové a jejich výkon neodpovídal očekáváním zákazníků.

2. Chyby při instalaci – ,noho tehdejších instalatérů tepelné čerpadlo jednoduše nahradilo za olejový kotel v původním topném systému – bez úprav nebo optimalizace. To byl zásadní omyl. Tepelná čerpadla fungují na jiném principu než klasické kotle a vyžadují specifické nastavení systému, jinak nemohou pracovat efektivně. Nedostatek informací a zkušeností tak přispěl k negativnímu vnímání této technologie v daných letech, které mělo za následek utlumení poptávky po tepelných čerpadlech.

Trvalo mnoho let, než se důvěra ve tepelná čerpadla znovu obnovila. S nástupem ekologického myšlení, důrazem na úsporu energií a zvyšujícím se výkonem moderních zařízení začala druhá vlna rozvoje, která už byla mnohem úspěšnější.

Dnes jsou tepelná čerpadla běžnou součástí evropských domácností i průmyslových provozů. Technologie se výrazně posunula dopředu – moderní čerpadla mají vysokou účinnost, dlouhou životnost a jsou přizpůsobena náročným klimatickým podmínkám. Klíčovým faktorem je však také to, že instalace provádějí odborné firmy s odpovídajícím školením a zkušenostmi.

Většinu současné nabídky tvoří produkty renomovaných evropských výrobců, kteří se vývojem a výrobou tepelných čerpadel zabývají už od 80. let. Jako příklad může sloužit Německo, kde se na přelomu tisíciletí pokoušelo prorazit na trh kolem 55 firem. Během dalších deseti let se ale prosadilo jen pár z nich – těch, které investovaly do vývoje, kvality a servisu. Ostatní nedokázaly obstát v rostoucí konkurenci a postupně zanikly.

Historie kompresorových tepelných čerpadel

Průkopnickou zemí v instalaci tepelných čerpadel určených pro vytápění se stalo v minulosti zejména Švédsko. Klíčovou roli zde hrála kombinace silného teoretického zázemí, rozvinuté strojírenské výroby a potřeby zajistit si energetickou soběstačnost. Tento tlak sílil zejména během druhé světové války, kdy byla země zcela závislá na dovozu fosilních paliv. Tomu napomohla také spolupráce mezi univerzitami, průmyslovými podniky a státem, což vedlo k významným pokrokům – již v roce 1955 bylo ve Švýcarsku v provozu přibližně 60 tepelných čerpadel (největší z nich dosahovalo úctyhodného výkonu až 5,86 MW). Přesto masové rozšíření menších tepelných čerpadel o výkonech kolem 25 kW, využívaných k vytápění, nastalo až o několik desetiletí později, což vyžadovalo značné investice do vývoje a výroby a otevřelo cestu dalším výrobcům.

Technologický vývoj tepelných čerpadel se opíral nejen o zlepšení teoretických poznatků týkajících se termodynamických vlastností látek během procesů komprese a expanze, ale také o inovace v konstrukci a výrobě klíčových komponent, jako jsou kompresory, jejich mazání, expanzní ventily a tepelné výměníky. Důležitým aspektem byla i optimalizace systémů řízení provozu, které umožnily efektivnější a spolehlivější chod zařízení.

Na rozdíl od kompresorových čerpadel čelila sorpční tepelná čerpadla pomalejšímu vývoji.

Vývoj sorpčních čerpadel postupoval pomaleji, protože vyžadoval hluboké teoretické znalosti o tom, jak se různé látky chovají a vzájemně ovlivňují na molekulární a atomové úrovni. Na rozdíl od kompresorových tepelných čerpadel, jejichž rozvoj se mohl více opírat o praktické zkušenosti, byl u těchto systémů pokrok závislý na detailním vědeckém zkoumání. Dalším důvodem pomalejšího rozšíření je jejich nižší topný faktor, který hraje klíčovou roli při rozhodování o jejich využití, zejména z hlediska provozních nákladů v dlouhodobém horizontu.

Rozdíl mezi sorpčními a kompresorovými tepelnými čerpadly spočívá v jejich principu fungování a zdroji energie, který využívají k přenosu tepla. Sorpční tepelná čerpadla pracují na chemickém základě a jejich vlastnosti ke zvýšení teploty pracovního média (využívají procesy jako absorpce nebo adsorpce). Při absorpci se chladivo, například voda nebo amoniak, rozpouští v jiné kapalině, jako je solný roztok. Tato směs se následně zahřeje (často odpadním teplem nebo spalováním plynu), čímž se chladivo odpaří a přenáší teplo. U adsorpčních čerpadel se chladivo váže na povrch pevných materiálů, například silikagelu nebo zeolitu. Zahřátím těchto látek se chladivo uvolní a opět se zapojuje do cyklu. Sorpční čerpadla mají jednodušší mechanickou konstrukci, protože nevyužívají tolik mechanických částí (jako je například kompresor).

Na rozdíl od toho kompresorová tepelná čerpadla využívají mechanické stlačování chladiva k přenosu tepla. Chladivo se nejprve stlačí kompresorem, čímž se zahřeje, a teplo je následně uvolněno do vytápěného prostoru. Poté se ochlazené chladivo expanduje a absorbuje teplo z okolí, čímž cyklus pokračuje.

Hlavním rozdílem je zdroj energie – sorpční čerpadla často využívají tepelnou energii, zatímco kompresorová čerpadla vyžadují elektrickou energii pro pohon kompresoru. Sorpční čerpadla mají méně pohyblivých částí, což znamená nižší opotřebení a delší životnost, ale jejich topný faktor bývá nižší. Kompresorová čerpadla jsou obecně účinnější, mají vyšší topný faktor a jsou obecně považovány za efektivní a spolehlivý zdroj vytápění v dlouhodobém provozu a hodí se pro široké spektrum aplikací, ale mohou mít vyšší nároky na údržbu a kratší životnost kvůli většímu počtu mechanických součástí.

Historie sorpčních tepelných čerpadel

Sorpční tepelná čerpadla fungují na principu změn mezimolekulárních sil mezi sorbentem a chladivem, které vyvolávají tepelné procesy. Historicky byla tato zařízení poháněna tepelnou energií, obvykle získanou spalováním paliv. Nicméně před tím, než byla sorpční čerpadla využita pro vytápění, byla po dlouhou dobu primárně používána pro chlazení.

Průlom ve vývoji sorpčních systémů nastal v roce 1851, kdy francouzský technik Ferdinand Carré navrhl první komerčně úspěšný sorpční chladicí systém, který používal čpavek (amoniak) jako pracovní látku. Carré tím navázal na práce svého bratra Edmonda, který předtím vyvinul první absorpční chladicí stroj využívající vodu a oxid siřičitý (SO₂).

Carrého rané zařízení bylo schopné vyrobit 0,5 až 2 kilogramy ledu na jednu operaci. Nepracovalo cyklicky – chladivo čpavek bylo střídavě přenášeno mezi dvěma kopulemi, z nichž jedna byla zahřívána. Po vyčerpání sorbentu v jedné kopuli bylo nutné manuálně přepnout proces na druhou kopuli. Přestože tento stroj ukázal potenciál technologie, jeho vysoké náklady, složitost, rozměry a toxicita čpavku znemožnily jeho širší využití v domácnostech.

Další vývoj přišel s Carrého vylepšeným zařízením, které bylo patentováno v letech 1859 a 1860 ve Francii, Velké Británii a USA. Tento nový stroj, vyráběný firmou Mignon & Rouart v Paříži od roku 1860, již pracoval kontinuálně a zahrnoval všechny základní prvky moderních sorpčních zařízení, včetně kotle s usměrňovačem. První série těchto zařízení zahrnovala pět modelů schopných produkovat 12 až 100 kilogramů ledu za hodinu. Tento pokrok položil základ dalšímu vývoji sorpčních systémů, které se později uplatnily i v oblasti vytápění.

Carrého chladicí stroj se rychle stal mezinárodním úspěchem. Byl exportován a začal se vyrábět v několika zemích, čímž se stal prvním chladicím zařízením, které dosáhlo širokého průmyslového využití.

I když se otázkou využití obnovitelných zdrojů energie zabýváme intenzivně teprve posledních zhruba 40 let, historie naznačuje, že se o tyto technologie zajímali vědci již dříve. Například v roce 1878 na světové výstavě v Paříži představil Augustin Mouchot absorpční chladicí stroj, který využíval sluneční záření jako zdroj energie. Sluneční paprsky byly koncentrovány pomocí trychtýřovité soustavy zrcadel na část zařízení, která generovala potřebné teplo pro jeho provoz.

V té době se vývoj těchto zařízení opíral hlavně o praktické zkušenosti. Teoretické zázemí přišlo až později, přičemž významnou roli sehrál německý vědec Edmund Altenkirch. V roce 1913 publikoval komplexní termodynamickou studii binárních směsí pro absorpční chladicí stroje, což zásadně přispělo k pochopení a dalšímu rozvoji těchto systémů.

Rozvoj sorpčních tepelných čerpadel pro vytápění byl však mnohem pomalejší než u kompresorových systémů. Přesto se v této technologii objevily slibné možnosti, zejména ve Švýcarsku, které hledalo cesty ke snížení spotřeby zemního plynu nahrazením tradičních plynových kotlů. V roce 1993 zde bylo úspěšně testováno difuzní absorpční tepelné čerpadlo (DAWP), které pracovalo s vodou a amoniakem a mělo tepelný výkon přibližně 3,5 kW.

Tento prototyp byl testován podle německých norem DIN 8900 a DIN 33830.

Normy DIN 8900 a DIN 33830 jsou německé technické standardy, které stanovují specifické požadavky na testování a hodnocení výkonu tepelných čerpadel nebo chladicích zařízení. Norma DIN 8900 se zaměřuje na měření topného faktoru, tedy účinnosti tepelných čerpadel při různých podmínkách. Díky této normě lze přesně zjistit, jak efektivně zařízení pracuje například při nízkých venkovních teplotách. To je důležité pro ověření, zda zařízení splňuje požadavky na výkon v reálném provozu. Na druhé straně norma DIN 33830 se soustředí na měření spotřeby energie a provozní efektivity zařízení, která využívají absorpční procesy. Tato norma stanovuje, jak měřit energetickou náročnost a účinnost zařízení při různých provozních podmínkách, aby bylo možné přesně posoudit jejich ekonomickou výhodnost a provozní vlastnosti. Obě normy zajišťují, že testování probíhá podle jednotných pravidel, což umožňuje srovnávat různé technologie na základě přesných a spolehlivých údajů. Jsou klíčové jak pro výrobce, kteří chtějí garantovat kvalitu svých produktů, tak pro zákazníky, kteří hledají zařízení s nejlepším poměrem výkonu a efektivity.

Výsledky byly povzbudivé – při teplotních podmínkách 0 °C/35 °C dosahoval topný faktor 1,43 a při 0 °C/50 °C to bylo 1,35. Zařízení bylo následně uvedeno na trh v kombinaci se špičkovým plynovým kotlem, který měl zajistit vyšší komfort zejména při přípravě teplé vody. Tento krok představoval inovativní řešení s potenciálem zvýšit efektivitu vytápění a snížit energetickou spotřebu.

První velké výkonné tepelná čerpadlo

První velké tepelné čerpadlo ve Velké Británii vyvinul John Sumner v roce 1945 pro firmu Finn Geotherm v Norwichi. Elektrotechnický odbor městské rady v Norwichi si totiž tehdy nechal postavil nové prostory na Duke Street na břehu řeky Wensum a tato kancelář měla být původně vytápěna tepelným čerpadlem. Ale v důsledku války došlo nakonec ke škrtům v rozpočtu, které úspory zabránily tomu, aby byly nakonec k dispozici dostatečné zdroje na takový inovativní projekt. Po válce tak John Sumner, který byl městským elektrotechnikem v Norwichi, poskládal systém z náhradních dílů na bázi chladiva využívající oxid siřičitý (SO₂).

Systém dosáhl sezónního koeficientu účinnosti 3,42, což naznačuje vysokou energetickou efektivitu. Průměrný tepelný výkon činil 147 kW, přičemž při špičkovém zatížení byl schopen dosáhnout výkonu až 234 kW. Byl navržen tak, aby ohříval vodu na teplotu 50–55 °C, která cirkulovala budovou a předávala teplo prostřednictvím topných systémů, jako jsou radiátory nebo podlahové vytápění.

Sezónní koeficient účinnosti (SCOP) 3,42 znamená, že za každou 1 kWh elektrické energie, kterou systém spotřebuje, vytvoří 3,42 kWh tepla. Jednoduše řečeno, systém vyprodukuje více než trojnásobek tepla oproti energii, kterou k tomu potřebuje.

Průměrný tepelný výkon 147 kW znamená, že systém dokáže za hodinu dodat 147 kilowatthodin (kWh) tepla. To je množství energie potřebné například k vytápění většího bytového domu nebo menší průmyslové haly. Pro představu – vytápění běžného rodinného domu vyžaduje výkon přibližně 10–20 kW, takže tento systém je výrazně výkonnější a hodí se pro větší objekty nebo provozy.

Tato hodnota je důležitá pro zajištění stálého vytápění v průměrných podmínkách, jako je běžná zimní teplota. V praxi určuje, jak velkou plochu nebo prostor dokáže systém dlouhodobě efektivně vytápět.

Špičkový tepelný výkon 234 kW znamená, že systém je schopen za hodinu dodat až 234 kWh tepla, což odpovídá maximální kapacitě systému při nejvyšším zatížení. Tato hodnota je důležitá hlavně v extrémních situacích, například během velmi chladných zimních dnů, kdy budova potřebuje více tepla, aby byla udržena požadovaná teplota.

Pokud špičkový výkon není dostatečný, systém by nezvládal vytápět prostor v extrémních podmínkách a teplota uvnitř budovy by klesala. Hodnota 234 kW je na poměry vytápění větších objektů, například administrativních budov nebo velkých rodinných domů, považována za vysokou. Pro běžný rodinný dům by byl obvyklý špičkový výkon mnohem nižší, například kolem 10–20 kW, v závislosti na velikosti a tepelné izolaci budovy.

Tento údaj tedy ukazuje, zda je systém dostatečně dimenzovaný, aby zvládal i náročné podmínky vytápění, což je klíčové pro pohodlí a efektivitu. Pro špičkový tepelný výkon se v kontextu tepelných čerpadel běžně používá zkratka Qmax nebo někdy jen Pmax, kdy Qmax označuje maximální tepelný výkon v jednotkách kW (teplo) a Pmax označuje maximální příkon systému v jednotkách kW (energie potřebná k provozu).

Teplota vody 50–55 °C ukazuje, že systém ohřívá vodu na tuto úroveň, což je vhodné pro nízkoteplotní topné systémy, jako jsou podlahové vytápění nebo moderní radiátory. Tato teplota umožňuje efektivní přenos tepla do interiéru.

John Sumner na počátku 50. let 20. století instaloval pro svůj dům také tepelné čerpadlo s uzavřeným okruhem, kdy využíval jako zdroj teplo ze země. Zemní smyčka byla původně zkonstruována z měděného potrubí uloženého v hloubce asi 1 m a byla naplněna cirkulující nemrznoucí směsí. Sumnerova tepelná čerpadla byla mimořádně účinná a technicky pokroková, avšak ve Velké Británii, kde byl díky hojnosti levného uhlí prakticky neomezený přístup k tomuto zdroji energie, nenašla dostatečné uplatnění. Tento průlomový vynález tak zůstal ve své době spíše okrajovou záležitostí a nedočkal se širšího využití.

Vývoj tepelných čerpadel po druhé světové válce

Dalším průlomovým rokem byl rok 1948, kdy bylo ve státě Oregon v USA instalováno velkokapacitní tepelné čerpadlo, kdy právě později se USA významně zasadí o masový rozvoj tepelných čerpadel.

Po ropné krizi v 70. letech totiž vývoj a využívání tepelných čerpadel začaly nabírat na obrátkách. Zejména Švédsko, které vyvíjelo nové jaderné reaktory, hledalo účinné způsoby vytápění domácností pomocí elektřiny namísto parafínu.

V tomto období se polyethylenové systémy s uzavřeným okruhem staly standardem pro geotermální tepelná čerpadla.

Tyto systémy využívají potrubí z odolného polyethylenu, které je uloženo pod zemí nebo ve vodě, a zajišťují cirkulaci kapaliny, obvykle směsi vody a nemrznoucí látky, v uzavřeném cyklu. Tento design minimalizuje riziko kontaminace okolního prostředí a prodlužuje životnost systému.

V Německu, Švýcarsku a Finsku se díky úsilí firem, jako je Lämpöässä, podařilo vyvinout vertikální systémy s uzavřeným okruhem, které jsou ideální pro oblasti s omezeným prostorem.

U těchto systémů jsou potrubí instalována svisle do hlubokých vrtů, které mohou sahat desítky až stovky metrů pod zemský povrch. Tímto způsobem dokáží využívat stabilní teplotu podzemí pro vytápění nebo chlazení, což zajišťuje spolehlivý a účinný provoz i v náročných podmínkách.

V potrubí pak neustále obíhá chladicí kapalina, obvykle směs vody a nemrznoucí látky, která se nikdy nedostane do kontaktu s okolním prostředím (tzn. se jedná o uzavřený okruh). To nejen zvyšuje bezpečnost systému, ale také minimalizuje riziko kontaminace či úniků. Vertikální konstrukce těchto systémů je ideální pro situace, kde není k dispozici dostatečně velká plocha pro horizontální instalace, a přesto umožňuje efektivně využívat geotermální energii.

Odhaduje se, že v roce 2008 bylo ve Švýcarsku instalováno přibližně 30 000 až 44 000 jednotek geotermálních tepelných čerpadel, známých také jako tepelná čerpadla země–voda.

Tento typ čerpadel využívá stabilní teplotu země k efektivnímu získávání tepla, přičemž se energie přenáší prostřednictvím kapaliny v uzavřeném okruhu. Technologie geotermálních čerpadel je oblíbená díky své vysoké účinnosti a spolehlivému výkonu po celý rok, což z ní činí ideální řešení pro vytápění a chlazení domácností i komerčních objektů.

V Evropě sehrála klíčovou roli finská společnost Suomen Lämpöpumpputekniikka Oy, známá pod značkou Lämpöässä. Společnost vznikla 29. března 1983 ve městě Lapua díky spolupráci pěti techniků s dlouholetou zkušeností v oblasti geotermálního vytápění. Své počátky měla skromné – první kancelář sídlila v rodinném domě jednoho ze zakladatelů (Jormy Saksiho). Krátce poté se přestěhovala do pronajatých prostor na ulici Härsiläntie. Už během prvního roku společnost úspěšně realizovala významný projekt: instalaci topného systému pro školu Ruha.

Od svého vzniku se Lämpöässä etablovala jako jeden z předních dodavatelů geotermálních tepelných čerpadel v Evropě. S více než 20 000 instalovanými jednotkami po celé Evropě, z nichž přibližně 4 000 je starších 30 let a jsou stále ještě v provozu. Lämpöässä výrazně přispěla k rozšíření geotermální technologie a zvýšení povědomí o jejích výhodách, čímž ovlivnila přechod na udržitelnější energetické zdroje.

Po roce 2000 se v Evropě rozvoj geotermálních tepelných čerpadel výrazně zrychlil. Hnacím motorem byly nejen technologické pokroky a zvyšující se ceny energií, ale také sílící společenský a politický tlak na dekarbonizaci energetiky a snižování emisí skleníkových plynů.

Svou roli v rozvoji tepelných čerpadel sehrály také Spojené státy, kde byl rozvoj tepelných čerpadel skutečně rychlý a masivní. Do roku 2008 se ročně instalovalo přibližně 50 000 až 60 000 jednotek geotermálních tepelných čerpadel, což celkově vedlo k provozu přibližně 750 000 jednotek. Tento trend odrážel rostoucí povědomí o výhodách těchto systémů pro vytápění i chlazení, zejména ve spojení s úsporami energie a ekologickými benefity.

V tomto období se na evropském trhu začaly výrazně prosazovat některé významné značky, které sehrály klíčovou roli v modernizaci i popularizaci těchto systémů.

Jedním z hlavních hráčů se stala švédská společnost NIBE Industrier AB, založená již v roce 1952. Z původně malé firmy na výrobu elektrických topných těles se stala evropským lídrem ve výrobě tepelných čerpadel, především typu země–voda. Firma investovala značné prostředky do výzkumu a vývoje, což jí umožnilo vyvíjet technologie efektivně fungující i v severském klimatu. Do roku 2020 dodala NIBE desítky tisíc jednotek po celé Evropě, a to nejen do rodinných domů, ale i větších veřejných a průmyslových objektů.

V Německu sehrály významnou roli firmy Vaillant Group a Stiebel Eltron. Vaillant, založený již v roce 1874, původně vyráběl plynové kotle, ale postupně rozšířil své portfolio o moderní obnovitelné technologie, včetně tepelných čerpadel. Stiebel Eltron, založený roku 1924, se z výrobce elektrických ohřívačů vody vyprofiloval v jednoho z lídrů v oblasti obnovitelných zdrojů energie. Obě značky dnes nabízejí široké spektrum řešení, včetně pokročilých geotermálních systémů využitelných pro rodinné domy i bytové komplexy.

Dalším významným hráčem byla společnost Glen Dimplex (Velká Británie / Německo), která již od 70. let působila v oblasti vytápění a v novém miléniu investovala do vývoje ekologických tepelných systémů. Z Německa pochází také značka Alpha-InnoTec, která se od svého založení v roce 1998 zaměřuje výhradně na tepelná čerpadla a patří mezi průkopníky v oblasti kombinace efektivity a ekologických standardů.

Souběžně s těmito komerčními aktivitami rostla i podpora ze strany Evropské unie. Programy jako Horizon 2020, Modernizační fond, ale i národní dotační schémata (např. BAFA v Německu nebo Nová zelená úsporám v Česku) pomohly zásadně zrychlit adopci těchto technologií. Zatímco západní Evropa měla náskok díky dřívějšímu nástupu obnovitelných technologií, v zemích střední a východní Evropy – včetně České republiky – se tepelné čerpadla začala prosazovat ve větší míře právě až po roce 2010. V českém prostředí byl důležitý zejména ekonomický aspekt – tepelné čerpadlo jako alternativa ke kotlům na tuhá paliva či elektrokotlům, jejichž provoz byl neefektivní a drahý.

Vývoj po roce 2000 tak vedl ke konsolidaci trhu – mnoho menších výrobců postupně zaniklo nebo bylo pohlceno většími značkami, které dokázaly držet krok s rychlým vývojem technologií a rostoucími nároky na energetickou účinnost i ekologickou šetrnost. Geotermální tepelná čerpadla se tak stala důležitým pilířem evropské strategie pro udržitelnou energetiku a jejich význam bude s pokračující energetickou transformací nadále růst.

Rozmach tepelných čerpadel v ČR

Ačkoli tepelná čerpadla nejsou novinkou, jejich opravdový rozmach v Česku a Evropě začal kolem roku 2000. V té době se na trhu objevila dostupnější a technicky vyspělá zařízení typu vzduch-voda, která dokážou pracovat i při teplotách až −20 °C a nevyžadují drahé vrty nebo zemní kolektory.

Tepelná čerpadla se na českém území používají již desítky let. První komerční instalace se datují do 80. let 20. století a tehdy šlo zejména o systémy typu země-voda. Čerpadla vzduch-voda, dnes nejrozšířenější, tehdy pracovala jen při teplotách kolem 0 °C, což jejich využití v zimním období výrazně omezovalo.

„Tepelná čerpadla v minulém století většinou využívala teplo ze zemních kolektorů, jejichž vybudování bylo nákladné. Kvůli vysokým pořizovacím nákladům a dlouhé návratnosti byla tato technologie spíše výjimečná,“ říká Ivo Zabloudil ze společnosti Enbra.

Moderní tepelná čerpadla se však od svých předchůdců zásadně liší. Jsou mnohem úspornější, tišší a univerzálnější. Dnešní typy vzduch-voda dokážou i při mrazech −20 °C ohřát vodu na 80 °C bez potřeby bivalentního zdroje, což z nich činí ideální řešení nejen pro podlahové vytápění, ale i pro radiátory.

Rozvoj TČ díky výhodným tarifům a technologiím

Skutečný rozmach tepelných čerpadel začal až po roce 2000. Za růstem zájmu stojí hlavně dvě věci:

• technický pokrok, který přinesl spolehlivější a efektivnější zařízení,
• a zavedení výhodných elektrotarifů pro majitele čerpadel.

Njevětší skok nastal v důsledku energetické krize a války na Ukrajině, kdy došlo ke skokovému růstu (z 31 522 jednotek v roce 2021 až na 60 439 tepelných čerpadel v roce 2022.

Podle odhadů Ministerstva průmyslu a obchodu ČR z roku 2023 bylo v Česku instalováno přes 55 tisíc tepelných čerpadel. Oproti roku 2022 to byl tak mírný pokles (o necelých 5 000 jednotek), kdy sice  počty nově objednaných čerpadel v roce 2023 sice opravdu trochu poklesly, ale prakticky se ale jen o návrat na „předválečnou“ úroveň a mírnou korekci, která však ukazuje, že zájem o tepelná čerpadla nadále je a bude.

Ostatně v roce 2024 se předpokládalo, že dojde k opětovnému nárust zájmu o tepelná čerpadla – původní odhady některých analytiků hovořily o nárůstu až na 75 000 tepelých čerpadel v roce 2024, ale realita pak byl výrazně odlišná – v roce 2024 došlo k výraznému poklesu prodeje tepelných čerpadel (o téměř 60 %).

Zájem o tepelná čerpadla se tak postupně v ČR vrátil na předcovidovou úroveň prodejů, ale již nyní je zřejmé, že se stávají běžnou volbou pro úsporné a ekologické vytápění, přičemž jejich moderní technologie umožňují využití i v těch nejnáročnějších klimatických podmínkách.

Odhad roční dodávky tepelných čerpadel na český trh (ks)

Zdroje:

• https://www.smichovskateplarenska.cz/l/historie-tepelnych-cerpadel/
• https://en.wikipedia.org/wiki/Ferdinand_Carr%C3%A9
• https://www.youtube.com/watch?v=dPZS1cBoMus
• https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pump
• https://opac.geologie.ac.at/ais312/dokumente/BHW_1867.pdf
• https://en.wikipedia.org/wiki/Peter_von_Rittinger
• https://de.wikipedia.org/wiki/Peter_von_Rittinger
• https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/23579-od-vynalezu-umeleho-chlazeni-k-vyrobe-tepelnych-cerpadel?utm_source=chatgpt.com
• https://mpo.gov.cz/cz/energetika/statistika/obnovitelne-zdroje-energie/dodavka-tepelnych-cerpadel-na-trh-v-ceske-republice-v-roce-2024–286877/
• https://finn-geotherm.co.uk/the-history-of-heat-pumps/
• https://oilonlampoassa.fi/en/our-story/