Tepelné čerpadlo a jak mu rozumět

Tepelné čerpadlo (TČ) je dnes už běžné technické zařízení, čili stroj pro vytápění (či chlazení) budov obývaných lidmi či temperovaných z jiných důvodů. TČ odebírá teplo z venkovního prostředí (které je tak ochlazováno) a předává ho do požadovaných míst až v násobně vyšším množství, než kolik energie (většinou elektřiny) k čerpání spotřebuje.

Tepelné čerpadlo dnes běžně vidíme v každé domácnosti, nejčastěji jako mrazák nebo chladničku. Ani ty, přesně řešeno, nevyrábějí chlad, nýbrž "jen" z prostoru, který chceme chladit, odebírají (čerpají) teplo a doručují ho jinam (většinou kamsi za lednici/mrazák, čímž vlastně vytápějí místnost). Jejich pozorný majitel jistě už postřehl, že na jejich odvrácené zadní straně je radiátor, který sálá teplo a je mnohem teplejší, než vzduch v místnosti. Jde o teplo, které je odebíráno z vnitřního prostoru chladničky a předáváno mimo ni do interiéru.

Jak pracuje tepelné čerpadlo

Tepelné čerpadlo je inverzní (obrácený) tepelný stroj pracující na základě stejných termodynamických zákonů jako třeba spalovací motor. Místo přeměny tepla na práci, tedy na pohyb (což realizuje motor) přeměňuje tepelné čerpadlo práci na teplo, jímž ohřívá vzduch či topné médium.

Děje se tak pomocí chladiva, které je nejprve stlačeno kompresorem a poté vpuštěno do kondenzátoru, kde odevzdá své skupenské teplo. Zkondenzované chladivo projde expanzní tryskou do výparníku, kde skupenské teplo (při nižším tlaku a teplotě) přijme a odpaří se.

Tepelné čerpadlo pracuje na principu obráceného Carnotova cyklu (pozn.: Přímý Carnotův cyklus účinkuje u tepelných motorů.). Chladivo v plynném stavu je stlačeno kompresorem a poté vpuštěno do kondenzátoru. Zde odevzdá své skupenské teplo. Zkondenzované chladivo projde expanzní tryskou do výparníku, kde skupenské teplo (při nižším tlaku a teplotě) přijme a odpaří se. Poté opět pokračuje do kompresoru a cyklus se opakuje.

Jednou z charakteristik práce tepelného čerpadla je topný faktor. Ten ukazuje účinnost tepelného čerpadla poměrem vyrobeného tepla k spotřebované energii.

Mrazák nedokáže odebírat z ochlazovaného prostoru teplotu, čili stupně °C, ale jen teplo v joulech (J) nebo v kWh. A aby toto teplo předal do místnosti, která má teplotu 25 °C, musí mít radiátor teplotu mnohem vyšší, než vzduch v místnosti.

Uspokojí tepelné čerpadlo nároky majitelů starších domů?

Tepelná čerpadla, která byla představena již v 50. letech minulého století, a nejedná se tedy o žádnou novinku na světových trzích, představují efektivní řešení hlavního…

Účinnost tepelného čerpadla

Popišme si ji na příkladu, v němž je venkovní vzduch zdrojem tepla, které čerpáme. Tato tepelná čerpadla jsou v našem podnebném pásmu (a také s ohledem na jiné přednosti) nejčastější. V otopném období lze jeho službu popsat takto:

1. TČ nabere za hodinu 100 kg venkovního vzduchu a ochladí ho (při expanzi) o 10 °C,
2. tím získá 1 MJ = 0,28 kWh/hod tepla, čili tepelné energie,
3. touto energií vytápí dům,
4. za celý den dodá 24 hod × 0,28 kWh/hod. = 6,67 kWh,
5. přitom spotřebuje k pohonu cyklického stroje (expanze - komprese) jen zlomek této energie.

Odtud je zřejmý i název tepelné čerpadlo, který toto zařízení dostalo. Z chladného venkovního vzduchu čerpá teplo, kterým pak ohřívá mnohem teplejší vnitřní vzduch. V létě je tomu naopak: tepelné čerpadlo v roli klimatizace čerpá teplo z vnitřního vzduchu a tím pak ohřívá mnohem teplejší venkovní vzduch. Podobně čerpáme vodu z hluboké studně; voda však nepřiteče do kuchyňského kohoutku sama z hloubky 10 m, je nutné ji vodním čerpadlem vytlačit vysoko nad kohoutek.

Výběr tepelného čerpadla do novostavby rodinného domu

Volba topného systému patří v případě výstavby nového domu mezi priority. V ideálním případě je o něm rozhodnuto již před vznikem architektonické studie stavby, což nejenže…

Tepelné čerpadlo = tepelný stroj

Na tento režim čerpání, který není samovolný, musíme použít stroj – tepelné čerpadlo. Teplo, které tepelným čerpadlem odebíráme vzduchu na jedné straně a na druhé pak dáváme, je bezplatné, avšak elektrický pohon tohoto stroje (který odebírá teplo venkovnímu vzduchu a předává vnitřnímu) už nikoliv. Stroj – tepelné čerpadlo – při svém chodu ve fázi komprese zahřívá zdroj tepla (např. chladný venkovní vzduch) a stává se zdrojem tepla. V zimě lze tohoto tepla využít k vytápění i ohřevu vody, elektrický pohon tohoto stroje spotřebuje cca jen energie, než odpovídá čerpané energii.

Pro stanovení pohonu takového stroje existuje již od roku 1824 přesný návod, který zformuloval Nicolas Léonard Sadi Carnot ¹) uveřejněním jednoduchého vzorce pro maximální účinnost tepelného stroje:

kde T₁ a T₂ jsou teploty chladiče a zdroje tepla v K (kelvinech).

Carnot měl na mysli tepelný stroj, který využívá energie tepla, které skrze něho protéká od teplého ke studenému zásobníku. To je dnes příklad parních strojů a turbín, spalovacích motorů ap. Tepelné čerpadlo je příklad obráceného děje: poháníme ho elektřinou a ono vytváří požadovanou teplotu v místnosti a celém domě, zatímco druhý zásobník – chladnější venkovní vzduch – je ochlazován.

Při malém rozdílu teplot venku a uvnitř je účinnost přečerpávání tepla vysoká, při velkém se snižuje. K tomu se pak přičítá již zmíněná vlastní tepelná ztráta TČ.

Téma: Tepelná čerpadla

Topný faktor COP

COP je anglická zkratka slov „Coefficient of Performance”, což lze přeložit jako koeficient účinnosti či účinkování. Udává pro dané tepelné čerpadlo poměr vyprodukovaného tepla a spotřebované energie za přesně definovaných podmínek (vnitřní a venkovní teploty) podle normy EN 14 511. Počítá se podle vzorce:

kde ΔQ je topný výkon TČ ve watech a ΔW je tomu odpovídající elektrický příkon tepelného čerpadla. Tento údaj je vhodný k porovnávání různých TČ mezi sebou (čím větší COP, tím lepší TČ), avšak nic neříká o tom, kolik spotřebujeme na provoz tepelného čerpadla energie. COP totiž silně závisí na venkovní teplotě vzduchu, která se během roku pohybuje mezi –20 až +30 °C, a na teplotě vnitřního teplosměnného média.

Sezónní COP

SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) započítává průměrné venkovní teploty vzduchu za celou topnou sezónu a jeho výpočet upravuje norma EN 14 825. Ta zavádí a počítá průměrný roční výkon tepelného čerpadla pro 3 různá klimatická pásma v rámci Evropy (chladnější, mírné, středomořské) a následující počet hodin topné sezóny:

• chladné podnebí: 6 446 hodin,
• mírné podnebí: 4 910 hodin a
• teplé (středomořské) podnebí 3 590 hodin.

Řečená norma také stanoví, v jakých teplotách musí být tepelná čerpadla testována, aby bylo možné určit jejich SCOP v jednotlivých klimatických podmínkách.

Závěr

Tepelná čerpadla účinně řeší jak zimní vytápění, tak i letní chlazení (žádné jiné technické zařízení aktivně nechladí). Po celé Evropě jsou tak nezbytnou součástí nové výstavby a také modernizace rodinných a bytových domů, ale také lázní, hotelů, administrativních budov atp. až po výstavbu průmyslových objektů. I v České republice roste o tepelná čerpadla zájem. Tepelná čerpadla šetří energii a umožňují realizovat energeticky úsporné domy. Ve spojení s fotovoltaikou a solárními panely dokáží z těchto domů vytvořit aktivní domy (s vlastní výrobou energie pro sebe) nebo energeticky úplně soběstačné.