TEPELNÉ ČERPADLO

Jak funguje tepelné čerpadlo?

„Teplo se může samovolně šířit pouze z místa teplejšího na místo studenější", tak říká přirozený a všem známý základní princip přírody, o kterém mluví II. zákon termodynamiky (vědní disciplína zabývající se jevy spojenými s přenosem tepla). V uvedené formulaci je však podstatné slovíčko „samovolně“. Vhodným dodáním energie umíme totiž tento přirozený, samovolný tok tepla otočit a odvádět teplo z místa studenějšího na místo teplejší.

Jak tedy tepelné čerpadlo konkrétně funguje?

Tepelné čerpadlo je cyklicky pracující tepelný stroj, kde celý proces probíhá v uzavřeném okruhu a všechny děje se periodicky opakují. V následujícím textu si popíšeme jeden cyklus.

Teplonosné médium (látka, kterou necháváme vypařovat, odebírá teplo ze zdroje; následně ji necháme zkondenzovat a předává nám naakumulované teplo; jednoduše řečeno jde o „přenašeč“ tepla) proudí v kapalném stavu ke zdroji tepla (podzemní voda, vzduch, velký objem půdy). Toto médium je v rovnováze se svým okolím a při daném tlaku a teplotě nemá snahu měnit svůj stav na jiný.

V místě, kde chceme získávat teplo, náhle snížíme tlak média (většinou pomocí expanzního ventilu). Co se stane? Pokles tlaku způsobí, že teplota vypařování média klesne pod teplotu zdroje energie a médium se vypaří. Během vypařování médium odebírá teplo z okolí a akumuluje jej v sobě. Následně je médium v plynném stavu i s naakumulovanou energií vedeno k místu, kde tuto energii chceme zužitkovat (například k akumulačnímu zásobníku vody). V daném místě nyní náhle zvýšíme tlak (většinou pomocí kompresoru). Co se stane? Zvýšení tlaku způsobí, že teplota kondenzace média vzroste nad teplotu v zásobníku vody a médium začne kondenzovat. Při kondenzaci je teplo, které se v médiu naakumulovalo při vypaření, předáváno do vody v zásobníku. Odevzdané teplo způsobí nárůst teploty okolí a jednoduše řečeno, zahřejeme vodu, kterou pak můžeme například vytápět (tj. ohřátá voda ze zásobníku je rozváděna např. do podlahového topení nebo využita pro další účely v domácnosti). Po kondenzaci a předání tepla se médium opět dostane do výchozího stavu a tento cyklus se znovu opakuje.

Tepelné čerpadlo je tedy cyklicky pracující tepelný stroj, kterým pomocí vhodné změny tlaku média umíme řídit jeho odpařování a kondenzaci, což nám umožňuje přenášet energii z místa s nižší teplotou na místo s vyšší teplotou.

Tepelné čerpadlo vzduch/voda princip

Tepelná čerpadla vzduch/voda mají mnoho výhod vyplývajících ze snadné instalace a velké univerzálnosti. Vzduchové tepelné čerpadlo lze namontovat prakticky na jakoukoliv stavbu a to velmi jednoduše. Při použití systému vzduch/voda odpadají zemní práce jako u tepelných čerpadel země/voda a i pořizovací náklady jsou nižší. Výkon tepelného čerpadla se mění s teplotou venkovního vzduchu, tedy vzrůstá-li teplota venkovního vzduchu, roste i výkon tepelného čerpadla, naopak klesá-li teplota, klesá i výkon. Z tohoto důvodu jsou tepelná čerpadla vzduch/voda většinou provozována v bivalentním provozu, to znamená, že pod bodem bivalence (teplota obvykle mezi -3°C až -10°C) připíná doplňkový zdroj tepla (zpravila elektrokotel) a tepelnou pohodu zajišťují oba zdroje současně. U některých tepelných čerpadel si tepelné čerpadlo zachovává svůj výkon i pří nízkých venkovních teplot, je to ale kompenzováno zvýšeným elektrickým příkonem, který tím částečně nahradí dotopový elektrokotel.

Minimální teplota, při které vzduchové tepelné čerpadlo ještě pracuje, je obvykle -20°C, lze se setkat i se stroji pracujícími až do -25°C. Při dlouhodobě nízkých teplotách pokrývá tepelnou potřebu domu jen doplňkový zdroj, a proto musí v lokalitách, kde se takto nízké teploty vyskytují, jeho výkon pokrýt potřebu tepla pro celý objekt.

Tepelná čerpadla vzduch/voda se skládají buď ze dvou jednotek a to venkovní a vnitřní propojené chladivem (split), nebo z kompaktního provedení (monoblok), kdy celé tepelné čerpadlo může stát venku, nebo uvnitř objektu. V případě děleného provedení (split) venkovní část nasává okolní vzduch a je většinou umístěna vedle domu, vnitřní jednotka pak zajišťuje ohřev teplé vody a topného systému. K dispozici jsou rovněž vzduchová tepelná čerpadla pouze vnitřního provedení. U tohoto typu je nutné propojit jednotku vhodným vzduchotechnickým potrubím přes obvodovou zeď s vnějším prostředím k zajištění přívodu a odvodu využívaného venkovního vzduchu. Množství protékaného vzduchu činí řádově tisíce m3/h.

Tepelné čerpadlo země/voda princip

Tepelná čerpadla země/voda poskytují celoročně stabilní výkon a vysoký topný faktor bez ohledu na venkovní teplotu. Zemní tepelná čerpadla jsou většinou provozována v bivalentním provozu, to znamená, že pod bodem bivalence (teplota obvykle mezi -3°C až -10°C) připíná doplňkový zdroj tepla (zpravila elektrokotel) a tepelnou pohodu zajišťují oba zdroje současně. V některých případech (hlavně u invertorových čerpadel s plynulým řízením výkonu) je můžeme provozovat i monovalentně.

Jedinou nevýhodou tepelných čerpadel země/voda jsou potřebné zemní práce. Pro čerpání tepla ze země potřebujeme buď zemní kolektor (někdy též označovaný jako horizontální nebo plošný kolektor), nebo geotermální vrty (zde se můžeme setkat i s označením vertikální kolektor). Plošné kolektory vyžadují rozsáhlejší výkopové práce na pozemku, ty jsou ale výrazně levnější v porovnání s geotermálními vrty.

Podmínky pro volbu kolektorů jsou dány především geologickou situací a dále umístěním budovy v zástavbě. U nových domů, které se staví na zelené louce a mají k dispozici dostatečný prostor, se rozhodně doporučují kolektory horizontální. V případě, že není k dispozici dostatečná plocha pro horizontální kolektor, je na místě volba systému s vrty, nebo systému vzduch/voda. Geotermální vrty se upřednostňují v kompaktních horninách, které nevyžadují pažení. Teplo z plošného kolektoru či vrtu je možné odebírat po celý rok tzn. i v letních měsících, kdy využíváme tepelné čerpadlo hlavně pro ohřev teplé vody. V případě volby geotermálního vrtu je možné ho v letním období snadno využít i pro pasivní chlazení domu.

Tepelná čerpadla země/voda poskytují stabilní výkon a výrazně vyšší úspory, než tepelná čerpadla vzduch/voda. Zmiňovaná stabilita se projevuje i ve velmi dlouhé životnosti a vysoké provozní spolehlivosti celého systému.

Díky nezávislosti zemního tepelného čerpadla na venkovních klimatických podmínkách je možné jeho použití takřka kdekoliv, nevyjímaje drsné horské oblasti, kde venkovní teploty dosahují i pod -25°C.

Tepelné čerpadlo voda/voda princip

Tepelná čerpadla voda/voda poskytují nejvyšší topný faktor, ale lokalit vhodných k jejich instalaci je naopak velmi málo.

Tepelná energie se může brát z vody povrchové nebo podzemní. Pokud to geologické dispozice a vydatnost pramene dovolí, jsou studny tím nejlepším zdrojem tepelné energie. Podzemní voda má poměrně stabilní teplotu kolem 8 až 10°C. U geotermální vody, se teploty pohybují i nad 30°C a jsou tak nejteplejším přírodním zdrojem.

K tomuto typu tepelného čerpadla jsou třeba dvě studny, a to jedna zdrojová a druhá vsakovací. Měly by od sebe být vzdáleny minimálně 15m. Pro běžný rodinný dům je třeba vydatnost pramene alespoň 0,5 l/s (40 000 litrů za den). Ověření vydatnosti seriózními, dostatečně dlouhými čerpacími zkouškami by se rozhodně nemělo podceňovat. Pořizovací cena těchto studií bývá nižší než u geotermálních vrtů, ale provozní náklady mohou být díky spotřebě elekřiny pro pohon ponorného čerpadla vyšší.
Řeky, rybníky a jiné vodní plochy jsou v instalacích tepelných čerpadel spíš raritou. Jejich využívání je spojeno s náročnou administrativou a především souhlasem jejich majitele nebo správce. Kromě toho teplota vody v povrchových tocích kolísá. U těchto instalací se nečerpá přímo voda, ale na dno se instalují hadice jako v případě plošného kolektoru. Tepelné čerpadlo je pak zapojeno shodně se systémem země/voda.

Tepelná čerpadla voda/voda se často využívají i pro využití odpadního tepla v průmyslu.

Výhodný obchod s přírodou

Na závěr se naskýtá otázka: „Podařilo se nám oklamat přírodu?“ Přece pomocí tepelného čerpadla dokážeme přenášet energii ze studenějšího místa na teplejší, což je jasně v rozporu s II. zákonem termodynamiky. Samozřejmě, přírodu se nám oklamat nepodařilo. Jenom jsme s ní uzavřeli obchod. Dovolila nám sice přenést teplo z místa s nižší teplotou na místo s vyšší, ale za tento přenos jsme museli zaplatit. Konkrétně energií dodanou kompresoru na zvýšení tlaku. To je cena, kterou si příroda žádá. Výsledkem tohoto obchodu jsou dvě spokojené strany. Jednak příroda, jejíž zákony jsme neporušili, jen jsme je vhodně využili. Na druhé straně jsme my, protože se nám podařilo zužitkovat všudypřítomné a snadno dostupné zdroje s obrovskou energií, ale nízkou teplotou (půda, vzduch, voda…). A protože tepelná čerpadla patří mezi ekologické zdroje energie, příroda je spokojena dvojnásobně.