Princip tepelného èerpadla

Princip tepelného èerpadla

Princip zaøízení

Energetická bilance a topný faktor

Zdroje nízkopotenciální energie a systémy TÈ

Princip zaøízení

Každé tepelné èerpadlo odebírá zdroji energie (napø. pùdì, vzduchu, vodì) 'ménìhodnotné', tzv. nízkopotenciální teplo, jehož teplota je tak nízká, že se nedá pøímo využít. Toto odebrané teplo se pak pomocí ušlechtilé energie (vìtšinou elektrické) pøeèerpá na vyšší teplotní úroveò, pøi které je již možné vytápìt dùm nebo ohøívat vodu. Elektrická energie pøedstavuje jen 22 - 33% z celkové využité energie. Samozøejmým pøedpokladem je systém teplovodního nebo vzduchového vytápìní.

Základem zaøízení je uzavøený pracovní (chladící) okruh, jímž se teplo na jedné stranì odebírá a druhé stranì pøedává. Obdobný obvod existuje také v chladnièce, ve které se odebírá teplo potravinám uvnitø chladnièky a ze zadní strany se pøedává teplo okolnímu vzduchu v místnosti. Tepelné èerpadlo odebírá teplo napø. ze zemì, vody nebo z okolního vzduchu a dodává ho topným systémùm. K této èinnosti se, jak v chladírenské technice, tak v technice tepelných èerpadel, využívá schopnosti nìkterých látek (oznaèovaných jako pracovní látky, chladící prostøedky, chladící média, chladiva, apod.), které obíhají v chladícím okruhu, pøi nízkých tlacích a teplotách se odpaøovat a pøi tom pøijímat teplo a pøi vyšších tlacích a teplotách kondenzovat a pøi tom teplo odevzdávat. Pro svou správnou funkci musí tedy každé tepelné èerpadlo obsahovat ve svém okružnímsytému soubor prvkù, které využívají zmínìných schopností. Jsou to kompresor, dva výmìníky tepla (výparník a kondenzátor) a expanzní ventil. Všechny souèásti jsou propojené potrubím do uzavøeného okruhu, ve kterém obíhá pracovní (chladící) prostøedek, nebo-li chladivo, které ochlazuje okolní prostøedí a odebírá mu tak tepelnou energii.

Èinnost tepelného èerpadla je zøejmá z obrázku. Zaèátek cesty chladícího prostøedku (chladiva) mùžeme urèit napøíklad ve výparníku. Zde se energie z okolního prostøedí pøedává chladícímu mediu. Do vstupu mùže jít napøíklad voda ze sací studny, která má teplotu +6°C. Chladivo má po snížení tlaku v expanzním (škrtícím) ventilu teplotu varu jen -2°C. Ve výparníku se tedy odpaøí a odebere tak teplo zdroji (tzv. výparné teplo), který se zchladí na +2°C. (Stejný jev mùžeme pozorovat pøi potøísnìní rukou benzinem, který se odpaøuje a odebírá nám tak teplo - cítíme chlad). Nyní se chladící prostøedek nasaje do kompresoru a stlaèí na 1,1 Mpa. Pøi tom dochází ke zvýšení teploty na +85°C. Toto silné stlaèení je možné, protože škrtící ventil brzdí proud plynu. Pøi takto vysokém tlaku chladící medium v kondenzátoru zkapalní (zkondenzuje), pøièemž ochotnì pøedá topné vodì teplo získané ve výparníku plus teplo získané prací pøi stlaèování. Topná voda se tak ohøeje z +38°C na +45°C, což je naprosto vyhovující napø. pro velkoplošné radiátory nebo podlahové topení v domì. Kapalné chladivo pokraèuje z kondenzátoru opìt do expanzního ventilu, za kterým se ve výparníku opìt odpaøí. V takovémto uzavøeném okruhu obíhá po celou dobu èinnosti tepelného èerpadla. Na pohon kompresoru je tøeba dodávat do celého systému ušlechtilou energii, ve vìtšinì pøípadù v podobì elektøiny, která je pro funkci tepelného èerpadla nezbytná, ale pøitom pøedstavuje z celkové využívané tepelné energie jen zhruba 25%.

Pozn.: Uvedené teploty a tlaky jsou pouze informativní.

Energetická bilance a topný faktor

Posoudíme nyní pøedcházející pøíklad energeticky. Na pohon kompresoru se spotøebovalo pouze 25% z celkové získané energie, pøièemž se pøi +6°C studené spodní vody pøijalo 75% jinak nevyužitého nízkoteplotního tepla. Vèetnì témìø veškeré práce kompresoru pøemìnìné v teplo se získalo 100% tepelné energie, která má se svými 45°C již vhodné parametry pro velkoplošné vytápìní nebo ohøev teplé užitkové vody.

Pomìr mezi užitným tepelným výkonem (100%, napø. 12kW) a pøivedenou energií (zde 25%, tj. 3kW) pøemìnìnou v kompresoru na mechanickou práci se nazývá topný faktor, který se v tomto pøípadì rovná hodnotì 4.

Èím je tento pomìr vìtší, tím efektivnìjší je provoz tepelného èerpadla. Bìžnì se pohybuje od 3 do 4,5 podle druhu vytápìní a zpùsobu odbìru 'okolní' energie. Topný faktor se totiž zvìtšuje se snižováním teploty otopného systému a zvyšováním teploty zdroje. Proto je také ideální ve spojení s tepelným èerpadlem použít podlahový systém vytápìní, ve kterém obíhá chladnìjší topná voda (35-40°C) než u bìžných radiátorù.

Srovnáním vytápìní pomocí tepelného èerpadla, které spotøebuje pøi topném faktoru = 4 na 4kWh tepla pouze 1kWh elektrické energie, a pøímotopného vytápìní, které pro stejné množství tepla potøebuje stejné množství elektøiny, tzn. 4 kWh, zjistíme, že tepelné èerpadlo je ètyøikrát efektivnìjší - k výrobì stejného množství tepla spotøebuje ètyøikrát ménì energie elektrické.

Zdroje nízkopotenciální energie a systémy TÈ

Okolní vzduch (systém 'vzduch-voda' a 'vzduch-vzduch')

Jako energie pro tepelné èerpadlo se využívá pøímo teplo obsažené ve vzduchu. Systémy využívající tuto energii se oznaèují 'vzduch-voda' a 'vzduch-vzduch'. V obou pøípadech se na primární stranu pøivádí vzduch. Na sekundární stranì se ohøívá buï topná voda (bìžný pøípad), nebo ve druhém pøípadì vzduch, který je prùduchy hnán do jednotlivých místností v domì. Druhého zpùsobu se dá opaèným uspoøádáním využít i pro letní klimatizaci.

Výparník je vìtšinou umístìn vedle budovy a pomocí ventilátoru pøes nìj proudí okolní vzduch, který se ochlazuje a opìt se rozptyluje v ovzduší.

Tento zdroj nízkoteplotní energie je dostupný prakticky všude a za jakýchkoli podmínek. Je to nejjednodušší a v souèasné dobì velmi efektivní zpùsob získávání tepla z okolního prostøedí. Venkovní teploty vzduchu sice v prùbìhu topné sezóny dost kolísají, ale z celkového hlediska jsou nízké zimní teploty a tím zhoršené parametry tepelného èerpadla bohatì vyváženy vyššími podzimními a jarními teplotami, které zaujímají delší èasové pásmo. Souèasnì používané technologie kompresorù udržují dobrou efektivnost tepelného èerpadla i pøi teplotách -20°C.

Podle zmínìných skuteèností se dá øíci, že kvalitní tepelná èerpadla systému 'vzduch-voda' jsou plnì srovnatelné, za urèitých podmínek i lepší, než systémy 'zemì-voda'.

Zemní teplo (systém 'zemì-voda')

Tepelnou energii ze zemì mùžeme získat dvìma zpùsoby:

pøímo - výmìník tepla na primární stranì, tj. výparník je uložen pøímo v terénu. Teplo pak pøechází ze zemì pøímo do chladiva , které je nositelem tepla. Výmìník je zhotoven zpravidla z mìdìných trubek. Nevýhodou je ale vìtší promrzání zeminy kolem výparníku.

nepøímo - èastìjší pøípad. Výmìník uložený v zemi není v tomto pøípadì pøímo výparníkem, ale je tvoøen plastovou hadicí, ve které cirkuluje teplonosná nemrznoucí a nezávadná kapalina, která získané teplo pøedává chladivu ve výparníku, který umístìn v kompletu tepelného èerpadla.

Pøi využití systému zemì-voda jsou dvì možnosti jak získat teplo obsažené v zemi:

plošný kolektor - plastová hadice (nebo mìdìná trubka) je položena ve výkopech hlubokých 1,2 - 2 m (podle zpùsobu pokládání) nebo souvisle na odkryté ploše s rozteèí nejménì 0,6m. Výkopy jsou tím delší a tedy i plošnìjší, èím vìtší je tepelná ztráta objektu. Na 1kW je tøeba zhruba 5 - 8 m délky nebo jinak: plocha musí být alespoò trojnásobkem plochy vytápìné. Podmínkou pro tento zpùsob je tedy vìtší pozemek kolem objektu.

hlubinné vrty - plastová hadice je zapuštìna do suchých nebo zaplavených vrtù hlubokých až 150 m. Vrty jsou realizovány v blízkosti stavby, nejménì 8 m od sebe. Na 1kW výkonu je tøeba 12 - 16 m hloubky.

Zisk tepelné energie pomocí plošných kolektorù se jeví jako dobrý pro svou vyšší teplotní úroveò oproti vzduchu, ale toto tvrzení je platné pouze krátký èasový úsek v topné sezónì. Po delším používání se zaène zemina v bezprostøedním okolí kolektoru znaènì ochlazovat až promrzat. Støední teplota odbìrového místa v topné sezónì je tedy v zemi nižší než ve vzduchu.

Využití hlubinných vrtù je podstatnì výhodnìjší pro svou relativnì dobrou teplotní stálost, ale také je podstatnì dražší.

Podzemní voda (systém 'voda-voda')

V tomto pøípadì je nositelem nízkopotenciální energie podzemní voda, která má stálou teplotu v prùbìhu celé topné sezóny, a to 8 - 10°C nad bodem mrazu. Tento systém tepelného èerpadla je proto velmi efektivní (topný faktor až 5), ale je podmínìn vysokou a stálou vydatností pramene (pro støednì velký objekt 0,5 l/s, tj. 30 l/min) a chemickou i mechanickou èistotou èerpané vody. Tyto podmínky jsou ve vìtšinì pøípadù nedostupné.

Pro realizaci tohoto systému jsou potøeba dvì studny - jedna sací, druhá vsakovací. Ze sací studny se ponorným èerpadlem èerpá voda k deskovému výparníku, ve kterém pøedá svou tepelnou energii pracovní látce. Z výparníku je pak odvádìna do vsakovací studny. Kdyby byla vypouštìna zpìt do sací, voda by se rychle ochladila a byla by nevyužitelná. Vsakovací studna by mìla být umístìna vzhledem ke smìru proudìní podzemní vody nad sací, aby se vypouštìná voda mohla pøi prùchodu zemí opìt ohøát. Hloubka studen bývá od 15 do 25 m, podle hydrogeologického podloží.

Ostatní zpùsoby zisku tepla

Z povrchové vody
Jeden zpùsob jak odebírat teplo z povrchové vody je položení hadicových kolektorù na dno nebo do bøehu rybníka nebo vodního toku. Jedná se tedy v podstatì o stejný systém jako 'zemì-voda'.

Druhý zpùsob je podobný systému 'voda-voda', kdy je povrchová voda vedena potrubím k výparníku tepelného èerpadla. Zde ovšem hraje velmi nepøíznivou roli chemické složení a zneèištìní používané vody, jež mùže zpùsobovat zanášení a korozi výmìníkù a potrubí.

Geotermální enegie
Geotermální prameny mají velmi dobré vlastnosti pro použití tepelným èerpadlem. Mají relativnì vysokou a stálou teplotu, nejsou zneèištìné, a mnohdy vyvìrají samovolnì na povrch. Vìtšímu využití však brání jejich nevelký výskyt .

Odpadní energie
Využití odpadního tepla (vìtšinou z rùzných technologických procesù) se využívá zejména pøi vytápìní prùmyslových objektù. Místo tepelných èerpadel se u tohoto zpùsobu však používá vìtšinou jiných investiènì i provoznì lacinìjších technologií.