Princip tepelného čerpadla

Princip tepelného čerpadla

Princip zařízení

Energetická bilance a topný faktor

Zdroje nízkopotenciální energie a systémy TČ

Princip zařízení

Každé tepelné čerpadlo odebírá zdroji energie (např. půdě, vzduchu, vodě) 'méněhodnotné', tzv. nízkopotenciální teplo, jehož teplota je tak nízká, že se nedá přímo využít. Toto odebrané teplo se pak pomocí ušlechtilé energie (většinou elektrické) přečerpá na vyšší teplotní úroveň, při které je již možné vytápět dům nebo ohřívat vodu. Elektrická energie představuje jen 22 - 33% z celkové využité energie. Samozřejmým předpokladem je systém teplovodního nebo vzduchového vytápění.

Základem zařízení je uzavřený pracovní (chladící) okruh, jímž se teplo na jedné straně odebírá a druhé straně předává. Obdobný obvod existuje také v chladničce, ve které se odebírá teplo potravinám uvnitř chladničky a ze zadní strany se předává teplo okolnímu vzduchu v místnosti. Tepelné čerpadlo odebírá teplo např. ze země, vody nebo z okolního vzduchu a dodává ho topným systémům. K této činnosti se, jak v chladírenské technice, tak v technice tepelných čerpadel, využívá schopnosti některých látek (označovaných jako pracovní látky, chladící prostředky, chladící média, chladiva, apod.), které obíhají v chladícím okruhu, při nízkých tlacích a teplotách se odpařovat a při tom přijímat teplo a při vyšších tlacích a teplotách kondenzovat a při tom teplo odevzdávat. Pro svou správnou funkci musí tedy každé tepelné čerpadlo obsahovat ve svém okružnímsytému soubor prvků, které využívají zmíněných schopností. Jsou to kompresor, dva výměníky tepla (výparník a kondenzátor) a expanzní ventil. Všechny součásti jsou propojené potrubím do uzavřeného okruhu, ve kterém obíhá pracovní (chladící) prostředek, nebo-li chladivo, které ochlazuje okolní prostředí a odebírá mu tak tepelnou energii.

Činnost tepelného čerpadla je zřejmá z obrázku. Začátek cesty chladícího prostředku (chladiva) můžeme určit například ve výparníku. Zde se energie z okolního prostředí předává chladícímu mediu. Do vstupu může jít například 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 odpaří a odebere tak teplo zdroji (tzv. výparné teplo), který se zchladí na +2°C. (Stejný jev můžeme pozorovat při potřísnění rukou benzinem, který se odpařuje a odebírá nám tak teplo - cítíme chlad). Nyní se chladící prostředek nasaje do kompresoru a stlačí na 1,1 Mpa. Při tom dochází ke zvýšení teploty na +85°C. Toto silné stlačení je možné, protože škrtící ventil brzdí proud plynu. Při takto vysokém tlaku chladící medium v kondenzátoru zkapalní (zkondenzuje), přičemž ochotně předá topné vodě teplo získané ve výparníku plus teplo získané prací při stlačování. Topná voda se tak ohřeje z +38°C na +45°C, což je naprosto vyhovující např. pro velkoplošné radiátory nebo podlahové topení v domě. Kapalné chladivo pokračuje z kondenzátoru opět do expanzního ventilu, za kterým se ve výparníku opět odpaří. V takovémto uzavřeném okruhu obíhá po celou dobu činnosti tepelného čerpadla. Na pohon kompresoru je třeba dodávat do celého systému ušlechtilou energii, ve většině případů v podobě elektřiny, která je pro funkci tepelného čerpadla nezbytná, ale přitom představuje z celkové využívané tepelné energie jen zhruba 25%.

Pozn.: Uvedené teploty a tlaky jsou pouze informativní.

Energetická bilance a topný faktor

Posoudíme nyní předcházející příklad energeticky. Na pohon kompresoru se spotřebovalo pouze 25% z celkové získané energie, přičemž se při +6°C studené spodní vody přijalo 75% jinak nevyužitého nízkoteplotního tepla. Včetně téměř veškeré práce kompresoru přeměněné v teplo se získalo 100% tepelné energie, která má se svými 45°C již vhodné parametry pro velkoplošné vytápění nebo ohřev teplé užitkové vody.

Poměr mezi užitným tepelným výkonem (100%, např. 12kW) a přivedenou energií (zde 25%, tj. 3kW) přeměněnou v kompresoru na mechanickou práci se nazývá topný faktor, který se v tomto případě rovná hodnotě 4.

Čím je tento poměr větší, tím efektivnější je provoz tepelného čerpadla. Běžně se pohybuje od 3 do 4,5 podle druhu vytápění a způsobu odběru 'okolní' energie. Topný faktor se totiž zvětšuje se snižováním teploty otopného systému a zvyšováním teploty zdroje. Proto je také ideální ve spojení s tepelným čerpadlem použít podlahový systém vytápění, ve kterém obíhá chladnější topná voda (35-40°C) než u běžných radiátorů.

Srovnáním vytápění pomocí tepelného čerpadla, které spotřebuje při topném faktoru = 4 na 4kWh tepla pouze 1kWh elektrické energie, a přímotopného vytápění, které pro stejné množství tepla potřebuje stejné množství elektřiny, tzn. 4 kWh, zjistíme, že tepelné čerpadlo je čtyřikrát efektivnější - k výrobě stejného množství tepla spotřebuje čtyřikrát méně energie elektrické.

Zdroje nízkopotenciální energie a systémy TČ

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

Jako energie pro tepelné čerpadlo se využívá přímo teplo obsažené ve vzduchu. Systémy využívající tuto energii se označují 'vzduch-voda' a 'vzduch-vzduch'. V obou případech se na primární stranu přivádí vzduch. Na sekundární straně se ohřívá buď topná voda (běžný případ), nebo ve druhém případě vzduch, který je průduchy hnán do jednotlivých místností v domě. Druhého způsobu se dá opačným uspořádáním využít i pro letní klimatizaci.

Výparník je většinou umístěn vedle budovy a pomocí ventilátoru přes něj proudí okolní vzduch, který se ochlazuje a opět se rozptyluje v ovzduší.

Tento zdroj nízkoteplotní energie je dostupný prakticky všude a za jakýchkoli podmínek. Je to nejjednodušší a v současné době velmi efektivní způsob získávání tepla z okolního prostředí. Venkovní teploty vzduchu sice v průběhu topné sezóny dost kolísají, ale z celkového hlediska jsou nízké zimní teploty a tím zhoršené parametry tepelného čerpadla bohatě vyváženy vyššími podzimními a jarními teplotami, které zaujímají delší časové pásmo. Současně používané technologie kompresorů udržují dobrou efektivnost tepelného čerpadla i při teplotách -20°C.

Podle zmíněných skutečností se dá říci, že kvalitní tepelná čerpadla systému 'vzduch-voda' jsou plně srovnatelné, za určitých podmínek i lepší, než systémy 'země-voda'.

Zemní teplo (systém 'země-voda')

Tepelnou energii ze země můžeme získat dvěma způsoby:

přímo - výměník tepla na primární straně, tj. výparník je uložen přímo v terénu. Teplo pak přechází ze země přímo do chladiva , které je nositelem tepla. Výměník je zhotoven zpravidla z měděných trubek. Nevýhodou je ale větší promrzání zeminy kolem výparníku.

nepřímo - častější případ. Výměník uložený v zemi není v tomto případě přímo výparníkem, ale je tvořen plastovou hadicí, ve které cirkuluje teplonosná nemrznoucí a nezávadná kapalina, která získané teplo předává chladivu ve výparníku, který umístěn v kompletu tepelného čerpadla.

Při využití systému země-voda jsou dvě možnosti jak získat teplo obsažené v zemi:

plošný kolektor - plastová hadice (nebo měděná trubka) je položena ve výkopech hlubokých 1,2 - 2 m (podle způsobu pokládání) nebo souvisle na odkryté ploše s roztečí nejméně 0,6m. Výkopy jsou tím delší a tedy i plošnější, čím větší je tepelná ztráta objektu. Na 1kW je třeba zhruba 5 - 8 m délky nebo jinak: plocha musí být alespoň trojnásobkem plochy vytápěné. Podmínkou pro tento způsob je tedy větší pozemek kolem objektu.

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

Zisk tepelné energie pomocí plošných kolektorů se jeví jako dobrý pro svou vyšší teplotní úroveň oproti vzduchu, ale toto tvrzení je platné pouze krátký časový úsek v topné sezóně. Po delším používání se začne zemina v bezprostředním okolí kolektoru značně ochlazovat až promrzat. Střední teplota odběrového místa v topné sezóně je tedy v zemi nižší než ve vzduchu.

Využití hlubinných vrtů je podstatně výhodnější pro svou relativně dobrou teplotní stálost, ale také je podstatně dražší.

Podzemní voda (systém 'voda-voda')

V tomto případě je nositelem nízkopotenciální energie podzemní voda, která má stálou teplotu v průběhu celé topné sezóny, a to 8 - 10°C nad bodem mrazu. Tento systém tepelného čerpadla je proto velmi efektivní (topný faktor až 5), ale je podmíněn vysokou a stálou vydatností pramene (pro středně velký objekt 0,5 l/s, tj. 30 l/min) a chemickou i mechanickou čistotou čerpané vody. Tyto podmínky jsou ve většině případů nedostupné.

Pro realizaci tohoto systému jsou potřeba dvě studny - jedna sací, druhá vsakovací. Ze sací studny se ponorným čerpadlem čerpá voda k deskovému výparníku, ve kterém předá svou tepelnou energii pracovní látce. Z výparníku je pak odváděna do vsakovací studny. Kdyby byla vypouštěna zpět do sací, voda by se rychle ochladila a byla by nevyužitelná. Vsakovací studna by měla být umístěna vzhledem ke směru proudění podzemní vody nad sací, aby se vypouštěná voda mohla při průchodu zemí opět ohřát. Hloubka studen bývá od 15 do 25 m, podle hydrogeologického podloží.

Ostatní způsoby zisku tepla

Z povrchové vody
Jeden způsob jak odebírat teplo z povrchové vody je položení hadicových kolektorů na dno nebo do břehu rybníka nebo vodního toku. Jedná se tedy v podstatě o stejný systém jako 'země-voda'.

Druhý způsob je podobný systému 'voda-voda', kdy je povrchová voda vedena potrubím k výparníku tepelného čerpadla. Zde ovšem hraje velmi nepříznivou roli chemické složení a znečištění používané vody, jež může způsobovat zanášení a korozi výměníků a potrubí.

Geotermální enegie
Geotermální prameny mají velmi dobré vlastnosti pro použití tepelným čerpadlem. Mají relativně vysokou a stálou teplotu, nejsou znečištěné, a mnohdy vyvěrají samovolně na povrch. Většímu využití však brání jejich nevelký výskyt .

Odpadní energie
Využití odpadního tepla (většinou z různých technologických procesů) se využívá zejména při vytápění průmyslových objektů. Místo tepelných čerpadel se u tohoto způsobu však používá většinou jiných investičně i provozně lacinějších technologií.