Tepelné čerpadlo princip

Tepelné čerpadlo a ako mu porozumieť

Ako tepelné čerpadlo pracuje

Tepelné čerpadlo (TČ) je dnes bežným technickým zariadením pre vykurovanie alebo aj chladenie do rodinných domov, spoločenských budov atd. až po priemyselné objekty. Princíp fungovania, ale i možnosti použitia sa líšia od fungovania obyčajného ohrevu; dá sa ním napríklad vykurovať aj chladiť. Naviac, za jednu kWh dodanej elektrickej energie dokáže dodať mnoho viac tepla.

Tepelné čerpadlo je výrobok, ktorý bežne vidíme v každej domácnosti a nazýva sa mraznička alebo chladnička. Ten, striktne povedané, nevyrába a nedodáva chlad, ale z priestoru, ktorý chceme chladiť, odoberá (čerpá) teplo a dodáva ho inde. Pozorný majiteľ chladničky alebo mrazničky dávno zistil, že na ich zadnej strane je radiátor, ktorý sála teplo a je omnoho teplejší, ako okolitý vzduch. ide o teplo, ktoré je odoberané z vnútorného priestoru chladničky a dodávané do priestoru mimo chladničku.

Mrazák mrazničky nedokáže odoberať z ochladzovaného priestoru teplotu, čiže stupne °C, ale iba teplo v jouloch (J) alebo v kWh. A aby toto teplo odovzdal do miestnosti, ktorá má teplotu  25 °C, musí mať radiátor teplotu omnoho vyššiu, ako vzduch v miestnosti.

Účinnosť tepelného čerpadla

Popíšeme si ju na príklade, v ňom je vonkajší vzduch zdrojom tepla, ktoré čerpáme. Tieto tepelné čerpadlá systému vzduch-voda sú v našom podnebnom pásme (a tak isto s ohľadom na iné prednosti) najčastejšie používané. Vo vykurovacom období je možné jeho službu a účinok popísať takto:

  1. TČ naberie za hodinu 100 kg vonkajšieho vzduchu a ochladí ho o 10 °C,
  2. tým získa 1 MJ = 0,28 kWh/hod tepla, teda tepelnej energie,
  3. touto energiou vykuruje dom,
  4. za celý deň dodá 24 hod × 0,28 kWh/hod. = 6,67 kWh,
  5. pritom spotrebuje iba zlomok tejto energie.

Odtiaľto je odvodený aj názov tepelné čerpadlo, ktorý toto zariadenie dostalo. Z chladného vonkajšieho vzduchu čerpá teplo, ktorým tak ohrieva omnoho teplejší vnútorný vzduch. V lete je to naopak: tepelné čerpadlo vo funkcií klimatizácie čerpá teplo z vnútorného vzduchu a tím potom ohrieva omnoho teplejší vonkajší vzduch. Podobne čerpáme vodu z hlbokej studne; voda však nepritečie do kuchynského kohútiku sama z hĺbky 10 m, je nutné ju vodným čerpadlom vytlačiť vysoko nad kohútik.

Na tento režim čerpania, ktorý nie je  samovoľný, musíme použiť stroj – tepelné čerpadlo. Teplo, ktoré tepelným čerpadlom odoberáme zo vzduchu na jednej strane a na druhej potom dávame, je bezplatné, avšak elektrický pohon tohto stroja nie. Stroj – tepelné čerpadlo – sa pri svojom chode zahrieva a stáva sa zdrojom tepla. V zime je možné toto teplo využiť k vykurovaniu a ohrevu vody.

Pre stanovenie pohonu takéhoto stroja existuje už od roku 1824 presný návod, ktorý sformuloval Nicolas Léonard Sadi Carnot1) uverejnením jednoduchého vzorca pre maximálnu účinnosť tepelného stroja:

Carnot mal na mysli tepelný stroj, ktorý využíva energiu tepla, ktoré ním preteká od teplého ku studenému zásobníku. To je dnes príklad parných strojov a turbín, spaľovacích motorov ap. Tepelné čerpadlo je príklad obráteného deju: poháňame ho elektrinou a ono vytvára požadovanú teplotu v miestnosti a celom dome, zatiaľ čo druhý zásobník – chladnejší vonkajší vzduch – je ochladzovaný.

Pri malom rozdiele teplôt vonku a vnútri je účinnosť prečerpávania tepla vysoká, pri veľkom sa znižuje. K tomu sa potom pripočíta už zmienená vlastná tepelná strata TČ.

Vykurovací faktor COP

COP je anglická skratka slov „Coefficient of Performance”, čo sa dá preložiť ako koeficient účinnosti alebo účinkovania. Udáva pre dané tepelné čerpadlo pomer vyprodukovaného tepla a spotrebovanej energie za presne definovaných podmienok (vnútornej a vonkajšej teploty) podľa normy EN 14 511. Počíta sa podľa vzorca:

kde ΔQ je vykurovací výkon TČ vo watoch a ΔW je tomu zodpovedajúci elektrický príkon tepelného čerpadla. Tento údaj je vhodný k porovnávaniu rôznych TČ medzi sebou (čím väčší COP, tím lepšie TČ), avšak nič nehovorí o tom, koľko spotrebujeme na prevádzku tepelného čerpadla energie. COP totiž silno závisí na vonkajšej teplote vzduchu, ktorá sa behom roku pohybuje medzi –20 až +30 °C, a na teplote vnútorného teplonosného média.

Záver

Tepelné čerpadlá účinne riešia vykurovanie v zime, a aj chladenie v lete (žiadne iné technické zariadenie aktívne nechladí). Po celej Európe sú tak neodmysliteľnou súčasťou novej výstavby a aj modernizácie rodinných a bytových domov, ale tak isto kúpalísk, hotelov, administratívnych budov atd. až po výstavbu priemyselných objektov. I na Slovensku rastie o tepelné čerpadlá záujem. Tepelné čerpadlá šetria energiu a vďaka nim zrealizujete svoj dom podľa novej platnej stavebnej legislatívy. V spojení s fotovoltaikou a solárnymi panelmi dokážu z týchto domov vytvoriť aktívne domy (s vlastnou výrobou energie pre seba) alebo energeticky úplne sebestačné.

Náš tip: Zaujíma Vás, aký typ tepelného čerpadla by najlepšie vyhovoval Vašej domácnosti a aká by bola jeho približná cena vrátane dopravy a montáže?