Tepelné čerpadlo

Vykurovanie pomocou tepelného čerpadla

Vykurovacie tepelné čerpadlo je zariadenie, ktoré využíva netradičné zdroje energie na ústredné vykurovanie (ÚK) a na ohrev teplej úžitkovej vody (TÚV). Pracuje na princípe využitia inak nevyužiteľnej energie – nízkopotenciálového tepla z nášho okolia (t. j. z vody, vzduchu, zeme či odpadového tepla), kedy jeho prečerpaním dôjde ku zmene teploty na úroveň využiteľnú vo vykurovacom systéme.
Základná perspektíva tepelných čerpadiel je to, že do globálneho teplotného režimu planéty sa priamo nepridáva teplo zo spaľovania akéhokoľvek paliva. Nepriamo vzniká určité množstvo tepla v elektrárňach – pri výrobe elektrickej energie spotrebovanej na chod tepelného čerpadla.

Princíp a funkcia

Princíp tepelného čerpadla je známy už viac ako 100 rokov. Konštruktér prvého tepelného čerpadla na svete bol Slovák Aurel Stodola. Jeho tepelné čerpadlo z roku 1928 dodnes pracuje vo Švajčiarsku a vykuruje radnicu v Ženeve s odoberaním tepla z vody jazera (ide o uzatvorený okruh). Prvé veľké technické využitie tohto spôsobu vykurovania sa uskutočnilo v r. 1936. No rozsiahlejšie využitie tepelných čerpadiel na vykurovanie prišlo najskôr so zvýšením cien energií na začiatku sedemdesiatych rokov.

Definícia tepelného čerpadla

Podľa druhej vety termodynamickej prúdi tepelná energia z látky alebo predmetu s vyššou teplotou k látke alebo predmetu s nižšou teplotou. V okolitom prostredí (vzduch, voda, zem) sú obrovské prírodné zdroje energie na nízkej teplotnej úrovni. Tieto zdroje energie môžu byť využité na vykurovanie len vtedy, ak je ich tepelná energia prečerpaná pomocou zariadenia na vyššiu teplotnú úroveň. Tepelné čerpadlá sú teda zariadenia, ktoré odoberú tepelnú energiu tepelným zdrojom ktoré sú k dispozícii a ktorých tepelný potenciál nie je priamo využiteľný. Využiteľné teplo sa skladá z tepla, ktoré bolo zdroju tepla odobraté jeho ochladením a tepla, ktoré sa rovná pohonnej energii. Z praktického hľadiska je tepelné čerpadlo chladiace zariadenie, ktorého účelom je ohrievať namiesto chladiť.

Princíp tepelného čerpadla vzduch-voda

Základom tepelného čerpadla je uzatvorený okruh naplnený chladivom. Tepelné čerpadlo, respektíve chladiaci okruh, má štyri základné časti:
Výparník: Do výparníka sa privádza okolitým vzduchom nízko potenciálne teplo. Privedené teplo spôsobuje vyparovanie chladiva, pary chladiva sa stávajú nositeľom tepelnej energie a tú prenášajú do kompresora. Vzduch, ktorého prúdenie cez výparník zaisťuje axiálny ventilátor alebo ventilátory, sa pritom ochladí. Vzduchová cesta predstavuje primárny okruh TČ.
Kompresor: nasáva pary z výparníka, stláča ich a vytláča do kondenzátora. Práca na pohon kompresora sa premení na teplo, ktoré sa pripočíta k teplu privedenému do výparníka.
Kondenzátor: energia privedená do kondenzátora parami chladiva z výparníka a kompresora sa prenáša do cirkulujúceho vykurovacieho média (sekundárny okruh TČ). Preneseným teplom sa vykurovacie médium ohrieva.
Škrtiaci ventil: kvapalné chladivo, ktoré skondenzovalo v kondenzátore pri vyššom (kondenzačnom) tlaku, sa vstrekuje do výparníka, aby sa tu opäť vyparilo pri nižšom (vyparovanom) tlaku.
Tepelné čerpadlá takto dokážu teplo z uvedených médií (o teplote napr. okolo 2 °C) previesť na vyššiu teplotnú hladinu (napr. okolo 80 °C), ale na to potrebujú dodať inú, obyčajne elektrickú energiu. Zisk tepla z okolitého prostredia na vykurovanie je však vyšší v porovnaní so spotrebou elektriny na pohon tepelného čerpadla: z 1 kWh spotrebovanej elektriny je možné bežne získať 3 až 4 kWh tepla v prípade dodržania určitých podmienok.
Všeobecne platí že čím väčší je rozdiel teplôt na primárnej strane (napríklad vonkajší vzduch -11°C) a sekundárnej strane (napr.vyhrievaná voda UK 55°C) tepelného čerpadla (čo je delta t=66°C) , tým menšia je účinnosť. Na výkon 4 kWh už napríklad spotrebuje čerpadlo 3 kWh namiesto 1 kWh. Napríklad pri návrhu UK s tým treba vždy počítať a dodržať predpísané pracovné teploty výrobcu čerpadla.
Ideálna možná dosiahnuteľná delta t v našich zemepisných šírkach je v priemere za obdobie vykurovacej sezóny okolo 41°C , čo vie dosiahnuť iba špeciálne navrhnuté podlahové vykurovanie ktorému postačuje teplota média v UK 30°C pri -11°C vonku. Bežné podlahové kúrenie pracuje v teplotách až 45°C čím sa dramaticky znižuje účinnosť tepelného čerpadla.