Jak funguje tepelné čerpadlo? V hlavní roli kondenzace a vypařování

Tepelné čerpadlo je mezi širokou veřejností čím dál oblíbenějším pomocníkem. V dlouhodobém horizontu ušetří majitelům domů i větších objektů nemalé finanční prostředky, navíc je tepelné čerpadlo ekologické. Tušíte ale, na jakém principu funguje?

Tepelné čerpadlo se postupem doby stalo často skloňovaným pojmem. Ještě na počátku tohoto tisíciletí však tomuto termínu rozuměla jen hrstka odborníků. To, jak tepelné čerpadlo proniklo do našeho slovníku, svědčí o jeho rozmachu coby úsporného a ekologického zdroje tepla.

Přesto vysvětlit princip jeho fungování dokáže málokdo. Do značné míry je to tím, že při výuce fyziky jsme se často nenaučili rozumět dvěma základním jevům, které hrají nejdůležitější roli při vytváření našeho klimatu: kondenzaci a vypařování.

Tepelné čerpadlo je chladicí zařízení

Čerpadlo v obecné rovině není tepelným zdrojem ani obrácenou ledničkou, jak ho mnozí nazývají. Jedná se o typické kompresorové chladicí zařízení, stejně jako chladnička, klimatizační jednotka nebo mraznička. Všechna tato zařízení jsou tepelnými čerpadly a – pozor – všechna při svém chodu vyprodukují více tepla než chladu.

Princip tepelného čerpadla, který byl vynalezen před několika sty lety, se v průběhu 20. století začal nejprve využívat pro chlazení. V průběhu času, s nárůstem cen paliv a s rozvojem technologií, se přibližně v polovině století začaly objevovat pokusy využít tepelné čerpadlo jako zdroj energie pro vytápění.

Základem tepelného čerpadla je chladící okruh. Jde o hermeticky uzavřený okruh naplněný chladivem – chemickou látkou se specifickými termodynamickými vlastnostmi. Na chladícím okruhu se kromě dalších vyskytují 4 základní komponenty: kompresor, kondenzátor, expanzní ventil a výparník, které umožňují práci tepelného čerpadla v tzv. Carnotově cyklu.

Čtěte také: Příprava využití tepelných čerpadel pro vytápění a chlazení v Nebřenicích

Čtyři základní pracovní fáze chladicího okruhu

1. Komprese
Úkolem kompresoru je zajistit oběh chladiva chladícím okruhem. Kompresor nasává páry chladiva a stlačením dodává chladivu vyšší entalpii (zvyšuje tlak a teplotu par chladiva). Sací tlak se pohybuje v jednotkách barů, na výtlaku v desítkách barů a teplota par na výstupu z kompresoru se pohybuje v širokém rozmezí teplot, obvykle nad 70 °C. Kompresor je zařízení, které spotřebovává elektrický příkon Pi.

2. Kondenzace
Stlačené páry chladiva vstupují do tepelného výměníku kondenzátoru (chladiče), kde předávají teplo do topného média, např. topné vody. Jedná se především o skupenské teplo, které vzniká kondenzací páry na kapalinu. Díky tomu je předávaný tepelný výkon mnohonásobně vyšší, než by odpovídalo pouhému ochlazení par chladiva. Z kondenzátoru odchází kondenzát chladiva o teplotě několika desítek °C. Tlak chladiva zůstává stejný jako na výtlaku kompresoru. Na kondenzátoru získáváme topný výkon Qt.

3. Expanze
Chladivo v kapalném stavu přichází do expanzního ventilu. Průchodem přes ventil, který představuje škrtící element (trysku), kapalina chladiva expanduje (tlak se prudce sníží na hodnotu sacího tlaku), okamžitě se ochlazuje a začíná se postupně odpařovat. Průtok chladiva expanzním ventilem je řízený, velikost expanzního otvoru je aktivně regulována.

4. Vypařování
Směs kapek a par chladiva je expanzním ventilem nastříkávána do výparníku. Výparník je výměník tepla (ohřívač), který přivádí teplo z vnějšího zdroje (např. vzduchu, země nebo vody) do chladiva. Chladivo se intenzivně vypařuje (vaří) a absorbuje skupenské (výparné) teplo. Proces vypařování probíhá obvykle při nízkých, typicky záporných teplotách (v závislosti na teplotě zdroje), maximálně do +15 °C. Průchodem výparníkem se veškeré chladivo vypaří a ve formě páry je nasáváno kompresorem. Na výparník přivádíme tepelný příkon (jinak řečeno odvádíme chladící výkon) Qc. Celý děj se stále opakuje.

Platí, že topný výkon na kondenzátoru Qt je tvořen příkonem kompresoru Pi a chladícím výkonem výparníku Qc: Qt = Pi + Qc.

Účinnost (topný faktor COP) tepelného čerpadla

Z výše uvedeného je zřejmé, že topný výkon tepelného čerpadla je mnohem vyšší než elektrický příkon kompresoru, tzn. jeho účinnost násobně přesahuje 100 %. Poměr topného výkonu a příkonu kompresoru nazýváme topným faktorem a jeho hodnoty se mění v závislosti na podmínkách práce chladícího okruhu.

Zejména hodnota topného faktoru je závislá na rozdílu teploty zdroje a teploty ohřevu: pokud tepelné čerpadlo musí přečerpat vyšší teplotní rozdíl, narůstá příkon kompresoru, klesá topný i chladící výkon a hodnota COP klesá. To je důvod, proč např. podlahový systém je pro tepelné čerpadlo vhodnější než klasická otopná tělesa.

Vzduch-voda je nejpoužívanější systém

Tepelná čerpadla vzduch-voda jsou založena na získávání tepla z okolního vzduchu. Vzniklé teplo je předáváno do topné vody. Patří v současnosti v Evropě k nejprodávanějším. Mezi největší výhody patří relativně nízké investiční náklady, rychlá a nenáročná instalace a snadná dostupnost primárního zdroje energie: okolní vzduch se vyskytuje všude kolem nás.

Nevýhodou může být hlukové nebo estetické narušení okolí našeho domu. Tepelná čerpadla vzduch-voda jsou vhodná nejen pro vytápění, celoroční ohřev teplé vody nebo ohřev bazénu, ale také pro chlazení objektu. Z hlediska účinnosti vytápění či chlazení je systém vzduch-voda méně účinný než země-voda či voda-voda. Na snížené účinnosti vytápění se nejvíce podílí spotřeba energie na odtávání námrazy na výparníku, která vzniká při nižších venkovních teplotách.

Jako určitou nevýhodu je nutné vnímat i potřebu dodatečného (tzv. bivalentního) zdroje tepla pro případ extrémně nízkých venkovních teplot. Instalaci systému vzduch-voda lze doporučit především do objektů s nižší spotřebou energie. Nicméně i domy s velkou tepelnou ztrátou, včetně bytových domů a velkých objektů, lze účinně vytápět či chladit vzduchovým tepelným čerpadlem, pokud zde není možné instalovat systém země-voda.

Tepelná čerpadla

V praxi se můžeme setkat s následujícími typy tepelných čerpadel vzduch-voda:

Split (dělená konstrukce)
Část tepelného čerpadla obsahující kondenzátor a oběhové čerpadlo je umístěna uvnitř objektu, druhá část s výparníkem a ventilátorem je vně domu. Často v současnosti splitová tepelná čerpadla vycházejí z upravených klimatizačních jednotek, kdy venkovní jednotka obsahuje kompresor. Toto uspořádání je ale vhodné zejména pro chlazení, kdy teplo vyrobené kompresorem je bezprostředně na jeho výstupu zmařeno do okolního vzduchu.

Příkladem jsou tepelná čerpadla Master Therm. Vycházejí z klasické konstrukce pro vytápění a mají tudíž kompresor umístěný ve vnitřní jednotce, kde je vzniklé teplo ihned předáno do topné vody, což je energeticky výhodnější. Split konstrukce vyžaduje při instalaci chladírenskou montáž (propojení chladícího okruhu mezi oběma částmi zařízení).

Venkovní kompakt (monoblok)
Výhodou monobloku je nenáročnost na vnitřní prostory domu a zjednodušená instalace zařízení. Celá technologie tepelného čerpadla je obsažena v jedné skříni umístěné vně domu. Hydraulický okruh vytápění je veden z objektu do tepelného čerpadla a zpět. Velkou výhodou monobloku je absence chladírenské montáže při instalaci zařízení: do chladícího okruhu se při montáži nijak nezasahuje.

Na druhé straně, s ohledem na vedení topné vody ven z domu, je nutné ochránit topnou vodu a tepelné čerpadlo proti zamrznutí pro případ dlouhodobého výpadku el. energie v mrazivém počasí. Jde o napuštění okruhu vytápění nemrznoucí směsí nebo jiné opatření.

Vnitřní kompakt
K tepelnému čerpadlu vzduch-voda, které je celé umístěné ve strojovně, je venkovní vzduch přiveden vzduchotechnickým potrubím a po ochlazení je veden zpět do venkovního prostoru. Hlavní předností je úplná eliminace venkovního hluku a zcela nerušený vzhled domu a jeho okolí. Naopak prostorové a hlukové nároky na strojovnu jsou vyšší. Provedení celého zařízení je náročnější na kvalitní tepelnou izolaci s ohledem na kondenzaci vzdušné vlhkosti z důvodu přívodu chladného venkovního vzduchu, z čehož vyplývají vyšší pořizovací náklady. Strojovna také musí být vybavena odvodem kondenzátu.

Země-voda: Vyšší investice do dokonalejšího řešení
Systém tepelného čerpadla země-voda má delší tradici a ve významnějším rozsahu se v Evropě používá od 2. poloviny 20. století. Primární okruh tvoří nemrznoucí směs obíhající v zemním kolektoru z plastových (PE) trubek, která odebírá teplo ze země a předává je do výparníku tepelného čerpadla. Výhodou systému země-voda je teplotní stabilita zdroje (země), která je podle typu kolektoru zcela nebo téměř nezávislá na ročním období. Díky stabilnímu zdroji, absenci odtávání výparníku a menší čerpací práci primárního okruhu má země-voda oproti systému vzduch-voda vyšší průměrnou účinnost vytápění.

Lepší účinnost nabízí systém země-voda i v režimu chlazení. Výhodou čerpadla typu země-voda jsou v dlouhodobém pohledu nižší servisní náklady a delší životnost. Hlavní nevýhodou jsou investiční náklady na vybudování kolektoru. Podle typu rozlišujeme svislý nebo vodorovný kolektor.

Země-voda s plošným kolektorem
Instalace plošného kolektoru je cca 2–3× levnější než u svislého kolektoru. Na 1 kW tepelné ztráty u domů ve středním klimatu je potřeba 35–40 m2 pozemku. Kolektor ve formě plastového horizontálně uloženého potrubí se umisťuje obvykle do hloubky 1,2 m pod povrch pozemku. V kolektoru cirkuluje nemrznoucí směs, která teplo země předává tepelnému čerpadlu. Teplo kolektor získává nepřímo ze slunečního záření.

Systém je možné využít jak pro vytápění, tak pro účinné chlazení tepelným čerpadlem v letním období (tzv. reverzační chlazení).

Země-voda se svislým kolektorem (vrtem)
Výhodou vrtu je malá prostorová náročnost. Hloubka vrtu bývá typicky do 100 m, běžně až do 200 m, v případě potřeby většího výkonu se realizuje více vrtů. Do vrtu je umístěna výstroj v podobě PE potrubí, ve kterém obíhá nemrznoucí směs a odebírá zemní teplo. Na 1 kW tepelné ztráty u domů ve středním klimatu je potřeba obvykle 15–20 m vrtu. Další výhodu nabízí svislý kolektor při chlazení objektu.

Tepelné čerpadlo země-voda s pasivním modulem chlazení umožňuje přímou výměnu chladící energie mezi zemí a objektem, bez potřeby běhu kompresoru (tzv. pasivní chlazení).

Investice do kolektoru není na 15 let
Častým argumentem pro odmítnutí tepelného čerpadla země-voda jsou náklady na kolektor. Pro objektivní porovnávání investice do tepelného čerpadla vzduch-voda a země-voda je třeba zohlednit délku investice. Zatímco životnost tepelných čerpadel se pohybuje cca v rozmezí 15–20 let, životnost kolektoru (plošného, svislého) se pohybuje okolo 100 roků. Vybudovaný kolektor má charakter stavební investice, zvyšuje hodnotu objektu a bude sloužit jako zdroj levného tepla (chladu) násobně déle než instalované tepelné čerpadlo.

Přímý odpar: Specifické řešení
Méně rozšířenou verzí tepelného čerpadla zeměvoda je tzv. přímý odpar. Zemní kolektor z plastového potrubí s nemrznoucí směsí je nahrazen speciálním kovovým potrubím (obvykle z mědi s plastovým potahem), ve kterém obíhá chladivo. Měděný kolektor tvoří výparník tepelného čerpadla, který bezprostředně jímá zemní teplo. Díky tomu mají tato tepelná čerpadla ještě lepší účinnost než běžné systémy země-voda. Také vynikají spolehlivostí a nenáročností na údržbu. Na druhou stranu pokládka kolektoru je náročnější, systém neumožňuje chlazení objektu a má větší nároky na množství chladiva, což limituje jeho použití jen pro menší výkony.

Voda-voda se uplatňuje stále méně
Tepelná čerpadla voda-voda se principem příliš neliší od země-voda. Primárním zdrojem tepla je nejčastěji spodní voda čerpaná ze zdrojové studny do výparníku tepelného čerpadla, a poté vrácená zpět do země pomocí studny vsakovací. Výhodou takového systému je relativně vysoká teplota zdrojové vody (8–10 °C), která vede k vysoké účinnosti vytápění.

Instalace tepelných čerpadel voda-voda je vhodná v oblastech s vysokou hladinou spodní vody, klade ale značné nároky na její množství a kvalitu a je nejnáročnější z hlediska schvalovacího procesu při stavebním řízení. Úprava tepelného čerpadla země-voda na provedení vodavoda je u tepelných čerpadel Master Therm výbava na přání. V omezené míře se vyskytují i systémy se zdrojem tepla v podobě vody povrchové, ať již stojaté nebo tekoucí, zde je ale odběr tepla realizován pomocí kolektorů obdobně jako u typu země-voda.

Text: Jiří Svoboda, jednatel a ředitel společnosti MasterTherm tepelná čerpadla s.r.o.

Související články:
Nová budova ČSOB SHQ: Vytápění a chlazení zemními tepelnými čerpadly
Jak šetřit energií při chlazení bytu?
Vysokoteplotní tepelná čerpadla. Mimořádně úsporné řešení ohřevu teplé vody v bytových domech a hotelech