K získání tepla z okolního prostředí potřebují tepelná čerpadla pouze malé množství elektrické energie. V závislosti na tom, zda získávají energii ze vzduchu, země nebo vody, se mírně liší technologií a cenou.
Tepelné čerpadlo: obrácený princip chladničky
Venku se ochladí, a je jen otázkou času, kdy se ochladí i uvnitř budovy. Teplo se vždy šíří ve směru změny teploty od teplejšího k chladnějšímu. Tento zdánlivě nevyhnutelný přírodní zákon tepelné čerpadlo svou promyšlenou konstrukci obchází. Umožňuje přenos tepla v opačném směru, tj. z chladnějšího prostoru do teplejšího.
Provoz tepelného čerpadla je v podstatě totožný s provozem známého spotřebiče denní potřeby: chladničky. Zatímco však chladnička odebírá teplo zevnitř a předává ho ven, tepelné čerpadlo odebírá teplo zvenku a předává energii do domu ve formě tepla. Tepelné čerpadlo využívá fyzikální princip, takzvaný Jouleův-Thomsonův jev.
Tepelné čerpadlo: geniální a jednoduchá technologie
Tepelná čerpadla mají primární okruh, ve kterém cirkuluje plynné chladivo. Ve výměníku tepla (3), tzv. výparníku, se energie prostředí z prvního okruhu předává chladivu. U vzduchových tepelných čerpadel ohřívá chladivo venkovní vzduch.
Kompresor (4) stlačuje páry chladiva a tím také zvyšuje jeho teplotu. Za kompresorem ve výměníku tepla, (1) tzv. kondenzátorem, horký chladicí plyn pod vysokým tlakem kondenzuje a odevzdává teplo do otopného systému. Zkondenzované chladivo pak putuje do expanzního ventilu (2). Tam se jeho tlak opět expanzi sníží a chladivo změní svůj fyzikální stav na plynný. Touto změnou skupenství se plyn prudce ochladí na teploty několik desítek stupňů pod nulou. Ve výměníku (3) se tento ledový plyn ohřeje od okolního vzduchu nebo vody ze země, v tomto okamžiku čerpadlo čerpá teplo z okolí.
Extrakce tepla
V systému zdroje tepla (3) může také cirkulovat
- Kapalina, často roztok glykolu (dříve známý jako solanka), tj. voda smíchaná s nemrznoucí směsí. Kapalina absorbuje teplo z okolního prostředí, např. ze země nebo podzemní vody, a přenáší ho do tepelného čerpadla.
- Vzduch, tepelná čerpadla na bázi vzduchu nasávají venkovní vzduch pomocí ventilátoru. Ten přivádí teplo z okolí přímo do tepelného čerpadla.
Vytápění a ohřev vody
Ve vytápěné budově je topný systém a zásobníky tepla. Jako topné médium obvykle cirkuluje voda. Voda odebírá teplo, které chladivo odevzdalo v kondenzátoru při kondenzaci, a odvádí je do rozvodného systému, jako je povrchové vytápění nebo radiátory, do zásobníku topné vody nebo do teplé vody pro domácnost.
Jak funguje tepelné čerpadlo v režimu chlazení
- Kompresor čerpá kapalné chladivo přes expanzní zařízení na vnitřní výměník tepla, který funguje jako výparník. Vzduch z vnitřku domu proudí přes tento výměník a chladivo absorbuje jeho tepelnou energii. Vzniklý chladný vzduch ventilátor vyfukuje do celého domovního potrubí. Proces pohlcování tepelné energie způsobil, že se kapalné chladivo zahřívá a po zahřátí vypařuje plynného skupenství.
- Plynné chladivo nyní prochází kompresorem, který plyn stlačuje. Proces stlačování plynu způsobuje jeho zahřívání (fyzikální vlastnost stlačených plynů). Horké chladivo se pod tlakem pohybuje k tepelnému výměníku ve venkovní jednotce.
- Ventilátor ve venkovní jednotce pohybuje venkovním vzduchem přes výměník, které v režimu chlazení slouží jako kondenzátorový výměník. Protože vzduch venku v domě je chladnější než horké stlačené plynné chladivo v cívce, dochází k přenosu tepla z chladiva do venkovního vzduchu. Během tohoto procesu chladivo při ochlazování kondenzuje zpět do kapalného stavu. Teplé kapalné chladivo je čerpáno systémem do expanzního ventilu ve vnitřních jednotkách.
- Expanzní ventil snižuje tlak teplého kapalného chladiva, čímž ho výrazně ochlazuje. V tomto okamžiku je chladivo v chladném, kapalném stavu a je připraveno k čerpání zpět do výparníkové cívky ve vnitřní jednotce, kde se cyklus znovu zahájí.
Historie tepelných čerpadel
Vývoj technologie tepelných čerpadel sahá až do 19. století: Francouz Nicolas Carnot zveřejnil první principy fungování tepelného čerpadla v roce 1824. O dobrých 100 let později byly v Curychu uvedeny do provozu první rozsáhlé systémy tepelných čerpadel, které vytápěly radnici, kongresovou budovu, vládní úřady a krytý plavecký bazén. První tepelné čerpadlo se zdrojem tepla ze země bylo uvedeno do provozu v USA v roce 1945 v domě Roberta C. Webbera v Indianapolisu. Čerpadlo bylo vybaveno kompresorem o výkonu 2 kW a využívalo ventilátor k pohonu systému ohřevu vzduchu, který byl v té době v USA již populární. Od té doby se tepelná čerpadla pro vytápění prostor a ohřev vody stala spolehlivou a ekologickou možností vytápění. Díky dlouholetým zkušenostem se tato technologie neustále vyvíjí a uplatňuje inovace objevené v oboru.
Mohlo by vás také zajímat:
