Princip tepelného čerpadla

Jak tepelné čerpadlo funguje? Popíšeme si to pěkně bod po bodu. Nebojte, je to jednoduché. Je to vlastně taková lednička naruby.

Princip tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo je zařízení, které umí využívat tzv. nízkopotencionální energii, která je kolem nás téměř v neomezeném množství. Jako zdroj tepelné energie se obvykle používá vzduch, voda a povrchová vrstva země. Tepelné čerpadlo potřebuje ke svému provozu také určité množství elektrické energie. V ideálním případě je poměr 3/4 nízkopotencionální energie a 1/4 elektrické energie. Tepelné čerpadlo tedy energii nevyrábí, pouze ji „přečerpává“ (od toho je odvozen název tepelné čerpadlo) na vyšší teplotní úroveň.

tepelné čerpadlo

Jak to tedy funguje?

Druhý zákon termodynamiky konstatuje, že chladnější těleso samovolně nepředává teplo tělesu teplejšímu. Určuje tedy směr předávání tepelné energie a vymezuje možnosti přeměny tepla na jiné druhy energie. Jak tedy můžeme ohřát vodu do topení od vzduchu s teplotou 5 °C?
Je to jednoduché! Ve výše uvedeném zákonu je velmi důležité slůvko samovolně. Pokud totiž dodáme nějakou vnější energii (v případě tepelného čerpadla je to elektrická energie pro pohon kompresoru), pak můžeme i teplo z relativně chladného tělesa převést (přečerpat) na vyšší teplotní hladinu. Třeba teplotu okolo 45 °C, kterou již použijeme v topné soustavě.

Velmi důležitým faktem je, že tepelné čerpadlo využívá skutečnosti, že teplota varu látek závisí na tlaku. Ukažme si to na příkladu:
Čpavek (chemický vzorec NH3) se vaří při atmosférickém tlaku (100 kPa) již při – 33 °C. Pokud ho ale stlačíme na tlak 2 MPa začne vřít až při 50 °C. Čpavek je tedy možno použít jako chladivo pro tepelná čerpadla. Skutečnost je ale taková, že v dnešní době se již čpavek nepoužívá. Čpavek však byl první látkou, která byla využívána v hojné míře. V dnešní době jej můžeme najít ve starých průmyslových chladicích zařízení, nebo na zimních stadionech. V současnosti se používají ekologická chladiva, která jsou šetrná k životnímu prostředí. Asi nejčastěji se setkáme s chladivy, která nesou označení R410a nebo R407c.

Tepelné čerpadlo je jako obrácená chladnička

O funkci tepelného čerpadla se často říká, že je stejná jako funkce chladničky, pouze naruby. Teplo, které chladnička odebírá potravinám, předává do vzduchu svojí zadní stranou. Trvale tak vytápí naši kuchyni. Co se stane, pokud bychom chladničku posadili do okna tak, aby dvířka směřovala ven a zadní strana do místnosti? Pokud dvířka zůstanou otevřená, bude chladnička celý den chladit venkovní vzduch a v místnosti topit. Tak získáme tepelné čerpadlo vzduch – vzduch, které nepochybně bude nějaký čas fungovat. Chladnička odebírá teplo z ochlazovaného prostoru a uvolňuje ho při vyšší teplotě do místnosti. Tepelné čerpadlo odebírá teplo z chladného venkovního prostředí (vody, vzduchu, půdy). Toto prostředí se ochlazuje a získané teplo se předává při vyšší teplotě do topného systému. Funkce se liší pouze v tom, že u ledničky využíváme prostor, kde je teplo odebíráno, kdežto u tepelného čerpadla prostor, kde je teplo předáváno.

Schéma tepelného čerpadla

tepelne-cerpadlo-schema

Na obrázku jsou uvedeny přibližné teploty pro tepelné čerpadlo voda – voda.

Na primární (vstupní) straně tepelného čerpadla je vždy výměník tepla, který nazýváme výparník. Sem se pomocí vhodné látky (vzduch, voda, nemrznoucí směs) přivádí nízkopotencionální teplo z venkovního prostředí. Do jeho druhé poloviny se tryskou expanzního ventilu vstřikuje pod velkým tlakem kapalné chladivo. Tlak za expanzním ventilem ve výparníku je nižší a kapalné chladivo se proto rychle odpařuje. Tím se celý výparník podchlazuje na teplotu nižší, než je teplota prostředí, ze kterého se odebírá teplo. Tak je dosaženo toho, že teplo (i minusové teploty) ze vstupní strany ohřívá podchlazený plyn a tento ohřátý, ale stále ještě studený plyn, je nasáván kompresorem. Nasávaný plyn si s sebou nese zvenku získanou energii. Po stlačení plynu kompresorem se silně zahřeje. V kompresoru se k energii nesené plynem přidá další část energie získaná prací elektromotoru při stlačení plynu. Stlačený plyn vycházející z kompresoru dosáhne vyšší teploty než voda v topném systému a je veden do sekundárního výměníku, který se nazývá kondenzátor, přes který proudí topná voda. Tam horký plyn zkapalní a předá teplo chladnější topné vodě. Kapalina je opět přivedena do expanzního ventilu. Celý cyklus běží spojitě stále dokola.

Už vím jak funguje a chci tepelné čerpadlo