Jak funguje tepelné čerpadlo?

Jak stará je technologie tepelných čerpadel?

V zásadě nejde o technologii 21. století, princip plynového tepelného čerpadla je totiž znám již více než 100 let. Narůstající popularitu zaznamenává až v posledních letech především díky snahám o úspornější způsoby vytápění.

Schéma absorpčního tepelného čerpadla vzduch/voda Robur GAHP A

Jak funguje plynové tepelné čerpadlo – na čem stojí jeho princip?

Tepelná čerpadla obecně využívají mechanismus zvaný Carnotův cyklus, který najdeme i třeba v ledničkách. Zatímco v ledničkách jde o přímý Carnotův cyklus, princip plynového tepelného čerpadla stojí na obrácené verzi tohoto cyklu. Abychom si daný mechanismus dokázali lépe představit, můžeme si jej popsat následujícím způsobem:

• Kompresorová lednice (přímý Carnotův cyklus) – přístroj ochlazuje svůj vnitřní prostor a současně dochází k oteplování jejího okolí. Na zadní straně lednice je totiž teplé potrubí.
• Tepelné čerpadlo (obrácený Carnotův cyklus) – zařízení vytápí, prostřednictvím teplé vody v potrubí vnitřní prostory, a ochlazuje vnější prostředí. Na zadní straně čerpadla je studené.

K procesu se využívá chladivo, které může ovlivňovat celkovou výkonnost. Nejvhodnější typy chladiva bohužel mají i své nežádoucí vlastnosti, proto se v současnosti používají bezpečnější látky a snahou je využívat chladiva přírodní (čpavek, butan, oxid uhličitý).

Pokud jsme u principu tepelného čerpadla zmínili, že ochlazuje vnější prostředí, v přeneseném významu to znamená, že odněkud bere teplo. Tuto energii z obnovitelných zdrojů může brát z několika míst. Podle toho se pak čerpadla dělí. Zdrojem obnovitelné energie může být:

• Vzduch – nejjednodušší řešení, neboť jak víme, vzduch je všude kolem nás. Stačí umístit plynové tepelné čerpadlo k domu a tepelné čerpadlo bude využívat teplo okolí. Bude ochlazovat okolní vzduch a přebírat jeho tepelnou energii. Jde o nejjednodušší řešení. Jeho efektivita je však do určité míry ovlivněna teplotou venkovního vzduchu.
• Země – na čerpání tepla ze země je pozitivní skutečnost, že je tento proces výkonově stabilní. Země má v dostatečné hloubce stále stejnou teplotu a nedochází k ovlivňování principu plynového tepelného čerpadla rozmary počasí. Nevýhodou tohoto přístupu je nutnost provedení hlubinného vrtu o hloubce přibližně 100 m. Obvykle stačí dva vrty, nicméně to pořízení tepelného čerpadla prodraží.
• Voda – dalším způsobem získávání tepelné energie je z vodního zdroje. V takových situacích ovšem potřebujeme dostatečný přístup k vodě (rybník, řeka), což nelze zajistit kdekoliv. Proto jsou tato tepelná čerpadla vhodná jen na určitých místech. Na druhou stranu dosahují nejlepšího topného faktoru.

Popsali jsme, odkud tepelná čerpadla berou tepelnou energii. Nyní je na čase si říct, kam ji odevzdávají. Nepřekvapivě do vody, která se v topném systému postará o vytápění. Případně se získaným teplem realizuje ohřev teplé vody. Další možností je předání tepelné energie do vzduchu. Tato tepelná čerpadla potom mohou vzduchem nejen vytápět, ale dokáže v létě naopak produkovat ochlazený vzduch a fungují tak i jako klimatizace.

Rozdíl mezi elektrickým a plynovým tepelným čerpadlem

Tepelné čerpadlo samozřejmě neodebírá teplo z okolního prostředí jen tak samovolně. K průběhu samotného procesu potřebuje i další energii ve formě zemního plynu (plynová tepelná čerpadla) či elektrické energie (elektrická tepelná čerpadla).

Čím je princip plynového tepelného čerpadla ovlivňován?

Existují zde dva faktory, které dokáží princip plynového tepelného čerpadla ovlivnit. Je to především teplota obnovitelného zdroje (vzduchu, vody, země) přičemž nejvýznamněji se této efekt projeví u vzduchových tepelných čerpadel. V takovém případě jsme závislí na teplotě okolního vzduchu, neboť dochází ke snížení účinnosti. Obecně tepelným čerpadlům nevyhovují teploty pod -20°C a také vysoké teploty přesahující 45°C.

Efektivitu plynového tepelného čerpadla a jeho principu také ovlivňuje požadovaná výstupní teplota pro vytápění a ohřev teplé vody. Navýšení těchto hodnot o například deset stupňů může zvýšit náklady o přibližně čtvrtinu.

Jsou plynová tepelná čerpadla vhodná pro každého?

Každá technologie má své výhody a samozřejmě také nevýhody. Je dobré vědět o všech úskalích, která jsou s plynovými tepelnými čerpadly spojená předtím, než se rozhodnete pro jejich pořízení. Jde především o efektivitu těchto zařízení – za určitých situací nemusí být použití plynového tepelného čerpadla kvůli jejich principu nejvýhodnější volbou. O jaké situace se jedná?

• Plynová čerpadla jsou výkonná zařízení pro střední a velké aplikace s velkou potřebou tepla. Nejsou vhodná pro domácnosti a malé budovy do 50 kW.
• Nejlepších úspor dosáhnete ve spojení s nízkoteplotním (podlahovým) a středně teplotním (radiátory) vytápěním. Běžná tepelná čerpadla nejsou vhodná pro ohřev soustavy na více než 60°C.