Principy a druhy tepelných čerpadel

Princip tepelného čerpadla je znám lidstvu poměrně dlouhou dobu. Již roku 1748 skot William Culen úspěšně dosáhl umělého zmražení hmoty (podchlazení bez vlivu počasí). Přeskočíme-li několik vývojových kroků tepelného čerpadla dostaneme se k prvnímu funkčnímu tepelnému čerpadlu, který sestrojil v letech 1855- 1857 Peter Ritter von Rittinger. Tento stroj byl zajisté velmi primitivní a neměl příliš velkou účinnost. V dnešní době díky moderním výrobním technologiím a vysoké úrovni automatizace jsem schopni relativně levně vyrábět spolehlivá tepelná čerpadla.

Tepelné čerpadlo tepelnou energii nevyrábí, ale mění (přečerpává) nízkopotenciální tepelnou energii na využitelnou energii. Pracuje na principu obráceného Carnotova jevu, který se skládá ze čtyř základních cyklů.

1. Plynné chladivo je stlačeno kompresorem. Stlačením chladivo výrazně zvýši svoji teplotu.
2. Následně v kondensátoru se ochladí, předá část své tepelné energie topnému systému a zkondenzuje (zkapalní).
3. Kapalné chladivo je expanzní tryskou vstřikováno do výparníku. Díky velkému tlakovému rozdílu způsobenému tryskou se chladivo podchladí na teplotu v rozsahu -20°C až -45°C (hodnoty podchlazení se liší podle použitého chladiva atd.)
4. Protože bod varu chladiva je nižší než teploty výparníku, chladivo vaří a odpařuje se. Plynné chladivo je nasáváno kompresorem.

Princip tepelného čerpadla

Jako pohon kompresoru nejčastěji bývá použit elektromotor. Poměr tepelné energie předané tepelným čerpadlem do topného systému a elektrické energie potřebné k pohonu kompresoru se nazývá topný faktor (COP). U kvalitních tepelných čerpadel průměrný COP= 3,5 a více.Čím vyšší je topný faktor, tím nižší jsou náklady na vytápějí objektu. K dosažení vysokého topného faktoru je důležité použít kvalitní kompresor. Dále potom na účinnost, tím i na efektivnost provozu TČ má velký vliv jaká je kondenzační a vypařovací teplota chladiva.

Kondenzační teplota je dána požadovanou teplotou topného systému, protože kondenzační teplota musí být vyšší než je teplota topného systému. Čím vyšší je kondenzační teplota, tím více kompresor musí chladivo stlačit a spotřebuje více elektrické energie. Proto je důležité, aby teplota topného systému byla co nejnižší možná. Tepelná čerpadla jsou schopna pracovat s teplotou topného systému do 55°C.

Na spotřebu elektrické energie kompresoru má také velký vliv vypařovací teplota. Čím vyšší je vypařovací teplota chladiva tím vyšší je tlak chladiva a také rozdíl tlaku který musím kompresor dosáhnout.

Nejčastěji jsou používány dva druhy zdroje nízkopotenciální energie. Vzduch nebo kapalina. Je li zdrojem nízkoteplotní energie vzduch, výparník je konstruován na proudění poměrně velkého objemu vzduchu, který vychlazuje. Pokud je jako zdroj nízkopotenciální energie kapalina, výparník je konstruován nejčastěji jako deskový výměník, přes kterou proudí ochlazovaná kapalina.

V současné době jsou tepelná čerpadla typu Vzduch – Voda na tak vysoké technické úrovni, že jejich provozní náklady jsou pouze jen o několik tisíc korun za rok vyšší než u systémů Země – Voda. Pořizovací náklady u tepelných čerpadel sytému Země – Voda jsou mnohonásobně vyšší než u sytému Vzduch – Voda. Pořizovací náklady u sytému Voda – Voda jsou přibližně stejné jako u systému Vzduch – Voda a jejich provozní náklady jsou podobné jako u systému Země – Voda. Nevýhodou tepelných čerpadel Voda – Voda je používání spodní vody. Jen málo stavebních pozemků má vyhovující parametry spodních vod pro tento systém.