Tepelné čerpadlá predstavujú moderný a čoraz populárnejší spôsob vykurovania a chladenia, ktorý sa vyznačuje efektívnosťou a šetrnosťou k životnému prostrediu. Ich princíp spočíva v prenose tepla z miesta s nižšou teplotou na miesto s vyššou teplotou, čím umožňujú využívať teplo z okolitého prostredia na vykurovanie budov alebo ohrev vody.
Základné princípy fungovania
„Teplo sa môže samovoľne šíriť len z miesta teplejšieho na miesto studenšie,“ hovorí II. zákon termodynamiky. Tepelné čerpadlá však tento prirodzený tok tepla obracajú pomocou dodanej energie. Fungujú na podobnom princípe ako chladnička, ktorá odvádza teplo zo studenšieho miesta (vnútra chladničky) na teplejšie (zadná strana chladničky, ktorá "kúri").
Pre pochopenie funkcie tepelného čerpadla je dôležité rozlišovať medzi pojmami teplo a teplota. Teplo je tepelná energia, ktorá sa prenáša z teplejšieho telesa na studenšie. Teplota je vonkajší prejav energie hmoty.
Princíp tepelného čerpadla je založený na dvoch dôležitých prírodných javoch:
Zmena teploty premeny skupenstva: Teplota varu a kondenzácie látok závisí od tlaku. Znižovaním tlaku sa znižuje teplota varu a kondenzácie a naopak. Napríklad, voda vrie pri 100 °C pri normálnom atmosférickom tlaku, ale pri nižšom tlaku (napríklad na Mount Evereste) vrie pri nižšej teplote.
Prečítajte si tiež: Ako minimalizovať tepelné straty pri vetraní
Tepelné správanie sa látok pri zmene skupenstva: Pri zmene skupenstva látka prijíma alebo odovzdáva energiu. Pri prechode z kvapalného stavu do plynného (vyparovanie) je potrebné dodať energiu (teplo). Naopak, pri prechode z plynného stavu do kvapalného (kondenzácia) sa energia (teplo) uvoľňuje.
Cyklus tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlo je cyklicky pracujúci tepelný stroj, kde celý proces prebieha v uzatvorenom okruhu a všetky deje sa periodicky opakujú. Celý proces sa opakuje v uzavretom okruhu, pričom teplonosné médium (chladivo) cirkuluje a prenáša teplo.
Vyparovanie: Teplonosné médium v kvapalnom stave prúdi k zdroju tepla (napr. vonkajší vzduch, zem, voda). V tomto mieste sa náhle zníži tlak média pomocou expanzného ventilu. Pokles tlaku spôsobí zníženie teploty vyparovania média pod teplotu zdroja energie, čo vedie k vyparovaniu média. Pri vyparovaní médium odoberá teplo z okolia a akumuluje ho v sebe. Výparník je umiestnený vo "vnútornej" časti tepelného čerpadla a absorbuje teplo z nízkoteplotného zdroja, čím sa médium mení na plyn.
Kompresia: Médium v plynnom stave, obsahujúce naakumulované teplo, je vedené ku kompresoru. Kompresor stláča plynné médium, čím zvyšuje jeho tlak a teplotu. Srdcom tepelného čerpadla je kompresor, najčastejšie poháňaný elektromotorom.
Kondenzácia: Stlačené médium s vysokou teplotou prúdi do kondenzátora. V kondenzátore médium odovzdáva teplo do vykurovacieho systému (napr. radiátory, podlahové kúrenie) alebo do zásobníka teplej vody. Pri odovzdávaní tepla médium kondenzuje a mení sa späť na kvapalinu. Kondenzátor sa nachádza vo "vonkajšej" časti tepelného čerpadla.
Prečítajte si tiež: Bezpečnosť Prechodu Stenou pre Komín
Expanzia: Kvapalné médium prechádza cez expanzný ventil, ktorý znižuje jeho tlak a teplotu. Tým sa médium pripravuje na opätovné absorbovanie tepla vo výparníku a cyklus sa opakuje. Expanzný ventil znižuje tlak a teplotu kvapalného média, čím ho pripravuje na opätovné absorbovanie tepla vo výparníku.
Typy tepelných čerpadiel
Existuje niekoľko typov tepelných čerpadiel, ktoré sa líšia zdrojom tepla, ktorý využívajú:
Tepelné čerpadlá vzduch-vzduch: Zdrojom energie je vonkajší vzduch. Používajú sa na vykurovanie a chladenie priestorov. Pracujú na rovnakom princípe ako klimatizácie. Vonkajší vzduch je zdrojom energie, ktorú tepelné čerpadlo využíva aj pri extrémnych teplotách. Vnútorná jednotka následne distribuuje túto energiu vyfukovaním teplého vzduchu do objektu.
Tepelné čerpadlá vzduch-voda: Zdrojom energie je vonkajší vzduch. Používajú sa na vykurovanie a ohrev vody. Ide o najrozšírenejší typ. Vonkajší vzduch je zdrojom energie, ktorú tepelné čerpadlo využíva aj pri extrémnych teplotách. Následne túto energiu využíva na ohrev vody vo vykurovacom systéme, respektíve plní zásobník teplou vodou.
Tepelné čerpadlá zem-voda: Získavajú teplo zo zeme. Používajú sa na vykurovanie a ohrev vody. Získava teplo zo zeme ako primárny zdroj energie. Následne túto energiu využíva na ohrev vody vo vykurovacom systéme, respektíve plní zásobník teplou vodou.
Prečítajte si tiež: Ako správne utesniť potrubné prestupy
Tepelné čerpadlá voda-voda: Využívajú teplo z podzemnej vody. Používajú sa na vykurovanie a ohrev vody. Využívajú na ohrev tepla z podzemnej vody.
Komponenty tepelného čerpadla
Medzi hlavné komponenty tepelného čerpadla patria:
- Výparník: Absorbovanie tepla z nízkoteplotného zdroja.
- Kompresor: Zvyšovanie tlaku a teploty plynného média.
- Kondenzátor: Odovzdávanie tepla do vykurovacieho systému.
- Expanzný ventil: Znižovanie tlaku a teploty kvapalného média.
Výhody a nevýhody tepelných čerpadiel
Výhody:
- Nízke prevádzkové náklady: Spotrebúvajú menej energie ako tradičné vykurovacie systémy.
- Ekologickosť: Neprodukujú emisie CO2.
- Multifunkčnosť: Väčšina dokáže v lete aj chladiť.
- Dlhá životnosť: Pri správnej údržbe vydržia 20-30 rokov.
Nevýhody:
- Nižšia účinnosť pri nízkych teplotách: Účinnosť tepelných čerpadiel vzduch-voda klesá pri nízkych vonkajších teplotách.
- Vyššie obstarávacie náklady.
- Nutnosť inštalácie odborníkmi.
Porovnanie a výber
Pri výbere tepelného čerpadla je dôležité overiť si porovnateľné ukazovatele a zohľadniť všetky náklady, vrátane inštalácie. Dôležitým parametrom je COP (Coefficient of Performance), ktorý vyjadruje pomer výstupného tepelného výkonu k energetickému príkonu. Vyšší COP znamená vyššiu účinnosť. Ďalším dôležitým ukazovateľom je SPF (Seasonal Performance Factor), ktorý vyjadruje pomer tepla na výstupe z čerpadla v priebehu jedného roka k celkovej spotrebe energie. SPF je presnejším ukazovateľom efektívnosti, pretože zohľadňuje aj podmienky inštalácie a čiastočnu záťaž.
- COP (Coefficient Of Performance): Pomer výstupného tepelného výkonu k energetickému príkonu na vstupe. Udáva sa v katalógoch, ale je potrebné poznať podmienky jeho určenia.
- SPF (Seasonal Performance Faktor): Pomer tepla na výstupe z čerpadla v priebehu jedného roka k celkovej spotrebe energie. Zohľadňuje aj podmienky inštalácie.
Pri výbere primárneho zdroja tepla je potrebné zohľadniť dostupnosť, teplotu a kvalitu zdroja.
Dôležité aspekty inštalácie
Úspešná inštalácia je kľúčová pre správnu prevádzku a návratnosť investície. Dôležité je zveriť inštaláciu odborníkom s dostatočnými skúsenosťami a znalosťami. Odporúča sa kupovať tepelné čerpadlo ako kompletnú dodávku aj s montážou, aby bola zabezpečená záruka na celý systém.
Tepelné čerpadlá a životné prostredie
Tepelné čerpadlá prispievajú k znižovaniu emisií CO2 a využívajú obnoviteľné zdroje energie. Pri použití 1 kWh energie, najčastejšie vo forme elektriny na pohon kompresora, možno získať 2- až 5-násobok energie na vykurovanie, ohrev teplej vody alebo chladenie.