Přehledně: jak funguje tepelné čerpadlo? Tak trochu jako obrácená lednička
Princip fungování tepelných čerpadel může na někoho působit jako sci-fi, ale ve skutečnosti je velmi jednoduchý.
Kristýna Čermáková
2. 1. 2024
Nejprve si položme zásadní otázku: kde se bere účinnost tepelného čerpadla? Jak to, že při příkonu například 2 kilowatty dokáže vyrobit 8 až 10 kilowattů tepla pro dům, tedy čtyř- nebo pětinásobek příkonu?
Tepelné čerpadlo samozřejmě není perpetuum mobile. Klíčem k jeho účinnosti je, že energii na přípravu oněch zmíněných 6 nebo 8 kilowatt navíc si vezme z okolního vzduchu (pro klasická čerpadla vzduch-voda, která vídáme u rodinných domů), ze země (čerpadla země-voda doplněná o hlubinný vrt) či z vody (čerpadla voda-voda, bývají napojená třeba na řeku nebo vodní nádrž).
Tepelná čerpadla vzduch-voda
Čerpadla vzduch-voda tvoří v České republice zhruba 95 procent všech prodaných tepelných čerpadel. Budeme se jim proto věnovat přednostně, ačkoliv musíme zmínit, že čerpadla země-voda či voda-voda jsou ještě účinnější, nicméně také dražší.
Tepelná čerpadla vzduch-voda jsou založena na principu získávání tepla z okolního vzduchu, který je pro každého zadarmo. Jeho teplota může být i mnoho stupňů Celsia pod nulou, přičemž čerpadlo bude stále fungovat a vyrábět teplo pro dům.
Teplo odebrané z okolí je pomocí tepelného čerpadla předáváno do topné vody vyhřívající objekt, respektive využito pro přípravu teplé vody. Důležitý je ale právě onen princip předávání tepla, na který se blíže podíváme. Můžeme si to připodobnit ke klasické chladničce.
Základní princip činnosti chladničky není složitý: ze svého vnitřku odebírá teplo, čímž snižuje teplotu vložených potravin. A toto odebrané teplo přenáší do místnosti. Proto je lednička zezadu vždy teplá.
„Lednička je tedy také tepelné čerpadlo: čerpá energii z jednoho prostoru (vnitřek ledničky) do druhého (místnost, kde stojí),“ vysvětluje Vojtěch Formánek, specialista společnosti MasterTherm.
Tepelné čerpadlo sloužící k vytápění domu to má stejně. Odebírá teplo z vnějšího vzduchu (proto je kolem tepelného čerpadla venku vždy větší zima a může se na něm tvořit námraza) a přes takzvaný chladící okruh jej předává do otopné soustavy domu. Tedy do radiátorů či podlahového topení.
Chladící okruh ve skutečnosti topí
V okruhu obíhá chladivo, které si můžeme představit jako bezbarvý nemrznoucí plyn či kapalinu – to v závislosti na tom, v jaké fázi okruhu se zrovna nacházíme. Změny skupenství chladiva (z plynu na kapalinu a zpět) jsou pro činnost tepelného čerpadla klíčové, protože díky tomu regulují teplotu a pohybují se okruhem.
Nejdůležitější součást chladicího okruhu čerpadla je kompresor. Ten je vždy takovým srdcem tepelného čerpadla. Nasává v plynné formě chladivo, které již putuje okruhem a které v sobě nese přidané teplo z okolního vzduchu (viz dále), a mnohonásobně jej stlačuje, čímž ho ještě více ohřívá.
Následně stlačené ohřáté chladivo putuje do tepelného výměníku, kondenzátoru. Jde jednoduše o chladič předávající teplo z chladiva do topné vody, která následně teče do radiátorů či podlahového topení. Topná voda má teplotu obvykle 30 až 60 stupňů Celsia dle potřeby domu, respektive podle toho, jak je nastavený termostat.
Tím, jak je teplo z chladiva předávané do topné vody, dochází k jeho ochlazení a zároveň k přeměně z plynu na kapalinu (tedy proces kondenzace). Právě skupenské teplo vzniklé během této přeměny tvoří velkou část tepla pro dům.
Následně stojí v cestě chladivu expanzní ventil. Do toho chladivo v kapalném stavu přichází pod stále vysokým tlakem. Průchodem přes trysku expanzního ventilu se prudce snižuje tlak a dochází tak zároveň k okamžitému ochlazení chladiva na teplotu třeba i minus 20 stupňů Celsia (opět dle aktuálního nastavení systému a teplotě vnějšího vzduchu).
„Tuto fázi si můžeme představit podobně jako běžný sprej se stlačeným vzduchem – po jeho stisknutí také výrazně chladne,“ vysvětluje Jiří Svoboda, ředitel českého výrobce tepelných čerpadel Master Therm.
Chladivo následně putuje směrem do takzvaného výparníku, což je výměník tepla, který „sbírá“ teplo z vnějšího vzduchu a získává jej tak pro vytápění domu. Chladivo, které právě opustilo expanzní ventil, se z kapaliny mění na plyn (vypařuje se). Tím se roztahuje a ochlazuje, jde o základní fyzikální jev. A putuje znovu do kompresoru a dále dokola viz výše.
„Klíčový je tedy vždy rozdíl teploty chladiva ve výparníku vůči okolnímu vzduchu. Když bude mít chladivo třeba mínus 10 stupňů Celsia a vnější vzduch třeba mínus pět stupňů Celsia, tak vzniká teplotní rozdíl pět stupňů Celsia, který v sobě stále nese velké množství energie. Ačkoliv pocitově se může zdát, že nízké teploty i pod bodem mrazu přece nemohou jakkoliv pomoci s vytápěním domu, opak je pravdou,“ dodává Formánek.
Tepelná čerpadla země-voda
Čerpadla země-voda, která jsou oblíbenější v západní a severní Evropě, na svůj rozvoj v České republice teprve čekají. Fungují ale na zcela stejném principu, jen místo tepla ze vzduchu využívají teplo ze země.
Teplo sbírá zemní vrt či kolektor. Nemrznoucí směs, která jím obíhá, má na vstupu do výparníku čerpadla teplotu obvykle tři až pět stupňů Celsia (po započítání ztrát; výpočtová teplota země je obvykle 8 stupňů Celsia, a to celoročně, což je klíčová výhoda nad čerpadly vzduch-voda).
I takto nízké teploty, podobně jako teploty vnějšího vzduchu pod bodem mrazu, stačí bezpečně na zahřátí topné vody na (i více jak) 60 stupňů Celsia a celoročnímu velmi efektivnímu vytápění domu.
Tepelná čerpadla voda-voda fungují stejně jako země-voda, jen zdrojem tepla není zemní vrt či kolektor, ale třeba studna nebo řeka.
Pro úplnost ještě zmíníme, že existují i tepelná čerpadla vzduch-vzduch, která teplo nepředávají do vodní otopné soustavy domu, ale „foukají“ do místnosti podobně jako klimatizace.
Text a foto: MasterTherm