Tepelné čerpadlá a ich typy
Základné informácie
Tepelné čerpadlo pri svojej činnosti využíva ako zdroj tepla tepelnú energiu, ktorá je obsiahnutá v zemi, vo vode alebo vo vzduchu. Tá je však v danej látke natoľko rozptýlená, že sa nedá priamo použiť na vykúrenie domu. Tepelné čerpadlo však pomocou základných fyzikálnych zákonov dokáže získané teplo premeniť na takú hodnotu, ktorá je využiteľná na vykurovanie domu, ohrev pitnej vody alebo bazénu. Okrem toho sa dá využiť tepelné čerpadlo na chladenie obytných priestorov.
Princíp funkcie
Princíp funkcie tepelného čerpadla sa môže prirovnať k činnosti chladničky (Carnotova cyklu), ktorá je akoby vyvrátená naruby. Najdôležitejšou časťou tepelného čerpadla je pracovné médium, nazývané tiež chladiace médium, ktoré má schopnosť vyparovať sa pri nízkych teplotách.
Pracovné médium obieha v uzavretom okruhu, kde postupne prechádza fázou odparovania, stlačenia, skvapalnenia a uvoľňovania, ktoré sa všetky dohromady označujú ako proces tepelného čerpadla.
V tomto procese sa pracovné médium pomocou tepla získaného z tepelného zdroja ohriatím privedie do fázy odparovania. Vyparovanie sa uskutočňuje v tepelnom výmenníku (výparníku), v ktorom pracovné médium odoberie okolitému prostrediu teplo, pričom sa jeho skupenstvo zmení z kvapalného na plynné. Plyn sa potom pomocou kompresora nasaje a stlačí. Pri tom sa zvýši tlak a teplota média, to znamená, že chladiaci prostriedok sa dostáva z nízkej na vyššiu teplotnú úroveň. Na túto zmenu je potrebná elektrická energia.
Nakoniec sa sekundárny tepelný výmenník (kondenzátor) postará o to, aby sa získané teplo odviedlo do kúrenárskeho okruhu, alebo do zariadenia na ohrev teplej vody. Ešte stále pod vysokým tlakom udržované pracovné médium sa po odovzdaní tepla pomocou expanzného ventilu nechá expandovať, pričom sa prudko zníži jeho teplota a zmení sa jeho skupenstvo z plynného na kvapalné. Médium sa potom pod nízkym tlakom znovu privádza do výparníka.
Na celkovom potrebnom vykurovacom výkone sa podieľa energia z prírody troma štvrtinami a je ZADARMO. Jednu štvrtinu tvorí elektrická energia potrebná na pohon tepelného čerpadla. Pomer získanej a vloženej energie sa nazýva výkonové číslo (COP‘ a pohybuje sa okolo 2 až 5 v závislosti na teplote zdroja tepla a teploty vody na výstupe tepelného čerpadla. Ak z 1 kWh elektrickej energie získame pomocou tepelného čerpadla napríklad 3 kWh tepla, výkonové číslo sa v tomto prípade rovná 3.
-
Tepelné čerpadlá typu vzduch – voda
Tepelné čerpadlá typu vzduch – voda majú chladičový (freónový) okruh i teplovodný okruh spolu s kompresorom. Teplo je odoberané z vonkajšieho vzduchu cez výparník tepelného čerpadla. Systém je doplnený o takzvaný Hydrobox, ktorý prevádza teplo do vykurovacej vody. Nevýhodou je závislosť vykurovacieho faktoru na teplote vzduchu. Pri nižších teplotách (okolo -5° bod bivalencie) sa v hydroboxe uvedie do činnosti malý elektrokotol (bivalentná prevádzka),ktorý pomáha tepelnému čerpadlu dosiahnuť požadovanú teplotu vykurovacej vody.
Tepelné čerpadlo vzduch/voda dokáže pokryť väčšinu nárokov na vykurovanie a vzhľadom k jeho priaznivej cene je považované za jeden z najekonomickejšíchsystémov pre vykurovanie a ohrev teplej vody (TV).
Výhodou vzduchu, ako zdroja energie je jeho dostupnosť, naopak nevýhodou je klesajúca účinnosť tepelného čerpadla úmerne klesajúcej teplote vonkajšieho vzduchu. Preto je tento druh vhodné využiť pre bivalentnú prevádzku, t.j. pod bodom bivalencie (cca -5°C) použiť
kombináciu s doplnkovým zdrojom vykurovania – napr. elektrokotlom, vyhrievacími špirálami ktoré sú súčasťou akumulačného zásobníka tepelného čerpadla či konvektormi a pod. V takomto prípade je možné pri pomerne nízkych prevádzkových nákladoch pokryť celoročnú potrebu tepla na vykurovanie. Tepelné čerpadlá, u ktorých je zdrojom tepla vonkajší vzduch, sú často využívané na veľmi hospodárnu prípravu teplej úžitkovej vody. Z hľadiska inštalácie a finančnej náročnosti sú tepelné čerpadlá vzduch-voda najvýhodnejšie, avšak s väčšími
obmedzeniami pri nižších teplotách. V hornatých oblastiach s priemernou vykurovacou teplotou pod -5°C je potrebné uvažovať s jeho bivalentnou prevádzkou.
-
Tepelné čerpadlá typu voda – voda
Tepelné čerpadlá (TČ) typu voda – voda získavajú teplo z vody, najčastejšie zo studne, podzemnej vody, alebo v ojedinelých prípadoch odpadovej vody. Pri tomto type TČ je potrebné mať dve studne, saciu a vsakovaciu. Ako prvé sa vykoná viacdenná čerpacia skúška. Keď množstvo vody v studni ostáva nemenné a nedochádza k žiadnemu rušivému ovplyvneniu v zmysle zákona o hospodárení s vodou je možné podzemnú vodu použiť ako primárny zdroj pre tepelné čerpadlo.
Medzi studňami musí byť vzdialenosť minimálne 15m. Pri výstavbe studni sa musí brať do úvahy tok podzemnej vody, aby sa vychladnutá voda vsakovacej studne nedostala opäť do oblasti sacej studne. Hĺbka studní závisí od hladiny podzemnej vody.
Voda je čerpaná studňovým čerpadlom zo sacej studne cez filtre, ktoré zachytávajú drobné častice ako piesok a jemný kal, prechádza cez doskový výmenník, v ktorom odovzdá teplo teplonosnej kvapaline a potom sa vracia potrubím naspať do vsakovacej studne.
-
Tepelné čerpadlá typu zem – voda
Zemný kolektor alebo hlbinný vrt
Tepelné čerpadlá typu zem-voda veľmi efektívnym spôsobom využívajú energiu uloženú v pôde. Tá sa počas leta naakumuluje. . Teplo je zo zeme do vody odovzdávané pomocou teplonosnej nemrznúcej kvapaliny s nízkou teplotou varu, ktorá neustále cirkuluje v uzavretom plošnom kolektore alebo v hlbinnom vrte. . Odtiaľ putuje do výparníka kde predá teplo plynnému médiu v okruhu kompresora, kde sa plyn stlačí, tým sa výrazne zahreje a v kondenzátore predá teplo vykurovanej vode. Počas odovzdávania tepla chladivo opäť skvapalnie a je pripravené znovu prijať teplo zo zeme.
- Pri vrtoch na 1 kW výkonu tepelného čerpadla potrebujete cca 12 m vrtu. Bežná hĺbka jedného vrtu je 100-150 m. Pokiaľ je treba pre tepelné čerpadlo zaistiť viac energie, odoberá sa teplo z viacerých vrtov.
- U plošných kolektorov to záleží od zloženia pôdy: Suchá piesočnatá pôda 15-20 W/m2, Vlhká pôda 20-25 W/m2, Vodou nasýtená pôda 25-30 W/m2, Pôda vedúca podzemnú vodu 30-40 W/m2