SAMSUNG_112020 SAMSUNG_112020 SAMSUNG_112020 Advertisement

Tepelné čerpadlá

0

Tepelné čerpadlá využívajú teplo zo vzduchu, vody alebo z pôdy. Toto teplo je k dispozícii zadarmo, no aby sa dalo využiť, treba ho „prečerpať“ z nižšej teploty typickej pre vonkajší vzduch, vodu či pôdu v zime na teplotu potrebnú na jeho využitie v radiátoroch či systémoch podlahového kúrenia. Moderné multifunkčné tepelné čerpadlá dokážu bytové či iné priestory v zime vykurovať a v lete chladiť, čo je pri trende otepľovania veľmi cenná vlastnosť.

Pre zaujímavosť, prvé prakticky použiteľné zariadenie tohto typu navrhol v roku 1928 Slovák Aurel Stodola a navrhol ho dobre, pretože dodnes vykuruje radnicu v Ženeve teplom odoberaným z jazera.

Princíp fungovania

Podľa fyzikálnych zákonov, konkrétne druhej termodynamickej vety, sa teplo samovoľne šíri tak, že z objektu alebo prostredia s vyššou teplotou prestupuje na objekt alebo do prostredia s nižšou teplotou. Alebo opačne – nie je možné, aby sa teplo samovoľne šírilo z chladnejšieho prostredia do teplejšieho. Takže ak máte v izbe teplotu 20 °C a vonku 2 °C, po vypnutí kúrenia sa miestnosť postupne samovoľne ochladzuje, až sa ochladí na teplotu okolia. Samozrejme, zvyšuje sa aj teplota okolia, ale vzhľadom na prakticky nekonečný objem vonkajšieho prostredia to nepostrehneme ani nezmeriame. Môžeme však zostrojiť tepelný stroj, ktorý bude mať taký pracovný cyklus, aby prenášal teplo z chladnejšieho prostredia do teplejšieho, inak povedané, dokáže obrátiť smer prirodzeného toku tepla. Na to však potrebujeme dodať energiu zvonku. Po príklad takéhoto tepelného stroja nemusíme chodiť ďaleko, všetci ho máme doma. Chladnička odoberá teplo z vnútorného priestoru s teplotou približne 4 °C a odovzdáva ho do miestnosti, v ktorej je umiestnená. Mraznička robí to isté, pričom odoberá teplo z priestoru s teplotou -18 °C a odovzdáva ho do miestnosti s teplotou povedzme 22 °C, takže dokáže prekonať teplotný gradient 40 °C. Keby sme výparník chladničky, ktorý odoberá teplo, umiestnili von a kondenzačnú jednotku do miestnosti, mohli by sme takúto zostavu použiť na vykurovanie, samozrejme, v intenciách výkonu. V lete by stačilo spomínané komponenty prehodiť a mali by sme klimatizáciu. Analógia z úvodu článku má ešte jeden dôležitý atribút. Keďže objem vonkajšieho priestoru je prakticky nekonečný, vykurovanie na tomto princípe by fungovalo bez toho, aby sme „vyčerpali“ zásobu tepla vo vonkajšom vzduchu. Tepelná kapacita vzduchu je však podstatne menšia než v prípade vody, ktorá má z bežných látok mernú tepelnú kapacitu najvyššiu, takže tepelné čerpadlá, ak je k dispozícii takáto možnosť, využívajú teplo z vody.

Základom tepelného čerpadla podobne ako chladničky alebo klimatizačného zariadenia je uzatvorený okruh naplnený chladivom. Opíšeme princíp fungovania pracovného cyklu a zároveň aj základné časti tepelného čerpadla. Výparník odoberá teplo z prostredia s relatívne nízkou teplotou, či už je to vzduch, voda, alebo pôda. Toto teplo vyparí chladivo čiže látku s nízkou teplotou varu približne -3 °C. Kompresor nasáva pary z výparníka, stláča ich, pričom sa ohrejú približne 70 °C, potom ich vytláča do kondenzačnej jednotky. Kompresor je poháňaný energiou zvonku. Táto energia sa premení na teplo, ktoré sa pripočíta k teplu získanému z okolia vo výparníku. V kondenzačnej jednotke sa teplo získané pri kondenzácii pár média na kvapalinu odovzdá do cirkulujúceho vykurovacieho média, najčastejšie vody, v sekundárnom okruhu s radiátormi alebo rúrkami podlahového kúrenia. Chladivo sa ochladí približne na 40 °C a následne prechádza cez škrtiaci ventil, kde sa ochladí až na -10 °C do výparníka, kde odoberie teplo zo vzduchu, vody či pôdy.

Tepelné čerpadlá teda dokážu odobrať teplo z okolia s teplotou v priemere okolo 0 °C, „prečerpať“ na vyššiu teplotnú hladinu, technicky do vykurovacieho telesa v miestnosti alebo rúrok podlahového kúrenia, ktoré má teplotu 50 – 80 °C. Aby to bolo možné, treba dodať energiu na pohon kompresora. Určite budete zvedaví, aká je energetická bilancia v porovnaní, keby sme vykurovali priamo elektrickým ohrevom, navyše keď účinnosť premeny elektriny na teplo je 100 %. Za bežných podmienok sa z 1 kWh elektrickej energie na pohon tepelného čerpadla získa vykurovací výkon 3 až 4 kWh. Takže na dosiahnutie vykurovacieho výkonu 12 kWh je potrebné dodať 3 kWh energie.

No platí, že čím je vyšší rozdiel teplotných hladín, medzi ktorými treba prečerpať energiu, tým je účinnosť tepelného čerpadla nižšia. Napríklad ak tepelné čerpadlo odoberá teplo zo vzduchu a vonku je -10 °C a potrebujeme, aby vykurovacie teleso v miestnosti malo 60 °C, treba prekonať teplotný rozdiel 70 °C. Vtedy na dosiahnutie vykurovacieho výkonu 12 kWh treba dodať 9 kWh elektrickej energie. Teplotný rozdiel môžeme znížiť tak na strane, kde sa teplo odoberá, ako aj na strane, kam sa teplo dodáva. Keby tepelné čerpadlo odoberalo teplo nie zo vzduchu, ktorý môže nadobúdať aj pomerne vysoké mínusové teploty, ale z vody z dna nejakého jazierka či podobnej vodnej plochy, kde teplota vody pri dne nikdy neklesne pod 4 °C, bude účinnosť podstatne vyššia. V prípade hlbších zemných vrtov sa teplota vody pohybuje v rozsahu 7 °C až 13 °C bez ohľadu na vonkajšiu teplotu. Rovnako ak nahradíme radiátory, ktoré by mali mať teplotu 55 – 60 °C, podlahovým kúrením s teplotou vykurovacieho médiá 30 °C, namiesto teplotného rozdielu 70 °C máme oveľa priaznivejší teplotný rozdiel 26 °C a s ním podstatne vyššiu účinnosť tepelného čerpadla. Prakticky všetky tepelné čerpadlá majú aj elektrickú vykurovaciu špirálu. Od určitého teplotného rozdielu, napríklad pri veľkých mrazoch, je výhodnejšie zapnúť túto špirálu, aby dohriala vodu na požadovanú teplotu.

Účinnosť tepelného čerpadla, teda pomer výstupného tepelného výkonu k energetickému príkonu vyjadruje koeficient COP (Coefficient Of Performance). Tento pomer je však za rôznych podmienok čiže pri rôznom rozdiele teplôt, hlavne pri tepelných čerpadlách, ktoré odoberajú teplo z okolitého vzduchu, rôzny, teda v skutočnosti sú to body na krivke prevádzkovej charakteristiky. Smerodajnejší parameter pri výbere tepelného čerpadla je preto SPF (Seasonal Performance Factor) čiže sezónne výkonové číslo. Udáva pomer tepelného výkonu tepelného čerpadla k celkovej spotrebe energie počas jedného roka. Výrobcovia sa tento koeficient snažia zlepšovať, takže sa nezapočítava energia použitá na dokurovanie elektrinou.

Podľa konkrétnych okolností si môžete vybrať z niekoľkých druhov tepelných čerpadiel, delených podľa toho, odkiaľ budú „čerpať“ teplo.

Tepelné čerpadlo vzduch/voda, označované aj A/W (Air/Water), odoberá teplo z okolitého vzduchu. Nepotrebujete žiadnu plochu pozemku ani zdroj vody. Teplota vzduchu závisí od počasia, v našich končinách sa teplota vzduchu vo vykurovacej sezóne typicky pohybuje v pomerne širokom rozsahu 10 °C až -20 °C, počas januárových mrazov aj menej. Ak využívate vykurovanie prostredníctvom radiátorov s teplotou 50 °C, SPF sa pohybuje v rozsahu 2 – 2,5. V prípade podlahového vykurovania s teplotou rúrok 35 °C stúpne SPF na hodnotu 3 – 3,3. Tepelné čerpadlá tohto typu môžu byť konštruované tak, že výparník je umiestnený mimo budovy, najlepšie k stene, aby nebol ochladzovaný prúdiacim vzduchom. Ak sa tepelné čerpadlo v lete nevyužíva na klimatizáciu, ideálne umiestnenie je pri južnej stene. K dispozícii sú aj kompaktné jednotky, ktoré sú umiestnené v interiéri a k výparníku sa hadicou privádza vzduch zvonku. Pri umiestnení v exteriéri, typicky na streche budov, sa do budovy privádza teplá voda. Účinnosť tepelného čerpadla využívajúceho teplo zo vzduchu sa dá zvýšiť rekuperáciou tepla pri vetraní. Vodné pary obsiahnuté vo vzduchu vo výmenníku kondenzujú, čo znižuje straty tepla, ktoré by inak vznikli počas vetrania. V prípade nízkych vonkajších teplôt sa aktivuje elektrické dokurovanie, ktoré je súčasťou tepelného čerpadla.


Výparníky tepelného čerpadla umiestnené mimo budovy

Tepelné čerpadlo voda/voda, označované aj W/W (Water/Water), odoberá teplo zo zemného vrtu s teplotou vody, ktorá vo vrte cirkuluje, 7 °C až 13 °C. SPF pri vykurovaní radiátormi je 3,5 a pri podlahovom kúrení dokonca až 5,5. Voda má najvyššie merné teplo, samozrejme, musí byť k dispozícii v požadovanom množstve a primeranej kvalite. Najčastejšie sa využívajú dva vrty s hĺbkou podľa úrovne podzemnej vody, maximálne 20 metrov, pretože do príkonu sa pripočítava aj energia na pohon čerpadla a tá rastie s hĺbkou. Z jedného sa voda čerpá a do druhého sa po odobratí tepla vypúšťa. Na ilustráciu, pri vykurovacom výkone 10 kW treba odoberať teplo z objemu prečerpanej vody 80 až 100 l vody za minútu.

Tepelné čerpadlo zem/voda, označované aj B/W (Brine/Water), odoberá teplo z plošného zemného kolektora v hĺbke 1 – 2 m, kde už pôda nezamŕza. Využíva sa geotermálne teplo. V kolektore ako médium cirkuluje soľanka (brine) čiže roztok soli vo vode s teplotou 2 °C až -2 °C. SPF pri vykurovaní radiátormi je približne 3 a pri podlahovom kúrení 4. Plocha kolektora závisí od typu pôdy. Vo vlhkých hlinitých pôdach sa dá získať 40 W/m2, z piesočnatej pôdy 3 až 4-krát menej, teda 10 – 15 W/m2. Na ilustráciu, pre vykurovací výkon 10 kW treba pri bežnej pôde pokryť plochu 400 m2, teda 20 × 20 m. Na to sú potrebné hadice s celkovou dĺžkou 500 m.

Z uvedeného prehľadu vyplýva, že len sama výmena pôvodného kotla za tepelné čerpadlo nemusí priniesť očakávaný efekt, pretože klasické ústredné vykurovanie rodinných domov využíva pomerne vysokú teplotu vykurovacej vody a tepelné čerpadlo musí prečerpať teplo na vysokú teplotnú hladinu. Oveľa lepšie sú nízkoteplotné vykurovacie systémy čiže podlahové kúrenia.

Predpokladaná životnosť tepelných čerpadiel je 15 – 20 rokov, pričom po výmene kompresora, ktorý je najviac namáhaným komponentom, môže systém fungovať ďalej. Návratnosť investícií do tepelného čerpadla závisí od konkrétnych okolností a typicky sa pohybuje od 5 do 15 rokov.

 

 

Zobrazit Galériu

Ľuboslav Lacko

Všetky autorove články

Pridať komentár

Mohlo by vás zaujímať

Mohlo by vás zaujímať