Vypracoval: Jan Forman Tepelná čerpadla Vypracoval: Jan Forman

Princip tepelných čerpadel Čerpadlo pracuje na principu běžné kompresorové chladničky. Zatímco v případě chladničky se teplo odebírá z jejího vnitřku (potraviny), u tepelného čerpadla se teplo získává ze vzduchu, vody nebo země. U chladničky se ohřívá zadní stěna, u TČ se teplo účelově předává do ohřevu topné vody ústředního vytápění, teplé vody užitkové, ohřevu bazénů atp.

Přesný popis funkce tepelného čerpadla Zařízení se skládá ze čtyř základních prvků. Jedná se o: kompresor škrtící ventil výměník-výparník výměník-kondenzátor

Chladivo je pomocí kompresoru stačeno na vyšší tlak, tím se zahřeje na vyšší teplotu. Takto stlačené chladivo má schopnost pomocí kondenzátoru své teplo odevzdat do topné soustavy. Dále ochlazené chladivo proudí přes škrtící ventil, za kterým prudce poklesne tlak a teplota chladiva klesne na nižší teplotu než je teplota výparníku.  Chladivo díky své nízké teplotě má schopnost ve výparníku odebrat teplo získané z nízkopotenciálního zdroje - to je fáze kdy získáváme teplo navíc. Takto ohřáté chladivo je opět stlačované kompresorem a zase zahřáté.  

Ekonomika provozu tepelného čerpadla Podstatou ekonomické výhodnosti tepelného čerpadla je skutečnost, že spotřebuje-li tepelné čerpadlo na pohon motoru kompresoru 1 kWh elektrické energie, dodá nám 3x-7x víc energie ve formě tepla. Poměr této výstupní energie tepelné a vstupní energie elektrické se nazývá topný faktor a u tepelných čerpadel se pohybuje zpravidla od 3 do 4, v některých případech i 7. Proto také po instalaci tepelného čerpadla namísto elektrického vytápění budeme platit za otop a ohřev užitkové vody 1/3 až 1/4 původních nákladů, v příznivých případech až 1/7.

Topný faktor  Využitím tepelného čerpadla dochází k přečerpávání tepla z nižší teplotní hladiny (-15 až 30 oC) do vyšší teplotní hladiny (40 až 55 oC). K tomu je zapotřebí elektrické energie pro pohon kompresoru. Součet příkonu a přečerpané energie dává dohromady topný výkon: ε=(Tk/(Tk-T))η kde  Tk je kondenzační teplota T je výparná teplota, počítáme k absolutní nule 0 K = -273,15 oC η je účinnost

Vliv výparné teploty nízkopotenciálního zdroje na topný faktor při konstantní kondenzační teplotě

Vliv kondenzační teploty topného média na topný faktor při konstantní teplotě nízkopotenciálního zdroje Topný faktor je tedy závislý na teplotě nízkopotenciálního zdroje energie, teplotě topného média, účinnosti a předávacím schopnostem výměníků.

Možnosti získávání tepla pro tepelná čerpadla

Teplo z povrchu země Jeden z nejlevnějších způsobů získávání energie ze země, je využití plošného kolektoru umístěného v okolí domu. Kolektor je proveden z plastových trubek uložených v nezámrzné hloubce 1 až 1,2 m s roztečí 1 m od sebe. Země ohřívá medium protékající v kolektoru o několik stupňů a tepelné čerpadlo převádí tuto energii na teplo pro Váš domov. Velikost plošného kolektoru pro vytápění běžně velkých rodinných domů se pohybuje v rozpětí 250 - 400 m². Podmínkou pro provedení plošného kolektoru je dostatečná velikost pozemku. Správně dimenzovaný a provedený zemní kolektor nemá vliv na vegetaci na zahradě.

Teplo z hloubky země Nejčastěji používaným způsobem odběru tepla je odběr z hloubkového vrtu. Využívá se přitom faktu, že v hloubce jen několik málo metrů pod zemským povrchem je teplota po celý rok konstantní. Ve vrtu o průměru 16 cm je vložena plastová sonda, kterou protéká nemrznoucí směs. Po vložení sondy se vrt zasype. Vrtné práce lze provádět v jakémkoliv podloží. Hloubky vrtu pro vytápění běžně velkých rodinných domů se pohybují v rozpětí od 70 do 120 m. Vrt lze v letním období velmi jednoduše využít i jako velmi levný zdroj chladu pro klimatizaci domu.

Teplo z venkovního vzduchu Tam kde nelze z prostorových důvodů umístit plošný kolektor ani vrt, lze odebírat teplo z venkovního vzduchu. Tato vzduchová tepelná čerpadla se velmi snadno instalují a odpadají veškeré zemní práce. Zařízení může být umístěno v zahradě, na terase nebo na střeše vytápěného objektu. Podle provedení pracují tato zařízení až do venkovní teploty -20°C. U kvalitních vzduchových čerpadel se průměrný roční topný faktor přibližuje topnému faktoru čerpadel odebírající teplo ze země.

Teplo z vody Pokud máte na svém pozemku studnu s dostatkem spodní vody, může být také využita jako zdroj termální energie. Spodní voda se ze studny vyčerpává, v tepelném čerpadle se jí odebere teplo a ochlazená se pak vrátí do země ve druhé - vsakovací studni. Tepelná čerpadla pracující se spodní vodou dosahují největších topných faktorů, které mohou při kombinaci s podlahovým topením v domě dosahovat až na hodnotu 6. Pro běžně velký rodinný dům je potřebná studna s čistou vodou s ověřenou vydatností 1 800 l/hodinu. Druhou možností je využití tepla z povrchové vody, kdy se například na dno rybníka či jiného vodního zdroje položí plastové hadice, pomocí kterých se teplo odebírá.

Teplo z větracího vzduchu U nově postavených a perfektně tepelně izolovaných domů tvoří energie pro ohřev vzduchu na větrání až 40% celkové spotřeby energie na vytápění. Velmi efektivní možností jak tuto energii využít, je instalace tepelného čerpadla, které dokáže toto teplo odebírat přímo ze vzduchotechnického potrubí. Lze použít speciální tepelné čerpadlo s výkonem 1,5 až 2 kW, které odebírá teplo pouze z odpadního vzduchu, nebo výkonnější tepelná čerpadla, které odebírají navíc teplo z vrtu nebo kolektoru. Právě kombinace využívání tepla odpadního vzduchu a tepla z plošného kolektoru zásadně zefektivňuje účinek tepelného čerpadla. Teplo z odpadního vzduchuje je v době chodu tepelného čerpadla maximálně využito. Když není potřeba vytápět nebo ohřívat, je nadbytečné teplo z větracího vzduchu uloženo do podzemní smyčky. Díky tomu je teplota zemního kolektoru stále vysoká a tepelné čerpadlo pracuje celoročně s vysokým topným faktorem.

Závěrem Tepelná čerpadla se řadí mezi alternativní zdroje energie, protože umožňují odnímat teplo z okolního prostředí (vody, vzduchu nebo země), převádět ho na vyšší teplotní hladinu a následně účelně využít pro vytápění nebo ohřev teplé vody. Tím snižují náklady na vytápění až o 6/7. A šetří tím životní prostředí,což je v dnešní době nesmírný klad. Pořizovací náklady jsou ale značně vysoké, pohybují se při tepelném výkonu 20kWh kolem 200 000kč pro princip voda/voda a kolem 350 000kč pro princip vzduch/voda.