Tepelné čerpadlá - Ako funguje tepelné čerpadlo

Čo je tepelné čerpadlo?

Tepelné čerpadlo je zariadenie, ktoré zohráva kľúčovú úlohu v systémoch na vykurovanie a chladenie domácností. Inštaluje sa mimo domu a nielen, že podobne ako klimatizácia, dokáže váš domov efektívne schladiť, ale zabezpečuje aj jeho vykurovanie. V chladnejších mesiacoch čerpá teplo z vonkajšieho vzduchu a prenáša ho dovnútra, zatiaľ čo v teplejších mesiacoch odvádza teplo z vnútorného vzduchu do exteriéru. Vďaka tomu, že nevyužíva fosílne palivá ako tradičné kotle, je tepelné čerpadlo ekologicky šetrnejšie. Tento článok vám poskytne detailný pohľad na to, ako tepelné čerpadlo funguje a aké sú jeho hlavné komponenty.

Definícia a funkcionalita

Tepelné čerpadlo je súčasťou vykurovacieho a chladiaceho systému pre domácnosti, inštalované v ich exteriéri. Je poháňané elektrinou, prenáša teplo pomocou chladiva a zabezpečuje teplotný komfort počas celého roka. Vďaka schopnosti poskytovať vykurovanie aj chladenie môžu majitelia domov ušetriť peniaze, pretože nemusia inštalovať dva rozdielne systémy. V chladnejších klímach je možné k vnútornej ventilátorovej cievke pridať elektrický ohrievač, aby sa zabezpečila dostatočná kapacita pre vytvorenie dostatočného tepla. Je tiež dôležité spomenúť, že tepelné čerpadlá nespaľujú fosílne palivá ako bežne používané kachle, čo ich robí k životnému prostrediu výrazne šetrnejšími.

Existujú dva najbežnejšie typy tepelných čerpadiel: vzduchové a zemné:

Vzduchové tepelné čerpadlá prenášajú teplo medzi vnútorným a vonkajším vzduchom a sú obľúbenejšie pre rezidenčné vykurovanie a chladenie. Zemné tepelné čerpadlá, nazývané tiež geotermálne tepelné čerpadlá, prenášajú teplo medzi vzduchom vo vnútri domu a zemou vonku. Hoci je ich inštalácia drahšia, sú typicky účinnejšie a majú nižšie prevádzkové náklady vďaka stabilite teploty pôdy počas celého roka.

Ako funguje tepelné čerpadlo?

Tepelné čerpadlá prenášajú teplo z jedného miesta na druhé pomocou rôznych zdrojov tepla. Najčastejšie ním býva vzduch alebo pôda. Vzduchové zdrojové tepelné čerpadlá pohybujú teplo medzi vzduchom vo vnútri domu a vzduchom vonku, zatiaľ čo zemné zdrojové tepelné čerpadlá (známe ako geotermálne tepelné čerpadlá) prenášajú teplo medzi vzduchom vo vnútri domu a zemou vonku.

V chladiacom režime tepelné čerpadlo absorbuje teplo vo vnútri domu a uvoľňuje ho von. V režime vykurovania absorbuje tepelné čerpadlo teplo z pôdy alebo vonkajšieho vzduchu (dokonca aj z chladného vzduchu) a uvoľňuje ho vo vnútri domu. Jedným z najdôležitejších aspektov pochopenia prevádzky tepelného čerpadla a procesu prenosu tepla je, že tepelná energia sa prirodzene presúva do oblastí s nižšími teplotami a menším tlakom.

V chladiacom režime kvapalné chladivo prechádza expanzným zariadením na vnútornej cievke, ktorá funguje ako výparník. Vzduch z domu fúka cez cievky, kde sa absorbuje teplo, priamo do chladiva. Výsledný chladný vzduch sa vyfukuje cez vzduchové potrubia do domu. Proces absorpcie tepelnej energie spôsobuje, že tekuté chladivo sa zohrieva a postupne sa mení na plynovú formu. Plynové chladivo potom prechádza cez kompresor, ktorý ho stláča. Tento proces stlačenia spôsobuje, že sa plyn zohrieva (fyzikálna vlastnosť stláčania plynov). Horúce, stlačené chladivo sa pohybuje cez systém do cievky vo vonkajšej jednotke.

Tepelné čerpadlo v režime vykurovania funguje rovnako ako v režime chladenia. Jediné čo sa stane je to, že sa obráti tok chladiva prostredníctvom reverzného ventilu. Tento tok obránenia znamená, že zdroj vykurovania sa stáva vonkajším vzduchom (dokonca aj pri nízkych vonkajších teplotách) a tepelná energia je uvoľnená vo vnútri domu.

Typy tepelných čerpadiel

Tepelné čerpadlá môžu získavať energiu (teplo) z rôznych nízkoteplotných zdrojov ako je vzduch, voda alebo zemská kôra (pôda). Z toho plynú aj názvy jednotlivých technológií, a teda odkiaľ kam čerpajú teplo: vzduch/voda (odoberá teplo zo vzduchu a odovzdáva ho vode - v kúrení), obdobne zem/voda, voda/voda prípadne vzduch/vzduch (odoberá zo vzduchu a fúka do interiéru podobne ako klimatizácia). Takto získané teplo sú tepelné čerpadlá následne schopné transformovať na vyššiu teplotnú úroveň použiteľnú napríklad pre vykurovacie systémy rodinných domov, priemyselných objektov či iných spotrebičov tepla.

Väčšina dnes predávaných tepelných čerpadiel, pre inštaláciu v rodinných domoch a priemysle, používa chladiarenské kompresory rôznej konštrukcie, ktoré sú poháňané elektrickou energiou. Pracovnými látkami, s ktorými tieto kompresory pracujú sú chladivá, ktoré majú veľmi nízku teplotu bodu varu a to väčšinou -25°C až -40°C pri atmosférickom tlaku.

V tepelnom čerpadle sú tieto chladivá využívané k obehu v uzavretom cykle medzi vysokotlakovou a nízkotlakovou časťou okruhu. Prebieha takzvaný termodynamický obeh.

Tepelné čerpadlo - vzduch

Tepelné čerpadlo - voda

Tepelné čerpadlo - zem

Ako fungujú tepelné čerpadlá

Ako tepelné čerpadlo prenáša teplo

Pojem „tepelné čerpadlo“ môže byť na prvý pohľad mätúci, pretože tieto zariadenia nevyrábajú teplo, ale prenášajú ho z jedného miesta na druhé. Tepelné čerpadlá využívajú fyzikálnu vlastnosť, podľa ktorej sa teplo prirodzene premiestňuje z oblastí s vyššími teplotami do miest s nižšími teplotami. Týmto spôsobom dokáže čerpadlo extrahovať teplo z vonkajšieho vzduchu a prenášať ho dovnútra vášho domova aj v prípade, keď je vonkajší vzduch chladný.

V režime chladenia tepelné čerpadlo absorbuje teplo z vnútornej atmosféry a uvoľňuje ho von, čím ochladzuje interiér budovy. Tento proces zahŕňa prechod chladiva cez rôzne komponenty, ako sú expanzné ventily, kompresory a kondenzátory. Chladivo sa zahrieva a mení sa z kvapalného stavu na plynný, pričom sa stáva nosičom tepelnej energie. Tento teplý plyn je následne stlačený kompresorom, čím sa ešte viac zvýši jeho teplota.

Tepelné čerpadlo v režime vykurovania pracuje na rovnakom princípe, ale otočí tok chladiva pomocou prepínacieho ventilu. Takto sa teplo extrahuje z vonkajšieho vzduchu (aj pri nízkych teplotách) a prenáša dovnútra. Aj keď sa tento proces zdá byť komplikovaný, je veľmi efektívny a umožňuje tepelnému čerpadlo poskytovať komfortné vykurovanie a chladenie po celý rok.

Termodynamický okruh tepelného čerpadla

Termodynamický obeh môžeme rozdeliť do 4 krokov od počiatočného (štartovacieho) bodu chladiva k jeho konečnému bodu v cykle 1, ktoré sú totožné. Nastane teda stav kedy chladivo prebehne všetkými štyrmi krokmi a vráti sa do svojho východiskového bodu a celý cyklus začne od začiatku.

Na obrázku máme jednotlivé kroky označené číslicami od 1 po 4.

1. Vyparovanie

Chladivo je vyparované pri nízkom tlaku a teplote pomocou tepelnej energie transformovanej z vonkajšieho zdroja tepla.

2. Kompresia

Chladivo je komprimované na vyšší tlak použitím kompresora, čoho výsledkom je zároveň nárast jeho teploty.

3. Kondenzácia

Vysokotlaková para chladiva sa kondenzuje pri vysokej teplote v kondenzátore odvedením tepla (jeho odovzdaním cez kondenzátor vykurovaciemu okruhu).

4. Expanzia

Skvapalnené chladivo je expandované z vysokého tlaku z kondenzátora na nízky tlak pomocou výparníka. Výsledkom tohto procesu je prudké zníženie teploty. Od tohoto bodu sa proces dostáva do svojho počiatočného bodu a celý cyklus začína od začiatku.

Pri obrátení tohto cyklu je v niektorých prípadoch možné použiť tepelné čerpadlá, podobne ako pri klimatizácii, aj pre chladenie.

Porovnanie s inými systémami

Tepelné čerpadlá majú niekoľko výhod aj nevýhod v porovnaní s tradičnými vykurovacími systémami a klimatizáciami. Sú to tieto:

Výhody tepelných čerpadiel

Ekologickosť: Na rozdiel od klasických kotlov, tepelné čerpadlá nevyužívajú fosílne palivá, čím sú šetrnejšie k životnému prostrediu.
Efektivita: Tepelné čerpadlá sú často efektívnejšie, pretože prenášajú teplo z jedného miesta na druhé, namiesto toho, aby ho vyrábali.
Dvojúčelovosť: Tepelné čerpadlá sú dvojúčelové, čo znamená, že môžu fungovať ako vykurovacie aj chladiace zariadenia a majitelia domov tak nemusia inštalovať samostatné systémy pre vykurovanie a chladenie. To vedie k úspore nákladov a priestoru.
Flexibilita: V chladnejších regiónoch je možné doplniť tepelné čerpadlo o elektrický ohrevný pás pre vyššiu výkonnosť v mrazoch.

Nevýhody tepelných čerpadiel

Počiatočné náklady: Inštalácia tepelných čerpadiel môže byť drahšia v porovnaní s tradičnými systémami.
Výkonnosť v chladných podmienkach: Tepelné čerpadlá nie sú vždy efektívne v extrémne chladných podmienkach, čo môže vyžadovať podporu tradičných vykurovacích systémov, ako sú pece. To vedie k hybridným alebo dvojpalivovým systémom.
Závislosť od klímy: Tepelné čerpadlá sú ideálne pre miernejšie podnebie, kde teploty málokedy klesnú pod nulu. V chladnejších regiónoch môže byť potrebné kombinovať ich s tradičnými vykurovacími systémami na maximalizáciu energetickej účinnosti a zníženie nákladov.

Porovnanie tepelných čerpadiel s klasickými systémami:

Vlastnosti	Popis
Efektivita	Tepelné čerpadlá sú často efektívnejšie, pretože teplo nevyrábajú ale prenášajú
Ekologickosť	Tepelné čerpadlá nevyužívajú fosílne palivá ako iné vykurovacie systémy, čím sú výrazne ekologickejšie
Funkcionalita	Tepelné čerpadlá môžu fungovať na vykurovanie aj chladenie, na rozdiel od klasických kotlov a klimatizácií.
Počiatočné náklady	Inštalácia tepelných čerpadiel môže byť drahšia v porovnaní s tradičnými systémami.
Prevádzka pri nízkych teplotách	Tepelné čerpadlá môžu mať zníženú efektivitu v extrémne chladných podmienkach.

Pri rozhodovaní o kúpe tepelného čerpadla je dôležité zvážiť niekoľko faktorov vrátane veľkosti vášho domu a lokálnych klimatických podmienok. Tepelné čerpadlá sú ideálne pre miernejšie podnebie, kde teploty málokedy klesnú pod nulu. V chladnejších regiónoch je často potrebné kombinovať ich s tradičnými vykurovacími systémami na maximalizáciu energetickej účinnosti a zníženie nákladov.

Kontaktujte nás