Tepelná čerpadla

V zemi, ve vodě a ve vzduchu okolo nás je díky slunečnímu záření nesmírné množství tepla, avšak jeho obvykle nízká teplotní úroveň neumožňuje jeho přímé využití pro systémy vytápění a přípravu teplé vody. Pokud se chce toto teplo využívat, musíme jej převést na vyšší teplotní úroveň a to právě zajišťuje, většinou s pomocí elektrické energie, tepelné čerpadlo. Tepelné čerpadlo umí přečerpávat teplo z nižší teplotní úrovně na vyšší – z nízkoteplotního zdroje v okolním prostředí na vyšší teplotní úroveň využitelnou v otopných soustavách.

Tepelná čerpadla jsou důmyslná zařízení, poháněná obvykle elektrickou energií, která umí využívat nízko-potencionální teplo z venkovního prostředí (ze vzduchu, ze země nebo z vodních zdrojů) a „přečerpávat“ – transformovat ho na vyšší teplotní úroveň, aby se nechalo využívat pro vytápění a přípravu teplé vody v našich stavbách.

Obecně se účinnost zdroje tepla (např. kotle) určí jako poměr topného výkonu k přivedenému příkonu - jinými slovy energie ze zdroje tepla získaná k energii do zdroje tepla vstupující. Při ideálních procesech se účinnost rovná 100 %. Technické procesy jsou však stále spojeny se ztrátami, a proto jsou účinnosti technických zařízení vždy nižší než 100 %.

Tepelná čerpadla získávají velkou část energie z okolního prostředí. Tato část se nepovažuje za přivedenou energii, protože je zadarmo. Pokud by účinnost byla počítána za těchto podmínek, byla by > 100 %. Jelikož taková hodnota účinnosti není fyzikálně správná, byl pro tepelná čerpadla ke stanovení poměru užitečné energie k energii vynaložené (v tomto případě čisté pracovní energii) zavedený topný faktor (COP). Topný faktor tepelných čerpadel vzduch/voda se obvykle pohybuje mezi 3 až 5.

Výparník [1] obsahuje tekutou pracovní látku s velmi nízkým bodem varu (tzv. chladivo). Chladivo má nižší teplotu než je teplota nízkopotenciálního zdroje tepla (např. země, voda, vzduch) a nízký tlak. Teplo tedy přestupuje z nízkopotenciálního zdroje tepla do chladiva. Chladivo se tím zahřeje až nad hodnotu bodu varu, odpaří se a je nasáto kompresorem.

Kompresor [2] je napájen a regulován přes frekvenční měnič (tzv. invertor) nastavující otáčky kompresoru vždy dle aktuální potřeby. Při startu kompresoru je zajištěn vysoký spouštěcí moment se současně nízkým spouštěcím proudem. Kompresor stlačuje odpařené (plynné) chladivo na vysoký tlak. Tím se plynné chladivo ještě více zahřívá. Rovněž hnací energie kompresoru se přeměňuje na teplo, které také přechází do chladiva. Tímto způsobem se dále zvyšuje teplota chladiva, dokud není vyšší, než je potřebná teplota pro vytápění a přípravu teplé vody. Pokud je dosaženo požadovaného tlaku a teploty, proudí chladivo dále do kondenzátoru.

V kondenzátoru [3] odevzdává horké plynné chladivo teplo získané z okolního prostředí (nízkopotenciálního zdroje tepla) a z hnací energie kompresoru do otopné soustavy (spotřebič tepla, tedy otopná voda, která koluje v otopné soustavě). Přitom klesá jeho teplota pod bod kondenzace a chladivo zde zkondenzuje. Nyní opět kapalné chladivo, které je ale stále pod vysokým tlakem, proudí do expanzních ventilů.

Oba elektronicky řízené expanzní ventily [4] zajišťují snížení tlaku chladiva na výstupní hodnotu, aby mohlo chladivo proudit zpět znovu do výparníku a tam opět, díky velmi nízkému bodu varu a změně skupenství, odebere teplo z okolního prostředí. Celý koloběh tak začíná od začátku.