Tepelná čerpadla

1. Tepelná čerpadla Vypracoval: Jan Forman

2. 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.

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

4. 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.  

5. 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.

6. 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

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

8. 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.

9. Možnosti získávání tepla pro tepelná čerpadla

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.