Ako fungujú tepelné čerpadlá

Princíp tepelného čerpadla je známy už viac ako 100 rokov. Prvýkrát vo svete ho skonštruoval Slovák Aurel Stodola. Jeho zariadenie z roku 1928 dodnes funguje vo Švajčiarsku. Vykuruje radnicu v Ženeve s odoberaním tepla z vody jazera – ide o uzatvorený okruh. Rozsiahlejšie využitie tepelných čerpadiel na vykurovanie prišlo na začiatku sedemdesiatych rokov so zvýšením cien energií.

V našich projektoch energetických služieb využívame prevažne tepelné čerpadlá voda/ voda, ktoré okrem vykurovania a ohrevu teplej vody umožňujú aj chladenie. Najväčším prínosom tohto typu čerpadla je, že v letnej prevádzke vyrába chlad na klimatizovanie, a zároveň produkuje tzv. odpadné teplo, ktoré sme schopní akumulovať a používať ho na výrobu teplej úžitkovej vody alebo ho využívať v iných systémoch, ktoré tiež potrebujú teplo. To znamená, že jedným spotrebovaním elektrickej energie vieme vyrobiť dve energie na prevádzku vašej budovy. A to má úžasný vplyv na efektívnu a ekologickú prevádzku.

Tepelné čerpadlá voda/ voda sme použili v našich projektoch  Národný futbalový štadión,  Anna Park Miloslavov, Primo Tatry, Matadorka a v mnohých ďalších s nimi uvažujeme v projekčnej fáze.

Národný futbalový štadión

Srdcom tepelného čerpadla je kompresor (1), ktorý je najčastejšie poháňaný elektromotorom. Kompresor stláča pary pracovnej látky (chladiva), ktoré sa kompresiou ohrejú na vysoké teploty a zvýši sa ich tlak. Vo výmenníku tepla = kondenzátore (2) pary odovzdajú teplo do vykurovacej sústavy. Ochladením pár dôjde k ich kondenzácií a zmene na kvapalné skupenstvo. Kvapalina s vysokým tlakom následne prechádza cez expanzný ventil, kde dôjde k poklesu jej tlaku. Vo výparníku (4) sa kvapalná pracovná látka pomocou tepla z okolitého prostredia (voda/zem/vzduch) premení na parné skupenstvo a následne s nízkou teplotou a tlakom pokračuje do kompresora, kde sa celý okruh znova zopakuje. Pracovné látky tepelných čerpadiel sú špeciálne navrhnuté zmesi schopné odparovať sa už pri pomerne nízkych teplotách, a preto je možné využívať aj teplo obsiahnuté vo vode/zemi/vzduchu.

Zjednodušená schéma tepelného čerpadla:

1. Kondenzátorová cievka (výmenník tepla s teplou vodou, tu sa plyn schladzuje a skvapalňuje);
2. Meracie zariadenie (kvapalina sa tu ďalej rozvádza a ochladzuje);
3. Cievka výparníka (výmenník tepla so studenou stranou, kvapalina sa vyparuje a zohrieva sa);
4. Kompresor (plyn sa stláča a zohrieva).

Červená = plyn s vysokým tlakom a veľmi vysokou teplotou;
Ružová = kvapalina s vysokým tlakom a vysokou teplotou;
Modrá = kvapalina s nízkym tlakom a veľmi nízkou teplotou;
Bledomodrá = plyn s nízkym tlakom a nízkou teplotou.

Najvyšší tepelný potenciál ako primárny zdroj má podzemná voda, a teda aj najvyšší sezónny výkon dosahujú tepelné čerpadlá voda/voda. Podzemná voda poskytuje v podstate konštantnú teplotu počas celého ročného obdobia, čo zabezpečuje dostatok výkonu primárneho zdroja aj v extrémnych podmienkach. Tieto tepelné čerpadlá môžu pracovať ako monovalentné zdroje, to znamená, že aj v čase potreby najvyššieho tepelného výkonu sú schopné túto potrebu pokryť a nie je tak nutné využívanie doplnkového tepelného zdroja, napr. kotla. Na zabezpečenie obehu vody sú potrebné minimálne dva vrty – studne. Z jednej studne sa voda čerpá a do druhej vsakovacej sa vypúšťa. Mali by byť umiestnené podľa smeru prúdenia spodnej vody tak, aby nedochádzalo k ochladzovaniu vody v čerpacej studni vo vykurovacom období a zároveň k jej ohrievaniu v letných mesiacoch. Posúdeniu a návrhu studní by mal vždy predchádzať hydrogeologický prieskum danej lokality.

Čerpacia studňa – maximálna odporúčaná hĺbka hladiny podzemnej vody je do 20 m. So zväčšujúcou sa hĺbkou výrazne rastie potreba energie na čerpanie. Projekt a realizáciu vrtov zverte odborníkom, ktorí pracujú v súlade s legislatívou súvisiacou s využívaním vôd. Keďže kvalita a množstvo vody v danej lokalite sa môže meniť, sledovanie týchto parametrov môže byť aj trvalý proces. Ideálne je, ak sú k dispozícii dlhodobé skúsenosti s čerpaním podzemnej vody v okolí.

Vsakovacia studňa slúži na odvádzanie použitej vody späť do podložia. Zvyčajne má priemer 200 až 300 mm a hĺbku do 20 m.

COP = energia vyrobená tepelným čerpadlom / energia spotrebovaná tepelným čerpadlom

Ak je napríklad COP = 5 znamená to, že z 1MWh elektrickej energie vyrobíme až 5MWh tepelnej energie. Ekvivalentným spôsobom je stanovený výpočet účinnosti EER, ktorý je zaužívaný pre chladenie.