Ako fungujú tepelné čerpadlá

Tepelné čerpadlo je najpoužívanejšie a najobľúbenejšie zariadenie, ktoré využíva obnoviteľné zdroje energie na vykurovanie, prípadne aj chladenie. Sú ekologické a ich prevádzka je bez emisií. Tešia sa stále väčšiemu záujmu aj preto, že na svoj chod používajú teplo z okolitého prostredia, ktoré je k dispozícií prakticky zadarmo a možno ho energeticky veľmi efektívne zhodnotiť. Pri použití 1 kWh energie, najčastejšie vo forme elektriny na pohon kompresora, možno získať 2 až 5-násobok energie na vykurovanie, ohrev teplej vody alebo chladenie.

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.

Princíp je v podstate opačný ako pri chladničke, ktorej účelom je „vytvoriť chlad” vo vnútri. Von sa teplo odvádza cez chladič umiestnený na zadnej strane chladničky. Tepelné čerpadlo naopak odoberá teplo z vonkajšieho chladnejšieho prostredia a pri vyššej teplote ho odovzdáva do vykurovacieho systému.

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.

Zároveň však platí, že tento proces je možné aj obrátiť a tepelné čerpadlo tak vie pracovať aj ako „chladnička“ a v letných mesiacoch vyrábať chladiacu vodu, ktorá sa využije pre klimatizovanie priestorov.

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.

K výhodám podzemnej vody ako primárneho zdroja energie patrí jej pomerne stabilná teplota. Oceníte to v zime pri kúrení, avšak aj v lete, ak uvažujete o využití tepelného čerpadla na chladenie. Limitujúcim faktorom býva jednoznačne výdatnosť studne. Voda tiež musí spĺňať požiadavky na chemické zloženie.

Dôležitým hodnotiacim faktorom tepelných čerpadiel sú ich výkonové čísla. V praxi sú bežne označované ako COP coeficient of performance alebo EER energy efficiency ratio. Obidve sú to bezrozmerné čísla, t.j. nemajú fyzikálnu jednotku. Hodnota COP je zaužívaná pri hodnotení účinnosti TČ pri vykurovaní, EER hodnotí účinnosť  TČ v chladiacom režime. Vypočítavajú sa ako podiel vyrobenej energie a spotrebovanej energie. V súčasnosti sú síce v platnosti sezónne hodnotiace faktory, ale pre jednoduchšie pochopenie stačí vysvetlenie uvedené vyššie.

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.