U tohoto článku nebylo technicky možné zajistit fotografie a obrázky.
Vše o tepelných čerpadlech
Kategorie: Speciál tepelná čerpadla | Autor: Jan Novák
Nejen chataři a chalupáři, ale také majitelé rodinných domků se stále častěji zamýšlejí nad tím, čím budou v budoucnu topit. Důvodem jsou nejen stále rostoucí náklady na klasické energie a touha po uživatelském komfortu, ale také snaha ochránit životní prostředí – která je v rekreačních objektech umístěných obvykle v relativně nepoškozené krajině obzvlášť na místě. Jednou z možností jak problém řešit, je použití tepelného čerpadla.
Současné nejčastěji používané topné systémy pracují se zdroji energie, které životní prostředí více či méně zatěžují a hlavně – jejich zásoby jsou omezené a konečné. U většiny fosilních paliv se zásoby počítají na pouhá desetiletí a náklady na těžbu a distribuci prudce rostou. Navzdory občasným pohybům směrem dolů tedy budou jejich ceny nevyhnutelně stoupat. Proto je stále větší zájem o energetické zdroje, které se v přírodě stále obnovují. Především jde o slunce, vítr a biomasu (například dřevo), částečně však i o teplo z okolního prostředí získávané pomocí tepelných čerpadel.Využití tepelných čerpadel udělalo v posledních letech značný pokrok. Od různých spíše kutilských pokusů přešlo do stadia běžné komerční praxe. I na našem trhu existuje celá řada firem, které nabízejí profesionální projekty vhodné i pro soukromé stavby. Nestačí však jen vědět, že chci topit tepelným čerpadlem a jednoduše si je objednat. Ne každý objekt a ne každá lokalita se totiž pro použití tohoto principu hodí – a ne každá firma je ochotná to zájemci otevřeně přiznat. Především však – stejně jako u většiny ostatních alternativních zdrojů energie – jde stále ještě o poměrně nákladnou záležitost s dlouhou ekonomickou návratností. K rozhodnutí, kterého bychom v budoucnu nelitovali, je proto potřeba mít (kromě peněz a základních znalostí) i určitou dávku fandovství pro netradiční technická řešení a pro ochranu přírody.
Jak čerpadlo funguje
Na první pohled připomíná perpetuum mobile. Objekt vytápí na příjemnou pokojovou teplotu voda či vzduch, jejichž teplota je stěží nad bodem mrazu – a to i přesto, že druhá termodynamická věta jasně říká, že teplo může přestupovat jen z prostředí teplejšího do chladnějšího a nikdy naopak. Z hlediska fyzikálních zákonů pak ještě podezřeleji vyhlíží skutečnost, že do systému s tepelným čerpadlem se dodává malé množství energie, aby poskytlo větší energetický výkon.Ve skutečnosti však samozřejmě o žádné porušení fyzikálních zákonů nejde – tepelné čerpadlo je jen jakási lest, která umožní zdánlivě nepřející fyzikální zákony nejen obejít, ale využít jich ve svůj prospěch.
Když teplo mění skupenství
Tepelné čerpadlo pracuje na stejném principu jako obyčejná lednička, kterou z přestupků proti přírodním zákonům asi nepodezříváte. Princip je prostý: chladicí médium se kompresorem prudce stlačí, čímž se uvolní teplo, které se předá do okolí. Totéž můžete vnímat při práci s ruční hustilkou, kde se vzduch při stlačování současně také zahřívá. V ledničce pak stlačené médium proudí do expanzního ventilu, kde se jeho tlak opět sníží na normální hodnotu. Teplo odevzdané do okolí tu však již není, a tak se při svém rozepnutí látka výrazně ochladí. Ve výparníku uvnitř chladicího prostoru ledničky do sebe tedy chladicí médium načerpává teplo, aby ho v kompresoru zase odevzdalo jinam. Proto můžete mít nezkažené maso, nanuk nebo orosené pivo i v tom nejparnějším létě. Málokdo si přitom všimne, že lednička současně trochu ohřívá byt. Její vnitřní prostor, z něhož se teplo “odebírá”, je malý, objem kuchyně je mnohonásobně větší a ta trocha energie navíc se v něm většinou ztratí. Je-li ale chladicí zařízení umístěno v malé spíži, může to být znát.
Chladnička naruby
Tepelné čerpadlo funguje obráceně: pracovní médium do sebe “nasává” teplo někde v okolí, například ve vodě tekoucí řeky, z horniny atd. Přestože tato teplota není nijak vysoká, stačí na to, aby se po následném stlačení v kompresoru z média uvolnilo teplo, které pak může ohřívat třeba vodu v okruhu ústředního topení. Když pak poklesne v expanzním ventilu tlak média zpět na normální hodnotu, je už natolik chladné, že do sebe může absorbovat i to málo tepla, které je třeba ve vodě pod ledem zamrzlé zimní řeky – a celý cyklus se opakuje.Ve skutečnosti je to s ledničkou i tepelným čerpadlem o něco složitější. Aby byla účinnost systému ještě vyšší, nepracuje se zde s pouhým stlačováním média, ale i se změnou jeho skupenství. Jistě souhlasíte s tím, že když se třeba z vody stává pára, nebo z ledu voda, je třeba dodat poměrně značné množství tepla. Ze školy si možná pamatujete, že jde o tzv. skupenské teplo a že to funguje i obráceně: při změně stavu ze skupenství plynného na kapalné, nebo z kapalného na pevné se teplo zase uvolňuje.Také v lednici či v tepelném čerpadle se mění skupenství pracovní látky: po stlačení plyn kondenzuje v kapalinu (za současného odevzdávání tepla), zatímco po redukci tlaku se mění opět v plyn a teplo přijímá. Samozřejmě zde nejde o vodu, ale o látku, jejíž tepelné charakteristiky jsou pro daný účel co nejvhodnější. Totéž pochopitelně platí i pro tepelné čerpadlo. Přirovnávání tepelného čerpadla k ledničce ostatně není jen didaktickou pomůckou – při vhodném uspořádání může takovýto topný systém v letních vedrech “dát zpátečku” a prostory objektu ochlazovat.
Teplá voda i v bazénu
Tepelná čerpadla se nepoužívají jen k vytápění objektů, ale také k získávání užitkové vody s teplotou okolo 35 až 40 stupňů. Nízké provozní náklady rovněž dovolují ekonomicky výhodné vyhřívání bazénů.Asi jste si už také všimli, proč nejde o perpetuum mobile, ale spíše o malou “boudu”, kterou člověk ušil na přírodu. Energie se do systému samozřejmě dodávat musí – spotřebovává se pro pohon kompresoru. Díky němu se docílí toho, že médium má v danou chvíli podstatně nižší teplotu než prostředí, kterému chceme teplo odebrat, a v jinou chvíli zase výrazně vyšší než prostředí, kterému jej chceme předat. V tepelném čerpadle se na topném výkonu podílí dodaná elektrická energie ze sítě přibližně 20 až 35 procenty, zatímco energie získaná z okolního prostředí tvoří 65 až 80 procent.
Jasná volba – “teplo od nohou”
V systému tepelného čerpadla se lépe než klasické radiátory uplatní podlahové topení, které prostor vyhřívá úsporněji, účinněji a vystačí s nižší teplotou pracovního média (radiátor asi 55 až 70 stupňů, zatímco podlahové topení jen okolo 40 stupňů). Přestože je podlahové topení vydáváno za hit posledních let, měli jej ve svých přepychových vilách už staří Římané. Již antika tedy věděla, že pokud “topí podlaha”, může být teplota vzduchu podstatně nižší při stejném subjektivním pocitu tepla. Člověk totiž nejcitlivěji vnímá teplo nohama. Náklady na vytápění tedy výrazně klesají, podle některých údajů až o 50 procent oproti klasickým systémům.Mnohé naznačuje i rozvrstvení teplot v místnosti. Chcete-li u radiátorů umístěných pod okny docílit teploty podlahy 20 stupňů, současně při tom také mimoděk zahřejete vzduch u stropu na více než 30 stupňů. Naproti tomu u podlahového topení při stejné teplotě u země je u stropu asi 15 stupňů. Díky tomu zde může být teplota topného média (vody) jen okolo 30 stupňů, což nejen šetří palivo, ale současně tento systém také předurčuje pro využití ve spojení se solárními panely, tepelnými čerpadly a dalšími alternativními zdroji energie.
Obr. 1 – Tepelná čerpadla se vejdou i do velmi malých prostorů; toto je typ čerpadla vzduch/voda, jež je díky výkonnému kompresoru schopné i při venkovních teplotách -20 °C ohřát výstupní vodu až na 55 °C
Obr. 2 – Princip funkce tepelného čerpadla
