Tepelné čerpadlo

Idea tepelného čerpadla sa objavila už v minulom storočí - prezentoval ju známy anglický fyzik Kelvin.



Ako teda tepelné čerpadlo funguje? Základnú predstavu môžeme získať už z názvu - ide o čerpanie tepla - ale odkial a ako? Tepelné čerpadlo funguje ako chladnička - lenže presne naopak. Pri chladničke využívame tú časť systému ktorá ochladzuje a pri tepelnom čerpadle práve tú druhú. Teplo je čerpané z prostredia (ktoré sa tým ochladzuje) a privádzané do domu, alebo iných priestorov, ktoré sme sa rozhodli vykurovať týmto spôsobom. Teplo môže byť využité samozrejme aj na ohrev vody.

Tepelné čerpadlo nám umožňuje využitie tepla ktoré by sme inak neboli schopní zúžitkovať. Predstavte si že pôda v okolí vášho domu má teplotu napr. 6 OC, také teplo nemôžete prakticky na nič využiť. Človek by takú pôdu dokonca charakterizoval ako studenú. Lenže aj táto teplota predstavuje niaky potenciál, skrýva v sebe niaku energiu. A využiť ju môžeme práve za pomoci tepelného čerpadla. To odoberá teplo z prostredia a teda v našom prípade by ochladilo pôdu okolo domu zo 6 povedzme na 2 OC, takto získanú energiu potom pomocou jednoduchých fyziklálnych procesov premení do takej podoby v akej je pre nás použitelná, napríklad na teplú vodu v našich radiátoroch. Takže ako to teda funguje?

- späť k obsahu -

Na základe akých fyzikálnych procesov funguje tepelné čerpadlo?

V tepelných čerpadlách sa takisto ako v mrazničkách využíva schopnosti niektorých látok pri nízkych teplotách a tlakoch sa odparovať a pri tom prijímať teplo a naopak pri vysokých teplotách a tlakoch sa znovu skvapalňovať a uvolňovať teplo. Tieto látky sa teda použivajú ako médium do ktorého sa ukladá energia získaná z prostredia.

- späť k obsahu -

Ako to funguje v praxi?

Tepelné čerpadlo pozostáva predovšetkým z okruhu v ktorom koluje chladiarenské médium, odparovača, kompresoru, kondenzátora a ďalej množstva ventilov. V odparovači ktorý je umiestnený tak aby mal čo najlepší kontakt z okolitým prostredím sa médium pod nízkym tlakom splyňuje (odparuje) a odoberá tak prostrediu teplo, odtiaľ je odsatý kompresorom a stlačený, čím sa zvýši jeho teplota. Vplyvom vysokého tlaku plyn v kondenzátore opäť skvapalní a odovzdá svoje teplo, ktoré preberie vode v druhom okruhu, tá potom môže byť použitá napr. v radiátoroch. Z kondenzátora sa médium cez ventil dostane znova do odparníku a všetko sa opakuje zas a zas.

- späť k obsahu -

Za akých podmienok môže tepelné čerpadlo pracovať?

Je samozrejmé že výkon čerpadla sa mení podla podmienok v ktorých pracuje. Takisto ako vodné čerpadlo potrebuje tým viac energie čím viac vody a čím vyššie má prečerpať, tak aj tepelné čerpadlo spotrebuje menej energie keď musí prekonávať mešie teplotné rozdiely. Je preto nutné sa zamyslieť nad tým akým spôsobom vykurujeme a či popri investícii do tepelného čerpadla by nebolo dobré myslieť aj na zmenu vykurovacieho systému. V bežnom vykurovaní sa teplota vody v okruhu pohybuje medzi 70 a 90 OC, čo predstavuje pre tepelné čerpadlo teplotu dosiahnutelnú len za dodania značného množstva energie. Naproti tomu v podlahovom vykurovaní sa tieto tepoty pohybujú len okolo 40 - 50 OC, s tým že priestory vykúria na požadované teploty rovnako dobre. Toto je teda vykurovací systém priam vyvolený pre tepelné čerpadlo.

Taktiež teplota prostredia odkial je teplo čerpané je velmi dôležitá, a asi netreba zdôrazňovať že čím je vyššia tým lepšie. Tepelné čerpadlo však dokáže pracovať aj pri teplotách okolo nuly.

- späť k obsahu -

Kolko energie môžeme takto získať?

Nemecký experimentátor s tepelnými čerpadlami a všetkým čo k tomu patrí, majitel malej polnohospodárskej usadlosti - Heinz Schulz, na svojom zariadení po niekolko sezón prevádzal rôzne merania z ktorých môžeme získať lepšiu predstavu o tom kolko energie sa reálne dá očakávať od jeho prevádzky.

Ide o systém pozostávajúci z:

• jednoduchý nezasklený strešný absorbér - plocha: 16 m2
• slnečný kolektor - plocha: 18 m2
• zemný zásobník - objem: 5000 l
• tepelné čerpadlo - pohon: diesel motor, výkon: obvykle medzi 5 a 8 kW, výnimočne medzi 10 a 12 kW (aj z využitím odpadového tepla motoru)

|tab.|

Zisky počas 1. sezóny (neúplnej) - od konca júla do polovice septembra

	denne	celkovo
zemný zásobník	11 - 48kWh	1686 kWh
absorbér	3 - 80 kWh	3008 kWh

hodnota nazhromaždená v zemnom zásobníku na konci tohto obdobia (53 dní) - 4694 kWh
priemerná teplota pôdy zásobníka na konci tohto obdobia - 19,5 OC (oproti teplote okolitej pôdy 10,5 OC)


2. sezóna - okrem samotného zemného zásobníka bol na získavanie tepla použitý len strešný absorbér bez kolektora

počas akumulačnej sezóny (leto)	12.751 kWh
počas vykurovacieho obdobia (zima)	5602 kWh

|tab.|

Energia zo slnka a zeme nielen pre rodinný dom - kde všade sa dá využiť tepelné čerpadlo a kde sa o to už aj pokúsili.

Môže to vyzerať šialene ale zo zemného zásobníka, slnečných kolektorov a pomocou tepelného čerpadla je možné napájať teplom aj celé sídlisko. Vo svete sa už v 80-tych rokoch uskutočňovali rôzne projekty. Jednalo sa o školy, verejné budovy aj komplexy slúžiace na komerčné účely, nemocnice alebo aj celé dediny. Na to aby sa vôbec vyplatila výstavba takých velkých zemných zásobníkov sa musí jednať o komplex so spotrebou väčšou ako 500 MWh na rok. Uveďme si niekolko príkladov z praxe.

Toto zariadenie funguje už od roku 1985 a dodáva teplo pre administratívne priestory spolkovej vlády v Scarborough, v Toronte - najväčšom meste Kanady. Toto zariadenie dodáva teplo ale aj chlad počas leta pre vyše 30 000 m2 priestorov. Zariadenie pozostáva zo zemných sezónnych zásobníkov, tepelného čerpadla a 700 m2 slnečných kolektorov ktoré však slúžia predovšetkým na ohrev teplej vody, keďže kapacita zásobníka sa ukázala ako dostatočná. V zásobníku sa akumuluje dostatočné množstvo tepla vďaka tomu že sa tepelné čerpadlo v lete využíva na klimatizáciu budovy.

Slnečná dedina Kerava vo Fínsku je zásobená energiou prostredníctvom slnečných kolektorov, z ktorých teplo sa ukladá do horninového zásobníka a potom využíva pomocou tepelného čerpadla. Celkovo je takto zásobených 44 domov o rozlohe 3756 m2. Pôvodne sa predpokladoalo pokrytie spotreby tepla až na 75 %, čo sa však nepodarilo dosiahnuť kvôli príliš malej kapacite zásobníka.

V Nemecku na Stuttgartskej univerzite sa uskutočnil projekt z umelým zásobníkom typu Aquifer. Jedná sa o nádrž naplnenú štrkopieskom a vodou z objemom cez 1000 m3. Nabíjaný je pomocou jednoduchého nazaskleného kolektora o ploche 211 m2. Toto zariadenie dodáva teplo administratívnej budove celej univerzity. Celková ročná spotreba činí asi 175 MWh. Zariadenie jevyužívané aj počas leta kedy chladí miestnosti z elektronikou a laboratóriá.

- späť k obsahu -

Odkial môže tepelné čerpadlo čerpať teplo?

Jedným z najčastejších riešení je využívať teplo z pôdy v okolí domu. Dobrým zdrojom môže byť tiež rybník, rieka alebo aj podzemná voda (studne, hlbinné vrty). V niektorých oblastiach je dokonca možné využívať geotermálne pramene. Ak si myslíte že to je možné iba na Islande len sa skúste pozrieť na mapu Slovenska, koľko kúpelných miest s horúcimi prameňmi tam nájdete. Takéto koncentrované a výdatné zdroje tepla je možné využívať aj na vykurovanie celých sídlisk. Takisto je možné využiť odpadové teplo rôznych tovární a prevádzok, ktoré by inak zbytočne vyletelo hore komínom alebo odtieklo dolu riekou. Ale vráťme sa k rodinným domom. Tým postačia aj omnoho menšie zdroje tepla. Okrem už spomínaných zdrojov - pôdy a vody je možné použiť aj vzduch. V lepšom prípade z povaly, pivnice alebo jednoducho z okolia domu. V budovách kde je zabudovaná klimatizácia (čo sú ale zväčša kancelárske priestory, výrobné haly a pod. a len pomenej rodinné domy) môže byť odvádzaný vzduch velmi výdatným zdrojom tepla. Často sa môže teplo získavať zo zásobníka - akumulátora ktorý bol špeciálne na tento účel vybudovaný. Môže to byť len obyčajná velká nádrž z vodou ale existuje aj mnoho ďalších riešení.

Mnoho krát však akumulátor vôbec netreba budovať je jednoducho k dispozícii iný zdroj tepla, ktorý by inak zostal nevyužitý. Pri troche fantázie je možné získavať teplo prakticky odvšadial, len je potrebné aby boli zvážené všetky dostupné alternatívy a bola vybraná tá najefektívnejšia.

- späť k obsahu -

Kombinácia tepelného čerpadla a slnečného kolektora

Tepelné čerpadlo môže sracovávať teplo prakticky z akéhokolvek zdroja. Najčastejšie sú rôzne druhy zemných zásobníkov, ale tie nemusia byť vždy schopné zabezpečiť dostatok tepelnej energie. To platí predovšetkým u väčšíách zariadení. Rodinné domy väčšinou vystačia z nenáročným nízkoteplotným zásobníkom bez dodatkového zdroja energie. Pri väčších zariadeniach je potom možné dopĺňať potrebné teplo zásobníku cez leto pomocou slnečných kolektorov. Vtomto období kedy sa voda v kolektoroch ohrieva velmi efektívne je možné ju viesť do zásobníka kde odovzdá svoje teplo a potom keď je ochladená ju znova viesť do kolektorov. Zásobník si potom vyššiu teplotu uchová aj počas vykurovacieho obdobia a tepelné čerpadlo potom môže podávať lepšie výkony. Výhodou takéhoto zariadenia je že nie je nutné kupovať drahé profesionálne vyrábané kolektory ale je možné skonštruovať jednoduchý a lacný absorbér z čiernych hadíc.

- späť k obsahu -

Vyhrievaný skleník

Toto zariadenie pracuje bez tepelného čerpadla. Je to vlastne zemný zásobník tepla ktorý nie je odizolovaný od povrchu a teplo predáva pasívne. Vrty sú len niekolko metrov hlboké. Zásobník môže byť nabíjaný jednoduchým slnečným kolektorom. Je to nenáročné zariadenie ktoré pomáha predlžovať obdobie bez mrazov a vegetačné obdobie pestovaných rastlín, vďaka čomu je možné získať väčšie výnosy z pôdy. Toto zariadenie je možné vybudovať svojpomocne. Ak sa tým príliš nezvýšia náklady je možné ho potom aj zdokonaliť a opatriť ho aktívnym predávaním tepla - čiže núteným obehom kvapaliny z vrtov na povrch.

- späť k obsahu -

Tepelné čerpadlo - polymorfná príšera, čo požiera energiu a znečisťuje životné prostredie?

Tepelné čerpadlo pri svojej prevádzke potrebuje energiu. Narozdiel od iných alternatívnych zdrojov energie teda nemôže fungovať nezávisle od vonkajších zdrojov. Potrebuje neustálu pravidelnú dodávku vysoko koncentrovanej energie, za čo ho mnohí nemajú príliš v láske a taktiež kvôli tomu vznikajú diskusie o tom či ide o obnovitelný, alternatívny alebo aký vlastne zdroj energie. Nebudeme vstupovať do tejto diskusie. Faktom zostáva že tepelné čerpadlo pri svojej prevádzke vyrobí priemerne až 4 krát viac energie než je mu dodané. Faktom ale tiež ostáva to že ak spotrebúva energiu zo siete je ho možné považovať za akýsi superspotrebič - forma efektívnejšieho elektrického vykurovania ktoré je natolko chytré že dokáže čerpať energiu aj odinakadial než len zo zásuvky. Závisí potom nie na nás ale na prevádzkovateloch elektrárne či je tento zdroj energie čistý alebo nie. To sa môže zmeniť až keď aj v našej krajine bude možné vyberať si od koho a za akú cenu si chceme energiu kupovať. Ak pracuje na pohon fosílneho paliva prispieva svojou troškou CO2 do mlyna ale podstatne menej než iné formy vykurovania energiou z fosílnych palív. Ak použijeme bioplyn môžeme ho pre zmenu priradiť ku vykurovacím systémom na biomasu, o ktorých sa môžete viac dozvedieť tu.

Ďalším problémom môže byť že v okolí zemného zásobníku tepla sa vplyvom zvýšenia prirodzenej teploty pôdy zmení charakter vegetácie, aj tomu sa však dá zabrániť dobrou izoláciou ,- predovšetkým smerom navrch. Opačný problém nastáva pri výmenníku tepla umiestnenom v prostredí. Treba si však uvedomiť že pôda ako aj voda majú svoje tepelné regeneračné schopnosti a že žiadne tepelné čerpadlo nepracuje 24 hodín denne 52 týždňov do roka. Preto obavy s týmto spojené sú namieste len v oblastiach kde sa napríklad vyskytuje vzácny a citlivý ekosystém, alebo napríklad chránený druh rastlín.

- späť k obsahu -

Ako tepelné čerpadlo funguje po technickej stránke?

Kompresor
Kompresor je zariadenie ktoré stláča plyny alebo kvapaliny. Tým sa následne zvyšuje ich tlak aj teplota. Kompresor je poháňaný motorom. Existuje niekoľko typov kompresorov.

V chladničkách sa používajú malé hermeticky uzatvorené systémy, ktoré v jednom puzdre skrývajú nielen kompresor ale aj elektromotor. Výhodou takéhoto riešenie je že nemôže dôjsť ku úniku chladiarenského média. V iných zariadeniach kde nie je nutné klásť taký dôraz na hygienu a bezpečnosť sa zväčša elektromotor a kompresor umiestnia do utesneného puzdra z volným prístupom ku tým častiam ktoré potrebujú údržbu prípadne opravy. Tu môže dochádzať ku menším únikom média. Existujú aj otvorené systémy kde je kompresor od motora oddelený úplne. Potom je nutné utesniť hriadeľ. Takéto riešenie je jediné možné pri spaľovacom motore. Pri elektromotoroch sa však nepoužíva. Pri takýchto motoroch je potom nutné raz do roka prekontrolovať hladinu oleja aj chladiarenského média.

Pohon kompresoru
Kompresor môže byť poháňaný niekoľko spôsobmi. Najčastejší je elektromotor, čo je a hlavne bude čoraz drahšia záležitosť. Elektromotor má svoje výhody ako napríklad menšia hlučnosť a vibrácie, žiadne splodiny alebo bezobslužnosť. Odpadávajú všetky potenciálne problémy z palivom, jeho zabezpečením, manipuláciou a priebežnou kontrolou a dopĺňaním. Je tiež velmi rozšírený na trhu a tak je z čoho vyberať. Lenže ceny nás čoraz viac tlačia a rozširujúci trh nám otvára nové možnosti. Čoraz častejšie sa objavujú také kompresory ktoré počítajú z iným druhom pohonu. V podstate tradičným riešením je spalovací motor. Mnoho ľudí odradzuje predstava akéhosi ťažkopádneho, smradlavého a hlučného zariadenia. Lenže pokrok tento stav trocha pozmenil. Je možné použiť klasický spalovací motor, ktorý sa dá zohnať ako aj nový tak aj použitý. Je však trocha problematické odhadnúť aký spaľovací motor použiť. Prevádzka tepelného čerpadla má totiž určité špecifiká ktoré sa odrážajú aj v požiadavkách na motor. Tepelné čerpadlo pracuje z relatívne malými otáčkami ale vo velkom rozsahu. Tepelné čerpadlo ak má byť zdrojom tepla v rodinnom dome musí zodpovedať prísnym bezpečnostným normám a taktiež nesmie narúšať komfort obyvatelov. Často je preto volba správneho typu motora najkomplikovanejšou otázkou. Spaľovacie motory môžu ako palivo používať naftu, ale čoraz viac sa objavujú aj také ktoré používajú plyn alebo dokonca bioplyn. Práve tieto sú velmi vhodné do rodinných domov. Šikovný odborník taktiež dokáže prebudovať klasický spalovací motor tak aby dokázal pracovať na plyn. Kde a ako zháňať spalovacie motory?

Kondenzátor
Kondenzátor je súčasť tepelného čerpadla kde dochádza ku opätovnému skvapalneniu chladiarenského média. To sa deje pod tlakom, médium pri tom vydáva teplo ktoré odobralo prostrediu. Kondenzátor teda slúži ako výmenník tepla medzi médiom v okruhu tepelného čerpadla a médiom vo vykurovacom okruhu. Podla toho aké médium je použité vo vykurovacom okruhu - čiže v radiátoroch, rozoznávame 2 základné druhy kondenzátorov. Najčastejšie sa používajú voda alebo vzduch.

- späť k obsahu -

Je nutné aby TČ ničilo našu atmosféru?

Vo všetkých typoch chladiacich zariadení ako aj v tepelných čerpadlách sa používajú chladiarenské médiá - sú to látky bez ktorých by sa žiadne takéto zariadenie neobišlo. Mnohé z nich však spôsobujú ekologické problémy.

Najstarším z nich je čpavok čiže NH3 (amoniak) ten potom počas ďalšieho vývoja ustúpil do pozadia. Dôvodmi bola jeho jedovatosť a korozívne pôsobenie na meď.

Nahradili ho takmer výhradne fluóro a chlórouhlovodíky, látky všeobecne známe pod názvom freóny. Boli považované za ideálne až do doby kedy vyšlo najavo ich zhubné pôsobenie na atmosféru. Tzv. tvrdé freóny spôsobujú ozónovú dieru a tzv. mäkké freóny spôsobujú skleníkový efekt. Popri týchto ich vlastnostiach sú ich výhody, ako ich nejedovatosť, dlhodobá stabilnosť, nízka cena, nehorlavosť, antikorózny charakter či vysoká účinnosť zanedbateľné. Bohužiaľ z ich odstránením z priemyslu sú nemalé problémy a celý proces postupuje len veľmi pomaly. Vďaka tomu že si čoraz viac ľudí uvedomuje v akom zúboženom stave sa naša atmosféra nachádza sa výrobcovia chladiarenských technológií začali vracať ku čpavku, ktorý má však perspektívu hlavne vo väčších zariadeniach. Tam kde by mohol vzniknúť problém z jeho jedovatosťou (potravinové mraziace boxy) je možné použiť dvojokruhový systém pri ktorom nemusí byť okruh s čpavkom ani len v budove predajne.

Taktiež začal používať veľmi perspektívny propán (C3H8) alebo jeho zmesi s izobutánom, ktoré časom pravdepodobne získajú dominantné postavenie v menších zariadeniach. Výhodami propánu sú predovšetkým jeho neškodnosť voči atmosfére, jeho ľahká dostupnosť a velké množstvá, čiže nehrozí vyčerpanie zdrojov. Nevýhodou je jeho horlavosť, ale ak si uvedomíme s kolko horlavinami prichádzame denne do styku a pritom pre nás nepredstavujú žiadne velké komplikácie ani riziká nie je dôvod obávať sa rozšíreniu jeho používania. Je len velmi nízka pravdepodobnosť že by pri bežnej prevádzke naraz uniklo väčšie množstvo propánu a spôsobilo by požiar či výbuch. Profesionálnym prístupom výrobcov a správnym zaobchádzaním zo strany užívateľov sa dá nehodám vyhnúť takisto ako je tomu pri používaní bezínu, plynu, topných olejov alebo iných bežne dostupných horľavín. Nebezpečenstvo nehody sa výrobcovia snažia aj naďalej všemožne minimalizovať. Jedným zo spôsobov je zmenšenie objemu propánu v okruhu. V zásade celkom jednoduchými konštrukčnými zmenami sa jeho množstvo dá znížiť až na polovicu z pôvodného množstva. V nových zariadeniach určených pre domácnosť sa objem propánu môže rovnať objemu niekoľkých zappalovačov. Propán má podobné vlastnosti ako rozšírený freón R 22 a tak nie je velký technologický problém ho začať používať. Takisto je to s freónom R 12 a so zmesou propánu a izobutánu. Propán môže byť už dnes použitý v mnohých zariadeniach. Každopádne je nutná konzultácia s odborníkom. Už aj na našom trhu sa objavujú aj technológie určené špeciálne pre propán, jedná sa predovšetkým o chladničky. V Európskej únii sú úplne bežné a sú dokonca omnoho populárnejšie ako chladničky prispievajúce ku ničeniu životného prostredia.