Tepelné čerpadlá
Základné informácie
Tepelné čerpadlo je zariadenie, ktoré využíva netradičné zdroje energie na ústredné vykurovanie (ÚK) a na ohrev teplej úžitkovej vody (TÚV). Pracuje na princípe odoberania nízko-energetického tepla z okolia (tj. vody, vzduchu, zeme či odpadného tepla), a jeho prečerpaním dôjde ku zmene teploty na úroveň využiteľnú vo vykurovacom systéme.
Tento proces prebieha za pomeru:
25% elektrická energia + 75% prírodná obnoviteľná energia = 100% spotreba energie
Už tieto základné informácie Vás iste presvedčili, že investícia do tepelného čerpadla sa naozaj vyplatí. Za povšimnutie stojí aj to, že návratnosť týchto nákladov je 4-7 rokov podľa zvoleného primárneho zdroja energie.
Princíp a funkcia
Princíp tepelného čerpadla je známy už viac ako 100 rokov. Prvé veľké technické využitie tohoto spôsobu vykurovania sa uskutočnilo v r. 1936. Tepelné čerpadlo bolo použité k vykurovaniu Curyšskej radnice vo Švajčiarsku. Rozsiahlejšie využitie tepelných čerpadiel na vykurovanie však nastalo najskôr so zvýšením cien energií začiatkom sedemdesiatych rokov.
Čo je tepelné čerpadlo?
Podľa druhé hlavnej vety termodynamiky prúdi tepelná energie z látky alebo predmetu o vyššej teplote k látke alebo predmetu o teplote nižšej. V okolitom prostredí (vzduch, voda, zem) jsou obrovské prírodné zdroje energie o nízkej teplotnej úrovni. Tieto zdroje energie môžu byť využite na vykurovanie len vtedy, ak je ich tepelná energie přečerpána pomocí zařízení na vyššiu teplotnú úroveň. Tepelné čerpadla sú teda zariadenia, ktoré odoberú tepelnou energiu tepelným zdrojom, ktoré sú k dispozícii a ktorých tepelný potenciál nieje priamo využiteľný. Využiteľné teplo sa skladá z tepla, ktoré bolo zdroju tepla odobraté jeho ochladením a tepla, ktoré sa rovná pohonnej energii. Z praktického hľadiska je tepelné čerpadlo chladiace zariadenie, ktorého účelom je ohrievať namiesto chladiť.
Princíp Tepelného čerpadla vzduch-voda:
Základom tepelného čerpadla je uzatvorený okruh naplnený chladivom. Tepelné čerpadlo, respektíve chladiaci okruh, má štyri základné časti :
Výparník: Do výparníku sa privádza okolitým vzduchom nízko potenciálne teplo. Privedené teplo spôsobuje vyparovanie chladiva, pary chladiva sa stávajú nositeľom tepelnej energie a tu prenášajú do kompresora. Vzduch, ktorého prúdenie cez výparník zaisťuje axiálny ventilátor alebo ventilátory, sa pritom ochladí. Vzduchová cesta predstavuje primárny okruh TČ.
Kompresor: Nasáva páry z výparníku, stláča ich a vytláča do kondenzátora. Práca na pohon kompresoru sa premení na teplo, ktoré sa pripočíta k teplu privedenému do výparníku.
Kondenzátor: Energia privedená do kondenzátora parami chladiva z výparníku a kompresora sa prenáša do cirkulujúceho topného média (sekundárny okruh TČ). Preneseným teplom sa topné médium ohrieva.
Škrtiaci ventil: Kvapalné chladivo, ktoré skondenzovalo v kondenzátore pri vyššom (kondenzačnom) tlaku, sa vstrekuje do výparníku, aby sa tu opäť vyparilo pri nižšom (vyparovacom) tlaku.
Využiteľné zdroje tepla
Spodná a povrchová voda:
Spodní voda je veľmi účinný zdroj tepla pre tepelná čerpadla, pretože je k dispozícii po celý rok, a to s relatívne stálou teplotou. Podľa polohy a hĺbky hladiny spodnej vody sa jej teplota v zime pohybuje medzi +8°C a +12°C. Na vykurovanie rodinného domu, obývaného jednou rodinou o pôdorysnej ploche 150 m2, je podľa povahy domu potrený prietok studničnej vody 2,0 až 3,5 m3/h.
Orientačne platí: dlhodobá výdatnosť zdroja podzemnej vody na úrovni 1 l/s, poskytute tepelný potencial zdroja tepla cca 18 kW
Teplo zo zeme:
Zemné vrty. K zaisteniu dokonalej funkcie tepelného čerpadla s využitím tepla zo zeme je nutné zvoliť o niečo vyšší tepelný výkon TČ. Pre dodávku tepla zo zeme platí nasledujúce: požadovaná zemná sonda - zariadenie musí okrem dodania potrebného množstva tepla pre objekt ešte spĺňať technické parametre TČ. Za normálne zemné pomery sa považuje, že sa nemá odoberať viac než 55W/m. Toto dimenzovanie zodpovedá zdroju tepla o teplote 273 K (0°C) . Takto zostáva teplota zeme naisto 4 - 5 °C nad hranicou zamrznutia. Pravidlo hovorí, že na 1 kW tepelného výkonu je potrebné 15 m vrtu.
Zemné kolektory - výmenníkové trubkové systémy:
Tieto systémy sa ukladajú v hĺbke 1,2 až 1,8 m, pokiaľ možno blízko vykurovaného objektu. Rozteč trubiek je najmenej 0,5 m, optimálne 1 m. Maximálna dĺžka slučky by nemala prekročiť 100 m. Zo zeme je možné získať podľa jej zloženia 10 až 30 W/m2 (v priemere teda 20 W/m2). Rodinný dom má orientačnú spotrebu tepla 80 až 100 W/m2. Pri obytnej ploche 130 m2 a spotrebe 100 W/m2 je potrebná plocha pozemku pre kolektory 650 m2.
Vonkajší vzduch:
Je to zdroj tepla, ktorý je k dispozícii v neobmedzenom množstve, ale má premenlivú teplotu. Efektívna prevádzka takéhoto čerpadla je do cca 0°C - bodu bivalencie, kedy je pokryté prevádzkou TČ cca 80% topnej sezóny. Pri nižších vonkajších teplotách prevezme topnú funkciu druhý zdroj - napr. elektro - kotol. Takto navrhnuté tepelné čerpadlo je optimálne navrhnuté z hľadiska pomeru zriaďovacích a prevádzkových nákladov.
Odpadové teplo:
Všade tam, kde je vzniká odpadové teplo z technologickej prevádzky, alebo z inej činnosti, je možné toto teplo prostredníctvom tepelného čerpadla znovu využiť a vrátiť do vykurovacieho okruhu.
Spojenie chladenia s ohrevom:
Energeticky ideálna oblasť použitia chladiaceho zariadenia či tepelného čerpadla je všade tam, kde je možné súčasne uplatniť chladenie a ohrev.