Tepelné čerpadlo a jak mu rozumět

Jak tepelné čerpadlo pracuje

Tepelné čerpadlo (TČ) je dnes běžným technickým zařízením pro vytápění či chlazení do rodinných domů, společenských budov atd. až po průmyslové objekty. Princip fungování, ale i možnosti nasazení se liší od fungování obyčejného topidla; lze jím například vytápět i chladit. Navíc, za jednu kWh dodané elektrické energie dokáže dodat mnohem více tepla.

Tepelné čerpadlo je výrobek, který běžně vidíme v každé domácnosti a nazývá se mrazák, mraznička nebo chladnička. Ten, striktně řešeno, nevyrábí a nedodává chlad, ale z prostoru, který chceme chladit, odebírá (čerpá) teplo a doručuje ho jinam. Pozorný majitel chladničky nebo mrazničky dávno postřehl, že na jejich odvrácené zadní straně je radiátor, který sálá teplo a je mnohem teplejší, než okolní vzduch. Jde o teplo, které je odebíráno z vnitřního prostoru chladničky a předáváno do prostoru mimo chladničku.

Mrazák nedokáže odebírat z ochlazovaného prostoru teplotu, čili stupně °C, ale jen teplo v joulech (J) nebo v kWh. A aby toto teplo předal do místnosti, která má teplotu 25 °C, musí mít radiátor teplotu mnohem vyšší, než vzduch v místnosti.

Účinnost tepelného čerpadla

Popišme si ji na příkladu, v němž je venkovní vzduch zdrojem tepla, které čerpáme. Tato tepelná čerpadla jsou v našem podnebném pásmu (a také s ohledem na jiné přednosti) nejčastější. V otopném období lze jeho službu popsat takto:

  1. TČ nabere za hodinu 100 kg venkovního vzduchu a ochladího o 10 °C,
  2. tím získá 1 MJ = 0,28 kWh/hod tepla, čili tepelné energie,
  3. touto energií vytápí dům,
  4. za celý den dodá 24 hod × 0,28 kWh/hod. = 6,67 kWh,
  5. přitom spotřebuje je zlomek této energie.

Odtud je zřejmý i název tepelné čerpadlo, který toto zařízení dostalo. Z chladného venkovního vzduchu čerpá teplo, kterým pak ohřívá mnohem teplejší vnitřní vzduch. V létě je tomu naopak: tepelné čerpadlo v roli klimatizace čerpá teplo z vnitřního vzduchu a tím pak ohřívá mnohem teplejší venkovní vzduch. Podobně čerpáme vodu z hluboké studně; voda však nepřiteče do kuchyňského kohoutku sama z hloubky 10 m, je nutné ji vodním čerpadlem vytlačit vysoko nad kohoutek.

Na tento režim čerpání, který není samovolný, musíme použít stroj – tepelné čerpadlo. Teplo, které tepelným čerpadlem odebíráme vzduchu na jedné straně a na druhé pak dáváme, je bezplatné, avšak elektrický pohon tohoto stroje nikoliv. Stroj – tepelné čerpadlo – se při svém chodu zahřívá a stává se zdrojem tepla. V zimě lze tohoto tepla využít k vytápění i ohřevu vody.

Pro stanovení pohonu takového stroje existuje již od roku 1824 přesný návod, který zformuloval Nicolas Léonard Sadi Carnot1) uveřejněním jednoduchého vzorce pro maximální účinnost tepelného stroje:

Carnot měl na mysli tepelný stroj, který využívá energie tepla, které skrze něho protéká od teplého ke studenému zásobníku. To je dnes příklad parních strojů a turbín, spalovacích motorů ap. Tepelné čerpadlo je příklad obráceného děje: poháníme ho elektřinou a ono vytváří požadovanou teplotu v místnosti a celém domě, zatímco druhý zásobník – chladnější venkovní vzduch – je ochlazován.

Při malém rozdílu teplot venku a uvnitř je účinnost přečerpávání tepla vysoká, při velkém se snižuje. K tomu se pak přičítá již zmíněná vlastní tepelná ztráta TČ.

Topný faktor COP

COP je anglická zkratka slov „Coefficient of Performance”, což lze přeložit jako koeficient účinnosti či účinkování. Udává pro dané tepelné čerpadlo poměr vyprodukovaného tepla a spotřebované energie za přesně definovaných podmínek (vnitřní a venkovní teploty) podle normy EN 14 511. Počítá se podle vzorce:

kde ΔQ je topný výkon TČ ve watech a ΔW je tomu odpovídající elektrický příkon tepelného čerpadla. Tento údaj je vhodný k porovnávání různých TČ mezi sebou (čím větší COP, tím lepší TČ), avšak nic neříká o tom, kolik spotřebujeme na provoz tepelného čerpadla energie. COP totiž silně závisí na venkovní teplotě vzduchu, která se během roku pohybuje mezi –20 až +30 °C, a na teplotě vnitřního teplosměnného média.

Závěr

Tepelná čerpadla účinně řeší jak zimní vytápění, tak i letní chlazení (žádné jiné technické zařízení aktivně nechladí). Po celé Evropě jsou tak nezbytnou součástí nové výstavby a také modernizace rodinných a bytových domů, ale také lázní, hotelů, administrativních budov atp. až po výstavbu průmyslových objektů. I v České republice roste o tepelná čerpadla zájem. Tepelná čerpadla šetří energii a dokáží nejen realizovat dům, který bude povinné stavět po roce 2020. Ve spojení s fotovoltaikou a solárními panely dokáží z těchto domů vytvořit aktivní domy (s vlastní výrobou energie pro sebe) nebo energeticky úplně soběstačné.

Náš tip: Zajímá vás, jaký typ tepelného čerpadla by nejlépe vyhovoval vaší domácnosti a jaká by byla jeho přibližná cena včetně dopravy a montáže?