Jak funguje tepelné čerpadlo?

Vložíte 1 jednotku elektrické energie a získáte zpět 3 nebo více jednotek tepelné energie? To může znít příliš dobře na to, aby to byla pravda. Pravděpodobně si myslíte, že to odporuje zachování energie, protože energii nelze vytvořit ani zničit. Kdo by chtěl sázet proti Einsteinovi, že? Zde použijeme stejné vědecké myšlení k odhalení záhad, které se skrývají za tepelnými čerpadly využívajícími vzduch.

Je pravděpodobné, že jste již slyšeli něco o tom, jak tepelná čerpadla využívající vzduch. V poslední době je kolem nich trochu rušno. Vlády po celém světě plně podporují tuto inovativní technologii. Země jako Velká Británie poskytují od dubna 2022 dotace ve výši 5 000 liber na instalaci po dobu nejméně 3 let. Pokud má Velká Británie splnit svůj cíl být do roku 2050 uhlíkově neutrální, je třeba radikálně přejít od současných zdrojů k čistším a udržitelnějším zdrojům. Tepelná čerpadla představují prostředek pro takový přechod. Jsou považována za spasitele obnovitelných zdrojů energie, kteří se od kotlů vypouštějících skleníkové plyny přesunou k částečně čisté energii poháněné vzduchem. Vzhledem k tomu, že tepelná čerpadla mají tak velkou podporu, napadlo nás podívat se hlouběji na základy této fascinující technologie.

Co vlastně dělají tepelná čerpadla využívající vzduch?

Vzduchová tepelná čerpadla, běžně označovaná zkratkou ASHP, dělají přesně to, co naznačuje jejich název. Jednoduše řečeno odebírají teplo z venkovního vzduchu a přenášejí (nebo čerpají) toto teplo někam dovnitř, obvykle do domu nebo budovy. Fungují podobně jako chladničky, které používáme doma, jen v opačném směru. Chladnička využívá chladicího cyklu k odebírání tepla z vnitřku chladničky a jeho umístění ven. Tepelné čerpadlo odebírá teplo zvenčí a umisťuje je dovnitř jako v domě.

Nyní si možná myslíte, co když je venku zima jako ve Velké Británii. Jak fungují tepelná čerpadla v zimě nebo v chladném počasí? No, jako lidé můžeme vnímat 0 ℃ jako zimu, nicméně je to relativní vůči teplotě našeho těla 37 ℃. Z nestranného pohledu vesmíru však i při teplotě 0 ℃ existuje obrovské množství tepelné energie. Ve skutečnosti bude mít systém tepelnou energii až do -273,15 ℃, což znamená, že dokud je teplota vyšší, je termodynamicky možné provozovat tepelné čerpadlo.

Při teplotě -273,15 ℃, což je bod známý jako absolutní nula, bude mít tepelná energie systému nejnižší možnou hodnotu a částice téměř přestanou vibrovat.

Při absolutní nule přestanou všechny částice v systému vibrovat a zcela se zastaví. Naštěstí se tepelná čerpadla nemusí obávat, protože nejchladnější teplota, která kdy byla na světě, byla -89.2℃ a -27℃ ve Spojeném království.

Systémy zapojené do procesu tepelného čerpadla

Než se ponoříme do kroků zapojených do celého cyklu tepelného čerpadla, bude užitečné pochopit 2 systémy, které jsou v tepelném čerpadle ve hře. Systém je prostředí, ve kterém můžeme předpokládat, že určité podmínky nebo proměnné zůstávají stejné. U tepelného čerpadla se zdrojem vzduchu máme dva jasné systémy.

Vnější systém

Jedná se o venkovní plochu s výjimkou všeho kromě vytápěného domu nebo budovy. Zde můžeme předpokládat, že existuje nekonečný zásobník tepelné energie. I když se jedná o předpoklad, je poměrně blízko pravdě, protože atmosféra je tak velká v porovnání s tím, kolik tepla zachycujeme. Je to trochu podobné, jako kdybychom si každý den nabrali kbelík vody z moře. Moři tento kbelík nebude chybět a bude se doplňovat prostřednictvím koloběhu vody. Tento princip získávání energie z nekonečného bazénu je klíčový, protože kdybychom to nedokázali, celá termodynamická koncepce tepelných čerpadel by jednoduše nefungovala. Ve skutečnosti je to právě tento neomezený aspekt, který umožňuje klasifikovat tepelná čerpadla jako obnovitelná. Dokud je venku vzduch, může se tepelné čerpadlo „pohánět“ vzduchem, jen bez všech neudržitelných skleníkových plynů.

Vnitřní systém

Jak jste pravděpodobně uhodli, jedná se o prostor uvnitř domu nebo budovy. Zde můžeme předpokládat, že objem je konečný, a pokud je objem konečný, znamená to, že jakmile bychom do tohoto systému přenesli tepelnou energii, teplota by se nevyhnutelně zvýšila. Čím větší je vnitřní systém, tím více tepla a času je potřeba ke zvýšení teploty. Instalace tepelných čerpadel s odváděným vzduchem v malém bytě bude mít za následek zvýšení tepelných ztrát nasáváním velkého množství nežádoucího venkovního vzduchu. Kromě toho povede proudění vzduchu chronicky ke zvýšení větrání bytu.

Měli bychom také zmínit, že předávání tepla do vnitřního systému je zbytečné bez nezbytných opatření na zadržení tohoto tepla. Zabránění odchodu tepla přichází v podobě odpovídající izolace na hranicích vnitřního systému. Mezi tyto hranice patří stěny, okna a podkroví nebo střecha. Čím vyšší je úroveň izolace v těchto hraničních bodech, tím déle dokáže systém udržet teplo. Proto tepelné čerpadlo funguje obzvláště dobře, pokud je použito ve spojení s vhodnou izolací.

Součásti tepelného čerpadla

Nyní rozumíme 2 klíčovým systémům v rámci cyklu tepelného čerpadla, můžeme se začít ponořit hlouběji tím, že se dozvíme o základních součástech, které tvoří tepelné čerpadlo. Mezi ně patří:

1. Vnější cívka nebo výměník tepla (HEX) – Odpovídá za sběr tepla z vnějšího prostředí. Příležitostně se nazývá výparník.
2. Chladivo – Pracovní kapalina, která je zodpovědná za přímé zachycení tepelné energie. Má nízký bod varu, obvykle mezi – 26 ℃ a – 49 ℃. To znamená, že za normálních atmosférických podmínek existuje jako pára pro všechny teploty vyšší než tento rozsah.
3. Kompresor – Klíčová součást, která doslova stlačuje páry chladiva, aby zvýšila jeho tlak, zmenšila jeho objem a zvýšila jeho teplotu.
4. Reverzní ventil – Jak napovídá, ventil může obrátit tok chladiva, a tím změnit systém z chlazení na vytápění, čímž se vaše tepelné čerpadlo vlastně změní na chladničku.
5. Vnitřní cívka nebo výměník tepla (HEX) – Přenáší teplo do vnitřku domu nebo budovy. Někdy se nazývá kondenzátor.
6. Expanzní zařízení – Toto zařízení, známé také jako škrticí ventil, rychle snižuje tlak a teplotu chladicí kapaliny, aby ochladilo teplotu připravenou pro opětovné spuštění cyklu.

7 klíčových kroků v cyklu tepelného čerpadla

Krok 1: Zachycení tepla z vnějšího systému

Zde je začátek cyklu, kdy se pomocí ventilátoru nasává vzduch z atmosféry a vyfukuje se proti venkovní cívce. Jak již název napovídá, venkovní výměník se skládá z kruhových trubek, které obsahují chladivo. Vzduch je vháněn přímo proti této trubce, která vede teplo a předává ho chladivu.

Krok 2: Chladivo se vaří

Tradičně si představujeme vaření v souvislosti s vodou o teplotě 100 ℃. Látky, jako je chladivo, však vřou při teplotách nižších, než je teplota tuhnutí vody. Jak se chladivo pohybuje vzhůru po venkovní cívce, působí na něj stále více tepla kvůli zvětšující se ploše povrchu s trubkami. V určitém bodě cívky chladivo vře a mění se v páru. Pro snadnější pochopení si můžete chladivo představit jako kapalinu v dolní polovině a páru v horní polovině.

Krok 3: Chladivo prochází zpětným ventilem

Páry chladiva jsou vedeny přes reverzní ventil, který celému cyklu dodává průtok. To znamená pohyb kapaliny určitým směrem a určitou rychlostí. Pokud se průtok musí pohybovat přesně správnou rychlostí, aby bylo možné účinně zachytit a dodat teplo. Příliš pomalý nebo rychlý a můžeme ohrozit účinnost celého cyklu.

Krok 4: Komprese

Pro účely komprese je rozhodující, aby chladivo bylo v plynném nebo parním stavu.

Kapaliny jsou nestlačitelné, protože jejich hustota je již vysoká. Páry však mají nízkou hustotu a lze je stlačovat.

V této fázi kompresor zvyšuje hustotu, takže ve stejném objemu je více částic než před vstupem do kompresoru. Protože tlak je úměrný teplotě, znamená to, že se teplota zvyšuje také v důsledku kinetické energie uvolňované při častějších a silnějších srážkách částic.

Krok 5: Přenos tepla do vnitřního systému

Nyní je třeba do vnitřního systému přivést páry o vysoké teplotě a vysokém tlaku.

Toho se dosáhne prostřednictvím vnitřní cívky, kde chladivo proudí shora dolů ve vnitřní cívce. Ventilátor fouká proti trubkám obsahujícím chladivo, aby odebral teplo. Toto teplo můžeme odebírat různými způsoby, včetně vzduchu nebo vody. První z nich se používá k ohřevu okolní teploty vnitřního systému. Pokud se teplo předává vodě, je možné využít podlahové vytápění, radiátory nebo teplovodní sprchy. Pokud není po teple poptávka, může být uskladněno v zásobníku teplé vody.

Krok 6: Kondenzace chladiva

Jak chladivo putuje po spirále, vrací se zpět do kapalného stavu pod vysokým tlakem. Horní polovina vnitřní cívky bude obsahovat páry chladiva, zatímco spodní polovina bude obsahovat kapalné chladivo.

Krok 7: Expanze chladiva

V chladivu bude pravděpodobně stále existovat zbytkové teplo. Aby se odstranilo co nejvíce tepla, prochází chladivo expanzním ventilem. Zde se sníží tlak kapaliny a následně se sníží i teplota, takže existuje vysoký teplotní rozdíl mezi teplotou chladiva a vnějším systémem. Čím větší je tento rozdíl, tím větší je přenos tepla. Věděli jste, že horká voda zamrzá rychleji než studená? Důvodem je větší teplotní gradient.

Jakmile se chladivo vrátí zpět na nízkou teplotu a nízký tlak kapaliny, cyklus se opakuje znovu od kroku 1.

Příkon energie & Výstup

Účinnost tepelného čerpadla se měří pomocí jeho výkonového koeficientu, běžně známého jako COP. COP podrobně popisuje vztah mezi množstvím elektrické energie vložené do tepelného čerpadla a množstvím vyprodukovaného tepla. Vzhledem k tomu, že kompresor je energeticky nejnáročnější proces, COP se obvykle vztahuje pouze na kompresor.

COP = (Q) Množství tepelné energie vyrobené kompresorem v kW děleno (W) Množstvím elektrické energie dodané kompresoru v kW.

Právě COP je zodpovědný za obrovskou účinnost tepelných čerpadel, obvykle se COP pohybuje mezi 3 a 4, což představuje účinnost 300 a 400 %. Je důležité si uvědomit, že nevytváříme energii ze vzduchu, pouze přenášíme 3 až 4 kW tepla z vnějšího systému do vnitřního s využitím 1 kW elektrické energie. Přitom dodržujeme princip zachování energie, jak jej popsal Einstein.