Ako funguje tepelné čerpadlo a prečo sa oplatí inštalovať? Prevádzka tepelného čerpadla je založená na cyklickej zmene fyzikálneho stavu (kvapalina - plyn - kvapalina - plyn) pracovného média cirkulujúceho v uzavretom systéme. Postupne sa odparuje, stláča, kondenzuje a expanduje.

Tepelné čerpadlo je zariadenie, ktoré využíva teplo z okolia na vykurovanie miestností - zvyčajne ho zbiera zo zeme, vody alebo vzduchu a dopravuje ho do vykurovacieho systému. Týmto spôsobom vám umožňuje využívať energiu, za ktorú nemusíte platiť. Tepelné čerpadlo navyše nespotrebováva žiadne palivo, nevypúšťa výfukové plyny a efektom jeho prevádzky je len o niekoľko stupňov zníženie teploty média, z ktorého získava teplo.Znie to povzbudzujúco, však? Áno, ale musí to mať háčik – nič nie je zadarmo.

Obsah

  1. Ako funguje vykurovací systém s tepelným čerpadlom
  2. Ako funguje tepelné čerpadlo - ako sa prenáša teplo?
  3. Ako funguje tepelné čerpadlo zemného zdroja
  4. Energia z podzemnej vody
  5. Ako funguje plynové absorpčné tepelné čerpadlo

Ako funguje vykurovací systém s tepelným čerpadlom

V prvom rade je tepelné čerpadlo pomerne drahé. Našťastie však nie natoľko, aby sa nedal široko využívať. Druhý problém – na prepravu tepla musí byť tepelné čerpadlo poháňané energiou. V bežne používaných zariadeniach je to elektrina – najdrahšia z obľúbených nosičov energie. Hovorí sa, že tepelné čerpadlo nepotrebuje veľa a jeho prevádzka je veľmi lacná, no je to naozaj tak? Koniec koncov, ziskovosť jeho použitia závisí od toho.

Typický systém vykurovania tepelným čerpadlom pozostáva z 3 základných komponentov:

  • tepelné čerpadlo
  • dolný zdroj tepla
  • vrchný zdroj tepla

Spodným zdrojom tepla môže byť inštalácia, ktorá umožňuje zhromažďovanie tepla zo zeme alebo z vodnej nádrže, prípadne zariadenie slúžiace na jeho príjem zo vzduchu (s ventilátorom).

Horným zdrojom tepla je spravidla systém jeho rozvodov v budove, t.j. rozvod ústredného kúrenia a príprava teplej úžitkovej vody (systém je možné prevádzkovať aj v opačnom smere - vykurovacie zariadenie potom sa stáva spodným zdrojom a používa sa na chladenie miestností).

Ako funguje tepelné čerpadlo - ako sa prenáša teplo?

Ako je možné, že teplo z chladnejšieho prostredia sa prenáša do oveľa teplejších miestností?

Na prenos tepla z dolného zdroja s nízkou teplotou do horného zdroja, kde je teplota aj o niekoľko desiatok stupňov vyššia, slúži zariadenie zvané tepelné čerpadlo.To sa deje pomocou chladiva cirkulujúceho vo vnútornom okruhu tepelného čerpadla, čo je kvapalina so špecifickými vlastnosťami. Podlieha termodynamickým procesom: pri nízkej teplote sa vyparuje a tým absorbuje teplo z okolia. Už ako plyn sa stláča v kompresore poháňanom elektrinou, vďaka čomu sa zvyšuje jeho teplota. Stáva sa tak vysoká, že stačí ohrievať vodu v systéme ústredného kúrenia alebo vzduch vháňaný do miestností. Vydaním tepla pracovné médium kondenzuje a stáva sa kvapalinou. Preteká cez škrtiaci prvok, kde - v dôsledku expanzie - jeho teplota výrazne klesá. V tomto stave sa vracia do výmenníka, kde prijíma teplo z okolia a celý cyklus sa opakuje.

V najpopulárnejších tepelných čerpadlách používaných v rodinných domoch je za zvýšenie tlaku pary zodpovedný elektrický kompresor. Práve jeho práca umožňuje tepelnému čerpadlu prenášať teplo z média s nižšou teplotou do média s vyššou teplotou (čo – ako by sa mohlo zdať – odporuje druhému zákonu dynamiky).Výmena tepla medzi parami chladiva a vodou vo vykurovacom systéme prebieha vo výmenníku tepla, ktorý sa nazýva kondenzátor – pretože účinkom odovzdávania tepla vode je kondenzácia pary. V tomto bode síce končí transport tepla medzi spodným a horným zdrojom, ale v tepelnom čerpadle je potrebný ešte jeden proces - zníženie tlaku pracovného média, vďaka čomu jeho teplota klesne na nižšiu úroveň ako v spodnom zdroji tepla. , čo je podmienkou pre príjem tepla z neho. Expanzný ventil je zodpovedný za zníženie tlaku. Elektrická energia je potrebná pre chod kompresora, ako aj napájanie ďalších komponentov systému tepelného čerpadla – regulátora alebo obehových čerpadiel. To môže vyvolať obavy z prevádzkových nákladov.

Elektrina je však len časť energie dodávanej čerpadlom do miestností vo forme tepla. Zvyšok je spodný zdroj, čo znamená, že je zadarmo. Vďaka tomu je tepelné čerpadlo bez ohľadu na meniace sa ceny palív a energií stále jedným z najlacnejších vykurovacích zariadení na prevádzku a v tandeme s fotovoltaikou jeho prevádzka nemôže stáť takmer nič.

Ako funguje tepelné čerpadlo zemného zdroja

Pre tepelné čerpadlá, ktoré využívajú teplo zo zeme, je potrebná špeciálna inštalácia nazývaná zemný výmenník tepla na prenos tepla do výparníka čerpadla. Je vyrobený z flexibilných rúr, ktoré sa ukladajú do zeme v jednej alebo dvoch rovinách alebo vo forme špirály. Ak chcete získať čo najviac tepla, výmenník tepla by mal byť umiestnený v hĺbke, kde je najvyššia teplota zeme. Vzhľadom na náklady a rentabilitu investície je položená len mierne pod prízemnou zónou mrazu (v závislosti od regiónu Poľska je to od 0,8 do 1,4 m pod úrovňou terénu).

Množstvo tepla, ktoré je možné odoberať zo zeme, závisí predovšetkým od fyzikálnych vlastností pôdy, najmä jej vlhkosti, a do určitej miery aj od slnečného žiarenia územia. Hustota tepelného toku v ílovitej pôde dosahuje viac ako 30 W/m2, zatiaľ čo v suchej, piesočnatej pôde môže byť až 10 W/m2, teda trikrát menej.Plocha výmenníka potrebná na dosiahnutie vykurovacieho výkonu 10 kW sa preto môže pohybovať od 330 až po 1000 m22 Výmenníky položené vodorovne v zemi vyžadujú veľa miesta na pozemku.

Výmenníky vo forme vertikálnych sond sú v tomto smere menej náročné. Potrubie takéhoto výmenníka sa ukladá do vrtov s hĺbkou niekoľko desiatok až niekoľko stoviek metrov. Je to náročnejšie ako horizontálne kladenie rúr, vyžaduje si to špecializované vybavenie, a preto stojí viac. Môže sa však ukázať ako rentabilné na pozemkoch s veľmi nízkou hladinou spodnej vody, kde by horizontálny výmenník tepla musel mať veľmi veľkú plochu. Približne možno predpokladať, že na získanie 1 kW vykurovacieho výkonu je potrebný vrt s hĺbkou 20 m (t. j. až 200 m pri potrebe 10 kW). Spravidla sa namiesto jednej veľmi hlbokej studne vyvŕta niekoľko plytších studní, ktoré by mali byť od seba vzdialené aspoň 5 m.

Energia z podzemnej vody

Ak je dopyt po teple vysoký, môže byť výhodnejšie získavať energiu z podzemnej alebo povrchovej vody - ich teplota sa v zime pohybuje medzi 0 a 10 °C. Energetické ukazovatele takéhoto riešenia sú ešte priaznivejšie ako v prípade zemných čerpadiel, treba však počítať s dodatočnými nákladmi a problémami vyplývajúcimi zo znečistenia vody. Je potrebné ho často filtrovať a čistiť a dokonca vymieňať korozívne prvky inštalácie. Na dosiahnutie 10kW je potrebných viac ako 2 m3/h vody s teplotou 5°C, takže jej čerpanie spotrebuje značné množstvo energie, čo nepriaznivo ovplyvňuje účinnosť systému.

Ako funguje plynové absorpčné tepelné čerpadlo

Ide o špeciálny typ tepelného čerpadla, v ktorom sa na zvýšenie tlaku pár pracovného média nepoužíva elektrický kompresor. Namiesto toho má absorpčné čerpadlo systém nazývaný tepelný kompresor, ktorý pozostáva z absorbéra, generátora, čerpadla roztoku a expanzného prvku.Chladivom je vodný roztok čpavku R717, ktorý má nízky bod varu a nemá negatívny vplyv na životné prostredie. Po jeho naplnení už systém nevyžaduje dopĺňanie. K zvýšeniu teploty média v takomto zariadení nedochádza v dôsledku činnosti kompresora, ale v dôsledku činnosti plynového horáka (zemný plyn alebo skvapalnený plyn). Teplo, ktoré dodáva generátoru, spôsobuje odparovanie amoniaku z bohatého roztoku (obsahujúceho veľa amoniaku) a výsledná para odovzdáva teplo do kondenzátora, kde sa ohrieva voda, ktorá napája vykurovací systém. Potom ide chladivo do expanzného ventilu, odkiaľ nízkotlakový kvapalný amoniak prúdi do výparníka, kde odoberá teplo zo spodného zdroja, ktoré sa odparuje. Pary amoniaku sú absorbované chudobným roztokom amoniaku (v absorbéri) a následne čerpané do vyhnívacieho zásobníka pomocou čerpadla. Spotrebu elektrickej energie možno považovať za zanedbateľnú, keďže poháňa len čerpadlo roztoku a ventilátor (potrebný na extrakciu tepla zo vzduchu).Na druhej strane spotreba plynu je nižšia ako v prípade obľúbených kondenzačných kotlov o 20-25%. Plynové absorpčné tepelné čerpadlá dokážu využívať rôzne druhy nižších zdrojov – vzduch, zem, vodu a odpadové teplo. Sú určené pre vonkajšiu inštaláciu, čím sa vyhnete výdavkom a prípadným nepríjemnostiam spojeným s inštaláciou dymovodu, zavedením plynového systému do objektu a zabezpečením v tomto prípade potrebnej ventilácie.

Kategórie:

Rekonštrukcia