Princíp tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlá

Energie okolo nás je všade dostatok, má však nízku teplotu na to, aby mohla byť využitá na ohrev teplej vody, na kúrenie, alebo na chladenie. Taktiež v prevádzke rôznych technológií je výstupom teplo (alebo aj chlad) s nízkou teplotou, ktoré sa ďalej dá len ťažko využiť. Existuje však technické zariadenie, ktoré vie túto plusovú, alebo mínusovú teplotu efektívne využiť a zvýšiť ju až na vykurovaciu teplotu 68 °C. Zariadenie sa nazýva tepelné čerpadlo.

Môžeme byť hrdí na to, že konštruktérom prvého tepelného čerpadla na svete je slovenský rodák Aurel Stodola.

Jeho tepelné čerpadlo z roku 1928 dodnes pracuje vo Švajčiarsku a vykuruje radnicu v Ženeve s odoberaním tepla z vody jazera (jedná sa o uzavretý okruh). Na Slovensku máme najdlhšie pracujúce tepelné čerpadlo bez poruchy v Hlbokom pri Bojniciach od r.1991.

Čo je vlastne tepelné čerpadlo?

Tepelné čerpadlo je jednoduché zariadenie, ktoré pracuje na princípe podobnom, ako chladnička (odoberá teplo z potravín, pričom jej hnacím prvkom je najčastejšie kompresor poháňaný elektromotorom a výmenníkom na zadnej strane teplo odvádza do okolitého prostredia). Tepelné čerpadlo taktiež odoberá vo výparníku odparením chladiva teplo z okolitého prostedia (ide len o 3 až 4°C zníženia teploty), tým prostredie ochladzuje a s pomocou hnacej energie (elektrickej, mechanickej, tepelnej) stlačené chladivo skonden-zovaním v kondenzátore odovzdá teplotu do prostredia s vyššou teplotou (napr. vykurovacie médium – voda) a tým ho zohrieva. Teplo privádzané z výparníka do kondenzátora sa pritom zvyšuje o teplo, na ktoré sa mení v kompresore hnacia energia.

Zjednodušene povedané, tepelné čerpadlo je vykurovacím zariadením, ktoré pracuje na opačnom princípe ako kompresorová alebo absorpčná chladnička.

Tepelné čerpadlo odoberá teplo z prostredia (vzduch, voda, pôda) a odvádza ho do vykurovacieho média, teda odvádza teplo z nižšej teplotnej hladiny do vyššej. Je schopné využiť aj relatívne chladný zdroj tepla (napr. studený vzduch alebo studenú vodu). Mení pritom energiu studeného zdroja tepla na paru pracovnej látky.
Veľmi jednoducho si tento proces možeme vyskúšať pomocou liehu, alebo kolínskej vody. Keď lieh (kolínsku vodu) kvapneme na ruku, rýchle sa odparí a miesto na ruke zostane chladnejšie, pretože odovzdalo teplo.
Poďla zdroja nízkopotenciálnej energie a vykurovacieho média, rozoznávame tieto základné druhy tepelných čerpadiel:
(vzduch – voda)
(voda – voda)
(zem – voda)
(vzduch – vzduch)
pričom prvá časť názvu uvádza nižšiu teplotnú hladinu (tzn. odkiaľ sa teplo odoberá) a druhá časť vyššiu teplotnú hladinu (kam sa teplo odovzdáva) .
Uveríte, že jedna kWh elektrickej energie sa premení na tri alebo až na päť prípadne až na sedem kWh tepelnej energie ? Áno, je to skutočnosť !
Napríklad pre vykurovanie a chladenie konkrétneho rodinného domu s bazénom na Slovensku v oblasti Serede by ste potrebovali pri plynovom kotli do roka na plyn pri súčasných cenách plynu sumu 54 638 Sk plus elektrickú energiu na klimatizáciu bazéna a pri použití tepelného čerpadla na vykuro-vanie (podlahové), chladenie (kapilárnymi rohožami) a prípravu teplej užitkovej vody a klimatizáciu potrebujeme len 19 471 Sk – rozdiel je evidentný.
Tepelné čerpadlo ale nie je perpetum mobile, pretože nepracuje bez dodanej energie. Jeho tepelný (vykurovací) výkon je daný súčtom oboch vložených energií a to energie z prostre-dia a energie napr. na pohon čerpadla vo vrte v studni, kompresora tepelného čerpadla a obehového čerpadla pre typ tepelného čerpadla voda-voda a je preto vždy väčší ako energia vynaložená na pohon horeuvedených elektrických zariadení.Na celkovom množstve tepla odovzdaného do druhého prostredia, a teda tepelnom výkone, sa asi 60 – 70% podieľa teplo odobraté z chladnejšieho prostredia (kde je zadarmo k dispozícií) a len asi 30 – 40% je dodaná energia (elektrina, plyn), ktorá sa musí zaplatiť.Pomer tepelného výkonu a príkonu je tzv. výkonové číslo, alebo vykurovací faktor . Výkonové číslo (vykurovací faktor) je vždy väčšie ako 1. Systém práce tepelných čerpadiel je plne automatizovaný s diaľkovým sledovaním a ovlá- daním cez GSM modul na mobil, resp. internet a automatickou reguláciou tepelného čer-padla (podľa vonkajšej teploty) a nadväzujúcich okruhov (vZŠ Kalnej n/Hr sa druh prípadnej poruchy SMS kou zasiela automaticky na mobil riaditeľa a školníka)

Kontrolu chodu a základnú reguláciu tepelného čerpadla Waterkotte pre prípad Základnej školy a Materskej škôlky v Kalnej nad Hronom zabezpečuje procesorový regulátor Resumat, ktorý je osadený priamo v kryte tepelného čerpadla. Okrem kontroly vlastných prevádzkových hodnôt tlakov a teplôt dokáže na základe meranej vonkajšej teploty a určenej ekvitermickej krivky pripravovať vodu s teplotou vhodnou priamo do okruhu ústredného vykurovania. Ak je požiadavka na teplú úžitkovú vodu, táto má vyššiu prioritu a čerpadlo ide na plný výkon, bez stráženia vratnej vody sekundárneho okruhu. Po vyhriatí zásobníka TÚV sa prevádzka znovu prepne na vykurovanie. Regulačná časť tepelného čerpadla je doplnená o elektrický rozvádzač s obslužnými a ochrannými obvodmi čerpadiel primárnych a sekundárnych, hydraulických okruhov a kompresora tepelného čerpadla. Rozvádzač pritom môže obsahovať aj obvody pre doplnkový elektrokotol ako prídavný zdroj pre požiadavku vyššieho tepelného výkonu, resp. záložného zdroja.
V našom prípade v Kalnej n/Hr majú budovy ZŠ a MŠ ako záložný zdroj plynovú kotolňu, ale nakoľko pre budúci rok je potrebné kombinovať viac druhov prípravy TÚV, použíli sme voľne programovateľný riadiaci systém Honeywell Excel, ktorý spolupracuje s regulátorom tepelného čerpadla a dokáže skĺbiť všetky horeuvedené požiadavky a zároveň vykonávať ďalšie funkcie ako je kontrola výšky hladiny vody vo vrte, kontrola teploty vsakovacej vody ako ochrany proti zamrznutiu(aj keď v prípade Kalnej n/Hr to je vylúčené nakoľko teplota podzemnej vody čerpanej z hĺbky 25 m je stála od 11,2 do 12,8°C a vo vsakovacom vrte sa ani pri práci tepelného čerpadla nemení a dlhodobo sa drží na úrovni okolo 11°C).
Parametre a výkony tepelného čerpadla pre vykurovanie pavilónu B Základnej školy a Materskej škôlky v Kalnej n/Hr (pavilón A, jedáleň a telocvičňa idú na plyn)
1.Tepelné čerpadlo DS 5194.4 výkon 125 kW až 194 kW – príkon 40,1 kW
2.Čerpadlo vo vrte v studni v hĺbke 25 m WILO TVU 4 – príkon 4,0 kW
3.Obehové čerpadlá 2 ks typ GHN 652 AR 2 x 1 kW – príkon 2,0 kW
SPOLU dodaný elektrický príkon – 46,1 kW
Spotreba vody pre požadované výkony min. 4,35 litra/s max. 6,6 litra/s Získaný tepelný výkon min 125 kW max. 194 kW

V Kalnej n/Hr ide o pilotný projekt pre školy a materské školy na Slovensku !

Spracoval : Doc.Ing.Michal Bartko,CSc