Ako funguje tepelné čerpadlo vzduch-vzduch ?

Klimatizácie sú invertorové tepelné čerpadlá vzduch-vzduch. Vykurovanie klimatizáciou je teda napriek všeobecnému, opačnému presvedčeniu dnes už veľmi úsporná záležitosť. Z 1 Kw elektrickej energie, dokážu dnešné, moderné klimatizácie vyrobiť aj viac ako 5 Kw energie tepelnej. Účty za elektrinu tak môžu byť až 5-násobne nižšie, ako pri vykurovaní elektrickými konvektormi. Ako je to možné? Ako je možné, že klimatizácia tak úsporne kúri a to bez akejkoľvek špirály? Ako môže vyrobiť viac energie ako je do nej vložené? Veď to nie je perpetuum mobile? V tomto článku Vám podrobne vysvetlím princíp fungovania klimatizácie v režime vykurovania, resp. na rovnakom princípe pracuje každé tepelné čerpadlo aj vzduch-voda.

Samozrejme tepelné čerpadlo nie je perpetuum mobile a nijak neobchádza zákony termodynamiky. Tepelné čerpadlo pracuje na rovnakom princípe ako chladnička a na svoje fungovania využíva predovšetkým dva fyzikálne mechanizmy a to:

1. Zmeny skupenstiev látok - vyparovanie a kondenzácia a s tým spojené pohlcovanie alebo uvoľňovanie energií

2. Druhý zákon termodynamiky, podľa ktorého platí, že teplo je vždy transportované z teplejšieho do chladnejšieho prostredia. To je logické, práve preto v zime musíme vytápať, lebo teplo z našich domovov neustále "uniká" do prostredia chladnejšieho teda vonku.

V podstate tepelné čerpadlo dokáže využiť energiu z nízkopotenciálneho prostredia, ktorej je obrovské množstvo vo vzduchu a prečerpať ju do iného prostredia, v našom prípade z vonku do domu. Ako je to ale možné, ak druhý zákon termodynamiky hovorí opak? Ako môže TČ prečerpať teplo z chladnejšieho do teplejšieho prostredia?

Znie to zložito, ale predstavte ste si, že je horúci sparný deň a 32°C. Zrazu príde búrka a ochladí sa na 22°C. Citeľne zmenou prúdenia atmosféra odobrala z nášho okolia tepelnú energiu, ktorá sa prejavila poklesom teploty o 10°C. To vnímame ako príjemné ochladenie. Z fyzikálneho hľadiska rovnaké množstvo energie zo vzduchu odoberieme, ak povedzme vzduch s teplotou 5°C ochladíme na -5°C. Alebo vzduch s teplotou -5°C ochladíme na -15°C. A presne toto robí tepelné čerpadlo. Ochladzuje "seba" na nižšiu teplotu ako je teplota okolitého vzduchu, aby z tohto pre neho "teplejšieho" vzduchu okolia teplo odobralo "pohltilo", prečerpalo a aby druhý zákon termodynamiky ostal zachovaný. Z kvantitatívneho hľadiska je toho vzduchu v exteriéri okolo nás neobmedzené množstvo a aj pre nás ľadový vzduch obsahuje určité množstvo energie, ktorý sa dá takmer vždy ešte viac ochladiť a prečerpať. Nech Vás nemätie fakt, že subjektívne a teplotne už vnímame tento vzduch ako chladný.

Veľmi dôležité časti každej klimatizácie a tepelného čerpadla sú dve jednotky -výparníky, z ktorej jedna je umiestnená v exteriéri a druhá v interiéri. V týchto okruhoch prúdi látka, ktorá mení svoje skupenstvá a tým sa uvoľňujú, alebo pohlcujú množstvá energie.

Poďme sa ale pozrieť do prírody na prírodné tepelné čerpadlo, ktorým je napr. atmosféra. Energia atmosféry je daná hlavne zmenami skupenstiev, v našom prípade vody. Schopnosť vody prenášať energiu formami zmenami skupenstiev je kľúčová pre naše počasie a energiu atmosféry. Prúdenie, búrky, vietor, hurikány obsahujú obrovské množstvá energií, čo je v podstate energia skupenských zmien.

V tepelnom čerpadle sú kľúčové dve javy, a to vyparovanie a kondenzácia. Rovnaké je to aj v našom prípade letnej búrky ako vidíte na prvom obrázku. Prehriatý vzduch pri panelákoch na sídlisku má 30°C, avšak v neďalekom lesíku je len 25°C. Prebieha tu totižto vyparovanie vody. Vyparovanie spotrebuje množstvo tepelnej energie, takže svoje okolie logicky ochladí. Preto je v horúci deň omnoho príjemnejšie v lese, ako na betónovom parkovisku pred nákupným centrom. Preto napr. keď vyleziete v horúcom lete z bazéna je vám aj tak chladno. Voda z vás sa odparuje a na to spotrebúva teplo vášho tela, teda ochladzuje okolie.

Na odparenie jedného litra vody, je potrebných zhruba 0,7kw energie. Takže jeden vzrastlý strom, ktorý denne odparí zhruba 100 litrov vody za desať hodín, spotrebuje v podstate 70 Kwh energie. Jeden strom tak svoje okolie chladí výkonom zhruba 7Kw. Čo je výkon minimálne 10 chladničiek, alebo povedzme 4 klimatizácií o výkone 2Kw. Takúto silu má príroda! Čo ste si isto všimli, ak ste išli nejakou alejou so starými stromami v horúci, letný deň. Výparom sa teda energia spotrebuje. Teplý, prehriaty a vlhký vzduch stúpa zákonite hore. S výškou klesá tlak a teplota. Vzduch sa teda rozpína a ochladzuje, až dosiahne teplotu rosného bodu a nastane ďalší dôležitý proces, a to kondenzácia. Voda sa teda mení z pary na vodu vzniká mrak. Pri tomto procese sa uvoľňuje obrovské množstvo energie. Táto energia mierne oteplí svoje okolie, ale v týchto výškach je aj tak extrémne chladno. Väčšina energie zo skupenskej premeny sa premení na energiu atmosféry, t.j. napr. prúdenie, vietor a iné atmosférické procesy. Napr. aj silné zostupné prúdy, ktoré strhávajú vodu a studený vzduch s vyšších vrstiev a ochladzujú naše prízemné vrstvy, najmä dažďom, lejakmi a následným odparovaním. O tom aké obrovské energie sa uvoľňujú pri kondenzácií asi najlepšie odzrkadľujú silné búrky s nárazovým vetrom, bleskami, ktoré páchajú extrémne škody a kto niekedy zažil hurikán, tak na vlastné oči pocítil silu ohromnej energie, ktorá je daná schopnosťou vody prenášať slnečnú energiu v atmosfére, a to zmenou skupenstva.

Tepelné čerpadlo využíva na svoje fungovanie rovnaký fyzikálny princíp, ktorý je podrobne popísaný na obrázku nižšie:

Na obrázku vidíme dve jednotky spojené systémom obehu s dvoma vetvami s potrubím, v ktorom neprúdi voda, ale špeciálna látka, ktorá ľahšie mení skupenské stavy a má nízky bod varu. Látka sa nazýva chladivo a momentálne sa používa vysoko efektívne a aj ekologické chladivo, s označením R32. Jednotka je zložená z vonkajšej jednotky, ktorá je v tomto prípade výparník a z vnútornej jednotky -kondenzátor. Medzi vnútornou a vonkajšou jednotkou chladivo mení skupenstvá, čím sa dosahuje uvoľňovanie, alebo pohlcovanie energií.

Uvažujme s teplotou v exteriéri +5°C, pričom vo vnútri nastavíme na termostate hodnotu 22°C. jednotka teda pracuje vo vykurovacom režime. Vnútorný výmenník je horúci a pracuje ako kondenzátor, lebo chladivo je v tejto časti v kvapalnom stave. Chladnejší vzduch v miestnosti prechádza vnútorným výmenníkom a ochladzuje ho až chladivo dôjde k vonkajšej jednotke k tzv. expanznému ventilu. Tu sa prudko zníži tlak a chladivo sa začne odparovať -rozpínať. Rovnako ako v našej atmosfére, plyn sa môže rozpínať len na úkor svojej vnútornej energie, takže dôsledkom toho sa plyn veľmi podchladí a prúdi do vonkajšieho výparníka, kde sa ďalej odparuje, ale keďže okolitý vzduch má teplotu +5°C a výparník a povedzme vzduch v tesnom okolí výparníka -10°C, začne sa náš plyn za pomoci teplejšieho vzduchu zahrievať, odoberať teplo zo vzduchu. Tomuto procesu je zvyčajne ešte napomáhané pomocou ventilátora, ktorý ešte urýchli prúdenie a "ohrievanie" nášho plynu vo výparníku. Preto ako ste si isto všimli, každé tepelné čerpadlo vyzerá ako akási skrinka s vrtuľou. Za tou vrtuľou aj po boku je práve ten výparník. Plyn sa teda dostáva do ďalšej, najhlavnejšej časti systému a tou je kompresor, pričom so sebou si už nesie istú dávku "tepla" odobratého s vonkajšieho vzduchu, ktorý bol pre náš plyn teplejší, ako jeho prostredie, teda podľa 2. zákona termodynamiky teplo vždy prúdi z teplejšieho do chladnejšieho prostredia, to musí platiť. Náš plyn je síce mierne ohriatý, ale na vyhriatie vzduchu by to určite nestačilo. Preto plyn prinútime zmeniť skupenstvo. Na to slúži kompresor, ktorý plyn stlačí, vzrastie tlak a plyn kondenzuje. Z príkladu aj z atmosféry vieme, že pri kondenzácií sa uvoľňuje množstvo energie. Plyn teda zmení skupenstvo a smerom k vnútornej jednotke sa skvapalnil a nesie so sebou množstvo tepelnej energie. Výmenník, ktorý pracuje vo vnútornej jednotke ako kondenzátor má teplotu až 60°C. Vo vnútornej jednotke sa spustí ventilátor, ktorý ženie chladnejší, izbový vzduch cez výmenník a ten predáva teplo do miestnosti. Chladivo sa ochladzuje od okolitého vzduchu a prúdi už s nižšou teplotou smerom k expanznému ventilu a cyklus začína odznova.

V prípade, že jednotku zapneme do režimu chladenia, systém bude fungovať ako klimatizácia. Celý cyklus pracuje presne rovnako, len v obrátenom režime. T.j. vnútorná jednotka pracuje ako výparník a vonkajšia ako kondenzátor. Vonkajšia jednotka je teda teplejšia ako prostredie a teplo teda prúdi smerom von do vonkajšieho -chladnejšieho prostredia a jednotka dnu je ľadová a ochladzuje vzduch v interiéri. To je celá veda.

Ako vidíte na obrázku, tepelné čerpadlo spotrebuje elektrickú energiu len na pohon kompresora. Na zhruba 1 Kw elektriny vyprodukované teplo je rovné aj 5Kw. To teplo sa nevyrobí ako perpetuum mobile, ale odoberie z okolitého vzduchu. Systém aktuálnej účinnosti preto udáva tzv. vykurovací faktor COP. Toto číslo udáva, koľko Kw tepla dokáže zariadenie vyrobiť z jedného Kw energie elektrickej. Každá klimatizácia má toto číslo uvedené v technickom liste. Avšak zvyčajne sa toto číslo udáva ako SCOP, t.j. spriemerované za celé vykurovacie obdobie aj podľa geografickej polohy. Najlepšie zariadenia dosahujú SCOP aj nad 5, avšak väčšinou len pre miernejšiu časť Európy. T.j. západ a časti južnejšie, s oceánskym typom podnebia, kde sú zimy mierne. Čím je väčší mráz, tým nižší je koeficient COP. To je logické, aj chladivo má svoje limity. Čím je vzduch v exteriéri chladnejší, tým nižšie sa musí výparník "podchladiť" aby dokázal ešte z ľadového vzduchu odčerpať nejakú energiu. Pri teplotách pod -15°C je to už aj pre tepelné čerpadlo dosť ťažké. Vzduch je tak chladný, že obsahuje veľmi málo tepelnej energie, ktorá sa dá využiť. Zároveň je za potreby dodať do domu viac tepla. Kompresor teda musí pracovať na vyšší výkon. Stúpa spotreba aj elektrickej energie. Preto výkon tepelných čerpadiel vzduch-niečo s klesajúcou teplotou v exteriéri klesá. Napriek tomu po väčšinu roka nám tepelné čerpadlo dokáže vyrábať dostatok tepla za minimálne náklady. Dní, kedy je v našich južnejších oblastiach -15 až -20°C, kedy už kúrenie tepelným čerpadlom naráža na svoje limity, je naozaj málo. Tých zopár dní do roka sa dá prežiť aj so záložným zdrojom vytápania.