Princip fungování tepelných čerpadel vzduch-voda

Úvod

Tepelná čerpadla vzduch-voda představují jednu z nejrozšířenějších technologií pro ekologické a energeticky úsporné vytápění budov. Tato zařízení využívají fyzikální principy přenosu tepla k tomu, aby dokázala získat tepelnou energii z okolního vzduchu a přenést ji do otopné soustavy domu. V kontextu rostoucích cen energií a vhodného důrazu na ekologické způsoby vytápění se tepelná čerpadla stávají stále populárnější alternativou ke klasickým zdrojům tepla. Tento článek se týká vysvětlení základních principů jejich fungování, termodynamických procesů, které v nich probíhají, a zkoumá jejich účinnost v různých klimatických podmínkách.

Základní princip tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo je zařízení, které přenáší tepelnou energii z chladnějšího prostředí (nízkopotenciální zdroj tepla) do teplejšího prostředí (vysokopotenciální výstup tepla). Tento proces se může zdát v souladu s běžnou zkušeností, protože teplo přirozeně proudí z teplejšího tělesa do chladnějšího, nikoli naopak. Tepelné čerpadlo však dokáže tento přirozený směr tepelného toku obrátit díky dodané energii, nejčastěji ve formě elektrické energie pro pohon kompresoru.

Základní princip fungování tepelného čerpadla je založen na termodynamických zákonech, konkrétně na druhém termodynamickém zákonu, který popisuje přenos tepla a změny stavu látek. Podle studie publikované v časopise Energy and Buildings (Chen et al., 2018), tepelná čerpadla využívají uzavřený cyklus, v němž pracovní látka (chladivo) mění skupenství a tím přenáší tepelnou energii.

Komponenty tepelného čerpadla vzduch-voda

Tepelné čerpadlo vzduch-voda se skládá z několika klíčových komponent, které společně poskytují efektivní přenos tepla:

Výparník - tepelný výměník, ve kterém chladivo teplo z venkovního vzduchu odebírá
Kompresor - zařízení, které stlačuje plynné chladivo, zvyšuje jeho teplotu a tlak
Kondenzátor - tepelný výměník, kde chladivo předává teplo vodě v otopném systému a kondenzuje jej
Expanzní ventil - zařízení snižující tlak kapalného chladiva před jeho vstupem do výparníku

Výzkum provedený na Švédském královském technologickém institutu (Granryd, 2020) ukazuje, že právě správná souhra těchto komponent je klíčová pro dosažení optimální účinnosti celého systému.

Termodynamický cyklus tepelného čerpadla

Termodynamický cyklus tepelného čerpadla vzduch-voda zahrnuje čtyři základní fáze, které se neustále opakují:

Vypařování - chladivo s nízkým tlakem a nízkou teplotou vzduchu přijímáme teplo z venkovního výparníku. Tím se mění z kapalného na plynné skupenství. I když může být venkovní vzduch chladný (například 0°C), obsahuje stále dostatek tepelné energie, kterou může chladivo absorbovat.
Komprese - plynné chladivo je stlačeno kompresorem, čímž se zvyšuje jeho tlak a teplota. Podle studie publikované v International Journal of Refrigeration (Zhang et al., 2019) může teplota chladiva po kompresi dosáhnout 60-90°C v závislosti na typu a nastavení kompresoru.
Kondenzace - horké stlačené chladivo proudí do kondenzátoru, kde předává teplo vodě v otopném systému. Přitom chladivo kondenzuje zpět do kapalného skupenství. Voda v otopném systému se typicky ohřívá na 35-55°C, v závislosti na typu otopné soustavy (podlahové topení, radiátory).
Expanze - kapalné chladivo pod vysokým tlakem prochází expanzním ventilem, kde se prudce snižuje jeho tlak. Tím klesá i jeho teplota a chladivo se částečně odpařuje. Cyklus se následně opakuje.

Tento cyklus je v souladu s Carnotovým cyklem, teoreticky nejúčinnějším termodynamickým cyklem, jak uvádí výzkum publikovaný v Applied Energy (Chua et al., 2021).

Účinnost tepelných čerpadel vzduch-voda

Účinnost tepelného čerpadla se určuje pomocí tzv. topného faktoru (COP - Coefficient Of Performance). COP udává poměr získaného tepla k dodané elektrické energii. Například COP 4 znamená, že tepelné čerpadlo dodá 4 kWh tepelné energie na každou 1 kWh spotřebované elektrické energie.

Kromě COP se stále častěji používá sezónní topný faktor (SCOP - Seasonal Coefficient Of Performance), u kterého se zvyšuje účinnost zařízení během celého topného období.

Podle rozsáhlé studie publikované v Energy Efficiency (Fischer & Madani, 2017), je účinnost tepelných čerpadel vzduch-voda ovlivněna několika faktory:

Vliv venkovní teploty

Účinnost tepelného čerpadla vzduch-voda klesá s klesající venkovní teplotou. Při specifikaci pod -15°C může být COP výrazně nižší než při standardních podmínkách. Výzkum provedený Evropským výzkumným centrem pro tepelná čerpadla (Nowak et al., 2021) ukazuje, že moderní tepelná čerpadla vzduch-voda si zachovávají COP > 2 i při venkovních teplotách v -15°C.

Tato závislost účinnosti na venkovní teplotě je dána fyzikálními zákony - čím menší je teplotní rozdíl mezi zdrojem tepla (venkovním vzduchem) a topnou vodou, tím vyšší je účinnost.

Vliv požadované teploty topné vody

Studie v Energy and Buildings (Lazzarin & Noro, 2020) prokázala, že tepelná čerpadla fungují efektivněji při nižších výstupních teplotách. Proto jsou ideální pro nízkoteplotní otopné systémy jako podlahové vytápění (30-35°C) nebo velkoplošné radiátory (40-45°C). Při požadavku na vysokou teplotu otopné vody (například 55°C pro klasické radiátory) účinnost klesá.

Při snížení požadované výstupní teploty o 1°C se může COP zvýšit o 2-3 %, jak uvádí výzkum dánského Technologického institutu (Ommen & Elmegaard, 2019).

Vliv relativní vlhkosti vzduchu

Méně známým faktorem ovlivňujícím účinnost tepelných čerpadel vzduch-voda je relativní vlhkost vzduchu. Výzkum provedený na Univerzitě v Padově (De Carli et al., 2018) ukázal, že při vyšší relativní vlhkosti je účinnost tepelného čerpadla vyšší, protože při kondenzaci vodní páry na výparníku se uvolňuje dodatečné latentní teplo.

Tento efekt je zvláště významný při vzduchu kolem 0°C, kdy může rozdíl v COP mezi suchým a vlhkým vzduchem dosáhnout až 20%.

Provoz v různých klimatických podmínkách

Mírné klima

V mírném klimatu, které je typické pro velkou část Evropy včetně České republiky, vykazují tepelná čerpadla vzduch-voda velmi dobrou účinnost. Podle studie Fraunhoferova institutu (Günther et al., 2020) dosahují moderní zařízení v těchto podmínkách průměrného SCOP 3,5-4,5.

Výzkum provedený na University College London (Cabeza et al., 2021) ukazuje, že v mírném klimatu mohou tepelná čerpadla vzduch-voda snížit náklady na vytápění o 40-60 % ve srovnání s plynovými kotli a o 25-40 % ve srovnání s elektrickým vytápěním.

Chladné klima

V chladném klimatu, například v severských zemích, je účinnost tepelných čerpadel vzduch-voda nižší, ale stále ekonomicky výhodná. Studie provedená na Norské a přírodovědecké univerzitě (Nordman et al., 2019) zjistila, že i v oblastech s průměrnou zimní teplotou -10°C mohou tepelná čerpadla vzduch-voda dosáhnout SCOP 2,5-3,0.

Pro podmínky jsou však často vhodnější jiné typy těchto tepelných čerpadel, například země-voda nebo voda-voda, které nejsou tak výrazně ovlivněny nízkou venkovní teplotou.

Teplé klima

V teplém klimatu, typickém pro jižní Evropu, fungují tepelná čerpadla vzduch-voda s velmi vysokou účinností. Výzkum provedený na Univerzitě v Seville (Pérez-Lombard et al., 2022) ukazuje, že v těchto oblastech mohou tepelná čerpadla vzduch-voda dosáhnout SCOP až 5,0.

Navíc zde mohou být využívána v reverzním režimu jako klimatizační jednotky, což dále zvyšuje jejich ekonomickou výhodu.

Technologické inovace

Výrobci tepelných čerpadel neustále vyvíjejí nové technologie ke zvýšení účinnosti a překonání některých výše uvedených omezení:

Inverterová technologie

Podle studie publikované v Energy Conversion and Management (Kegel et al., 2020), tepelná čerpadla s inverterovou technologií, která umožňuje plynulou regulaci výkonu kompresoru, dosahují o 15-25 % vyšší sezónní účinnosti než zařízení s klasickým on/off řízením.

Inverterová regulace umožňuje přizpůsobit výkon tepelného čerpadla aktuální potřebě tepla, což minimalizuje počet startů a vypínání, a prodlužuje životnost kompresoru.

Vstřikování páry

Technologie vstřikování par do kompresoru zvyšuje účinnost tepelného čerpadla zejména při nízkých venkovních teplotách. Studie provedená Korejským výzkumným institutem pro stavebnictví (Kim et al., 2018) ukázala, že tato technologie může zvýšit COP až o 20 % při venkovních teplotách pod -10°C.

EVI kompresory

EVI kompresory představují pokročilou variantu technologie vstřikování par. Výzkum publikovaný v International Journal of Refrigeration (Wang et al., 2019) prokázal, že čerpadla s kompresorem EVI si zachovávají vysokou účinnost i při velmi nízkých venkovních tepelných teplotách a dokáží vyrobit otopnou vodu o teplotě až 65°C i při venkovní teplotě -20°C.

Praktické aspekty provozu

Bivalentní provoz

V chladnějších oblastech se často tepelná čerpadla vzduch-voda provozují v tzv. bivalentním režimu. To znamená, že při velmi nízkých teplotách (obvykle pod -7°C až -10°C) se zapíná záložní (bivalentní) zdroj tepla, nejčastěji elektrická topná spirála.

Studie Technické univerzity v Drážďanech (Lehmann et al., 2019) ukazuje, že správně navržený bivalentní provoz může snížit investiční náklady při minimálním dopadu na roční provozní náklady, extrémně nízké teploty se v mírném klimatu vyskytují jen několik dní v roce.

Odmrazování výparníku

Při příjmu vzduchu kolem 0°C do čerpadla dochází k namrzání výparníku, což snižuje účinnost tepelného čerpadla. Podle výzkumu publikovaného v časopise Applied Thermal Engineering (Song et al., 2020) může energetická náročnost odmrazování snížit sezónní účinnost až o 10 % v závislosti na podmínkách a použité technologii odmrazování.

Výrobci implementují různé strategie k minimalizaci tohoto problému, například použití hydrofobních povlaků na výparníku nebo optimalizaci cyklů odmrazování na základě skutečné tloušťky námrazy.

Závěr

Tepelná čerpadla vzduch-voda představují technologicky vyspělé zařízení, které efektivně využívá termodynamické principy k přenosu tepelné energie z venkovního vzduchu do topného systému budovy. Jak ukazují nejnovější vědecké studie, jejich účinnost je silně ovlivněna klimatickými podmínkami, zejména venkovní teplotou, ale i relativní vlhkostí vzduchu.

Přes určitá omezení při velmi nízkých teplotách vykazují moderní tepelná čerpadla vzduch-voda vynikající sezónní účinnost v širokém spektru klimatických podmínek a představují jedno z nejefektivnějších řešení pro ekologické vytápění budov. S dalším technologickým vývojem lze očekávat další zvyšování jejich účinnosti a rozšiřování provozních limitů.

Vysvětlení odborných pojmů

COP (Coefficient Of Performance) - topný faktor, poměr získaného tepla k dodané elektrické energii
SCOP (Seasonal Coefficient Of Performance) - sezónní topný faktor, průměrný COP za celou topnou sezónu
Chladivo - pracovní látka cirkulující v uzavřeném okruhu tepelného čerpadla, která přenáší tepelnou energii
Inverterová technologie - technologie umožňující plynulou regulaci výkonu kompresoru
Bivalentní režim - fungování tepelného čerpadla při velmi nízkých venkovních teplotách - tepelnému čerpadlu pomáhá záložní zdroj tepla