dnes je 8.2.2023

Input:

Tepelná čerpadla: Část 1 - Princip jejich fungování

24.1.2023, , Zdroj: Verlag Dashöfer

12.2.1
Tepelná čerpadla: Část 1 – Princip jejich fungování

Ing. Bohumír Číhal

Tepelná čerpadla

U spotřeby energie v obytných budovách má rozhodující význam podíl tepelné energie. Téměř 86 % energetické potřeby soukromých domácností připadá na vytápění a přípravu teplé vody. Významnou úlohu zde v budoucnosti mohou sehrát obnovitelné zdroje energie – jmenovitě tepelná čerpadla.

Tepelná čerpadla jsou obecně zařízení, která čerpají teplo z jednoho místa na jiné vynaložením vnější práce. Z našeho hlediska využití na své primární straně odnímají teplo z jedné teplonosné látky a převádějí ho na své sekundární straně do jiné teplonosné látky. Z historického pohledu se jedná o princip používaný v chladícím zařízení, který bylo třeba pro využití tepelné energie aplikovat v opačném směru.

Teplo přechází (z fyzikálního principu) z prostředí teplejšího (zdroj tepla) do chladnějšího. Aby bylo možné zužitkovat teplo z jednoho prostředí (ze země, ze vzduchu nebo ze spodních vod), je nutné toto teplo "přečerpat" na vyšší úroveň. Potom může být využito pro vytápění a přípravu teplé vody, přestože na primární straně je venkovní vzduch, země či voda s teplotami okolo nuly (v případě vzduchu i s teplotami výrazně pod nulou), na sekundární straně získáme teplou vodu o teplotě 55 °C a vyšší.

Základní požadavky kladené na zdroj energie pro tepelné čerpadlo jsou dostupnost, kapacita a vyšší teplota.

Teploty přírodních zdrojů tepla:

Zdroj tepla Teploty
Vzduch +25 až -18 °C
Země +2 až +10 °C
Spodní voda (studny) +8 až +12 °C
Povrchová voda (vodoteč) +18 až ± 0 °C

Z technologického principu se používají dva typy tepelných čerpadel:

  • Kompresorová tepelná čerpadla
    V současnosti nejběžnější systém. Oběh tepelného média v zařízení zajišťuje kompresor – elektrický motor nebo plynová turbína.

  • Sorpční tepelná čerpadla
    Sorpční oběh je založen na principu absorpce (pohlcování uvnitř dané látky např. plynů v kapalině) nebo adsorpce (pohlcování na povrchu látky). Pracují bez kompresoru, jsou méně hlučná, vyžadují zdroj tepla (spalování paliva, solární energie apod.).

Tepelná čerpadla s kompresorem

Princip funkce

K tomu, aby došlo k transportu tepelné energie z prostředí o nižší teplotě do prostředí s teplotou vyšší, musíme dodat energii. V tomto případě elektrickou energii pro elektromotor pohánějící kompresor v tepelném čerpadle.

Základním principem tepelného čerpadla je oběh chladiva, poháněný kompresorem. Konstrukčně je shodný s oběhem chladiva chladničky, pouze úkol je zde opačný. V případě chladničky je teplo chlazenému předmětu odebíráno a (na zadní straně přístroje) odváděno do prostoru. U tepelného čerpadla je teplo odebíráno z vhodného prostředí (voda, země, vzduch) a přiváděno do topného systému. Pro správný chod tepelného čerpadla je zásadní chladicí médium, což je látka, která vyniká extrémně nízkým bodem varu.

Oběh chladiva tepelného čerpadla:

Poznámka: Tepelné a tlakové údaje v obrázku jsou ilustrativní

Princip funkce je znázorněn na uvedeném obrázku. V uzavřeném oběhu se pracovní médium, které dosahuje bodu varu již při nízkých teplotách, střídavě odpařuje, stlačuje, zkapalňuje a expanduje. Základní části tohoto systému tvoří

  • Výparník – ohřátí chladiva přiváděným médiem
    Ve výparníku se nachází kapalné chladivo pod nízkým tlakem, propouštěné od expanzního ventilu. Má nižší teplotu než je teplota tepelného zdroje. Do výparníku se přivede přes výměník ze zdroje teplo (vzduch, voda) a uvede do kontaktu s chladicí kapalinou. Teplo tak teče od tepelného zdroje na chladivo, které se bude odpařovat a začne ochlazovat výparník, který tím získá nižší teplotu, než má okolní prostředí. Studený plyn uvnitř výparníku se ohřeje vlivem teplejšího prostředí, přičemž bude kolovat do druhé části tepelného čerpadla.

  • Kompresor – prudké stlačení chladiva
    Kompresor stlačuje na vysoký tlak plynné chladivo, které si sebou nese z okolního prostředí získanou energii, a zahřívá je tak intenzivně, že je teplota chladiva po stlačení vyšší než teplota potřebná pro vytápění a přípravu teplé vody. Rovněž hnací energie potřebná pro pohon kompresoru se přeměňuje na teplo a působí na chladivo. V tuto chvíli je plyn hnán do třetí části čerpadla.

  • Kondenzátor – předání tepla přes výměník
    V kondenzátoru se odevzdává veškerá tepelná energie a následně se předává do topného sytému přes výměník tepla, který velmi horké a pod vysokým tlakem se nacházející chladivo (ve formě páry) silně ochladí. Pára kondenzuje a mění se zpět v kapalinu proudící do expanzního ventilu.

  • Expanzní ventil – snižování tlaku
    Přes expanzní ventil proudí chladivo zpět do výparníku. V tomto místě se pomocí snížení tlaku kapalina podchladí na původní hodnotu a tím je oběh uzavřen.

Kompresor tepelného čerpadla

Kompresor tvoří nejdůležitější část tepelného čerpadla. Na jeho kvalitě závisí ekonomika provozu a je také nejnákladnější součástí tepelného čerpadla.

Z konstrukčního hlediska se používají nejčastěji rotační kompresory dvou typů:

  • Kompresor rotační spirálový (scroll)
    Je tvořen dvěma spirálami vloženými do sebe, z nichž jedna je pevná a druhá excentricky krouží. Ve spirálách dojde k nasátí média a jeho stlačení směrem ke středu. Tím se zvyšuje tlak i teplota na požadovanou hodnotu. Ve středu spirály je výtlačná trubka. Díky svým konstrukčním vlastnostem jsou kompresory scroll použitelné v širokém rozmezí teplot a tlaků, s různými chladivy.
    Kompresory nemají klikový mechanizmus, a proto mají jen nepatrné vibrace, jsou bezmazné, bez převodu mezi motorem a pohyblivou deskou. Mají tichý chod a nejsou citlivé ke kapalinovému rázu. V současnosti se jedná o nejpoužívanější a nejlepší typ kompresoru. I přes svou vyšší cenu dosahuje nejlepších výsledků v topném faktoru.

    Rotační čerpadlo spirálové:

  • Kompresor rotační se dvěma komorami
    Kompresor je tvořen, pro dosažení potřebného tlaku, dvěma pevnými pracovními komorami. V nich se otáčí excentrická vačka, která stlačuje chladivo ve spolupráci pohyblivou komorovou přepážkou. Na tomto principu je řešeno několik variant čerpadel – se dvěma samostatnými komorami na společném hřídeli, resp. dvěma komorami vytvářenými v jednom tělese. Lamely při otáčení zmenšováním prostoru ve vhodně tvarovaných pracovních komorách chladivo stlačují. Při dosažení požadovaného tlaku v jedné komoře pružná zpětná klapka chladivo přepustí do druhé pracovní komory.
    Kompresory jsou kompaktní, mají malé vibrace, jejich provoz je tichý a pracují s vysokou účinností. Otáčky kompresoru je možné plynule řídit a tím regulovat výkon v rozmezí 20 až 100 %.

Rotační čerpadlo komorové:

  • Kompresory pístové
    Píst pohybující se ve válci stlačuje plyn a ten odchází z válce otevřeným výfukovým ventilem. Po dosažení horní polohy se výfukový ventil uzavře a otevře se sací. Stejný princip jako u spalovacích motorů, jen s tím rozdílem, že se ventily otvírají a zavírají pouze tlakem plynu.
    Pro tepelná čerpadla v uzavřeném provedení (motor ve společné nádobě s kompresorem) se kompresory vyrábějí jako jednoválcové, pro vyšší výkony až osmiválcové. Tato čerpadla jsou levnější, hlučnější a mají horší topný faktor. Jejich životnost je nižší.

  • ON/OFF kompresory
    ON/OFF kompresory nemají regulaci otáček, výkonu. Jejich výkon se mění pouze v závislosti na teplotních podmínkách. Tepelná čerpadla s těmito

Nahrávám...
Nahrávám...