Jak funguje tepelné čerpadlo: Základní principy

Tepelné čerpadlo funguje na principu převodu tepla z venkovních prostor (ze vzduchu, země či vody) dovnitř objektu. Díky správné technologii práce s párami chladiva dokáže tepelné čerpadlo "vycucnout" teplo z venčí i v případě, že je tam chladněji než uvnitř. Aktuálně se jedná o jedno z nejefektivnějších řešení pro vytápění.

Tepelné čerpadlo a lednička – stejný princip fungování

Na úplně stejném principu jako tepelné čerpadlo funguje i lednička, kde je teplo také odváděno ze studenějšího místa (z výparníku) na místo teplejší. Přiložíte-li ruku za ledničku, zjistíte, že poměrně vydatně „topí“. Je to právě to teplo, které bylo odvedeno z výparníku chladničky. Ale zpět k tepelným čerpadlům...

Termodynamické zákony v praxi

„Teplo se může samovolně šířit pouze z místa teplejšího na místo studenější", tak říká přirozený a všem známý základní princip přírody, o kterém mluví II. zákon termodynamiky (vědní disciplína zabývající se jevy spojenými s přenosem tepla). V uvedené formulaci je však podstatné slovíčko „samovolně“.  Vhodným dodáním energie umíme totiž tento přirozený, samovolný tok tepla otočit a odvádět teplo z místa studenějšího na místo teplejší.

Abychom pochopili,  na jakém principu fungují tepelná čerpadla, potřebujeme si v první řadě uvědomit, že v podstatě jde o technickou aplikaci dvou velmi důležitých přírodních jevů. Než si o těchto jevech řekneme, je však nutné ozřejmit si rozdíl mezi dvěma, v široké veřejnosti často zaměňovanými pojmy, a to teplo a teplota.

• Teplo  je jen jinak řečeno tepelná energie  (známe mnoho druhů energie, jako např. tepelnou, mechanickou, jadernou, chemickou, vnitřní ...), kterou při kontaktu předává teplejší těleso studenějšímu.  
• Teplota  je jen vnější projev energie každé hmoty.  Pokud hmota teplo předává, její teplota klesá a pokud teplo přijímá, její teplota roste.

A teď k těm zmiňovaným jevům:

První přírodní jev – změna teploty při změně skupenství

Prvním jevem je změna teploty při přeměně skupenství. Všichni si umíme představit tři skupenství vody, a to led, kapalnou vodu a vodní páru. Když se kohokoli zeptáte, jaká je teplota varu vody, automaticky dostanete odpověď 100 °C.

Tato odpověď je správná, samozřejmě je nutné ji však doplnit o jeden údaj, a to je tlak. Tedy,  teplota varu vody je 100 °C za normálního atmosférického tlaku  (přesně 101,325 kPa). Když však vyjdete na Mount Everest do nadmořské výšky 8 848 m, kde je tlak podstatně nižší než u moře, zjistíte, že voda bude vřít možná při 80 °C.

Z těchto pozorování vyplývá velmi důležitý poznatek, a to, že umíme regulovat teplotu varu a kondenzace (zkapalňování) látek pomocí změny tlaku (teplota varu a kondenzace jsou přesně ty samé hodnoty, ale o teplotě varu se říká při přechodu z kapalného stavu do plynného a teplotou kondenzace se myslí přechod z plynu na kapalinu).

Tedy při vyšším tlaku je teplota varu vyšší a naopak, při nižším tlaku nižší.

Druhý přírodní jev – tepelné chování látek při změně skupenství

Druhým jevem je tepelné chování látek při změně skupenství. Člověk, jako součást přírody, se chová přesně podle jejích zákonů. Všichni se cítíme nejpohodlněji, pokud jsme v klidném a vyrovnaném stavu.

Podobně se do určitého neutrálního stavu se svým okolím snaží dostat všechny látky nacházející se v přírodě.

Pokud chceme své tělo dostat do stavu s vyšší energií, logika velí, že tuto energii musíme odněkud vzít (například se najíst). Naopak, pokud se chceme dostat do stavu s nižší energií, příroda nám káže energii předat (spálíme energii v posilovně).  

Pro všechny látky platí, že kapalný stav (skupenství) je energeticky vyšší než pevný, a plynný stav je vyšší než kapalný.

Z uvedeného vyplývá druhý důležitý poznatek, tedy pokud látka přechází z kapalného stavu do plynného, musíme jí dodat energii*

*voda bude vřít, pouze pokud jí dodáme energii – teplo, resp. pokud začneme ohřívat kostku ledu, nejprve se dopracujeme k vodě jako kapalině, až následně k páře), a naopak, pokud látka přechází ze stavu plynného do kapalného, energii odevzdává (v technické praxi jsou tyto energie označovány jako kondenzační a výparné teplo.

Detailní popis fungování tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo je cyklicky pracující tepelný stroj, kde celý proces probíhá v uzavřeném okruhu a všechny  děje se periodicky opakují. V následujícím textu si popíšeme jeden cyklus.

Teplonosné médium (látka, kterou necháváme vypařovat, odebírá teplo ze zdroje; následně ji necháme zkondenzovat a předává nám naakumulované teplo; jednoduše řečeno jde o „přenašeč“ tepla) proudí v kapalném stavu ke zdroji tepla (podzemní voda, vzduch, velký objem půdy ...). Toto médium je v rovnováze se svým okolím a při daném tlaku a teplotě nemá snahu měnit svůj stav na jiný.

V místě, kde chceme získávat teplo, náhle snížíme tlak média (většinou pomocí expanzního ventilu).  Co se stane?  Pokles tlaku způsobí, že teplota vypařování média klesne pod teplotu zdroje energie a médium se vypaří. Během vypařování médium odebírá teplo z okolí a akumuluje jej v sobě.

Následně je médium v plynném stavu i s naakumulovanou energií vedeno k místu, kde tuto energii chceme zužitkovat (například k akumulačnímu zásobníku vody). V daném místě nyní náhle zvýšíme tlak (většinou pomocí kompresoru).  Co se stane?

Zvýšení tlaku způsobí, že teplota kondenzace média vzroste nad teplotu v zásobníku vody a médium začne kondenzovat. Při kondenzaci je teplo, které se v médiu naakumulovalo při vypaření, předáváno do vody v zásobníku.

Odevzdané teplo způsobí nárůst teploty okolí a jednoduše řečeno, zahřejeme vodu, kterou pak můžeme například vytápět (tj. ohřátá voda ze zásobníku je rozváděna např. do podlahového topení nebo využita pro další účely v domácnosti).

Po kondenzaci a předání tepla se médium opět dostane do výchozího stavu a tento cyklus se znovu opakuje.

Tepelné čerpadlo je tedy cyklicky pracující tepelný stroj, kterým pomocí vhodné změny tlaku média umíme řídit jeho odpařování a kondenzaci, což nám umožňuje přenášet energii z místa s nižší teplotou na místo s vyšší teplotou.