Tepelná čerpadla (TČ) nabývají v poslední době na významu především díky ekonomické efektivnosti provozu. Ta je dána již samotným principem činnosti tohoto zařízení, které „přečerpává“ tzv. nízkopotenciálové teplo odebrané z okolního prostředí (ze vzduchu, z vody nebo například ze země) na vyšší teplotní úroveň. Takové teplo je poté možné využít buď k vytápění objektu nebo k přípravě teplé vody.

V tomto článku je postupně představen princip funkce TČ a jeho základní komponenty. Dále je uvedeno rozdělení tepelných čerpadel a to jak podle druhu nositele nízkopotenciálního tepla a nositele přečerpané energie, tak podle druhu energie dodávané do oběhu. V závěru článku je rozebrána ekonomická efektivnost TČ.

Princip funkce tepelného čerpadla

Jak je již uvedeno výše, principem tepelného čerpadla je transformace tepelné energie z nižší na vyšší teplotní úroveň. Tento proces je zjednodušeně znázorněn na následujícím obrázku.

Princip funkce tepelného čerpadla. Zdroj: Gemtec

V první fázi je teplo odebrané z okolního prostředí (vzduch, voda, země) předáno ve výparníku, kde je udržována nízká teplota a tlak, pracovní látce (kapalné chladivo). Pracovní látka se vlivem předaného tepla začne odpařovat a páry chladiva poté putují do kompresoru. V kompresoru jsou tyto páry stlačeny, přičemž z fyzikální podstaty dochází při stlačení plynu k jeho ohřátí. Samotný kompresor je přitom jediné místo v popisovaném oběhu, ve kterém je nutné do oběhu dodávat hnací energii (většinou elektrickou).

Ohřáté páry chladiva dále putují do kondenzátoru, kde při kondenzaci (zkapalnění) odevzdávají uloženou energii, která je rovna součtu energie odebrané z okolního prostředí a dodané hnací energii snížené o ztráty v kompresoru, do otopného systému vytápěného objektu. Zkapalněné chladivo následně putuje přes expanzní ventil, kde dochází ke snížení tlaku na požadovanou hodnotu, zpět do výparníků a celý cyklus se opakuje.

Poměr získané tepelné energie a dodané hnací energie se nazývá topný faktor (COP – Coefficient of Performance). Jinými slovy topný faktor udává, kolikrát více energie získáme při určitém množství dodané hnací energie. Čím je vyšší, tím je provoz TČ ekonomičtější. V praxi se hodnota topného faktoru pohybuje v rozmezí od 2,5 do 5. Z logiky věci dále vyplývá, že se nejedná o veličinu, která by byla pro danou instalaci TČ konstantní. Hodnota topného faktoru se v průběhu roku mění v závislosti na podmínkách, ve kterých TČ pracuje.

Základní komponenty tepelného čerpadla

Základní komponenty tepelného čerpadla jsou zvýrazněny výše a jedná se o:

• výparník
• kompresor
• kondenzátor
• expanzní ventil

Ve výparníku dochází k předání odebraného tepla kapalnému chladivu. Jako chladivo se používají látky s nízkou teplotou varu. Příkladem mohou být fluorované uhlovodíky, mezi něž patří R134a, R152a, R143a, R407C, R404A a jiné. Samotný výparník je přitom zhotoven buď jako letovaná deska nebo jako trubkový žebrovaný (měděné potrubí, hliníková žebra).

V kompresoru dochází ke zvýšení tlaku odpařeného chladiva z tlaku odpovídajícímu výparné teplotě chladiva na tlak odpovídající kondenzační teplotě v kondenzátoru. Kompresor je nejčastěji poháněn elektrickou energií, která je po odečtení ztrát kompresoru uložena v chladícím médiu. V současnosti se nejčastěji používají rotační a pístové kompresory. Aby došlo k zabránění úniku chladiva do atmosféry přes spojovací těsnění, je kompresor společně s elektrickým motorem, jež ho pohání, uložen v uzavřené nádobě (tzv. hermetický kompresor).

V kondenzátoru předává chladící médium teplo do otopné soustavy. Celý děj probíhá při vysoké teplotě a tlaku. Kondenzátory jsou podobně jako výparníky zhotovené buď jako letované desky nebo jako trubkové .

Expanzní ventil je redukční ventil, který zajišťuje snížení tlaku kondenzátu, čímž dochází také k dalšímu snížení teploty. Chladivo poté pokračuje opět do výparníku. Expanzní ventily  v TČ jsou řízeny buď termostaticky nebo elektronicky.

Rozdělení tepelných čerpadel

Tepelná čerpadla se dělí podle nositele nízkopotenciáolového tepla a nositele přečerpané energie na:

• vzduch-voda
  • výhody: nízké pořizovací náklady, možno umístit téměř kdekoliv, jednoduchá instalace
  • nevýhody: velký rozdíl výkonu v létě a v zimě, hlučnost
• voda-voda
  • výhody: vysoká účinnost, vyrovnaný výkon v průběhu roku
  • nevýhody: omezený počet zdrojů vody v přírodě, nutnost zkoumat složení vody
• země-voda (horizontální výměník nebo se svislým zemním vrtem)
  • výhody: nejstabilnější topný faktor, velmi tichý chod
  • nevýhody: vyšší investiční náklady na TČ a v případě svislého výměníku také na vrt

TČ mohou kromě okolního prostředí čerpat také energii z odpadního vzduchu nebo z odpadní vody, což v porovnání s výše uvedenými příklady představuje výhodu především ve stálé teplotě nízkopotenciálového nositele energie, z čehož vyplývá stabilnější topný faktor.

Dále je TČ možné dělit dle druhu hnací energie ma:

1. elektrická tepelná čerpadla – pro pohon kompresoru je použit elektrický motor. Většina dnes používaných TČ.
2. plynová tepelná čerpadla – pro pohon kompresoru je použit plynový spalovací motor. Výhodou tohoto typu TČ je možnost využití tepla z chladícího okruhu motoru, které může být využito pro předehřev teplé vody nebo při nízkých venkovních teplotách ke zvýšení teploty ve výparníku.
3. absorpční tepelná čerpadla – jsou založena na absorpčním cyklu, ve kterém je hnací energie dodávána ve formě tepla

Ekonomická efektivnost tepelného čerpadla

Ekonomická efektivnost užití tepelného čerpadla závisí na jedné straně na provozních podmínkách TČ a na straně druhé na investičních nákladech. U novostaveb jsou zpravidla nejvýhodnější TČ typu země-voda, jelikož při stavbě nemovitosti může být provedena skrývka půdy a a bez větších nároků na zemní práce je umístěn zemní kolektor. Na druhé straně při rekonstrukci stávajících objektů je ekonomicky výhodnější využití TČ typu vzduch-voda, pro jehož instalaci není třeba doprava těžké techniky pro provedení skrývky nebo vrtů. Není dále nezbytné zasahovat do již upravených pozemků.

V případě provozních podmínek hraje kromě vhodné konfigurace TČ významnou roli také cena elektrické energie (případně zemního plynu). Před instalací TČ je vhodné zajistit si od dodavatele výhodnější sazbu tarifu elektrické energie. Například v případě ČEZu je pro rok 2015 cena silové elektřiny při tarifu Comfort D-Tepelné čerpadlo přibližně poloviční ve srovnání s běžným tarifem Comfort Standard.