Innost tepelného čerpadla, princip činnosti a reálná účinnost

Při výběru tepelného čerpadla pro vytápění nebo zařízení pro zásobování teplou vodou je důležitou charakteristikou jeho účinnost. Tato hodnota závisí na různých faktorech, včetně teploty ohřevu, typu zařízení a jeho provozních podmínek.

Moderní klimatizační zařízení je poměrně drahé, totéž lze říci o jeho instalaci a uvedení do provozu. To znamená, že tepelné čerpadlo musí efektivně šetřit energii, což umožňuje úplnou autonomii systémů vytápění a zásobování teplou vodou bez připojení plynových nebo elektrických kotlů.

Typy tepelných čerpadel

Všechna tepelná čerpadla fungují na stejném principu – odebírají tepelnou energii z jednoho tělesa a předávají ji jinému. Výběrem média, ze kterého se teplo odebírá, se rozlišují hlavní typy čerpadel:

• Pozemní nebo geotermální.
• Vzduch.
• Voda.

Médiem, které přenáší užitečné teplo do místností, je nejčastěji voda nebo vzduch. Na základě toho je navržen další typ klasifikace zařízení, který uvádí, odkud a kam se energie přenáší:

• vzduch-vzduch nebo vzduch-voda;
• voda-voda nebo voda-vzduch;
• půda-vzduch nebo půda-voda.

Princip činnosti tepelného čerpadla

Hlavní vlastností tepelného čerpadla je, že nevyrábí energii, kterou generují kotle nebo jiná klasická topná zařízení. Jeho úkolem je odebírat teplo z jednoho a předávat ho druhému. Proto je účinnost tepelných čerpadel vyšší než 100 %, protože vyrábí více energie, než jeho součásti přímo spotřebují. To znamená, že vynaložením 1 kW elektřiny na práci můžete získat výrazně více energie, ale ve formě tepla.

Je důležité pochopit, že zákon zachování energie není porušen, protože tepelná čerpadla nejsou uzavřené systémy. Čerpají energii z vnějšího prostředí a předávají ji do jiného. Moderní výrobci používají originální návrhy s vlastními nebo vypůjčenými řešeními a každá značka zařízení má své výhody a nevýhody.

Jak závisí účinnost na teplotě?

Podle obecně uznávaných norem by pro zajištění pohodlného prostředí v místnostech a dodávky teplé vody měla být teplota chladicí kapaliny v rozmezí 50-55 stupňů Celsia. U vytápěných podlah je toto číslo o něco nižší a činí 30-35 stupňů Celsia.

Během chladného období má voda v systému teplotu asi 5 stupňů. K jejímu ohřevu bude potřeba určité množství energie v závislosti na konečné teplotě, na kterou je potřeba vodu ohřát. Účinnost čerpadla bude záviset na rozdílu teplot.

Podle vypracovaných tabulek je možné určit účinnost tepelných čerpadel při ohřevu vody o 50 stupňů. Čím vyšší je teplota chladicí kapaliny, tím nižší je účinnost, takže pro ohřev vody o 30 stupňů je třeba údaj z tabulky vynásobit 1,5.

Tepelné čerpadlo země-vzduch nebo země-voda

V reálných měřeních se účinnost tepelného čerpadla, které odebírá energii ze země, pohybuje v závislosti na provedení od 400 do 800 %. Ještě vyšších rychlostí lze dosáhnout, pokud je povrch půdy zahříván slunečními paprsky a místo hlubokých vrtů je na něm geotermální pole. Účinnost tepelných čerpadel, která čerpají energii ze studní, závisí na vzdálenosti mezi nimi. V tomto případě může být rozdíl od 50 do 100 % jmenovitých hodnot.

Hlavním rysem geotermálního čerpadla je, že pracuje ve stacionárním prostředí. Pokud se špatně spočítá výkon, počet vrtů, plocha nebo hloubka geotermálního pole, nastanou problémy. Pokud zem zamrzne, aniž by bylo možné získat potřebné množství energie, účinnost zařízení nevyhnutelně klesne pod 100 % a jeho provoz se stane nerentabilním. Je důležité pochopit, že odebíráním tepla ze země přispívá tepelné čerpadlo k jeho zamrzání, s tím je třeba počítat ve výpočtech.

Tepelná čerpadla voda-vzduch nebo voda-voda

Tento typ tepelného čerpadla má průměrnou účinnost 400 % a je přímo závislá na teplotě vody, ze které se odebírá energie. V zimě to může být 1 stupeň Celsia a účinnost nepřesahuje 200 % a v létě, kdy se voda ohřeje až na 20 stupňů, může toto číslo dosáhnout 1000 %.

Jenže v létě se tepelná čerpadla prakticky nepoužívají, takže takto vysoká účinnost je většinou formalita. Jedním z rysů designu voda-voda nebo voda-vzduch je, že jakákoli vodní plocha se pomalu ohřívá a stejně pomalu ochlazuje. To znamená, že na podzim, kdy voda akumuluje teplo, bude účinnost vyšší než na jaře, kdy se energie postupně rozptýlí.

Účinnost tepelného čerpadla vzduch-voda nebo vzduch-vzduch

V tomto zařízení je účinnost přímo závislá na teplotě vzduchu, ze kterého se odebírá energie. Nejlepší výrobci zároveň vyvinuli a implementovali zařízení, která pracují při velmi nízkých teplotách venkovního vzduchu. Dnes se nabízí provedení umožňující ohřev bazénu, který při venkovní teplotě vzduchu -15 stupňů Celsia produkuje účinnost 230 %. Cenová tepelná čerpadla poskytují efektivní účinnost již od teploty 5 stupňů při nižších teplotách je jejich použití nerentabilní.

Princip činnosti čerpadel, která odebírají teplo ze vzduchu, je podobný vodním tepelným čerpadlům. To znamená, že závislost účinnosti na okolní teplotě je u nich podobná a lze je vidět na speciálním grafu.

Účinnost tepelných čerpadel v chladném počasí

Často se říká, že když venkovní teplota klesne pod 0 stupňů, účinnost jakéhokoli tepelného čerpadla prudce klesne. To je pravda jen částečně, hodně záleží na typu zařízení a prostředí, kde se teplo shromažďuje:

• Půdní čerpadla poháněná studnami jsou stejně účinná v kteroukoli roční dobu.
• Vodní čerpadla snižují účinnost koncem zimy a začátkem jara, kdy se voda v nádržích ochlazuje.
• Vzduchová čerpadla jsou účinná při teplotách nad 5 stupňů, ale jsou k dispozici konstrukce, které nabízejí zisky i při nízkých teplotách, ale nepřesahují 230 %.

Skutečná účinnost zařízení

Již dlouho je známo, že výrobci záměrně nadhodnocují účinnost svých tepelných čerpadel, přičemž skutečný údaj může být až 1,5krát nižší, než je deklarováno, i když se to často nestává. Je to dáno tím, že i přes společné principy se použitá zařízení mohou velmi lišit. Nabízí se jedno nebo dvouokruhová provedení, různé kompresory a chladicí kapaliny atd.

Aplikovaným ukazatelem tepelného čerpadla je jeho výkon, který určuje množství užitečné energie, která se předá nosiči za jednotku času. Ve většině případů není účinnost výkonnějších modelů o moc, ale vyšší. Například výkonnější vzduchové čerpadlo při nízkých teplotách vzduchu produkuje účinnost 200 %, zatímco méně výkonné vykazuje pouze 150 %. Výkonnější zařízení bude zároveň stát mnohem více, což je také třeba vzít v úvahu při návrhu.