Tepelná čerpadla – účel, historie, princip, chladivo

1. Účel tepelného čerpadla

Tepelná čerpadla jsou zařízení, která na své primární straně odnímají teplo z jedné teplonosné látky (vody, vzduchu nebo země) s nižší teplotou a převádějí ho na své sekundární straně do jiné teplonosné látky (vzduch, voda) s vyšší teplotou. K tomu, aby došlo k transportu tepelné energie z prostředí o nižší teplotě do prostředí s teplotou vyšší, tedy opačně, než tento proces probíhá samovolně v přírodě, musíme dodat energii. Buď na pohon kompresoru nebo na procesy probíhající v sorpčním materiálu. Je zřejmé, že tepelná čerpadla na primární straně prostředí ochlazují a na sekundární oteplují. V případě vytápění k dodané, zpravidla placené energii tepelná čerpadla přidávají energii získanou na primární straně. Snížením spotřeby nakupované energie, zpravidla elektřiny nebo zemního plynu šetří náklady.

2. Z historie

Principiálně jsou tepelná čerpadla obsahující pracovní okruh s kompresorem a pracovní látkou, historicky podle prvího účelu nazývanou chladivem, založena na objevu z roku 1755. Tehdy byla rozpoznána možnost, jak odnímat teplo chladnější látce a toto teplo předávat do látky teplejší. Tedy proti směru přirozeného přestupu tepla z látky teplejší do studenější. První využití tento princip našel v chladicím stroji, výrobníku ledu, který byl předveden v roce 1834 a první komerčně nabízený výrobník ledu byl na trh uveden v roce 1854.

Počátky tepelných čerpadel, tedy zařízení, jejichž primárním účelem bylo zvyšovat teplotu látky či prostředí na jejich sekundární straně, jsou částečně spjaty i s územím České republiky. A to s osobností Petera Rittingera (nar. 1811), který v roce 1855 navrhl zařízení k účinnějšímu odpařování solí nasycené důlní vody. V bývalém Československu byla první tepelná čerpadla osazena již v 50. letech 20. století. Například ve slovenské vodní elektrárně Trenčín byl v roce 1956 instalován systém využívající tepelný potenciál odpadní vody z chlazení generátorů.

Některé konstrukce tepelných čerpadel, ale i klimatizací, umožňují přepínání primární strany za sekundární a naopak. V takovém případě umí tepelná čerpadla nejen vytápět, ale i chladit.

3. Princip funkce tepelného čerpadla

3.1 Tepelné čerpadlo s kompresorem

Činnost tepelného čerpadla s kompresorem je založena na principu cyklické změny skupenství pracovní látky, chladiva, kondenzací páry na kapalinu a odpařením kapaliny na páru, která probíhá v uzavřeném pracovním okruhu. S touto změnou je spojeno odnímání a jímání skupenského tepla. Proces umožňují fyzikální a chemické vlastnosti chladiva. S ohledem na ochranu životního prostředí se ustupuje od chladiv obsahujících v jejich chemickém složení fluor, chlór, případně i brom a přechází se na chladiva blízká životnímu prostředí nebo se v něm i vyskytující.

Skutečnost, že se jedna látka může odpařovat nebo kondenzovat při různých teplotách znají velmi dobře například ti, co se pohybují ve vyšších nadmořských výškách s nižším tlakem vzduchu. Voda za normálních podmínek u hladiny moře vře, tedy se vypařuje, při teplotě 100 °C. Při této teplotě zde také kondenzuje. Například na Lomnickém štítě ve Vysokých Tatrách však voda vře již při teplotě okolo 87 °C, v opačném směru při ochlazování tedy při této teplotě kondenzuje. Proto se například nelze ve vyšších nadmořských výškách spolehnout na automatické vypnutí elektrické varné konvice při dosažení teploty mírně pod 100 °C, protože při této teplotě už bude všechna voda z konvice odpařena. Myšlenka použít vodu jako plně ekologické, dostupné a nehořlavé chladivo bez jakýchkoliv negativních důsledků na životní prostředí, není nová. Vzhledem k technickým obtížím se však začíná realizovat až nyní (říjen 2021), kdy jsou v polním testu první chladiče pro vzduchotechniku pracující s vodou jako chladivem.

3.1.1 Pracovní okruh

Pracovní okruh s kompresorem má dvě části, část s nízkým a část s vysokým tlakem. První, vysokotlaká část začíná kompresorem, za ním je tepelný výměník nazývaný kondenzátor a končí expanzním ventilem. Ventil omezuje průchod chladiva do druhé části okruhu a udržuje tak v části okruhu vysoký tlak vytvořený kompresorem a který je potřebný ke kondenzaci stlačených par chladiva za vyšší teploty. Za expanzním ventilem až ke vstupu do kompresoru je nízkotlaká část okruhu. Její hlavní částí je tepelný výměník nazývaný výparník. V něm, při nižším tlaku, a tedy i nižší teplotě oproti poměrům v kondenzátoru, se odpařuje zkapalněné chladivo. Expanzní ventil do nízkotlaké části okruhu propouští jen tolik chladiva, aby se v ní potřebný nízký tlak udržel. V jednodušších zařízeních typu domácí chladničky může úlohu expanzního ventilu plnit jednoduchá seškrcená trubička.

V kompresoru jsou stlačovány páry chladiva, přičemž jejich teplota vzroste. Ve výměníku, kondenzátoru, teplé páry chladiva odevzdávají přes stěnu kondenzátoru své skupenské teplo například ohřívanému vzduchu nebo otopné vodě, ochladí se, zkondenzují a stékají dolů. Zkapalněné chladivo, stále pod vysokým tlakem, je expanzním ventilem postupně propouštěno do navazující části okruhu s nižším tlakem. Přes stěnu výparníku, při nižším tlaku se odpařující chladivo odebírá tepelnou energii na svou skupenskou přeměnu například proudícímu vzduchu, cirkulující vodě ze studny, z vrtu nebo kolektoru v zemi aj. Nízký tlak v této části okruhu vzniká nejen omezením toku chladiva expanzním ventilem, ale i nasáváním par chladiva kompresorem. Činnost kompresoru a expanzního ventilu je těsně provázána. Celý popsaný děj nepřetržitě probíhá. V současné jsou době nejvíce používány spirálové kompresory typu scroll, případně jednočinné nebo častěji dvojité rotační lamelové kompresory (twin rotary).

3.1.2 Teplota vypařování a kondenzace

Teplotu vypařování a kondenzace chladiva určuje jeho chemické složení a tlak. V praxi se vyskytují jednosložková chladiva, ale i složená z více různých látek. Velikost tlaku je řízena kompresorem ve spolupráci s expanzním ventilem. Pracovní tlaky ve vysokotlaké části okruhu se většinou pohybují v rozmezí 20 až 30 bar, ale například přírodní chladivo CO₂ vyžaduje tlaky až desetinásobně vyšší. Teoreticky mohou některé látky ke svému odparu vyžadovat tlaky v nízkotlaké části okruhu i pod hranicí atmosférického tlaku. Obecně je proto pro činnost chladicího okruhu zásadní jeho těsnost a případný, i mírný únik chladiva se po čase projevuje snížením energetické účinnosti. Chemické složení chladiva má vliv na měrné množství tepelné energie, které chladivo svou skupenskou přeměnou přenáší a na měrné množství energie, které je zapotřebí na stlačení par chladiva, aby kondenzovaly při vyšší teplotě. Tzn., že různá chladiva pracují s odlišnou energetickou účinností a pro určitý výkon je pak zapotřebí větší či menší hmotnost chladiva.

4. Tepelné čerpadlo sorpční

Konstrukčně odlišná tepelná čerpadla jsou založena na principu sorpce. Při něm se využívá mezimolekulárních vazeb absorbentu či adsorbentu k pracovní látce, chladivu.

Hnací sílou, která mezimolekulární síly mění, je dodávaná tepelná energie. Nejedná se tedy o mechanickou energii na pohon kompresoru, ale o tepelnou energii, která umožňuje cyklický proces navazování pracovní látky při nízké teplotě na absorbent nebo adsorbent a její opětné uvolňování při teplotě vyšší.

Absorpční tepelné čerpadlo používá plynnou nebo kapalnou pracovní látku, chladivo (např. bromid lithný, čpavek), která se rozpouští v chladné vodě. Při rozpouštění se přes vodu, respektive přes tuto vodu obklopující teplosměnnou plochu prvního tepelného výměníku odnímá teplo ze vzduchu či vody proudící na druhé straně výměníku. Voda i s rozpuštěnou pracovní látkou, plynem, pak proudí do místa, ohřívače, vařiče atp., kde se ohřeje pomocí dodávané tepelné energie. Přitom se pracovní látka, plyn, uvolňuje. Ohřátý plyn o vyšším tlaku, než měl v absorbéru, proudí do druhého tepelného výměníku, chladiče, ve kterém přes teplosměnnou plochu předává teplo jiné látce, a to přiváděné otopné vodě nebo vzduchu. Při tom teplota pracovního plynu klesá a při daném vyšším tlaku případně i zkapalní. Poté tato pracovní látka proudí zpět do absorbéru, kde se opět rozpouští ve zchlazované vodě. Proces probíhá plynule, cyklicky.

Adsorpční tepelné čerpadlo je založeno na podobném principu jako adsorpční. Zatímco v absorpčním se teplo okolnímu prostředí odnímá při rozpouštění chladicího média v absorbéru, tak v absorpčním se teplo odnímá přilnutím pracovní látky na povrchu adsorbentu. Aby byl k dispozici dostatečně velký povrch, má absorbent porézní strukturu. V posledních letech se jako absorbent využívají zeolity. Jde o přírodní látku, která vzniká reakcí nekrystalických, amorfních vulkanických skel a vody. Jedinečnost spočívá v tom, že prostorové uspořádání atomů vytváří kanálky a dutiny konstantních rozměrů. A právě na povrchu v těchto kanálcích se zachytává, a následně z nich zase uvolňuje pracovní látka tepelného čerpadla. Jako pracovní látka se užívají různé plyny a kapaliny, např. i voda.

U sorpčních tepelných čerpadel je dosahován nižší podíl mezi celkově vyprodukovanou tepelnou energií s vyšší teplotou a vloženou energií, než u kompresorových Konstrukce těchto tepelných čerpadel je však mechanicky jednodušší a jako pohonnou tepelnou energii lze využít nejen tepelnou energii vznikající například při záměrném spalování zemního plynu, ale i odpadní teplo z některých výrobních procesů, sluneční energii z tepelných kolektorů aj. Velké rozšíření měla absorpční tepelná čerpadla i v Československu v podobě chladniček pro domácnosti. Historicky velkou oblibu našla například v italských domácnostech s plynovou přípojkou. A to jak pro vytápění, tak i chlazení.

5. Pracovní látky – chladiva, životní prostředí, podmínky použití

Chladivo, které se v kompresorových zařízeních masově rozšířilo jako první, byl freon. Jde o komerční označení skupiny chlor-fluorovaných uhlovodíků, které obsahují alespoň 2 vázané halogeny, z nichž alespoň jeden musí být fluor. Důvodem širokého rozšíření byla chemická stabilita, vhodné teploty odpařování a kondenzace při tlacích, které byly schopné dosáhnout běžné kompresory, kterým odolávaly i ostatní prvky pracovního okruhu, a to vše při příznivé ceně. Bohužel se ukázalo, že tyto látky poškozují ozónovou vrstvu kolem Země a také vyvolávají skleníkový efekt přispívající ke globálnímu oteplení. Proto byly pro ekologické hodnocení chladiv zavedeny dva parametry, a to ODP (ozone depletion potencial), určený jako relativní číslo udávající potenciál daného chladiva k poškozování ozónové vrstvy vzhledem k referenčnímu chladivu a GWP (global warming potencial), ukazatel vlivu daného chladiva na globální oteplování ve srovnání s vlivem plynu CO₂. Tyto parametry jsou legislativou sledovány a průběžně snižovány tak, aby docházelo k celosvětovému poklesu negativního vlivu chladiv. Proto jsou na trh uváděna tepelná čerpadla s novými chladivy, která průběžně zpřísňované požadavky legislativy plní. Mezi progresívní chladiva, se kterými se setkáváme u tepelných čerpadel, jsou nyní počítána především R32 a R290 (propan) a R744 (CO₂). U větších zařízení může jít o R717 (čpavek). Pro starší zařízení v provozu s již ekologicky nevyhovujícími chladivy jsou vyvinuta alternativní chladiva, jejich použití však musí schválit výrobce.

S druhem chladiva těsně souvisí požadavek kontrol těsnosti chladicího okruhu prostřednictvím měření úniku chladiva. Hmotnostní limity, četnost kontrol případně i způsob jejich řešení jsou pro každé chladivo dány legislativně. Od 1. 1. 2017 platí, že hermeticky uzavřená zařízení (monobloková, ve kterých těsnost garantuje výrobce), například zařízení plněná chladivem R410A (GWP = 2088) musí být zkontrolována na těsnost jednou za rok, pokud náplň chladiva přesáhne 2,39 kg. S chladivem R32 (GWP = 675) se hmotnostní limit zvýšil na více než 7,4 kg náplně a u chladiva R290 (GWP = 3) je limitem 3 333 kg. U větších zařízení se instalují automaticky pracující kontrolní systémy.

S druhem chladiva může souviset požadavek zohlednit riziko požáru. Starší chladiva byla nehořlavá. Některé nová jsou mírně, např. R32 nebo více, např. R290, hořlavá. Podmínky uplatnění precizně stanovuje v květnu 2021 vydané komentované znění EN 378 schválené Generálním ředitelstvím Hasičského záchranného sboru ČR, případně souvisící technické normy, a návody výrobců.