Článek stručně shrnuje základní informace týkající se tepelných čerpadel, a to z hledisek principu, provozování, přínosu a možností využití.
Základní princip činnosti tepelného čerpadla
Tepelná čerpadla jsou energetická zařízení, která umějí převést teplo o nižší teplotě (tzv. nízkopotenciální teplo) na teplo o teplotě vyšší. Tento děj není samovolný, a není tedy energeticky zadarmo. Tepelnému čerpadlu je k jeho činnosti třeba dodávat ještě další „pohonnou“ energii.
Princip lze vysvětlit na nejčastěji používaném tepelném čerpadle kompresorového typu. Zjednodušeně si lze proces představit tak, že tepelné čerpadlo odebere dva díly tepla z okolního prostředí, např. z venkovního vzduchu, k tomuto teplu „přidá“ jeden díl energie ze svého pohonu a tak se získají tři díly tepla o vyšší teplotě, než jakou má venkovní vzduch. Úhrnné získané teplo lze použít např. k vytápění domu.
Princip činnosti tepelného čerpadla je úplně stejný jako princip činnosti chladničky. Představme si, že chladničku zazdíme do venkovní stěny domu tak, aby přední strana chladničky s demontovanými či otevřenými dvířky byla venku, zadní, „teplá“ strana chladničky aby směřovala do místnosti. Spuštěním chladničky bychom získali tepelné čerpadlo. Je třeba upozornit, že uvedená představa je určena pouze k vysvětlení principu tepelného čerpadla, a že toto řešení nelze obecně doporučit k realizaci.
Rozdíl mezi tepelným čerpadlem a chladničkou je tedy jen v tom, pro jaký účel je dané zařízení provozováno. U chladničky je považováno za účel ochladit v jejím vnitřním prostoru např. potraviny, tedy odebrat jim teplo, přičemž je všeobecně známo, že chladnička musí pro svoji práci odebírat energii. To, že chladnička má na své zadní stěně teplé, někdy až horké trubky, nás jako uživatele nezajímá, neboť vytápění není jejím účelem. U tepelného čerpadla je účelem produkovat teplo o vyšší teplotě, než je teplota okolí. Skutečnost, že při tom odebírá teplo např. venkovnímu vzduchu, tedy ochlazuje jej, nás v tomto případě také nezajímá. Musíme ale opět dodávat energii pro pohon kompresoru, kterou bývá nejčastěji elektřina.
Porovnání přímého elektrického ohřevu a tepelného čerpadla
Účelné je porovnat tepelné čerpadlo se zařízením pro přímý elektrický ohřev (přímotop, elektrokotel). Uvažujme tepelné čerpadlo s elektrickým příkonem 1 kW. Je-li správně navrženo, mělo by v dlouhodobém průměru dodávat nejméně 3 kW tepelného výkonu. Aby elektrický přímotop dodával stejný topný výkon, musí mít příkon 3 kW. Tedy za hodinu se získá u tepelného čerpadla z 1 kW·h elektrické energie nejméně 3 kW·h tepla a u přímotopu ze 3 kW·h elektrické energie nejvýše 3 kW·h tepla. Bilance jsou znázorněny na obr. 1, kde W označuje pohonnou energii (elektřinu), QT topné teplo a QO nízkopotenciální teplo získané z okolí.
Vraťme se ještě jednou k chladničce – tak i ta může pracovat jako přímotop. Jsou-li u chladničky umístěné v místnosti otevřená dvířka, začne sice na studené straně odebírat teplo vzduchu v místnosti, avšak na teplé straně toto teplo navýšené o teplo, v které se přetransformovala přivedená elektřina, předá zpět do místnosti. Z energetické bilance místnosti vyplyne, že takto provozovaná chladnička se energeticky chová jako přímotop. Podobná situace nastává i v případě, kdy je vnitřní obsah chladničky již vychlazený, dvířka jsou zavřená a funkce chlazení zajišťuje pouze udržení nízké vnitřní teploty, a to odváděním tepla, které prochází přes izolaci chladničky z prostředí místnosti do vnitřního prostoru chladničky.
Technická řešení tepelných čerpadel
Běžně provozovaná tepelná čerpadla lze podle principu rozdělit na tepelná čerpadla kompresorová a tepelná čerpadla sorpční.
Kompresorová tepelná čerpadla
U tepelných čerpadel kompresorového typu je pro zvýšení teploty nízkopotenciálního tepla využit princip termodynamického ohřevu, při němž se zvýšení teploty dosahuje adiabatickou kompresí pracovní látky uvnitř oběhu. Pracovními látkami jsou nejčastěji halogenová chladiva, např. R134a, R407C, R410A. Na rozdíl od dříve používaných chladiv, tzv. freonů R12 a R22, současná chladiva nemají negativní vliv na ozonovou vrstvu v atmosféře.
Schéma oběhu kompresorového tepelného čerpadla je na obr. 2. Páry chladiva z výparníku jsou nasávány kompresorem a stlačovány, přičemž vzrůstá jejich teplota. Tento děj vyžaduje dodávku mechanické – kompresní – práce WA pro pohon kompresoru. Stlačené páry přicházejí do kondenzátoru, což je tepelný výměník chladivo – topná látka (nejčastěji topná voda), kde jsou páry ochlazovány a je jim odebíráno kondenzační teplo, takže na konci kondenzátoru je chladivo již opět v kapalném stavu a tepelné čerpadlo předalo do otopné soustavy teplo QT. V tomto stavu má chladivo teplotu na úrovni teploty topné vody. Pro to, aby bylo možné do chladiva „načerpat“ nízkopotenciální teplo, je nutné teplotu chladiva snížit pod teplotu nízkopotenciálního zdroje. To se dělá při použití redukčního (škrticího) ventilu, v němž kapalné chladivo expanduje a jeho teplota klesne. Malá část chladiva se během škrcení vypaří, avšak větší část ho zůstane v kapalném stavu. Výsledná směs páry a kapaliny je vedena do výparníku, kde se zbylá kapalina vypaří vlivem přívodu tepla QO z nízkopotenciálního zdroje.
Sorpční tepelná čerpadla
Sorpční zařízení lze rozdělit na absorpční a adsorpční. Protože význam adsorpčních tepelných čerpadel je okrajový, bude dále rozebírán pouze absorpční princip.
U absorpčních tepelných čerpadel jsou využívány absorpční vlastnosti dvojic látek, z nichž k nejpoužívanějším patří dvojice čpavek-voda a voda-LiBr (bromid lithný). Podobně jako kompresorová vycházejí i absorpčních tepelná čerpadla z principů chladicích zařízení.
Základní ideové pracovní schéma absorpčního oběhu čpavek-voda je na obr. 3. Čerpadlo dopravuje vodu bohatou na čpavek pod tlakem do generátoru, který je také někdy označován jako varník, vypuzovač či desorbér. V generátoru je směs vody a čpavku ohřívána teplem WQ, dodávaným např. plynovým hořákem nebo i vodní párou apod., přičemž je z kapalné směsi vypuzován čpavek. Postupnou destilací (rektifikací) lze dosáhnout toho, že generátor opouštějí téměř čisté čpavkové páry, dále vedené do kondenzátoru, ze kterého se získává teplo Qk použitelné k vytápění. V této větvi oběhu následují stejné procesy jako u kompresorových tepelných čerpadel. Jestliže byl v generátoru z kapalné směsi vypuzen čpavek a odveden jedním výstupem, musí být na druhém výstupu z generátoru odváděna kapalná směs, která má menší koncentraci čpavku než směs bohatá. Tato kapalina chudá na čpavek je přes redukční ventil vedena do absorbéru, kde do sebe zpětně pohlcuje páry čpavku přicházející z výparníku. Aby mohla nastat absorpce, je nutné směs ochladit, tj. odvést tzv. absorpční teplo Qa. Teplotně je teplo Qa na úrovni tepla Qk, a tak je také použitelné k vytápění. Vytvořená bohatá kapalná směs je z absorbéru nasávána čerpadlem dodávajícím do oběhu mechanickou práci Wč, která zvyšuje tlakovou energii bohaté kapaliny.
Velmi důležitou vlastností absorpčních oběhů je, že dominující pohonnou energií není mechanická práce, ale energie WQ dodávaná do generátoru ve formě středně- nebo vysokopotenciálního tepla. Ačkoliv je obvykle pro činnost absorpčních oběhů nutné i čerpadlo, jeho spotřeba energie je vzhledem k dodanému „pohonnému“ teplu WQ zanedbatelná (WQ >> Wč).
Efektivita práce tepelného čerpadla
Základní mírou efektivity práce tepelného čerpadla je tzv. topný faktor εT, někdy také nazývaný výkonové číslo, popř. se používá označení COP (z anglického Coefficient of Performance).
Topný faktor je poměr užitečně získaného topného tepla QT k množství přivedené pohonné energie W, tedy
vzorec (1)
Rozšířením zlomku na pravé straně vztahu (1) o čas lze vyjádřit topný faktor i ve výkonové formě, a to jako poměr topného výkonu k příkonu jako
vzorec (2)
Zatímco první vyjádření, energetické, se zpravidla používá ke stanovení průměrného topného faktoru za delší časové období (měsíc, rok), podle druhého vztahu lze pro limitní časový interval určit okamžitý topný faktor. V dalším textu je použita pouze energetická forma vyjádření, uváděné bilance lze nicméně stejně tak chápat i ve formě výkonové.
Topný faktor je teoreticky vždy větší než jedna, což plyne z ideální energetické bilance (obr. 1b). Tepelné čerpadlo je tedy vždy energeticky výhodnější než přímý elektrický ohřev.
Pro kompresorové tepelné čerpadlo platí vztah (1), přičemž za pohonnou energii W se dosazuje mechanická práce pro pohon kompresoru WA.
Použití vztahu (1) na absorpční tepelná čerpadla vede k výrazu
kde v posledním členu je již zanedbána práce čerpadla nutná ke stlačení bohaté kapaliny.
Uvedeným způsobem popsaný a určený topný faktor podává obraz pouze o samotném oběhu a je užitečný především pro výrobce, a to k optimalizaci návrhu termodynamického oběhu, volbu chladiva, komponent atd.
V praxi tepelná čerpadla ke svému provozu potřebují ještě další prvky, které spotřebovávají další energii. U typů pro teplovodní vytápění to je oběhové čerpadlo topné vody, u typů odebírajících nízkopotenciální teplo ze země či studniční vody oběhové čerpadlo nemrznoucí kapaliny, popř. ponorné čerpadlo spodní vody, a u typů odebírajících nízkopotenciální teplo ze vzduchu ventilátor u výparníku. U všech typů je nutná regulace. Zahrnutím spotřeby těchto dalších prvků do položky celkové energie W, jako energie nutné pro provoz tepelného čerpadla, lze stanovit tzv. topný faktor celkový, který bývá u kompresorových typů vztažen již na vstupující elektrickou energii, u absorpčních na spotřebu chemické energie v zemním plynu a popř. i elektřiny.
Celkový topný faktor má vypovídací schopnost pro samotného uživatele a lze jej odhadnout pro konkrétní realizaci s použitím údajů obsažených v technické dokumentaci tepelného čerpadla.
U kompresorových tepelných čerpadel bývá dosahováno větších hodnot topných faktorů než u tepelných čerpadel absorpčních. Zatímco běžná kompresorová tepelná čerpadla pracují s celkovými topnými faktory 2,5 až 5, u absorpčních typů je, při dodržení stejných podmínek, dosahováno celkového topného faktoru 1,2 až 1,6. Z tohoto hlediska se zdají být, a dlouhou dobu také byla, absorpční tepelná čerpadla podceňována.
Nesoulad tkví v metodice hodnocení pohonné energie, kde je třeba rozlišovat, zdali je pohonná energie přiváděna ve formě práce, nebo tepla. Porovnání efektivity provozu tepelných čerpadel různých principů pomocí zmíněných topných faktorů totiž nerespektuje druh, a především kvalitu vstupní pohonné energie. Mechanická práce a teplo jsou přenašeče energií různého druhu a různé kvality, a tudíž nelze na jednotnou kvalitativní úroveň postavit 1 kW·h tepla o teplotě 130 °C dodávaného vodní párou a 1 kW·h elektřiny. Proto nelze na základě takto přesně určených topných faktorů mezi sebou porovnávat tepelná čerpadla různých principů, ale je třeba použít jiné porovnávací metody, např. exergetické nebo metody přepočítávající topný faktor na primární energii. Popis těchto metod přesahuje informační rámec tohoto článku a lze jej nalézt v [1].
Vraťme se k topnému faktoru nejčastěji používaných tepelných čerpadel kompresorového typu – k nalezení veličin s rozhodujícím vlivem na velikost faktoru lze použít bilanci ideálního Carnotova obráceného oběhu, naznačeného v diagramu teplota T – entropie S na obr. 4.
Ve vztahu (1) jsou vyskytující se teplo QT a práce W = WA v diagramu znázorněny jako plochy obdélníků s jednou shodnou stranou. Lze tedy topný faktor Carnotova obráceného oběhu εT, Ca vyjádřit jako podíl ploch obou obdélníků, což po úpravě a vykrácení hodnoty délky společné strany v čitateli a jmenovateli vede ke vztahu.
vzorec (4)
V daném případě je patrné, že topný faktor je pouze funkcí absolutních teplot (tj. vyjádřených v Kelvinech), přičemž TT je teplota topného tepla a TO teplota nízkopotenciálního tepla. Snaha o maximalizaci topného faktoru vede ke snaze po co nejmenší hodnotě jmenovatele, tedy po nejmenším rozdílu teplot topného a nízkopotenciálního tepla. Druhá možnost, která by vedla k maximalizaci topného faktoru, je růst teploty topného tepla TT limitně se blížící nekonečnu, což je pouze matematická, avšak reálně nepoužitelná varianta.
Topný faktor je tím větší, čím je rozdíl teplot ve jmenovateli menší, tedy čím je teplota nízkopotenciálního tepla vyšší a požadovaná výstupní teplota topného tepla nižší. Toto má v praxi důsledek vedoucí ke snaze o co nejteplejší nízkopotenciální zdroj a k instalaci topného systému, který bude schopen dodávat potřebné teplo i při nízkých teplotách topné vody, tj. např. podlahového vytápění či systému s velkoplošnými topnými tělesy. Tato nepřímá úměra platí v obecném pojetí nejen pro kompresorová tepelná čerpadla, ale i pro tepelná čerpadla absorpční a tepelná čerpadla založená na jiných, zde blíže nepopisovaných principech (Peltierovy termoelektrické články).
U tepelných čerpadel absorpčních má navíc vliv i teplota „pohonného“ tepla WQ, kde tepelné čerpadlo využívající teplo z vodní páry o teplotě 130 °C bude mít menší topný faktor počítaný podle (3) než tepelné čerpadlo využívající k ohřevu generátoru hořák spalující zemní plyn.
Carnotův cyklus je ideální a v praxi zatím nerealizovatelný. Běžná kompresorová čerpadla pracují na bázi Clausius-Rankinova obráceného oběhu. Pro orientační výpočet velikosti topného faktoru pro konkrétní teploty je možné použít upravený vztah
vzorec (5)
Regulace
Základní funkcí tepelného čerpadla určeného k vytápění je dodávat potřebné množství topného tepla na požadované teplotní úrovni. Požadovaná teplotní úroveň se u běžných topných systémů používaných v rodinných domech nastavuje podle tzv. topné křivky, což je závislost teploty topné vody vystupující z tepelného čerpadla na teplotě venkovního vzduchu. Toto např. pro podlahové vytápění s projektovaným teplotním spádem 40/30 °C znamená, že při výpočtové venkovní teplotě např. –15 °C (může být –12, –15, popř. –18 °C, podle dlouhodobého klimatu oblasti) by tepelné čerpadlo mělo na výstupu dodávat topnou vodu o teplotě 40 °C, přičemž zpět by se měla vracet voda o teplotě 30 °C. Se zvyšující se teplotou venkovního vzduchu klesá požadavek na množství tepla, což se zajišťuje snižováním teploty topné vody zároveň se zmenšením teplotního spádu. Možnost nastavit tuto křivku je integrována v řídicím systému většiny běžných tepelných čerpadel.
Má-li tepelné čerpadlo při vyšších teplotách venkovního vzduchu přebytek topného výkonu, reguluje se zpravidla dvoupolohovou regulací start-stop. Četnost spínání tepelného čerpadla nesmí být obvykle větší než třikrát až čtyřikrát za hodinu, jinak se zkracuje doba provozního života hermetického kompresoru (kompaktní zapouzdřený celek kompresor-elektromotor, kdy elektromotor pracuje v parách chladiva). Tyto určité provozní prostoje v dodávce tepla musí být v případě, že konstrukce budovy nemá sama o sobě dostatečnou akumulační schopnost, pokrývány z vodního akumulačního zásobníku „nabíjeného“ během chodu čerpadla.
Uvedený problém částečně řeší tzv. invertorová tepelná čerpadla, která mohou v určitém rozsahu regulovat svůj topný výkon změnou otáček elektromotoru, potažmo kompresoru.
Příprava teplé vody má u většiny regulačních soustav přednost před požadavkem na topení, což znamená, že když tepelné čerpadlo dostane informaci, že je nutné dohřát vodu v zásobníku teplé vody, je přesměrován tok topné vody z topného okruhu do výměníku zásobníku teplé vody.
Zdroje tepla pro tepelná čerpadla
Tepelná čerpadla jsou zpravidla označována kombinací dvou slov, např. země-voda, vzduch-vzduch apod. První slovo znamená, odkud tepelná čerpadla teplo získávají, druhé, do jaké látky topné teplo předávají. Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch má tedy jak výparník, tak i kondenzátor konstruované jako tepelné výměníky chladivo-vzduch. Tepelné čerpadlo země-voda předává teplo získané ze země přes kondenzátor, který je konstruován jako tepelný výměník chladivo-voda.
Zdroji nízkopotenciálního tepla mohou být hmoty vyskytující se okolo nás v přírodě – venkovní vzduch, voda ve vodních tocích, rybnících, vodních nádržích, podzemní voda, půda v nezámrzné hloubce, horniny v hlubokých vrtech. Taktéž se jako zdroje tepla mohou využívat odpadní tepla z technologických procesů, chladicích a klimatizačních, popř. i větrací vzduch vycházející z místnosti.
Tepelná čerpadla vzduch-voda
Tepelná čerpadla kategorie vzduch-voda odebírají teplo venkovnímu vzduchu a vytápějí vnitřní prostory prostřednictvím běžné teplovodní topné soustavy. Nevýhodou pro tato čerpadla je kolísavá teplota venkovního vzduchu, která je nejnižší právě v době, kdy je potřeba tepla maximální, a navíc je požadována i vysoká teplota topné vody podle topné křivky, což výrazně zmenšuje hodnotu topného faktoru. Při teplotách venkovního vzduchu okolo 0 °C a nižších vznikají na teplosměnných plochách výparníku námrazy z vysrážené vlhkosti ze vzduchu. Námrazu je třeba nechat periodicky odtávat, což opět zmenšuje dlouhodobou efektivitu. Do celkové spotřeby je třeba zahrnout i spotřebu elektřiny ventilátorem umístěným na výparníku. Při venkovní instalaci výparníku je nutné pamatovat na to, že ventilátor je zdrojem určitého hluku.
Do dané kategorie lze zařadit i systémy s tzv. termodynamickými panely, kde se výparník podobá absorbéru plochého tepelného solárního kolektoru, může být umístěn na střeše, a tudíž vedle tepla ze vzduchu může využít i teplo ze slunečního záření.
Tepelná čerpadla vzduch-vzduch
Tepelná čerpadla typu vzduch-vzduch získávají teplo z venkovního vzduchu a vytápějí vnitřní prostory budovy teplým vzduchem. Tato čerpadla často mívají funkci reverzibilního chodu, a tak mohou být v létě využita ke klimatizaci. Mohou být používána i ve větracích systémech, kdy odebírají teplo teplému vzduchu vycházejícímu z místnosti a předávají ho vstupujícímu čerstvému vzduchu. V našich povětrnostních podmínkách se používají jako doplňkový zdroj tepla.
Tepelná čerpadla voda-voda
Tepelná čerpadla kategorie voda-voda využívají nízkopotenciální teplo povrchových nebo spodních vod. U spodních vod je výhoda celoročně téměř stálé teploty. Nevýhodou bývá velký obsah rozpuštěných minerálů, které mohou zanášet teplosměnné plochy. Je zde používán princip dvou studní, kdy z jedné se odčerpává voda k tepelnému čerpadlu a druhou studnou, tzv. vsakovací, se ochlazená voda vrací zpět do země.
Teplota povrchových vod může při nízkých venkovních teplotách dosahovat hodnot blízko 0 °C. Pak již nelze tento zdroj využít, neboť by intenzivně namrzaly teplosměnné plochy.
Tepelná čerpadla země-voda
Tepelná čerpadla typu země-voda využívají buď teplo země blízko pod povrchem v hloubce asi 1,5 až 2 m s použitím plošných kolektorů, nebo teplo hornin z vrtů, které mohou být hluboké i 150 m. Plošné kolektory jsou nejčastěji vyrobeny z plastových trubek. Velikost sběrné plochy je asi trojnásobkem plochy vytápěné. Zemní vrty jako zdroje tepla jsou v současné době velmi rozšířeny. Je-li třeba vrtů několik, umísťují se nejméně 10 m od sebe.
Provozní režimy tepelných čerpadel
Tepelná čerpadla nebývají vždy dimenzována na celkovou tepelnou ztrátu budovy, tzn. na takový topný výkon, kterým by bylo při výpočtové teplotě venkovního vzduchu (–12, –15, popř. –18 °C) dosaženo požadované tepelné pohody v budově. Přestože je celkové pokrytí potřeby tepla při extrémních podmínkách technicky možné, z ekonomického hlediska se vyplatí pouze v případech, kdy je teplota nízkopotenciálního zdroje v průběhu topné sezóny relativně stálá (spodní voda) a systém vytápění je nízkoteplotní. V tomto případě, kdy je tepelné čerpadlo jediným zdrojem tepla, se jeho provozní režim nazývá monovalentní.
V ostatních případech je nutné mít k tepelnému čerpadlu ještě dodatkový, tzv. bivalentní zdroj tepla. Tímto zdrojem může být elektrokotel, kotel, kamna či krb. Teplota venkovního vzduchu, při které je tepelné čerpadlo schopno při plném zatížení vyprodukovat právě potřebné množství tepla na odpovídající teplotě, se nazývá teplota bivalence.
Při teplotě venkovního vzduchu vyšší než teplota bivalence čerpadlo svoji možnou dodávku tepla reguluje, při teplotě vzduchu nižší je nutné připojit dodatkový zdroj tepla.
Tepelná čerpadla mohou být v kombinaci s dodatkovým zdrojem provozována v různých režimech. Volba teploty bivalence a správného provozního režimu je výsledkem rozboru vlastností využívaného zdroje nízkopotenciálního tepla, dodatkového zdroje tepla, typu topné soustavy (nízkoteplotní, vysokoteplotní), investičních možností budoucího uživatele a provozních nákladů. Obvykle se teplota bivalence pohybuje v rozmezí od –2 do –8 °C.
U paralelně bivalentního režimu se při teplotách pod teplotou bivalence k tepelnému čerpadlu připíná dodatkový zdroj tepla, který dodává potřebný rozdíl tepla, což bývá běžné u typů země-voda a vzduch-voda.
Při alternativně bivalentním režimu se tepelné čerpadlo pod teplotou bivalence vypíná a funkci přebírá dodatkový zdroj tepla. Tento případ může nastat např. tehdy, je-li topná soustava vysokoteplotní, navržená na spád 90/70 °C, a tepelné čerpadlo již není schopno zajistit potřebnou teplotu topné vody, nebo u tepelného čerpadla odebírajícího teplo z povrchových vod, když teplota těchto vod se již blíží 0 °C.
Poslední, částečně paralelně bivalentní režim je kombinací dvou předchozích. Při poklesu venkovní teploty pod teplotu bivalence je ještě v určitém intervalu teplot provozováno tepelné čerpadlo souběžně s dodatkovým zdrojem, od určité ještě nižší teploty je provozován pouze dodatkový zdroj.
Environmentální přínos tepelného čerpadla
Vypočítá-li se topný faktor kompresorových tepelných čerpadel z příkladů uvedených v úvodu, získá se jeho hodnota rovná třem. Tento topný faktor je v našich podmínkách považován za limitní a správně navržené tepelné čerpadlo by nemělo mít průměrný celoroční topný faktor menší než uvedená hodnota. Uvažujme, že elektrická energie potřebná pro pohon tepelného čerpadla se u nás vyrábí v uhelných kondenzačních elektrárnách s průměrnou elektrickou účinností asi 33,3 %. Sledujme cestu energie, která je na počátku obsažena v uhlí. Je-li spáleno 100 kg uhlí v kondenzační elektrárně, vyrobí se v ní takové množství elektrické energie, které odpovídá 33,3 kg vstupujícího uhlí. Aby bylo v tepelném čerpadle zase zpět získáno takové množství energie, které bylo na počátku, tzn. minimálně odpovídající 100 kg uhlí, musí být topný faktor tepelného čerpadla minimálně 3. Tedy k oněm 33,3 kg uhlí představujícím elektrickou energii musí tepelné čerpadlo přičerpat teplo z okolí odpovídající 66,7 kg uhlí. Kdyby byl topný faktor tepelného čerpadla menší než 3, bylo by energeticky výhodnější uhlí spalovat přímo v místě vytápění. Tato úvaha je trochu zjednodušená, nicméně ukazuje způsob, jak k environmentálnímu hodnocení tepelných čerpadel přistupovat. Při hlubší analýze je nutné brát v úvahu, že v uhelných elektrárnách se uhlí spálí dokonaleji a s menšími emisemi, než by bylo možné dosáhnout v běžném domácím kotli; často je elektřina sice vyráběna s menší účinností, ale v kogeneraci s teplem, které je účelně využito v blízkosti teplárny; elektřina u nás je vyráběna i z jiných zdrojů než uhlí atd. Avšak v porovnání s přímým elektroohřevem jsou tepelná čerpadla ekologičtější vždy, je-li jejich topný faktor větší než jedna. Běžně dosahované hodnoty průměrného celoročního topného faktoru se u správně navržených a provozovaných tepelných čerpadel pro vytápění pohybují mezi čísly 3 a 4. V porovnání s plynovými kotli však při současné skladbě primárních energetických zdrojů podílejících se na výrobě elektřiny vycházejí tepelná čerpadla ekologicky hůře. Podaří-li se zvětšit podíl zařízení pro výrobu elektřiny bez emisí (jaderné elektrárny, obnovitelné zdroje) na úkor uhelných elektráren, může být překonán i tento nedostatek.
Poděkování
Článek byl zpracován s podporou projektů TAČR: ALFA – Využití tepelné energie zemské kůry pro zřizování obnovitelných zdrojů energie včetně ověření možnosti akumulace tepla (TA01020932) a ENET – Energetické jednotky pro využití netradičních zdrojů energie (CZ.1.05/2.1.00/03.0069).
Literatura:
[1] VRTEK, M.: Hodnocení efektivity práce tepelných čerpadel. In: Proceedings of EPE 2010, Brno, Brno University of Technology, 2010, pp. 307–312, ISBN 978-80-214-4094-4.
doc. Ing. Mojmír Vrtek, Ph.D., katedra energetiky, Fakulta strojní, VŠB-TU Ostrava (mojmir.vrtek@vsb.cz)
Obr. 1. Porovnání tepelných bilancí: a) přímý elektrický ohřev, b) tepelné čerpadlo
Obr. 2. Základní schéma kompresorového tepelného čerpadla
Obr. 3. Principiální schéma absorpčního tepelného čerpadla
Obr. 4. Obrácený Carnotův oběh pro tepelné čerpadlo poháněné mechanickou prací