Dokážeme vytápět dům studeným vzduchem? Zní to jako nesmysl?
svetza5minut · Do hloubky · přibližně 6–8 minut čtení
Venku mrzne, uvnitř je příjemně teplo. A zařízení vedle domu získává energii pro vytápění právě z toho mrazivého vzduchu. Na první poslech to zní podobně, jako kdybychom chtěli vysušit ručník vodou.
Tepelné čerpadlo ale využívá docela obyčejná fyzikální pravidla. Jeho nejzajímavější částí není velký ventilátor, který vidíme zvenčí. Je to látka ukrytá v uzavřeném okruhu — chladivo. Dokážeme zařídit, aby bylo na jednom místě chladnější než zimní vzduch a na jiném teplejší než voda ve vytápění.
Jak? Měníme jeho tlak a využíváme přeměnu kapaliny na páru a zpět.
I při −5 °C může vzduch sloužit jako zdroj tepla
Když říkáme, že je vzduch studený, porovnáváme ho především se svým tělem. Pro fyziku ale není rozhodující, jestli si potřebujeme obléct bundu. Rozhoduje rozdíl teplot.
Představme si tento ilustrační příklad:
| Co porovnáváme | Teplota |
|---|---|
| Venkovní vzduch | −5 °C |
| Chladivo při vypařování ve venkovním výměníku | −15 °C |
Vzduch je o deset stupňů teplejší než chladivo. Proto mu může předávat teplo. Stejně jako teplý hrnek zahřívá chladnější ruce, i studený vzduch zahřívá ještě chladnější látku. Takový teplotní příklad používá také učebnice OpenStax. Není to ale předepsané nastavení každého čerpadla. 1
Nula na Celsiově stupnici označuje bod tuhnutí vody za běžného tlaku, nikoli okamžik, kdy ze všeho zmizí tepelná energie. Tu obsahuje i vzduch pod nulou.
Přesněji řečeno: vzduch má vnitřní energii a část z ní může předat jako teplo. V běžném vysvětlení jednoduše říkáme, že „i studený vzduch obsahuje teplo“.
Co je vlastně ta studená kapalina?
Chladivo je pracovní látka vybraná tak, aby se při vhodných tlacích dokázala vypařovat a zkapalňovat v užitečném rozsahu teplot. V domácích tepelných čerpadlech se používají například R290, tedy propan, nebo R32, syntetické chladivo. Konkrétní typ závisí na zařízení. Propan se tu nespaluje: obíhá v okruhu jako nosič energie. 2
Označovat chladivo stále za kapalinu není přesné. Někde je kapalné, jinde tvoří směs kapaliny a páry a do kompresoru vstupuje jako pára. Chemicky jde pořád o tutéž pracovní látku.
Zároveň to není voda proudící do podlahového topení nebo radiátorů. V systému vzduch–voda jsou oba okruhy oddělené. Kovovou stěnou výměníku prochází teplo; chladivo se s topnou vodou nemísí.
Při běžném provozu se chladivo nespotřebovává jako palivo. Vrací se na začátek a pracuje znovu. 2
Jak může kapalina vřít pod nulou?
Var si spojujeme se stovkou stupňů, protože přibližně tak vře voda v otevřeném hrnci za běžného atmosférického tlaku. To ale není univerzální pravidlo pro všechny látky a všechny tlaky.
Při nižším tlaku klesá teplota varu. I voda proto ve vysokých horách vře při nižší teplotě než u moře. Chladiva mají jiné vlastnosti než voda a při vhodném nízkém tlaku mohou vřít hluboko pod nulou.
Ve venkovním výměníku tak chladivo může přijímat energii a vypařovat se například při −15 °C. Nemusí nejprve dosáhnout nuly ani pokojové teploty. Během přeměny kapaliny na páru se velká část přijaté energie využije právě k této přeměně, nikoli k prudkému růstu teploty.
Proto je vypařování tak užitečné: chladivo dokáže přijímat teplo, přestože zůstává velmi studené. U čisté látky a přibližně stálého tlaku probíhá samotný var přibližně při stálé teplotě. 3
Kdo ho tedy pořád ochlazuje?
Tohle je klíčová otázka. Kdybychom ven položili nádobu s kapalinou o teplotě −15 °C, vzduch o teplotě −5 °C by ji postupně zahřál. Bez dalšího děje by se jejich teploty přibližovaly. Jediná nádoba studené látky by dům trvale nevytápěla.
V tepelném čerpadle ovšem chladivo neustále obíhá mezi vysokotlakou a nízkotlakou částí. Kompresor odsává páru z nízkotlaké strany a vytlačuje ji na vysokotlakou. Expanzní ventil omezuje průtok mezi nimi a dávkuje chladivo do výparníku. Jejich společnou činností se udržuje rozdíl tlaků. 4
Když kapalné chladivo projde ventilem na nižší tlak, část se rychle odpaří. Energie potřebná pro tuto přeměnu se vezme ze samotného proudu chladiva a výsledná směs se ochladí. Do venkovního výměníku proto přichází studená směs kapaliny a páry připravená přijmout další teplo. 3
Není k tomu potřeba druhý mrazák schovaný v čerpadle. Chlazení vzniká při tomto oběhu. Elektřina je nezbytná zejména k pohonu kompresoru, který udržuje proces v chodu. Po vypnutí se rozdíly teplot a tlaků postupně vyrovnávají; chladivo není „navždy studené“.
Jedno kolo ve čtyřech zastávkách
1. Výparník: příjem tepla. Ventilátor přivádí venkovní vzduch k výměníku. Chladivo uvnitř je chladnější, přijímá teplo a vypařuje se. Vzduch po předání energie odchází chladnější.
2. Kompresor: zvýšení tlaku a teploty. Elektrický motor pohání kompresor, který stlačuje páru. Ke stlačení dodává práci, a proto roste také energie a teplota chladiva. Pára musí být dostatečně teplá, aby mohla ohřívat topnou vodu.
3. Kondenzátor: předání tepla. Chladivo předává energii vodě přes stěnu výměníku a přitom kondenzuje, tedy mění se zpět na kapalinu. Ohřátá voda obíhá vytápěním domu.
4. Expanzní ventil: návrat na nízký tlak. Chladivo projde zúžením, tlak klesne a vznikne chladnější směs kapaliny a páry. Okruh se opakuje. 5
V jednotlivých částech čerpadla tyto děje probíhají současně. Animace je ukazuje postupně, aby se daly sledovat. Barvy znázorňují teplotu; skutečné chladivo se při zahřátí nemění na oranžové.
Kolik stupňů má tedy chladivo doopravdy?
Nemá jednu teplotu pro celé zařízení. Mění se podle místa v okruhu, venkovních podmínek, požadované teploty vody, použitého chladiva i řízení čerpadla.
Číslo −15 °C z našeho příkladu se týká vypařování na studené straně. Není to automaticky teplota za kompresorem ani při vstupu do ventilu. Když se změní podmínky, změní se i provozní bod.
Stačí si proto zapamatovat dvě podmínky: při odběru tepla musí být chladivo chladnější než jeho zdroj; při předávání tepla musí být teplejší než ohřívaná voda.
Jak mohou z jedné kilowatthodiny vzniknout čtyři?
Nevzniknou ze samotné elektřiny. Pokud čerpadlo za určitých podmínek spotřebuje 1 kWh elektřiny a ze vzduchu odebere 3 kWh energie, může domu předat přibližně 4 kWh tepla.
1 kWh elektřiny + 3 kWh ze vzduchu = 4 kWh tepla pro dům.
Poměr dodaného tepla ke spotřebované elektřině se nazývá COP, neboli topný faktor. V tomto ilustračním případě je COP 4. Nejde o energii z ničeho ani o porušení fyziky. Počítáme dva vstupy, nikoli jeden. 1
COP 4 však není příslib na každý den. Ani ho automaticky nepřiřazujeme k našemu příkladu −5/−15 °C. Sezónní ukazatele navíc hodnotí provoz v průběhu sezóny; jedno výhodné měření neříká, jaký bude výsledek za celý rok.
Proč má v zimě více práce?
Čím větší teplotní rozdíl musí čerpadlo překonávat, tím náročnější je přesun tepla. Záleží proto na počasí i požadavcích domu. Připravit vodu například na 35 °C je při stejných ostatních podmínkách zpravidla méně náročné než na 55 °C. Proto čerpadlům vyhovuje nízkoteplotní vytápění; dobře navržená radiátorová soustava ale může fungovat také. 6
Za vlhkého počasí může na venkovním výměníku vznikat námraza. Zařízení ji musí odmrazovat, což také ovlivňuje spotřebu a dodávku tepla. Výsledek závisí na konkrétním modelu a podmínkách, nejen na jediném čísle na teploměru. Za některých provozních stavů pomáhá doplňkový zdroj vytápění. 7
Vzduch–voda není jediná možnost
První výraz v názvu říká, odkud teplo bereme, druhý, čemu ho předáváme.
| Typ | Zdroj energie | Kam jde teplo | Čím se liší |
|---|---|---|---|
| Vzduch–voda | Venkovní vzduch | Voda ve vytápění | Příklad z našeho reelska; podmínky se mění s počasím. |
| Vzduch–vzduch | Venkovní vzduch | Vzduch v místnostech | Takto může topit klimatizace; nepotřebuje vodní podlahové topení. |
| Země–voda | Země prostřednictvím kolektoru nebo vrtu | Voda ve vytápění | Zdroj má stabilnější podmínky, jsou ale potřeba zemní práce či vrt. |
| Voda–voda | Vhodný vodní zdroj, například podzemní voda | Voda ve vytápění | Potřebuje vhodné místní podmínky a řešení odběru a návratu vody. |
U běžného systému země–voda navíc v zemním kolektoru cirkuluje samostatná nemrznoucí směs. Ta předává teplo chladivu ve výměníku; nejde o stejné médium. 8
Žádný typ není nejlepší pro každý dům. Nás ale zajímá jejich společný princip: získat energii z chladnějšího prostředí a s pomocí elektřiny ji dopravit tam, kde ji využijeme.
Příbuzný stroj už pravděpodobně máte doma. Lednička odebírá teplo svému vnitřnímu prostoru a předává ho kuchyni. Tepelné čerpadlo při vytápění využívá stejnou myšlenku — jen nás tentokrát zajímá především teplá strana.
Studený vzduch tedy není vzduch bez energie. A chladivo není zázračná kapalina: jeho teplotu dokážeme měnit tím, jak ho necháme obíhat, stlačovat a vypařovat.
Svět je zajímavější, když mu rozumíš. Sleduj svetza5minut.
Zdroje a další čtení
Článek vysvětluje běžný parní kompresorový cyklus. Číselné příklady nejsou návrhem vytápění ani údaji konkrétního výrobku.
- OpenStax, College Physics 2e: Heat Pumps and Refrigerators — princip, energetická bilance a názorný teplotní příklad; otevřená učebnice, licence CC BY 4.0.
- Vaillant: Refrigerants in heat pumps — pracovní látka, příklady chladiv a uzavřený okruh.
- Danfoss: Refrigeration — an introduction to the basics — tlak, skupenské přeměny a expanze.
- Danfoss: How thermostatic expansion valves work — dávkování chladiva a funkce ventilu.
- Viessmann: How does a heat pump work? — přehled pracovního cyklu.
- Energy Saving Trust: In-depth guide to heat pumps — otopná soustava a účinnost.
- U.S. Department of Energy: Measured Performance of a Low Temperature Air Source Heat Pump — provoz vzduchových čerpadel a odmrazování.
- U.S. Department of Energy: Heat Pump Systems — přehled systémů a zdrojů energie.
Doplňující zdroj k zemnímu okruhu: PNNL, Building America Solution Center: Ground-Source Heat Pumps.