Jak funguje chlazení tepelným čerpadlem?

Tepelné čerpadlo je ideálním zdrojem energie pro plošné sálavé chladící systémy a pro vytápění. Velkou výhodou je, že při použití ve velkoplošném systému může čerpadlo dosahovat vysoké účinnosti a velmi úsporně chladit. V době rostoucích cen energií je to nákladově efektivní řešení pro udržení příjemného klimatu v domácnosti. V tomto článku se budeme zabývat různými typy tepelných čerpadel a také principem jejich fungování při chlazení.

Princip chlazení tepelným čerpadlem

Obecně platí, že to, zda bude tepelné čerpadlo topit nebo chladit, určuje směr přečerpávání energie mezi interiérem a exteriérem. Tepelné čerpadlo může téměř vždy chladit, ale na rozdíl od čistě topného provozu může být nutné jeho zapojení upravit nebo doplnit pro účely chlazení. V tomto případě je rozhodující typ tepelného čerpadla.

Nejčastěji používaný typ vzduch – voda, ať už dělený nebo monoblokový, může vyrábět chladící vodu v tzv. reverzním (obráceném) režimu provozu. Každý výrobce používá vlastní schémata zapojení; v jednoduchém případě není třeba do kotelny téměř nic přidávat. Optimální je však přidat alespoň akumulační nádrž, která umožňuje nasazení další regulace chlazení.

Velkou výhodou tepelných čerpadel typu země-voda a voda-voda je možnost využití tzv. pasivního režimu chlazení, který nevyžaduje provoz kompresoru. Chlazení je tedy téměř zdarma, stačí pouze pohánět oběhová čerpadla. Pasivní režim však nelze použít pro plné chlazení, pokud je jako primární zdroj použit plochý kolektor. Zde a v některých dalších případech je třeba znovu uvést do provozu aktivní reverzní chlazení pomocí kompresoru. Každý výrobce má opět svá vlastní schémata zapojení, která určují potřebu úprav kotelny nebo doplnění komponent. Kompaktní konstrukce, které se dnes často používají (tzv. chillery), mají obvykle vše zabudované, jindy je třeba přidat pasivní chladící soupravu, akumulační nádrž nebo jiné drobné prvky. Není to však nic složitého.

Hlavním úkolem tepelného čerpadla je dostat chladící vodu o požadované teplotě do chladícího systému, takže je třeba doplnit vlastní systém přenosu chladu uvnitř domu (podlahové, nástěnné nebo stropní chlazení, případně ventilátorové spirály atd.). Kromě toho je vždy vhodné doplnit vhodný řídicí systém, který kromě teploty chladící vody hlídá i tzv. rosný bod v závislosti na relativní vlhkosti vzduchu v interiéru, aby nedocházelo k nežádoucímu orosení chlazených ploch.

Na rozdíl od běžné klimatizace, která přenáší ochlazený vzduch jedním nebo více kanály v domě na místo určení, tepelné čerpadlo ochlazuje daný prostor prostřednictvím kanálů chladícího nebo dokonce univerzálního systému vytápění a chlazení. Zde se dostáváme ke dvěma základním možnostem – aktivnímu a pasivnímu chlazení.

Pasivní chlazení pracuje s přirozenou teplotou okolí. Chladící voda odebírá teplo z vnitřního prostoru a následně ho odvádí ven (např. do země nebo podzemní vody). Při pasivním chlazení je tepelné čerpadlo (kompresor) vypnuto, což výrazně snižuje náklady na chlazení. Chlad ze země (primární okruh) se přes vodní výměník přenáší do interiéru (sekundární okruh) pouze pomocí oběhových čerpadel.

Při aktivním chlazení pracuje tepelné čerpadlo tak, že nežádoucí teplo z interiéru přenáší do vnějšího prostředí za aktivní pomoci kompresoru v tepelném čerpadle – obvykle ve variantě vzduch-voda. Její provoz proto spotřebovává o něco více elektřiny než pasivní varianta. Pro provoz tepelného čerpadla je však již zapotřebí kompresor, a proto se spotřebovává i elektrická energie.

Typy tepelných čerpadel

Nejčastěji používaná tepelná čerpadla u nás jsou:

• • vzduch – vzduch – klimatizace, výstupem vnitřní jednotky je studený vzduch, 
  • vzduch – voda – výstupem vnitřní jednotky je studená voda.
  • země – voda – je to provozně nejefektivnější systém, který pracuje při konstantních teplotách. Zařízení je umístěno uvnitř domu, a proto má vyšší odolnost. Počáteční náklady na instalaci jsou samozřejmě vyšší. Hlavním zdrojem energie je geotermální energie čerpaná hlubokými sondami o délce asi 100 m nebo povrchovými kolektory. Primární okruhy jsou uzavřené a cirkuluje v nich směs vody a nemrznoucí směsi. Dílčí variantou je typ voda-voda, kdy se energie čerpá ze studny a vrací se do druhé studny (otevřený okruh). 

Vzduch – vzduch

Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch je běžnou klimatizací a představuje nejjednodušší a nejlevnější řešení chlazení pomocí tepelného čerpadla. Chladí prostor vyfukováním vzduchu z vnitřní jednotky, která je nejčastěji umístěna nad dveřmi. Platí to však i naopak. Pokud senzory nezaznamenají žádný pohyb v místnosti, chlazení přejde do tichého režimu. O výhodách a nevýhodách standardní klimatizace si můžete přečíst v našich článcích 5 důvodů, proč je stropní chlazení lepší než klimatizace a Jaké známe typy klimatizací? 

Vzduch – voda

Kromě ohřevu vody je tepelné čerpadlo vzduch-voda schopno vyrábět také chladící vodu, která se pak používá k chlazení interiéru. Venkovní jednotka vypadá jako běžná klimatizace. Ve vnitřní jednotce hraje důležitou roli hydrobox s výměníkem tepla – zajišťuje rozvod chlazené vody potrubím do koncového chladícího prvku. Jak jsme již v článku zmínili, stěnové, stropní a podlahové systémy plošného vytápění jsou ideální pro distribuci chladu jako koncového prvku. Běžné radiátory nejsou vhodné kvůli možné kondenzaci. Účinnost nízkoteplotních radiátorů je opět velmi nízká, takže se ekonomicky a funkčně nevyplatí.

Země – voda

Tepelné čerpadlo vzduch/voda není vhodné pro pasivní chlazení. Pro tento typ chlazení je vhodnější používat tepelná čerpadla země/voda a voda/voda, tj. taková, která přebytečné teplo odvádějí ven do země nebo podzemní vody. Z hlediska trvanlivosti a nákladů na životní cyklus je to také možnost, kterou je třeba zvážit.

Nákres domu

Závěr

Každé tepelné čerpadlo lze také přizpůsobit režimu chlazení. Musí však být reverzibilní ve svém způsobu fungování a doplněna dalšími komponenty. Dva nejběžnější typy tepelných čerpadel jsou vzduch/vzduch a vzduch/voda. Pro pasivní chlazení stojí za zvážení také tepelná čerpadla země/voda a voda/voda.