Testo Academy - Tepelná čerpadla – Základní principy a hlavní komponenty

Tepelná čerpadla využívají funkční princip kompresního chladicího systému, ve kterém se odpadní teplo akumuluje jako „odpadní produkt“ v chladicí technice. Kdykoliv je to možné, mělo by se však toto teplo odebírat, nebo jako v případě tepelných čerpadel, cíleně využít. Aby bylo možné tento termodynamický proces pochopit, uvádíme několik jednoduchých základů.

1. Termodynamika

Zjednodušeně řečeno, první termodynamický zákon říká, že energie se neztrácí, ale jednoduše se přeměňuje na jinou formu energie. Tento princip je důležitý při zvažování energetických toků v chladicí, klimatizační a vytápěcí technice. Energetické bilance proto musí být promyšlené.

Při zjednodušeném pohledu na věc je zřejmé, že se hnací výkon z kompresoru přidává k tepelné energii absorbované ve výparníku ze zdroje tepla. Při COP o hodnotě 4 to znamená 3 díly tepla ze zdroje a 1 díl energie z kompresoru přeměněné z elektrické na tepelnou. Celé množství energie se pak opět uvolní na vysokotlaké straně chladicího okruhu u kondenzátoru při vyšší teplotě pro vytápění nebo pro ohřev vody.

Druhý termodynamický zákon je pro chladicí techniku neméně zásadní. Uvádí, že se (tepelná) energie přirozeně přenáší pouze z teplejšího tělesa do chladnějšího tělesa. Pokud se použije přídavná energie (kompresor), lze tento efekt využít i pro vytápění. Tok energie tepelného čerpadla v zimě totiž směřuje ze studeného zdroje tepla do ještě chladnějšího chladiva ve výparníku. Tepelnou energii lze tedy čerpat i z 10stupňové půdy nebo z velmi chladného venkovního vzduchu. Přenos energie se pak také řídí zásadou: „z teplého do studeného!“

Třetí termodynamický zákon je odvozen z druhého zákona. Pokud teplo vždy přirozeně „proudí“ z teplého do studeného, znamená to: pomocí termodynamických prostředků nelze nikdy dosáhnout absolutní nuly. Ta je definována na 0 K nebo –273,15 °C a popisuje stav, kdy jsou částice nehybné.

2. Čtyři hlavní součásti kompresního chladicího okruhu

Obecně lze kompresní chladicí okruh definovat 4 hlavními komponenty:

1. Výparník
2. Kondenzátor
3. Kompresor
4. Expanzní ventil

Grafické znázornění ukazuje tyto hlavní součásti v chladicím okruhu tepelného čerpadla. Je znázorněn cyklus, ve kterém chladivo cirkuluje v uzavřeném okruhu, a přitom prochází dvěma změnami skupenství.

Výparník

Výparník je velmi důležitou součástí. Tvoří něco jako „rozhraní“ mezi zdrojem tepla a okruhem solanky nebo chladiva. V tepelných čerpadlech se používají dva hlavní typy:

• lamelový tepelný výměník, kdy je teplo odebíráno ze vzduchu média,
• deskový tepelný výměník pro přenos tepla mezi dvěma kapalinami.

U obou možností je tok tepla stejný: z „horkého“ do „studeného“. Při nízkém tlaku (sacím tlaku) se dostává chladivo z expanzního ventilu do výparníku ve stále převážně kapalné formě. Zde se odpařuje, a přitom absorbuje teplo ze zdroje tepla. Cílem je vstříknout do výparníku takové množství chladiva, aby absorbovaná tepelná energie stačila pro úplný přechod z kapalného skupenství na páru. Kromě citelného tepla je absorbováno také latentní teplo. Co nejmenší přehřátí páry v poslední sekci výparníku slouží jako nezbytný řídicí proces pro vstřikovací jednotku. Zároveň je tím zajištěno, aby se do kompresoru, ani při kolísání zatížení, nedostalo žádné kapalné chladivo. Součásti výparníku a expanzní jednotky proto musí být velmi dobře sladěny. Tato koordinace má na účinnost a spolehlivost soustavy významný vliv. Vhodná teplota vypařování a přehřátí výparníku slouží jako měřítko efektivního odpařování. Obě hodnoty lze spolehlivě určit digitálními servisními přístroji. Celý proces je automaticky monitorován a řízen regulací ohřevu. Za určitých podmínek (teplota, vlhkost) mohou lamelové výměníky tepla venku namrzat. Odtávání výparníku, které je v tomto případě nutné, představuje přerušení přenosu tepla. Odtávání se také provádí automaticky pomocí snímače námrazy. Přesto je znalost odtávání nezbytná, protože ovlivňuje účinnost tepelného čerpadla.

Kondenzátor

Kondenzátor uvnitř tepelného čerpadla je pájený nebo svařovaný deskový výměník tepla, kterým se na vysokotlaké straně za kompresorem předává tepelná energie do média v připojené vyrovnávací nádrži. Během tohoto procesu se chladivo v kondenzátoru zkapalňuje, čímž se uvolňuje nejen citelné teplo, ale také latentní teplo absorbované při odpařování. Pokud se toto vše děje při průtoku kondenzátorem a dochází k nízkému přehřívání, je dosaženo optimálního přenosu tepla. Kondenzátor má v zásadě tři zóny:

• zóna přehřátí,
• kondenzační zóna,
• zóna podchlazování.

Největší prostor zabírá kondenzace chladiva. Po stlačení dochází v prvním kroku ochlazení přehřáté páry chladiva na vhodnou kondenzační teplotu. V tomto okamžiku se v kondenzátoru objevují první kapky kapalného chladiva. S pokračujícím odvodem tepla do okolí se tyto kapky zvětšují a zvětšují, dokud již nejsou přítomna žádná plynná skupenství chladiva. S vhodnou konstrukcí kondenzátoru lze nyní chladivo mírně podchladit.

Kompresor

Úkolem kompresoru v chladicím okruhu je nasávat přehřátou páru ze sacího potrubí (sací tlak) a tuto páru stlačit na úroveň vysokého tlaku. Tato úroveň vyplývá z poměru výkonu kondenzátoru a výparníku při určitých požadavcích na teplo v budově a na okolních podmínkách na straně zdroje tepla. Tyto podmínky podléhají sezonním výkyvům zatížení v důsledku denních/nočních nebo vyšších/nižších ročních teplot.
Důležitou roli hrají také návyky uživatelů.
Kompresor je součást chladicího okruhu, která vyžaduje nejvíce elektrické energie. Tepelná čerpadla využívají téměř výhradně plně hermeticky uzavřené kompresory. Polohermeticky uzavřená provedení kompresorů se používají také pro soustavy s vyšším výkonem při použití v komerčních nebo průmyslových objektech.

Plně hermeticky uzavřený kompresor

Tyto kompresory jsou hermeticky uzavřeny. Používají se ve velkém množství pro menší kapacity. Elektromotor a vnitřek kompresoru nejsou přístupné. Elektromotor je chlazen studenou nasátou párou (chlazení nasátou párou) a/nebo olejem (olejové chlazení). Pro tepelná čerpadla se používají dva kompresní principy:

Scroll

Dvě do sebe vložené spirály stlačují chladivo, které jimi protéká. Jedna spirála je pevná, zatímco druhá rotuje vysokou rychlostí a vytváří menší prostor. Zvýší se tlak, plyn se stlačí, ohřeje, a nakonec je vytlačován. Scroll kompresory jsou nejběžnějším typem konstrukce u klasických tepelných čerpadel. Pracují tiše a efektivně. Pro vzduch jako zdroj tepla je preferován provoz s frekvenčním měničem pro regulaci otáček, protože umožňuje energeticky optimalizované vyvážení kolísajících okolních podmínek. Při přechodně vyšších výstupních teplotách se vyplatí i regulace výkonu.

Dvourotorový kompresor

V tomto provedení se písty plně otáčejí. Jedná se tedy o rotační kompresor. Rotační pístové kompresory nejsou tak účinné, ale jsou o něco levnější. Této výhody mohou využít zejména v malém výkonovém rozsahu pod 5 kW topného výkonu. Vzhledem k faktu, že jsou požadavky na vytápění vysoce izolovaných domů stále menší, roste o tento typ konstrukcí kompresů zájem. Pro vytápění a ohřev vody, ale také například pro spojení domů s vysokou teplotou zdroje ze sítí dálkového vytápění nebo pro domácí ventilační systémy s modulem tepelného čerpadla.

Polohermeticky uzavřený kompresor

Polohermetické uzavřené kompresory se používají pro střední a velmi vysoké kapacity v chladičích nebo tepelných čerpadlech. Elektromotor je ve skříni s kompresorem pevně propojen a motor je chlazen studenou nasátou párou nebo pomocí připojeného ventilátoru. Na rozdíl od plně hermeticky uzavřených kompresorů je možné vyměnit elektromotor a ventilové desky kompresoru jsou v případě servisu volně přístupné. Tento režim provozu obvykle zahrnuje pístové nebo šroubové kompresory pro velmi velké kapacity. Žádný z nich však nehraje hlavní roli v tepelných čerpadlech pro rozsah výkonu rodinných nebo bytových domů. Důvodem jsou výrazně vyšší náklady nebo emise hluku.

Expanzní ventil

Důležitým úkolem expanzního ventilu v chladicím nebo klimatizačním zařízení je vstříknout do výparníku tolik tekutého chladiva, aby se v jeho trubkách mohlo co nejvíce chladiva vypařit. Chladivo potřebuje k vypaření mnoho energie, která je odebírána ze zdroje tepla.Existují různé designy:

• expanzní kapilára,
• automatický expanzní ventil,
• termostatický expanzní ventil,
• elektronický expanzní ventil.

U tepelných čerpadel hrají roli téměř výhradně poslední dva typy expanzních ventilů. Termostatický expanzní ventil je v současnosti standardem pro chladivové
okruhy. Jeho úkolem je udržovat konstantní přehřátí par ve výparníku. Pro správnou funkci zařízení je velice důležité, aby byl termostatický expanzní ventil přesně nastavený. Elektronický expanzní ventil má nejvyšší kvalitu regulace oproti jiným uvedeným expanzním ventilům. Cílem je prostřednictvím pomocné energie(elektrické ovládání) udržovat konstantní poměr přehřátí ve výparníku a rychle jej upravovat při výkyvech zatížení. Vzhledem k tomu, že dodavatelský trh již řadu let vyvíjí cenově výhodné varianty, je elektronický expanzní ventil stále oblíbenější také u tepelných čerpadel. Jeho přesné ovládání má zvláště pozitivní vliv na COP tepelného čerpadla a především na sezonní topný faktor.

Kontrolní otázka:

Jaké jsou 4 hlavní komponenty chladicího okruhu?

První tři správné odpovědi zaslané na e-mail: info@testo.cz získají LED lampičku testo.

Zdroj: Online academy testo