Tepelné čerpadlá sú zariadenia využívajúce obnoviteľné zdroje energie, akými sú voda, vzduch alebo využívajúce teplo zo zeme. Predstavujú hlavný zdroj tepla pre dom alebo budovu. Vyrábajú sa vo všetkých výkonových radách, preto je možné ich použiť pre malé domy aj veľké priemyselné objekty. Tepelné čerpadlá dokážu pripravovať teplú úžitkovú vodu, aj kúrenie a zabezpečiť tak požiadavku pre tepelný komfort
PRINCÍP ČINNOSTI
Tepelné čerpadlo odoberá z okolitého prostredia teplo a toto teplo odovzdáva vnútornej jednotke tepelného čerpadla do vody, ktorú ohrieva. Pre svoju funkciu potrebuje tepelné čerpadlo elektrickú energiu, ktorá poháňa kompresor tepelného čerpadla, ako aj jeho ostatné elektronické komponenty. Z hľadiska princípu premeny tepelnej energie (získavania a odovzdávania tepla) používa tepelné čerpadlo tieto štyri základné komponenty: výparník, kompresor, kondenzátor a expanzný ventil. Tieto komponenty pracujú s chladiacou kvapalinou, ktorá je schopná zovrieť aj pri mínusových vonkajších teplotách a teda dokáže odovzdávať a príjmať teplo. V princípe je funkcia veľmi podobná chladničke.
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
Tento typ tepelného čerpadla získava energiu zo vzduchu. Tepelné čerpadlo je konštruované tak, že nasáva okolitý vzduch a ženie ho cez tepelný výmenník v ktorom cirkuluje chladivo. Nakoľko chladivo má veľmi nízky bod varu, dokáže zovrieť aj pri teplotách pod nulou. Pri takejto reakcii spotrebúva teplo z okolia, čím okolitý vzduch ochladzuje (berie si teplo zo vzduchu) a na druhej strane toto teplo odovzdáva vykurovaciemu systému. Prakticky tak potrebuje prečerpať obrovské množstvo vzduchu, čo však nepredstavuje žiaden problém, nakoľko okolitý vzduch je nevyčerpateľným zdrojom energie. Tento typ tepelných čerpadiel znižuje svoju účinnosť s klesajúcou okolitou teplotou vzduchu (t.j. čím je teplota nižšie pod nulou, tým menej energie dokáže tepelné čerpadlo zo vzduchu získať). Pri určitej teplote vzduchu pod nulou hovoríme o tzv. bivalentnom bode, to je bod, kedy už tepelné čerpadlo nedokáže efektívne získavať energiu zo vzduchu a tepelné čerpadlo zapne pomocný zdroj tepla ktorý ohrieva vodu (napr. pri teplote -10 °C zapne elektrickú špirálu). Ak teplota klesne ešte viac pod bod mrazu (napríklad -20 °C), tepelné čerpadlo sa úplne vypne a zapne záložný zdroj tepla (napr. elektrokotol, elektrická špirála, kotol a pod.). To je potrebné pri projektovaní a návrhu tepelného čerpadla zohľadniť.
Existujú samozrejme tepelné čerpadlá, ktoré dokážu ešte efektívne pracovať aj pri teplote hlboko pod podom mrazu (pod -15 °C), avšak platí logická úmera, že takéto typy čerpadiel sú výrazne drahšie oproti bežným typom tepelných čerpadiel vzduch-voda.
Tepelné čerpadlo zem-voda
Tieto typy tepelných čerpadiel využívajú k získavaniu energie zem. Používajú sa dva spôsoby a síce zemný kolektor a hĺbkový vrt.
Zemný kolektor
Pri zemnom kolektore sa odhrnie určitá plocha zemniny z pozemnku (pozemok okolo domu musí mať minimálne raz takú plochu ako je celková vykurovacia plocha domu). Bágrom sa odhrnie časť zeminy zhruba do hĺbky 1,2 m a do nej sa ukladá vodorovne rúrka. Takto sa postupuje po celom pozemku (alebo jeho časti - to závisí od toho čo určia výpočty pri projektovaní - aká veľká plocha je potrebná, aby sa zo zeme získal potrebný energetický tepelný zisk). V zemi sa teda vytvorí plošný kolektor podobný podlahovému kúreniu. Tepelné čerpadlo potom odoberá energiu zo zeme, čím ju ochadzuje a naopak na druhej strane domu túto energiu odovzdáva vykurovaciemu systému.
Hĺbkový vrt
Pri hĺbkovom vrte sa do zeme vyvŕtajú hlboké úzke vrty (cca. 50-100 m hlboké) a do nich sa vsunie rúrka v tvare U. Toto miesto sa zaleje bentonitom. V tejto rúrke koluje teplonosná látka a takto tepelné čerpadlo potom získava energiu z pod zeme. Počet vrtov závisí opäť od toho, aké výkkonné tepelné čerpadlo potrebujeme - to znamená pre menší rodinný dom stačia napríklad dva kratšie vrty, pre väčší dom dva-tri hlbšie. Výhodou hĺbkového vrtu je stabilná teplota zeme po celý rok, hoci zemina nemá taký energetický potenciál (nie je možné z nej získať stabilne taký vysoký zisk ako v prípade tepelného čerpadla voda-voda - viď. ďalší typ tepelného čerpadla nižšie).
Tepelné čerpadlo voda-voda
Tieto tepelné čerpadlá dosahujú najvyššiu účinnosť, pretože ako zdroj tepla využívajú povrchovú vodu (studňu), ktorá má relatívne po celý rok stabilnú teplotu cca 7 °C. To tepelnému čerpadlu poskytuje stabilný a výkonný zdroj tepla. V praxi to funguje tak, že sa navŕtajú do zeme dve studne, pričom jedna slúži na čerpanie vody na vstupe do tepelného čerpadla a druhá je vypúšťacia (vsakovacia studňa). Tepelné čerpadlo pomocou studňového čerpadla teda čerpá vodu zo studne, z ktorej potom odoberie malé množstvo tepla (ochladí vodu napríklad zo 7 °C na 2°C) a ochladenú vodu vypustí do vsakovacej studne. Preto pri návrhu tepelného čerpadla voda-voda je potrebné vziať do úvahy, že tepelné čerpadlo potrebuje pri tak malom rozdiele teplôt prečerpať relatívne veľký objem vody za hodinu prevádzky. To znamená, že studňa musí mať dostatočnú výdatnosť. Výdatnosť vody sa určuje jednoduchou metódou, kedy do vykopanej studne sa ponorí čerpadlo, ktoré odčerpáva počas 24 hodín vodu, pričom sa meria koľko metrov kubických (m³) vody stabilne do studne priteká tak, aby bola neustále plná. Tento údaj je vhodné odsledovať počas roka v mesiacoch, kedy býva zvyčajne nedostatok zrážok. Tým zabezpečíme, že tepelné čerpadlo bude mať vždy dosť vody na to, aby mohlo bez problémov pracovať.
