Proč tepelná čerpadla potřebují chladivo?

Úvod

V článku používaný pojem energonosič má jiný význam než pojem energonositel, kterým se rozumí hmota nebo jev, která nebo který mohou být použity k výrobě mechanické práce nebo tepla nebo na ovládání chemických nebo fyzikálních procesů. Energonositelem je například zemní plyn, elektrická energie, dálkové teplo, solární teplo, fotovoltaická elektřina apod.

Jako autor jsem se snažil procesy spojené s chladivem vysvětlit co nejjednodušeji bez použití vzorců, grafů atp. Tedy tak, aby si základní přehled mohla vytvořit co nejširší veřejnost zajímající se o tepelná čerpadla.

I chladivo je energonosič

Pro pochopení činnosti tepelného čerpadla a významu chladiva je zásadní si uvědomit, že tepelnou energii vždy nese energonosič. To je v případě tepelných čerpadel zpravidla vzduch, voda, země, ale právě i chladivo. Každý energonosič má určitou teplotu. Pokud se jeden energonosič setká s druhým na rozmezí tvořeném tepelně vodivou stěnou a oba mají různé teploty, začne přes stěnu procházet tepelná energie z energonosiče s vyšší teplotou do energonosiče s nižší teplotou a cílovým stavem je vyrovnání teplot v obou energonosičích. Takto bychom však tepelnou energii z přírodních energonosičů s nízkou teplotou pro vytápění vyžadující vyšší teplotu nezískali.

Dále je nutné si uvědomit, že teplotu odpařování nebo kondenzace energonosiče chladivo ovlivňuje působící tlak. Rostoucí tlak zvyšuje teplotu kondenzace chladiva, tedy jeho přechodu z plynného skupenství do kapalného. Pokud tlak klesá, klesá i teplota varu, tj. přechodu chladiva z kapalného skupenství do plynného.

Proč a jak se zvyšuje teplota energonosiče – chladiva?

Chladivo je jedna látka nebo směs více látek, která musí být schopná se při nízké teplotě primárního, vstupního energonosiče odpařovat, a to při konstrukčně přiměřeném nižším tlaku. Pokud má chladivo nižší teplotu než energonosič, může z něj odebírat tepelnou energii. Aby se teplota chladiva snížila, musíme v něm nastartovat proces odpařování. Pro odpařování, změnu svého skupenství, pak chladivo spotřebovává svou tepelnou energii, a proto jeho teplota klesá. A když klesne teplota chladiva pod teplotu primárního energonosiče, začne z primárního energonosiče přes vhodnou, tepelně vodivou stěnu tepelná energie samovolně přecházet do odpařovaného chladnějšího chladiva. Odpařením vznikají páry chladiva, které by v prostoru odpařujícího se chladiva zvyšovaly tlak. Tím by se zvýšila tepla odpařování a proces by skončil. Proto vzniklé páry plynule odčerpává kompresor, takže se udržuje potřebný nízký tlak a proces plynule probíhá.

Páry chladiva projdou kompresorem, a přitom jsou stlačeny. Při procesu stlačování chladivo prakticky nepředává tepelnou energii do jiného energonosiče a stlačení se projeví zvýšením jeho teploty. Pro stlačení chladiva bylo totiž nutné vynaložit mechanickou energii, která se v procesu stlačování chladiva změnila na tepelnou energii. A protože se v přírodě žádná energie neztrácí, jen mění svou formu, tak o tuto mechanickou energii přeměněnou na tepelnou energii vzrostla tepelná energie v chladivu. A to se právě projevuje zvýšením teploty chladiva. Při stlačování chladiva neroste jen jeho prostá teplota, ale i teplota kondenzace. Proto se výsledný tlak volí tak, aby teplota kondenzace par chladiva byla vyšší, než je teplota potřebná pro vytápění. Právě stlačením se chladivo mění z energonosiče s nízkou teplotou na energonosič s dostatečně vysokou teplotou, aby z něj mohla být tepelná energie využita pro vytápění aj.

Chladiva jsou za normálních podmínek v plynném skupenství

Plyny, což jsou i páry chladiva, mají při pokojové teplotě a za stálého tlaku měrnou tepelnou kapacitu řádově 100 až 1 000 J·kg⁻¹·K⁻¹. Měrná tepelná kapacita plynů se mění s měnící se teplotou plynů, ale v rozsahu využívaných provozních teplot chladiva nejde o změny zásadní. Měrné skupenské teplo se u plynů pohybuje řádově v rozsahu až 10 000 J·kg⁻¹.

Aktuálně u tepelných čerpadel roste například využití chladiva R290, kterým je propan. Jeho teplota varu je −42,1 °C při normálním tlaku. Proto se propan v běžných klimatických teplotních podmínkách vyskytuje ve skupenství plynném. Je tedy zřejmé, že tepelné čerpadlo s tímto chladivem může pracovat s primárním energonosičem s teplotami hluboce podnulovými, aniž by se chladivo, tj. propan, muselo pro jeho odpaření vystavit nižšímu tlaku než normálnímu atmosférickému. Například u tepelných čerpadel vzduch-voda s kompresorem je tak možný jejich provoz při teplotě venkovního vzduchu −20 °C až −25 °C.

Co nejméně kinetické energie na stlačení

Vzhledem k tomu, že chceme dosáhnout co nejvyšší energetickou efektivitu tepelného čerpadla, je zapotřebí do jeho činnosti vkládat co nejméně pomocné energie na stlačování chladiva. Vzhledem ke vzájemné provázanosti tlaku a teploty kondenzace/odpařování to znamená mít co nejmenší rozsah pracovních tlaků. Nevyvolávat pokles teploty chladiva zbytečně moc pod hranici, která je nutná pro odpařování chladiva a přestup tepelné energie z primárního energonosiče do chladiva a následně nezvyšovat teplotu chladiva zbytečně nad hranici, kterou potřebujeme pro přestup tepelné energie z chladiva do energonosiče k vytápění a kondenzaci chladiva. Z tohoto faktu vyplývá, že oba zmíněné procesy přestupu tepelné energie se musí odehrávat každý v co nejužším teplotním rozmezí, tedy i v co nejužším tlakovém rozmezí.

Proto se jako chladivo využívají jen určité látky nebo jejich směsi s vhodnými teplotami varu a kondenzace při tlacích, které můžeme konstrukčně přijatelnými kompresory dosahovat. A s co největším skupenským teplem. Pak může kompresor stlačující chladivo pracovat s menším rozdílem tlaků a také s co nejmenším hmotnostním průtokem chladiva na přenos potřebného množství tepelné energie.

Je také zřejmé, že čím více tepelné energie má tepelné čerpadlo dodat, tím větší hmotnostní množství použitého chladiva musí projít kompresorem. Velikost kompresoru tak omezuje výkon tepelného čerpadla. Pokud se při náhradě neekologického chladiva za ekologické použije chladivo s nižší schopností odnímat, přenášet a předávat tepelnou energii, výkon tepelného čerpadla klesne.

Základní parametry chladiva

Z výše uvedeného vyplývá, že prvním základním parametrem chladiva je vztah jeho teploty varu nebo kondenzace a jim odpovídajícího tlaku. Tento vztah určuje, pro jaké teploty energonosičů lze chladivo využít a současně také určuje, jaké tlaky k tomu budou nutné. Proto se pro tepelná čerpadla vybírají chladiva, která mají za běžného atmosférického tlaku zápornou, podnulovou teplotu varu, aby se pracovalo s tlaky vyššími, než je atmosférický a k tomu stačil jen kompresor. Protože jinak by se pro odpaření chladiva musel jeho tlak snížit pod atmosférický, což by vyžadovalo kombinovat vývěvu a kompresor. Současně tlak musí být vysoký maximálně tak, aby to bylo z hlediska konstrukce kompresoru a jeho ceny přijatelné.

Druhým základním parametrem chladiva je jeho tepelná kapacita a skupenské teplo. Tyto parametry určují, jaké hmotnostní množství chladiva musí kompresorem tepelného čerpadla procházet, aby transportovalo mezi primárním a sekundárním energonosičem potřebné množství tepelné energie. Určují tedy nutnou velikost kompresoru a vyplývá z nich i účinnost chladiva jako energonosiče.

Důležitou vlastností látky, které se má použít jako chladivo je to, zda a jak moc negativně, například korozně, napadá pracovní plochy kompresoru, spojovacích potrubí, výměníků tepla a dalších prvků okruhu, ve kterém chladivo cirkuluje.

Významnou vlastností chladiva ovlivňující životnost tepelného čerpadla je jeho mazací schopnost nebo možnost trvalé koexistence s mazacím olejem. Kompresor je točivý stroj, v němž dochází ke tření ploch a ty musí být spolehlivě mazány.

Další důležitou vlastností je chemická stálost chladiva. Během provozu tepelného čerpadla prochází chladivo neustálými skupenskými změnami vyvolanými změnami tlaků a teplot a těmto změnám musí dlouhodobě odolávat, aniž by došlo ke změně jeho chemické struktury.

S ohledem na životní prostředí se u chladiva sledují dva potenciály:

• potenciál poškození ozónové vrstvy Země udávaný číselně prostřednictví faktoru ODP
• potenciál tvorby skleníkového jevu udávaný číselně prostřednictvím faktoru GWP

Podmínky instalace tepelného čerpadla ovlivňuje jedovatost chladiva, jeho hořlavost a výbušnost, zda je lehčí nebo těžší než vzduch.

Chladiva a životní prostředí

Chladivo, které se v kompresorových zařízeních (tepelných čerpadlech) masově rozšířilo, byl freon. Jde o komerční označení skupiny chlor-fluorovaných uhlovodíků, které obsahují alespoň 2 vázané halogeny, z nichž alespoň jeden musí být fluor. Důvodem jeho širokého rozšíření byla chemická stabilita a vysoká schopnost přenášet tepelnou energii. Předpokladem byly i příznivé teploty odpařování a kondenzace při tlacích, které bylo možné dosáhnout běžnými kompresory a kterým odolávaly i ostatní prvky pracovního okruhu, a to vše při příznivé ceně. Bohužel se ukázalo, že tyto látky významně poškozují ozónovou vrstvu kolem Země a také vyvolávají skleníkový efekt přispívající ke globálnímu oteplování.

Proto byly pro ekologické hodnocení chladiv zavedeny dva parametry, a to ODP (ozone depletion potencial), určený jako relativní číslo udávající potenciál daného chladiva k poškozování ozónové vrstvy vzhledem k referenčnímu chladivu a GWP (global warming potencial), ukazatel vlivu daného chladiva na globální oteplování vytvářením skleníkového jevu ve srovnání s vlivem plynu CO₂. Tyto parametry jsou legislativou sledovány a průběžně snižovány tak, aby docházelo k celosvětovému poklesu negativního vlivu chladiv. Mezi nová ekologická chladiva, se kterými se stále častěji setkáváme u tepelných čerpadel, jsou nyní počítána především R32 (CH₂F₂), R290 (propan, C₃H₈) a R744 (CO₂). Pro starší zařízení v provozu s již nevyhovujícími chladivy jsou vyvinuta alternativní chladiva, jejich použití však musí schválit výrobce konkrétního tepelného čerpadla.

Chladiva ovlivňují instalaci a provoz

Řada chladiv je mírně nebo více jedovatá. Typickým příkladem je amoniak. Instalace zařízení s těmito chladivy vyžaduje volit dostatečně velké prostory s ohledem na náplň chladiva a případně řešit i jejich nucené větrání.

S druhem chladiva může souviset požadavek zohlednit riziko požáru. Nová chladiva jsou mírně (např. R32) nebo více (např. R290) hořlavá. Podmínky uplatnění hořlavých chladiv stanovuje v květnu 2021 vydané komentované znění EN 378 schválené Generálním ředitelstvím Hasičského záchranného sboru ČR, případně souvisící technické normy, a návody výrobců.

S druhem chladiva v tepelném čerpadle souvisí požadavek kontrol těsnosti chladicího okruhu prostřednictvím měření úniku chladiva. Hmotnostní limity, četnost kontrol případně i způsob jejich řešení jsou pro každé chladivo dány legislativně. Od 1. 1. 2017 platí, že hermeticky uzavřená zařízení (monobloková, ve kterých těsnost garantuje výrobce), například zařízení plněná chladivem R410A (GWP = 2 088) musí být zkontrolována na těsnost jednou za rok, pokud náplň chladiva přesáhne 2,39 kg. S chladivem R32 (GWP = 675) se hmotnostní limit zvýšil na více než 7,4 kg náplně a u chladiva R290 (GWP = 3) je limitem 3 333 kg. U výkonově větších zařízení se instalují automaticky pracující kontrolní systémy.