Znalosti o tepelných čerpadlech ve 4 blocích: Základní principy a hlavní komponenty (II)
Probíhající přechod od fosilních paliv k tepelným čerpadlům, hybridním vytápěcím systémům a solárním termickým systémům bude pokračovat. Kromě digitálních dovedností je potřeba také porozumění měnícímu se trhu a technologiím. V sérii článků bychom vám rádi přiblížili základní principy a systém fungování tepelných čerpadel.
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 definováno 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
- Výparník
- Kondenzátor
- Kompresor
- 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.
Chladicí okruh tepelného čerpadla
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 testo 557s nebo testo 550s.
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.
Tipy pro odtávání
- Ne příliš brzy: Protože žádná nebo příliš malá tvorba námrazy znamená zbytečnou spotřebu energie a přerušení odvodu tepla přicházející ze strany zdroje.
- Ne příliš pozdě: Protože silná námraza na výparníku výrazně zhoršuje přenos tepla.
- Ne déle, než je nutné: Protože příliš mnoho tepla z procesu odtávání snižuje účinnost otopné soustavy.
- Co nejefektivněji: Nejběžnější metodou odtávání tepelných čerpadel je využití tepla z vyrovnávací nádrže. Za tímto účelem se obvod krátce obrátí a ze zásobníku se odebírá energie k odtávání lamel ve venkovní jednotce. V některých případech se odtávání provádí také přímo pomocí topné vody.
Další možností je odtávání horkým plynem. Potom se stlačené a horké chladivo nedostane do kondenzátoru, ale přes bypass do výparníku. Takováto konstrukce je však u této metody složitější, na druhou stranu je odtávání velmi rychlé a efektivní.
- Kontrolované: Odtávání je automatické pomocí inteligentních regulátorů; tento proces je však vhodné občas zkontrolovat, včetně kontroly polohy sondy ve venkovní jednotce, aby se vyloučily případné nedostatky, které by mohly zůstat bez povšimnutí. Chytrá tepelná čerpadla Vás upozorní na poruchy prostřednictvím dálkového monitorování.
- Dobře naplánované: Seřízení odtávání vyžaduje určité zkušenosti, ale mělo by být provedeno svědomitě, protože jinak bude ovlivněn sezónní topný faktor a nedostatky zůstanou bez povšimnutí.
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 přítomny žádná plynná skupenství chladiva. S vhodnou konstrukcí kondenzátoru lze nyní chladivo mírně podchladit.
Průběh a poměry jednotlivých zón v kondenzátoru
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. Podléhají sezónním 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 čerpadlech. Pracují tiše a efektivně. Pro vzduch jako zdroj tepla je preferován provoz s 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 sezónní topný faktor.
3. Další důležité součásti chladicího okruhu
Sběrač chladiva má kromě udržování dostatečného množství kapalného chladiva pro expanzní ventily za úkol také oddělení případných bublinek páry od kapalného kondenzátu v kapalinovém potrubí. Při výběru konstrukce je vhodnější upřednostnit vertikální sběrač před horizontálním. Vertikální sběrače mají vyšší sloupec kapaliny a tím lepší možnost kontroly hladiny náplně a také dosažení podchlazení.
Dehydrátor – zabudovaný v kapalinovém potrubí – slouží k odstranění zbytkové vlhkosti ze zařízení. V kombinaci s chladivem, olejem a teplem může potencionálně přítomná zbytková vlhkost vést ke vzniku kyseliny, která může mimo jiné poškodit měděný lakovaný drát kompresoru. Obsah kyselin v okruhu je dále možno minimalizovat pomocí příslušných aditiv. Další filtr zabraňuje vniknutí cizím částicím, jako jsou špony nebo vodní kámen, k elektromagnetickému nebo expanznímu ventilu. Při každém zásahu do chladicího okruhu je nutné tento filtr dehydrátoru vyměnit.
Průhledítko umožňuje „pohled“ na protékající chladivo. Pokud je průhledítko naistalováno přímo před expanzním ventilem, pak lze snadno identifikovat předvypařování chladiva z důvodu vysokých poklesů tlaku v kapalinovém potrubí a také příliš nízké podchlazení nebo nedostatek chladiva.
Nízkotlaký spínač hlídá tlak chladiva u zdroje tepla. Pokud tento tlak, například v důsledku netěsnosti, příliš poklesne, vypne se z bezpečnostních důvodů tepelné čerpadlo. Úkolem vysokotlakého spínače je chránit kompresor. Pokud je tlak příliš vysoký, vypne se kompresor. K tomu dochází, když neabsorbuje kondenzátor dostatečné množství tepla.
Komponenty jednoduchého chladicího okruhu tepelného čerpadla (zdroj: DIN „Heat Pump Manual“; Jürgen Bonin; 3. vydání 2017, Beuth Verlag; Obrázek 3.5, strana 11
Digitální měřicí přístroje: teploměry, vlhkoměry, měřiče proudění; přístroje pro zaregulování vzduchotechniky; systémy pro validaci čistých prostorů, měření turbulencí, kvality ovzduší, hlukoměry, luxmetry, analyzátory kouřových plynů; detektory, ...