Tepelná čerpadla vs. energie

Ve vedrech se rozjely klimatizace, pojďme se proto podívat na jednu zajímavou technologii: tepelná čerpadla. Jejich koncepce je vlastně jednoduchá: poháněné elektřinou přemisťují teplo a chladí nebo vytápějí budovy. Není to nová myšlenka - byla vynalezena v 50. letech 19. století a v domácnostech se používají od 60. let 20. století. I když je základní myšlenka jednoduchá, detaily fungování tepelných čerpadel jsou fascinující. Ve jménu regulace teploty v domě se může zdát, že toto zařízení téměř porušuje fyzikální zákony, píše MIT Technology Review.

Jak tepelné čerpadlo funguje? Na základní úrovni tepelné čerpadlo shromažďuje teplo z jednoho místa a předává ho na jiné místo. Hrdinou tepelného čerpadla je chladivo: kapalina, která se pohybuje v okruhu a při tom nasává a uvolňuje teplo.

Systém pohání elektřina, která tlačí chladivo dokola. Jak chladivo prochází tepelným čerpadlem, stlačuje se a rozpíná a přechází mezi kapalnou a plynnou formou, aby mohlo v různých bodech cyklu shromažďovat a uvolňovat teplo.

Představte si: je chladný zimní den, řekněme -5 °C. Sedíte na gauči v obývacím pokoji s dobrou knihou a poblíž se choulí vaše kočka/pes. Podíváte se na termostat, který je nastaven na 20 °C. Rozumné, ale trochu chladné. Přistoupíte k němu a trochu ho zvýšíte na 21 °C.

Vaše tepelné čerpadlo tiše hučí v pozadí. Nyní se rozjede, aby zvýšilo teplotu: ventilátor a kompresor uvnitř se zrychlí a chladivo se začne pohybovat rychleji, aby přeneslo více tepla zvenčí dovnitř.

Může se zdát neintuitivní odebírat teplo zvenčí, když je venku taková zima, proto sledujme chladivo po dobu jednoho cyklu, abychom viděli, jak to funguje. U většiny tepelných čerpadel trvá tato cesta jen několik minut.

Chladiva tepelných čerpadel mají velmi nízké body varu, obvykle pod -25 °C. Na začátku naší cesty má tedy chladivo přibližně tuto teplotu a je v kapalném stavu. I v nejchladnějších místech je chladivo v tomto stavu obvykle výrazně chladnější než venkovní vzduch.

V první fázi svého putování chladivo prochází výměníkem tepla, míjí tento venkovní vzduch a zahřeje se natolik, že začne vřít a změní se z kapaliny na plyn.

Druhou fází jeho cesty je cesta přes kompresor. Kompresor stlačí chladivo do menšího objemu, čímž zvýší jeho tlak a bod varu (to bude důležité za chvíli). Tím se také dále zahřívá, takže v době, kdy chladivo prochází kompresorem, je teplejší než vnitřní teplota místnosti.

Třetí etapa cesty chladiva vede přes další výměník tepla. Nyní je však již chladivo teplým plynem o teplotě nad 37,8 °C a proudí kolem relativně chladnější místnosti. Tam předá část tepla, začne se opět měnit na kapalinu.

Nakonec ve čtvrté fázi projde chladivo expanzním ventilem, čímž se uvolní tlak. Stejně jako stlačení materiálu jej zahřívá, expanze mu umožňuje opět se ochladit, takže nyní má kapalina opět nízkou teplotu a je připravena absorbovat další teplo, které přinese dovnitř.

V extrémních mrazech jsou méně účinná. S rostoucím teplotním rozdílem mezi interiérem a exteriérem musí tepelné čerpadlo více pracovat, aby získalo teplo z venkovního vzduchu a rozptýlilo ho do místnosti, takže účinnost klesá.

Nižší účinnost ale neznamená, že nefungují. V Norsku je tepelnými čerpadly vytápěno asi 60 % budov a ve Švédsku a Finsku 40 %. Jen je potřeba správně vybrat vhodný model. Vylepšení několika hlavních komponentů totiž pomohlo zvýšit účinnost a výkon tepelných čerpadel.

Jedno z hlavních zlepšení se týká chladiv. Freon, nazývaný také R-22, dříve dominoval na trhu, ale v USA a na dalších významných trzích byl kvůli svým účinkům poškozujícím ozonovou vrstvu vyřazen. Dnes je jedním z nejpoužívanějších chladiv v tepelných čerpadlech směs chemikálií označovaná jako R-410A. Ten má nižší bod varu než R-22, což znamená, že může absorbovat více tepla při nižších teplotách, což zvyšuje účinnost v chladu. Nové kompresory používané v dnešních tepelných čerpadlech dokáží dostat chladivo na vyšší tlak při nižší spotřebě energie. Existují také nové tzv. kompresory s proměnnými otáčkami, které umožňují tepelným čerpadlům zvyšovat a snižovat výkon. A konečně, výměníky tepla, které přenášejí teplo mezi vzduchem a chladivem, jsou stále větší a lepší, takže mohou efektivněji přenášet teplo.

Skutečnou sílou tepelných čerpadel je jejich účinnost. U prostorového vytápění by teoretickým maximem byla 100% účinnost a nejlepší modely dnes dosahují účinnosti kolem 95 %. Tepelná čerpadla dnes mohou dosahovat účinnosti 300 až 400 % nebo dokonce vyšší, což znamená, že ve formě tepla odevzdávají třikrát až čtyřikrát více energie, než kolik spotřebují elektřiny. Rozdíl v účinnosti mezi tepelnými čerpadly a ohřívači spočívá ve způsobu jejich fungování. Prostorové ohřívače pracují tak, že přeměňují energii z formy elektřiny na jinou formu, teplo. Tepelná čerpadla naproti tomu nepřeměňují elektřinu na teplo - využívají elektřinu k získávání tepla a jeho pohybu. Je to nepatrný rozdíl, ale v podstatě to znamená, že tepelné čerpadlo dokáže vrátit podstatně více tepla při použití stejného množství elektřiny. Maximální účinnost tepelného čerpadla závisí na instalovaném chladivu a systému a také na rozdílu teplot mezi vytápěnou místností a venkovním prostředím.

Na jakých inovacích se v pracuje? Např. nové konstrukce (samostatné okenní jednotky Gradient) nebo malé přenosné jednotky (Midea a LG) by mohly snížit náklady na instalaci. Dnešní chladiva oproti starším variantám lepší, i ta novější jsou silnými skleníkovými plyny. Aby nedocházelo k únikům, je třeba s nimi pečlivě zacházet a vyrábět je přesně. Např. Gradient používá chladivo R-32, které má nižší potenciál globálního oteplování než R-410A. Jiné třídy chladiv, například uhlovodíky propan a butan, představují ještě menší riziko pro klima. Některá z těchto klimaticky příznivějších chladiv však bývají extrémně hořlavá, takže jsou vyžadovány bezpečnostní systémy.

Celosvětový prodej tepelných čerpadel vzrostl v roce 2021 o 15 %. Evropa zaznamenala jeden z nejrychlejších nárůstů, v roce 2021 vzrostl prodej o 35 %, a tento trend bude pravděpodobně pokračovat i kvůli energetické krizi.

David Navrátil, hlavní ekonom České spořitelny