Tepelným čerpadlem voda-voda topím už 5 let a instaloval jsem si ho hned při stavbě domu. Je to sice ten nejúspornější způsob vytápění, kde z 1 KWh el. energie dostanu až 5,5 KWh tepla, ale celou dobu mám problémy s kvalitou vody a snažím se je různými způsoby řešit. Druhé tepelné čerpadlo zem-voda jsme instalovali u přítelkyně. Topí se tam z vrtu a řešili jsme zase jiné problémy, jako např. jestli 40 let starý neizolovaný dům vytopíme s původními radiátory počítanými na uhelný kotel a kolik nás ta energie bude stát. Ani u mě, ani u přítelkyně není možné se připojit na plyn a po zkušenosti s TČ bych plyn nechtěl, i kdybych ho měl k dispozici. V obou případech jsme si instalaci TČ dělali svépomocí. U přítelkyně jsme si vyřídili i kotlíkovou dotaci, takže pořízení TČ, vrtu a všeho potřebného okolo bylo finančně únosné.
Jeden možný přístup je "vše nechat na firmě". Jenže jsem technik a mám rád, když mám všechno pod kontrolou. Ono to není jen nechat si nainstalovat TČ, ale TČ optimálně navázat na topení a na zdroj tepla (zem, voda). Zatím co TČ vzduch-voda vám musí nainstalovat firma, jedná se hlavně o propojení TČ s venkovní jednotkou a firma k tomu musí mít speciální vybavení, u TČ zem-voda a voda-voda stačí připojit čtyři hadice a vše ostatní si můžeme řešit sami. Předpokládám, že teď při zdražování energií bude o TČ větší zájem a že je stále ještě dost lidí technicky zaměřených, kterým moje zkušenosti pomůžou. A nejen ty dobré zkušenosti, ale i poučení z chyb, které jsem při tom nadělal.
Z principu veškerá tepelná energie, kterou použijeme pro vytápění, nakonec uteče ven. Kdyby tomu tak nebylo, stačilo by dům jednou ohřát a teplo by se v něm udrželo po neomezenou dobu. Dokonale izolovaný dům s nulovým únikem tepla neexistuje, proto je potřeba do něj neustále tepelnou energii dodávat. Kolik energie potřebujeme dodávat, záleží na tepelných ztrátách domu a na rozdílu mezi teplotou uvnitř a venku.
Tepelné čerpadlo bere převážnou část energie z venkovního prostředí (zem, voda, vzduch). Co by se stalo, kdyby všichni topili tepelným čerpadlem a brali by teplo z venku? Chybělo by tam? Došlo by k podchlazení venkovního prostoru? Určitě ne. Tepelné čerpadlo z venkovního prostředí bere vždy o něco méně tepla, než kolik ho náš dům propouští zevnitř ven. K přečerpávání tepla potřebuje dodávat elektrickou energii. Tedy stále vlivem vytápění dochází k ohřevu venkovního prostředí, jen se ten ohřev podstatně sníží. Přesto že elektřina je dražší než plyn, TČ má spotřebu elektřiny tak nízkou, že cena za el. energii na vytápění byla ještě před zdražováním srovnatelná s cenou palivového dřeva.
Reálná situace ve městech je taková, že na ulicích je v zimě až o několik stupňů vyšší teplota, než v přírodě za městem. Středně velké město s 10000 domy, kde se v každém domě topí výkonem 10 KW, se ohřívá výkonem 100 MW. Pokud by všichni topili tepelným čerpadlem, tento ohřev by se dle typu tepelného čerpadla snížil 3x až 5x. A nejen ohřev okolí, ale ve stejném poměru by klesla i spotřeba energie pro vytápění. Úspora energie je obvykle větší, než úspora vzniklá zateplením domu a ve většině případů tepelné čerpadlo vyjde levněji. I když to zateplení je dobré i z jiných důvodů, než jen pro snížení spotřeby energie. O tom později.
Když jsem si počítal energetickou náročnost vytápění, došel jsem k tomu, že pokud se využije možnost "akumulace energie přes síť", tedy virtuální baterie, dokázal bych si v nízkoenergetickém domě solárními panely přes léto vyrobit dostatek energie pro celou zimu. Tedy vytápění by bylo zcela bezemisní a nezávislé na fosilích palivech. Samosřejmě závislé na distributorovi energie, který tu energii vyrobenou v létě musí někde uplatnit a v zimě mi pak dodat jinou.
Takže jak je to s tím uhlím? Uhelná elektrárna z tepla ze spalování uhlí vyrábí elektřinu. Teplem v kotli odpaříme vodu, páru přehřejeme asi na 400 stupňů a tím ji natlakujeme. Plamen v kotli má sice teplotu mnohem vyšší, ale pevnnost a teplotní odolnost materiálů nedovoluje ohřát páru na vyšší teplotu. To zásadně snižuje účinnost elektrárny.
Dokud budeme páru držet v kotli, elektřinu z ní nevyrobíme. Abychom roztočili turbínu, musíme páru vypouštět do prostředí s nižším tlakem. Minimální využitelná teplota páry je 100°C, protože při této teplotě kondenzuje a zcela ztrácí tlak.
Teoretická maximální účinnost tepelné elektrárny η je dána účinností Carnotova cyklu, tedy
η = (T1 - T2)/T1
kde T1 je teplota, na kterou páru ohříváme a T2 je minimální teplota v cyklu. Jenže skutečná účinnost elektrárny je nižší. Carnotův cykl je ideální stav, který elektrárna nedosahuje. Taky např. nevyužijeme skupenské teplo při kondenzaci páry. Ve výsledku má uhelná elektrárna s parním cyklem účinnost něco přes 30%. Dvě třetiny vyrobeného tepla jdou do chladících věží a do vzduchu. Lépe jsou na tom elektrárny s fluidním spalováním, kde se vysoká teplota spalin nejprve využije k přímé přeměně na elektrickou energii v magnetohydrodynamickém generátoru a až spaliny s nižší teplotou ohřívají páru. Tam může být účinnost až 50%. Jenže tato náročná technologie (spaliny s teplotou 3000°C procházejí komorou, okolo které je silný magnet, obvykle supravodivá cívka s teplotou -270°C) k nám snad ani nedorazila a vzhledem k útlumu uhelných elektráren už asi nedorazí.
Pokud tedy topíme elektřinou vyrobenou v uhelné elektrárně, spálíme (ne však doma) 3x víc uhlí, než kdybychom topili uhlím doma. Pokud topíme tepelným čerpadlem vzduch-voda (nejrozšířenější a zároveň nejhorší - o tom později) s topným faktorem 3, dostaneme 3x víc tepla, než když topíme přímo elektřinou. Pokud tato elektřina byla vyrobena z uhlí, dostaneme z TČ stejné množství tepla, jako kdybychom doma topili uhlím. U TČ zem-voda a voda-voda, kde topný faktor je 4 až 5, tedy jsme schopni využít větší část energie z okolního prostředí a stačí nám tedy méně elektřiny, dostaneme z TČ dokonce více tepla, než kolik ho v elektrárně vzniklo spalováním uhlí.
Situace ve skutečnosti není tak špatná, jak vypadá. Velká část elektřiny se vyrábí jinak než z uhlí a podíl uhlí bude, doufejme, i nadále klesat.
A jak tedy funguje tepelné čerpadlo? Obráceně, než uhelná elektrárna. Zatím co v elektrárně se voda vaří při vysokém tlaku (ten je daný tlakem páry, která už v kotli je) a tedy při vysoké teplotě, kondenzuje při nižším tlaku a rozdíl tlaků roztáčí turbínu, nejrozšířenější kompresorové tepelné čerpadlo funguje opačně. Chladivo (v tomto případě to nemůže být voda) se vaří ve výparníku při nízkém tlaku a tedy i při nízké teplotě. Odpařováním odebírá skupenské teplo okolnímu prostředí (zem, voda nebo vzduch). Pára se kompresorem natlakuje a protože bod varu je závislý na tlaku, kondenzuje a odevzdává skupenské teplo při vyšší teplotě ve výstupním výměníku, v kondenzátoru. Kapalné chladivo se vrací přes expanzní ventil zpět do výparníku.
Z principu funkce TČ vyplývá, že čím chceme dosáhnout větší rozdíl teplot, tím musí kompresor vytvořit větší rozdíl tlaku a TČ spotřebuje více el. energie. Proto se snažíme získávat teplo pokud možno při co nejvyšší teplotě a pro vytápění si vystačit s co nejnižší teplotou. Poměr získané tepelné energie k přiváděné el. energii se nazývá topný faktor (COP). Ten je sice opět teoreticky daný Carnotovým cyklem
COP=T2/(T2-T1)
kde T2 je výstupní teplota a T1 je vstupní, ale opět je skutečný COP podstatně nižší, než je ten teoretický.
Takový mezní případ, kdy nepotřebujeme přivádět energii, je tepelná trubice, která se používá třeba k chlazení výkonných procesorů a grafických karet. Tepelná trubice má jen jeden prostor (na rozdíl od TČ chybí kompresor a expanzní ventil). Je z části naplněná chladivem, z části párou chladiva. Vzduch je vyčerpaný, stejně jako v TČ. Uvnitř je rovnovážný stav kapaliny a páry a tlak je závislý na teplotě. Pokud tepelnou trubici ohříváme v místě, kde je chladivo kapalné, chladivo se vaří a narůstá tlak páry, až se znovu vytvoří rovnovážný stav. Vždy se mění teplota celé trubice, protože na chladnějších místech pára ihned kondenzuje a tím, jak předává skupenské teplo, trubici zahřívá. Pokud trubici zároveň v jiném místě ochlazujeme, chladivo se dole vaří a v místě ochlazování kondenzuje. Protože je v trubici všude stejný tlak, chladivo kondenzuje při stejné teplotě, při které se vaří. Tepelná trubice je mnohem lepší vodič tepla, než třeba stejně velký kus mědi. Ostatně princip tepelné trubice si můžeme názorně předvést na studeném papiňáku, který s trochou vody postavíme na vařič. Jak se v něm začne zvyšovat tlak, ohřeje se rovnoměrně celý.
Principů tepelných čerpadel je více. Jedním z nich je peltierův článek. Peltier je destička s polovodičovým termočlánkem a po přivedení el. proudu přenáší teplo z jedné strany na druhou. Po obrácení směru proudu se obrátí i směr čerpání tepla, tedy peltier umožňuje topit i chladit. Účinnost přenosu tepla je sice vysoká, ale přes tepelnou vodivost článku se teplo vrací zpět na studenou stranu. Takže rozumnou účinnost má jen při malém rozdílu teplot a pro konstrukci TČ jsou peltiery nepoužitelné. Něco o peltierech je zde.
Peltiery se používají např. v ledničkách do auta, kde je potřeba, aby chladící systém byl malý, lehký a aby neobsahoval hořlavé chladivo. Vyšší spotřeba energie proti kompresorové ledničce zas až tak nevadí. Peltiery se používají také např. pro chlazení čipů speciálních kamer pro snížení tepelného šumu.
Snad jen poznámka na okraj. Stejně jako skoro každý má doma elektronku a neví o tom (magnetron v mikrovlnce je elektronka), má doma i tepelné čerpadlo. Protože i lednička je tepelné čerpadlo. Jen se nevyužívá k topení, ale k chlazení.