Účinnost tepelného čerpadla

Tepelná čerpadla mohou zdánlivě popírat zákony termodynamiky, protože na jednotku spotřebované elektrické energie mohou dodat mnohem více než jednu jednotku tepla (nebo chladu). Je to proto, že odebírají teplo z okolí výparníku a odvádějí teplo do okolí kondenzátoru.

Elektrická energie se používá ke koncentraci a přesunu tepla, nikoli k přímé výrobě tepla jako u odporového elektrického radiátoru nebo ventilátorového ohřívače.

A protože se účinnost motorů, kompresorů a výměníků tepla zvyšuje, mohou na jednotku spotřebované elektřiny vykonat více užitečné práce. Zajímavé na tepelných čerpadlech je to, že (teoreticky) mohou dodávat až 10-15krát více energie, než kolik spotřebují na pohon kompresoru! Takže špičkové (v současné době) tepelné čerpadlo pro obytné budovy může dodávat teplo s účinností 600 % ve srovnání s plynovým topením s účinností 50-95 %.

Celková účinnost, s jakou tepelné čerpadlo nebo chladicí zařízení přenáší teplo, se nazývá koeficient účinnosti (COP) nebo poměr energetické účinnosti (EER) – tyto pojmy ve skutečnosti znamenají totéž. Jedná se jednoduše o poměr užitečného vytápění nebo chlazení dělený příkonem. Tepelné čerpadlo s COP 4 poskytuje čtyřikrát více tepla, než kolik spotřebuje elektřiny.

Jak tepelné čerpadlo dělá z chladu teplo

Klíč k tomu poskytl v 19. století lord Kelvin. Hmota má své teoretické minimum tepelné energie pouze při „absolutní nule“ neboli nula stupňů Kelvina, což je minus 273° Celsia. Této hodnotě se blíží teplota ve vesmíru. Vzduch nebo voda o teplotě například 7°C tedy ve skutečnosti obsahuje velké množství energie, protože je 280 stupňů nad absolutní nulou (neboli 280° Kelvina).

I ve velmi chladném podnebí je tedy v našem okolním prostředí k dispozici velké množství tepelné energie. Tepelná čerpadla mohou měnit teplotu tím, že tuto energii soustředí a přesouvají.

Musíme také pochopit rozdíl mezi pojmy „teplo“ a „teplota“. Teplo je forma energie, která přímo souvisí s tím, jak moc se pohybují subatomární částice, atomy a molekuly. Teplota je „tlak“, který pohání tepelný tok. Tepelná energie proudí od vyšší teploty k nižší.

Teplota je tedy jako tlak vody: voda proudí z místa s vyšším energetickým stavem do místa s nižším energetickým stavem – proudí tedy z kopce do místa s nižší gravitační potenciální energií. Tepelná energie tedy proudí „z kopce“ z míst s vyšší teplotou do míst s nižší teplotou. Množství proudícího tepla však závisí na mnoha faktorech, včetně izolace, vodivosti a tepelné kapacity materiálů a přenosu tepla přes povrchy.

U daného tepelného čerpadla platí, že čím větší je rozdíl teplot mezi jeho výparníkem a kondenzátorem, tím méně účinné může být, což vyplývá ze základů termodynamiky. Naopak minimalizací teplotního rozdílu lze účinnost zvýšit. Zlepšením účinnosti přenosu tepla přes výměníky tepla v kondenzátoru a výparníku lze zlepšit i celkovou účinnost.