Tepelné čerpadlo “vzduch-vzduch”: princip činnosti, konstrukce, výběr a výpočty

Chcete zařídit v domě konvektorové vytápění, kde se pro ohřev teplonosné látky používá tepelné čerpadlo „vzduch-vzduch“, které přináší značnou úsporu nákladů na vytápění? Přiznejte si, že získat plnohodnotné vytápění spolu s teplou vodou téměř zdarma je velmi lákavá záležitost.

Ale nevíte, jak postavit podobný systém, aby bylo možné alternativním způsobem vytápět místnosti a získávat teplou vodu pro domácí potřeby?

Pomůžeme vám se v této otázce zorientovat – v článku je osvětlen princip činnosti a konstrukce čerpadla. Energie se v takovém systému spotřebuje pouze na provoz kompresoru, zatímco hlavní objem tepla se bude brát jednoduše z venkovní atmosféry, za což se u nás zatím neplatí.

Také jsou zváženy výhody jeho zavedení do systému a podstatné nevýhody. Zvláštní pozornost je věnována výběru a výpočtu čerpadla.

A milovníkům všeho dělat vlastníma rukama nabízíme postavit podobné čerpadlo svépomocí s využitím dostupných materiálů. Jako pomoc uvádíme fotografické materiály a videodoporučení k uspořádání a fungování tepelného vzduchového čerpadla.

Charakteristika tepelného čerpadla vzduch-vzduch

Jakékoli tepelné čerpadlo patří k zařízením z oblasti alternativní energetiky. Odebírá tepelnou energii vzdušných hmot venku, z okolního prostoru v místnosti, aby jí vytápělo obytné i neobytné objekty.

Přitom se nepoužívají žádné spalitelné druhy paliv.

Zevně tepelné čerpadlo (TČ) vzduch-vzduch vypadá jako invertorová klimatizace, split-systém s venkovní a vnitřní jednotkou.

Ale podle principu činnosti připomíná spíše lednici, jen funguje „obráceně“. Ale na rozdíl od obou těchto zařízení je toto tepelné čerpadlo schopno jak chladit, tak ohřívat vzdušné hmoty v domě.

Tepelné čerpadlo odebírá nízko-potenciální tepelnou energii z atmosféry venku a ohřívá jí pokojový vzduch na komfortní teploty

Princip činnosti a vnitřní uspořádání

V základu práce tepelného čerpadla (TČ) vzduch-vzduch leží jednoduchý fyzikální jev termodynamiky – kapalina při odpařování ochlazuje povrch, ze kterého se rozptyluje. Například pára nad šálkem horkého čaje demonstruje stejný efekt.

Na tomto principu funguje i běžná lednice. Uvnitř ní jsou trubky, kterými cirkuluje chladivo pod vysokým tlakem. Odebírá teplo z vnitřního prostoru mrazicího oddílu, přitom se mírně zahřívá.

Poté je nasbírané teplo předáváno do vzduchu místnosti prostřednictvím tepelného výměníku (mřížky na zadní straně lednice).

V zimě tepelné čerpadlo vzduch-vzduch ohřívá vzduch v místnosti, v létě ho může chladit.

Aby se chladivo ochladilo na provozní teploty, stlačuje se v kompresoru. Navíc během pracovního cyklu uvnitř systému kompresor-kondenzátor-výparník přechází chladivo neustále z plynného skupenství do kapalného a zpět.

Vzduchové tepelné čerpadlo funguje naprosto analogicky. Pouze teplo odebírá z venku, ne z uzavřeného mrazáku. I když je venku mráz, v atmosféře je stále dost tepelné energie.

K výrobě tepla potřebuje tepelné čerpadlo pouze energii vynaloženou na provoz kompresoru. Na schématu je podrobně znázorněn proces přenosu tepla.

Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch se skládá z těchto prvků:

• kompresoru;
• výparníku s ventilátorem nuceného oběhu;
• expanzního ventilu;
• měděných trubek pro přepravu chladiva mezi exteriérem a interiérem;
• kondenzátoru s ventilátorem pro přívod ohřátého vzduchu do místnosti.

První tři prvky tvoří venkovní jednotku, poslední patří k vnitřní části tepelného čerpadla. Tepelně izolované měděné trubky slouží k nepřetržitému pohybu teplonosné látky mezi těmito moduly split-systému.

Pohyb chladiva v tepelném čerpadle probíhá v uzavřeném okruhu, v důsledku čehož se neustále stlačuje a rozpíná.

Algoritmus činnosti tepelného čerpadla vzduch-vzduch vypadá následovně:

1. Venkovní vzduch je nasáván ventilátorem do venkovní jednotky a proháněn přes žebra vnějšího výparníku. Cirkulující chladivo v tepelném výměníku pohlcuje tepelnou energii, kterou obsahuje, a přitom přechází do plynného skupenství.
2. Dále plyn vstupuje do kondenzátoru, kde je stlačován. Poté je čerpán měděnými trubkami do vnitřní jednotky.
3. V kondenzátoru umístěném v domě přechází plyn zpět do kapaliny a předává teplo vzduchu v místnosti.
4. Poté je přebytečný tlak upuštěn prostřednictvím expanzního ventilu a kapalné chladivo je opět odesláno do primárního výparníku.

Hodnota teploty chladiva vstupujícího do venkovní jednotky je vždy nižší než teplota okolního prostředí. Proto vždy odebírá teplo z atmosféry.

Avšak úroveň „chlazení“ teplonosného média v systému je konstantní, zatímco venkovní teplota neustále kolísá. Z tohoto důvodu při silných mrazech tepelné čerpadlo ztrácí svou účinnost.

Cyklus pohybu teplonosného média tepelného čerpadla vzduch-vzduch: 1. je stlačováno kompresorem, 2. kondenzuje v tepelném výměníku, přičemž odevzdává teplo, 3. v kapalné formě vstupuje do venkovního výměníku, 4. tam se odpařuje, přičemž při odpařování zachycuje tepelnou energii venkovního prostředí, 5. opět se vrací do kondenzátoru

Aby se zvýšil výkon tepelného čerpadla, jsou plochy kondenzátoru a výparníku co největší. A pro nepřerušovaný provoz v zimním období je venkovní výměník vybaven vlastním systémem odmrazování.

Výhody a nevýhody vzduchového tepelného čerpadla

Každý technicky složitý systém má své přednosti a nedostatky. Reklamní prospekty jsou jedna věc, ale ve skutečnosti majitelé tepelných čerpadel riskují, že narazí na určité problémy.

Zařízení pro vytápění/chlazení typu „vzduch-vzduch“ jsou výhodná z řady důvodů.

Mezi hlavní výhody patří:

• Univerzálnost. Systémy umožňují vytápět a chladit místnosti podle účelu místnosti, potřeb a klimatického období.
• Ekologičnost. Umožňují zcela se vyhnout spalování zemního plynu, uhlí, dřeva apod., které znečišťují životní prostředí spalinami.
• Jednoduchost montáže. Sestavit systém z továrně vyrobených součástí není problém. Je možné si sami vyrobit tepelné čerpadlo z dostupných prostředků.
• Požární bezpečnost. Proces získávání tepla není spojen s použitím paliva. Dokonce ani poruchy v provozu zařízení nemohou způsobit vznícení.
• Ekonomičnost. Lákají vysokým koeficientem přenosu tepla při minimálních nákladech (na spotřebovanou 1 kWh elektřiny vydávají 4–5 kWh tepla). Navíc se rychle vrátí investice.
• Cenová dostupnost. Cena továrně vyrobených systémů umožňuje pořídit tepelné čerpadlo téměř každému zájemci. Vlastnoručně vyrobené zařízení bude prakticky zdarma.
• Pohodlný provoz. Nejtechničtěji složitým zařízením v systému je kompresor, s jehož údržbou se lze snadno vypořádat. Při typickém zatížení tepelných čerpadel kompresory zřídka selhávají dříve, než je slibovaná životnost výrobce.

Pro zajištění vytápění v jedné místnosti stačí nainstalovat split systém, zavěšením venkovní jednotky na fasádu a konvektoru na vnitřní stěnu. K vytápění několika místností bude nutné vybudovat rozvody ohřátého vzduchu.

Na každý kilowatt spotřebované elektřiny dodá tepelné čerpadlo až pět kilowattů tepelné energie

Veškeré řízení tepelného čerpadla vzduch-vzduch zajišťuje vestavěná automatika. Nebude nutné věnovat zvláštní pozornost provozu a nastavení tohoto systému. Bude stačit pouze pravidelně čistit vzduchové filtry a občas je vyměňovat.

Mezi negativní stránky tepelných čerpadel lze uvést:

• sice nepatrný, ale přesto hlukový základ;
• přímou závislost účinnosti systému na vnější teplotě;
• nárůst spotřeby elektřiny při ochlazení venku;
• neustále se vznášející prach ve vzduchu kvůli nepřetržitému provozu ventilátoru a konvekci vzduchu v místnosti;
• závislost na dodávce elektřiny (pro nepřetržitý provoz bude potřeba generátor).

Při venkovních teplotách do -10°C vše funguje výborně, odebírané teplo z venku plně postačuje k vytvoření komfortních podmínek v domě. Při dalším ochlazení však účinnost čerpadla prudce klesá.

Pokud je dům postaven v oblasti s chladným klimatem a silnými mrazy v zimě, neobejde se bez přídavného kotle nebo krbu.

V teplém klimatu si vzduchové tepelné čerpadlo bez problémů poradí s úkoly vytápění rodinného domu, ale při silných mrazech dodatečný zdroj tepla neuškodí

Pro zařízení vzduchového vytápění jsou tyto systémy ideální. Minimum výdajů za elektřinu, úsilí při montáži a problémů s údržbou. Nelze jimi však ohřívat vodu. K tomu bude nutné dodatečně instalovat bojler nebo se připojit k centrálním sítím.

Tepelná čerpadla vzduch-vzduch jsou optimálním způsobem vytápění budov postavených ze dřeva nebo SIP panelů. Takové stavby mají nízké tepelné ztráty, výkon vzduchového tepelného čerpadla pro jejich vytápění je s přebytkem dostačující.

V letním období lze tepelné čerpadlo vzduch-vzduch použít k ohřevu vody v bazénu

Zásadní odlišnosti od klimatizace

Zevnějškem je tepelné čerpadlo vzduch-vzduch podobné domácí klimatizaci. Má však své vlastní odlišné konstrukční vlastnosti a technické parametry.

První zařízení se používá jako hlavní zdroj vytápění, který funguje celoročně. Druhé je určeno spíše k chlazení vzduchu v letních vedrech.

Hlavní funkcí tepelného čerpadla je vytápění. Mnoho modelů je však schopno také chladit vzduch v místnosti. V tomto režimu provozu však výrazně zaostávají za klimatizací v energetické účinnosti. Jedná se spíše o nouzové použití.

Z vnějšího vzhledu jsou klimatizace a vzduchové tepelné čerpadlo podobné, ale mají zcela odlišný účel a provozní charakteristiky

Na druhou stranu i mnohé invertorové klimatizace dokážou ohřívat vzduch v místnostech. Spotřebovávají přitom však mnohem více elektřiny než tepelná čerpadla. Každé zařízení má svůj účel.

Použití tepelného čerpadla „vzduch-vzduch“ je především přechodem na obnovitelné zdroje energie.

Tyto systémy jsou ekonomicky výhodné navzdory velkým počátečním investicím. Snížení plateb za vytápění pokryje všechny počáteční náklady.

Výběr a výpočty tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch bude účinné, pouze pokud je správně vybráno. Je nutné předem vypočítat jeho výkon v závislosti na ploše domu. A teprve poté se dívat na ceny od různých výrobců.

Při výpočtech se používá koeficient energetické účinnosti COP (poměr výkonu tepelného čerpadla ke spotřebované energii).

Při „skleníkových podmínkách“ často dosahuje 4–5 bodů, a nejmodernější modely až 7–8. Při poklesu venkovní teploty na -15 až -20 °C však tento ukazatel prudce klesne pouze na dvojku.

Optimální výkon vytápění poskytuje tepelné čerpadlo při venkovních teplotách -10…+10 stupňů Celsia, takže až ¾ tepelné energie odebírá z venkovního prostředí

Při výpočtu vzduchového vytápění je třeba zohlednit:

• tepelnou izolaci a oslunění místností;
• plochu místností;
• počet obyvatel v domě;
• celkové klimatické podmínky oblasti, kde se dům nachází.

Pro většinu domů je na každých deset čtverečních metrů potřeba zhruba 0,7 kW výkonu tepelného čerpadla. Vše je zde však dosti relativní. Pokud jsou stropy vyšší než 2,7 m nebo stěny a okna špatně izolovány, bude potřeba více tepla.

Výrobců tepelných čerpadel vzduch-vzduch je mnoho jak v Asii, tak v Evropě.

Dobré recenze mají systémy od Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Carrier, Aertec, Panasonic a Toshiba. Prakticky všechny jejich modely jsou přizpůsobeny místním provozním podmínkám a dobře se osvědčily.

I při výkyvech napětí se nepoškodí a po opětovném zapnutí elektřiny dále spolehlivě pracují.

Cena běžných vzduchových tepelných čerpadel se pohybuje v rozmezí od 18 000 do 90 000 Kč. Zde mnohé závisí nejen na výkonu jednotky, ale také na doplňkových funkcích a zemi výroby.

Jednotlivé modely jsou vybaveny:

• filtry pro čištění a dezinfekci vzduchu;
• záložními ohřívači;
• elektrickými generátory;
• GSM moduly pro ovládání systému;
• ionizátory a ozonizátory.

Praxe ukazuje, že při mrazech pod -15 °C je v místnostech vytápěných pouze vzduchovým tepelným čerpadlem chladno. A bez přídavného ohřívače o komfortu v místnostech nemůže být ani řeč.

Nicméně v jižních oblastech, kde jsou takové mrazy vzácné, je tepelné čerpadlo (TČ) plně účinné a díky úsporám energie bohatě vykompenzuje vynaložené peníze.

Svépomocný výrobek ze staré lednice

Sestavit tepelné čerpadlo vzduch-vzduch z jednotlivých kompresorů a kondenzátorů vlastníma rukama bez specializovaných inženýrských znalostí je poměrně obtížné. Ale pro malou místnost nebo skleník lze použít starou lednici.

Nejjednodušší vzduchové tepelné čerpadlo lze vyrobit z lednice tak, že do ní z venku přivedeme vzduchovod a na zadní mřížku výměníku tepla namontujeme ventilátor.

K tomu je třeba vyvrtat dva otvory do předních dvířek lednice. Prvním otvorem bude do mrazničky vstupovat venkovní vzduch a druhým spodním bude odváděn zpět ven.

Během průchodu vnitřním prostorem přitom odevzdá část svého tepla chladivu (freonu).

Také lze chladicí zařízení jednoduše zabudovat do stěny otevřenými dvířky ven a výměníkem tepla vzadu do místnosti. Je však třeba mít na paměti, že výkon takového ohřívače bude malý a spotřebuje poměrně hodně elektřiny.

Vzduch v místnosti se ohřívá od výměníku tepla na zadní straně lednice. Tento typ tepelného čerpadla však může fungovat pouze při venkovních teplotách nejméně plus pět stupňů Celsia.

Toto domácí zařízení je určeno výhradně k provozu v interiéru.

U velkého domu bude nutné systém vzduchového vytápění doplnit vzduchovody, které rovnoměrně distribuují teplý vzduch do všech místností.

Montáž tepelného čerpadla vzduch-vzduch je velmi jednoduchá. Je nutné nainstalovat venkovní a vnitřní jednotku a poté je vzájemně propojit okruhem s chladivem.

První část systému se instaluje venku: přímo na fasádě, střeše nebo vedle budovy. Druhou část v domě lze umístit na strop nebo na zeď.

Venkovní jednotku se doporučuje instalovat několik metrů od vchodu do domu a dále od oken, nezapomínejte na hluk produkovaný ventilátorem.

Vnitřní jednotka se instaluje tak, aby se proud teplého vzduchu z ní rovnoměrně šířil po celé místnosti.

Pokud se plánuje vytápět dům s několika místnostmi na různých podlažích tepelným čerpadlem vzduch-vzduch, bude nutné vybudovat systém ventilačních kanálů s nuceným vháněním.

V tomto případě je lepší objednat projekt u kompetentního inženýra, jinak by výkon TČ nemusel stačit pro všechny místnosti.

Elektroměr a ochranné zařízení musí odolávat špičkovému zatížení, které vytváří tepelné čerpadlo. Při prudkém ochlazení venku začne kompresor spotřebovávat několikanásobně více elektřiny než obvykle.

Nejlepší je pro takový vzduchový ohřívač vést samostatný napájecí okruh od rozvodné skříně.

Zvláštní pozornost je třeba věnovat montáži trubek pro freon. I sebemenší třísky uvnitř mohou poškodit kompresorové zařízení.

Zde se neobejdete bez dovedností pájení mědi. Plnění chladiva byste měli svěřit profesionálovi, abyste se později vyhnuli problémům s jeho únikem.

Podrobný návod na výrobu tepelného čerpadla z ledničky je popsán v tomto článku.

Závěry a užitečné video k tématu

Princip činnosti tepelné split-systémy „vzduch-vzduch“:

Vzduchové tepelné čerpadlo v systému vytápění dvoupatrového domu:

Kondicionér-invertor nebo tepelné vzduchové čerpadlo – co je lepší?

Tepelná čerpadla pracující na principu „vzduch-vzduch“ jsou vysoce účinná zařízení. Jsou jednoduchá na údržbu, pohodlná na provoz a úsporná.

V prodeji je nyní obrovský sortiment takových systémů, pro každý dům lze vybrat otopné zařízení. Stačí jen správně vypočítat jeho výkon, pak bude efektivně sloužit dlouhá léta.

A co si myslíte o účinnosti a vhodnosti použití tepelných čerpadel “vzduch-vzduch”? Podělte se o svůj názor, zanechte recenze o použití agregátů a pokládejte otázky. Formulář pro komentáře se nachází níže.