Tepelné čerpadlo “vzduch-vzduch”: princíp činnosti, konštrukcia, výber a výpočty

Chcete v dome zriadiť konvektorové vykurovanie, kde sa na ohrev teplonosného média používa tepelné čerpadlo «vzduch-vzduch», ktoré zabezpečuje výraznú úsporu nákladov na vykurovanie? Súhlaste, že získať plnohodnotné vykurovanie spolu s teplou vodou prakticky zadarmo je veľmi lákavá možnosť.

Ale vy neviete, ako zostrojiť podobný systém, aby ste alternatívnym spôsobom vykurovali miestnosti a získavali teplú vodu pre domáce potreby?

Pomôžeme vám zorientovať sa v tejto otázke – v článku je osvetlený princíp činnosti a usporiadanie čerpadla. Energiu bude takýto systém musieť míňať len na prácu kompresora, zatiaľ čo hlavný objem tepla sa bude jednoducho brať z vonkajšej atmosféry, za čo si u nás zatiaľ nepýtajú peniaze.

Tiež sú zvážené výhody jeho zavedenia do systému a podstatné nevýhody. Osobitná pozornosť je venovaná výberu a výpočtu čerpadla.

A nadšencom, ktorí všetko robia vlastnými rukami, odporúčame zostrojiť podobné čerpadlo svojpomocne s použitím bežných materiálov. Na pomoc uvádzame fotografické materiály a video odporúčania o usporiadaní a fungovaní tepelného vzduchového čerpadla.

Charakteristika tepelného čerpadla vzduch-vzduch

Každé tepelné čerpadlo patrí k zariadeniam z oblasti alternatívnej energetiky. Odoberá tepelnú energiu vzdušných hmôt vonku, z okolitého priestoru v miestnosti, aby ňou vykurovalo obytné a neobytné objekty.

Pritom sa nepoužívajú žiadne spaľovacie druhy paliva.

Zvonka tepelné čerpadlo (TC) vzduch-vzduch vyzerá ako invertorová klimatizácia, split-systém z vonkajšej a vnútornej jednotky.

Ale princípom činnosti pripomína skôr chladničku, len funguje „naopak“. No na rozdiel od oboch toto tepelné čerpadlo dokáže chladiť aj ohrievať vzdušné hmoty v dome.

Tepelné čerpadlo odoberá nízkopotenciálnu tepelnú energiu z atmosféry vonku a ohrieva ňou vnútorný vzduch na komfortné teploty

Princíp činnosti a vnútorné usporiadanie

Základom činnosti tepelného čerpadla vzduch-vzduch je jednoduchý fyzikálny jav termodynamiky – kvapalina pri odparovaní ochladzuje povrch, z ktorého sa rozptyľuje. Napríklad para nad šálkou horúceho čaju demonštruje rovnaký efekt.

Na tomto princípe pracuje aj bežná chladnička. Vo vnútri sú umiestnené rúrky, cez ktoré cirkuluje chladiace médium pod vysokým tlakom. Odoberá teplo z vnútorného priestoru mraziaceho oddielu a pritom sa mierne zahrieva.

Následne sa nazbierané teplo odovzdáva do vzduchu miestnosti prostredníctvom výmenníka tepla (mriežky na zadnej strane chladničky).

V zime tepelné čerpadlo vzduch-vzduch ohrieva vnútorný vzduch a v lete ho môže ochladzovať

Aby sa potom chladiace médium ochladilo na prevádzkové teploty, stláča sa v kompresore. Počas pracovného cyklu sa freón vo vnútri systému kompresor-kondenzátor-výparník neustále mení z plynného skupenstva na kvapalné a späť.

Vzduchové tepelné čerpadlo funguje úplne rovnako. Len teplo odoberá zvonku, nie z uzavretej mrazničky. Aj keď je vonku mráz, v atmosfére je stále dostatok tepelnej energie.

Na výrobu tepla potrebuje tepelné čerpadlo iba energiu vynaloženú na činnosť kompresora. Na schéme je podrobne znázornený proces prenosu tepla.

Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch sa skladá z nasledujúcich prvkov:

• kompresora;
• výparníka s ventilátorom núteného ofukovania;
• expanzného ventilu;
• medených rúrok na prečerpávanie freónu medzi vonkajškom a domom;
• kondenzátora s ventilátorom na prívod ohriateho vzduchu do miestnosti.

Prvé tri prvky tvoria vonkajšiu jednotku a posledný patrí do vnútornej časti tepelného čerpadla. Tepelne izolované medené rúrky sú určené na nepretržitý pohyb teplonosného média medzi týmito modulmi split-systému.

Pohyb freónu v tepelnom čerpadle prebieha v uzavretom kruhu, v dôsledku čoho sa neustále stláča a rozširuje.

Algoritmus činnosti tepelného čerpadla vzduch-vzduch je nasledovný:

1. Vonkajší vzduch je ventilátorom nasávaný do vonkajšej jednotky a preháňaný cez rebrá vonkajšieho výparníka. Freón cirkulujúci cez výmenník tepla absorbuje tepelnú energiu, ktorá je v ňom obsiahnutá, pričom prechádza do plynného skupenstva.
2. Ďalej plyn vstupuje do kondenzátora, kde je stláčaný. Potom je prečerpávaný medenými rúrkami do vnútornej jednotky.
3. V kondenzátore umiestnenom v dome plyn prechádza späť na kvapalinu, pričom odovzdáva teplo vnútornému vzduchu v miestnosti.
4. Potom sa nadmerný tlak uvoľní pomocou expanzného ventilu a kvapalný freón sa opäť odošle do primárneho výparníka.

Hodnota teploty freónu vstupujúceho do vonkajšej jednotky je vždy nižšia ako teplota okolia. Preto vždy odoberá teplo z atmosféry.

Ale úroveň „chladenia“ teplonosného média v systéme je konštantná, zatiaľ čo vonkajšia teplota neustále kolíše. Z tohto dôvodu pri silných mrazoch tepelné čerpadlo stráca svoju účinnosť.

Cyklus pohybu teplonosného média tepelného čerpadla vzduch-vzduch: 1. je stlačený kompresorom, 2. kondenzuje vo výmenníku tepla, pričom odovzdáva teplo, 3. vo forme kvapaliny vstupuje do vonkajšieho výmenníka tepla, 4. tam sa vyparuje, pri vyparovaní zachytí tepelnú energiu vonkajšieho prostredia, 5. opäť sa vracia do kondenzátora.

Na zvýšenie výkonu tepelného čerpadla sa povrchy kondenzátora a výparníka vyrábajú čo najväčšie. A pre nepretržitú prevádzku v zimnom období je vonkajší výmenník tepla vybavený vlastným systémom rozmrazovania.

Výhody a nevýhody vzduchového tepelného čerpadla

Každý technicky zložitý systém má svoje výhody a nevýhody. Reklamné prospekty sú jedna vec, ale v skutočnosti majitelia tepelných čerpadiel riskujú, že sa stretnú s určitými problémami.

Zariadenia na vykurovanie/chladenie typu „vzduch-vzduch“ sú výhodné z viacerých dôvodov.

Medzi hlavné výhody patria:

• Univerzálnosť. Systémy umožňujú vykurovať a ochladzovať miestnosti v závislosti od účelu miestnosti, potrieb a klimatického obdobia.
• Ekologickosť. Umožňujú úplne sa vyhnúť spaľovaniu zemného plynu, uhlia, dreva a pod., ktoré znečisťujú prírodné prostredie splodinami horenia.
• Jednoduchosť montáže. Zložiť systém z továrensky vyrobených komponentov nie je problém. Tepelné čerpadlo je možné vlastnoručne postaviť z bežne dostupných prostriedkov.
• Požiarna bezpečnosť. Proces získavania tepla nie je spojený s používaním horľavín. Dokonca ani poruchy v prevádzke zariadenia nemôžu spôsobiť požiar.
• Hospodárnosť. Lákajú vysokým koeficientom prenosu tepla pri minimálnych nákladoch (na spotrebovanú 1 kWh elektriny vyprodukujú 4–5 kWh tepla). Navyše sa rýchlo vrátia.
• Cenová dostupnosť. Cena systémov z továrenskej výroby umožňuje zakúpiť tepelné čerpadlo prakticky každému, kto oň má záujem. Svojpomocne vyrobené zariadenie bude prakticky bezplatné.
• Jednoduchosť obsluhy. Najtechnicky zložitejším zariadením v systéme je kompresor, s ktorého údržbou si ľahko poradíte. Pri typickom zaťažení tepelných čerpadiel kompresory len zriedka zlyhajú skôr, ako je sľubovaná životnosť od výrobcu.

Na organizáciu vykurovania v jednej miestnosti stačí nainštalovať split-systém, pričom na fasádu zavesíte vonkajší modul a na vnútornú stenu konvektor. Na vykúrenie niekoľkých miestností bude potrebné vybudovať distribučné kanály ohriateho vzduchu.

Na každú kWh spotrebovanej elektriny vyprodukuje tepelné čerpadlo až 5 kWh tepelnej energie.

Celé ovládanie tepelného čerpadla vzduch-vzduch zabezpečuje vstavaná automatika. Tomuto systému nebudete musieť venovať osobitnú pozornosť pri prevádzke a nastavovaní. Bude potrebné iba pravidelne čistiť vzduchové filtre a občas ich vymeniť.

Medzi negatívne stránky tepelných čerpadiel možno uviesť:

• aj keď nepatrné, predsa len hlukové pozadie;
• priama závislosť účinnosti systému od vonkajšej teploty;
• nárast spotreby elektriny pri ochladení vonku;
• neustály prach vo vzduchu spôsobený nepretržitou prevádzkou ventilátora a konvekciou vzduchu v miestnosti;
• závislosť od dodávky elektriny (na neprerušovanú prevádzku bude potrebný generátor).

Pri vonkajších teplotách do -10°C všetko funguje skvele, tepla odobratého zvonka je dostatok na vytvorenie komfortných podmienok v dome. Pri ďalšom ochladení však účinnosť čerpadla prudko klesá.

Ak je dom postavený v oblasti s chladným podnebím a silnými mrazmi v zime, potom sa nezaobídete bez dodatočného kotla alebo krbu.

V teplom podnebí si vzduchové tepelné čerpadlo bez problémov poradí s úlohami vykurovania rodinného domu, ale pri silných mrazoch dodatočný zdroj tepla nezaškodí.

Pre zriadenie vzduchového vykurovania sú takéto systémy ideálne. Minimum výdavkov na elektrinu, úsilia na montáž a problémov s údržbou. Nedá sa nimi však ohrievať voda. Na to bude potrebné dodatočne nainštalovať bojler alebo sa pripojiť k centrálnym sieťam.

Tepelné čerpadlá vzduch-vzduch sú optimálnym spôsobom vykurovania budov postavených z dreva alebo SIP. Takéto stavby majú nízke tepelné straty, výkon vzduchového tepelného čerpadla na ich vykurovanie je viac než dostatočný.

V letnom období je možné použiť tepelné čerpadlo vzduch-vzduch na ohrev vody v bazéne

Zásadné rozdiely oproti klimatizácii

Navonok je tepelné čerpadlo vzduch-vzduch podobné domácej klimatizácii. Má však svoje vlastné konštrukčné odlišnosti a technické parametre.

Prvé zariadenie sa používa ako hlavný zdroj vykurovania, ktorý funguje celoročne. Druhé je určené skôr na chladenie vzduchu v letných horúčavách.

Hlavnou funkciou tepelného čerpadla je vykurovanie. Mnohé modely však dokážu aj chladiť vzduch v miestnosti. V tomto režime sú však z hľadiska energetickej účinnosti výrazne horšie ako klimatizácia. Ide skôr o krajný prípad ich použitia.

Na vonkajší vzhľad sú klimatizácia a vzduchové tepelné čerpadlo podobné, ale majú úplne odlišný účel a prevádzkové charakteristiky

Na druhej strane aj mnohé invertorové klimatizácie dokážu ohrievať vzduch v miestnostiach. Pritom však spotrebúvajú oveľa viac elektriny ako tepelné čerpadlá. Každé zariadenie má svoj účel.

Používanie TČ „vzduch-vzduch“ je v prvom rade prechodom na obnoviteľné zdroje energie.

Tieto systémy sú ekonomicky výhodné napriek veľkým počiatočným investíciám. Zníženie platieb za vykurovanie pokryje všetky počiatočné náklady.

Výber a výpočty tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch bude účinné, len ak je správne vybrané. Je potrebné vopred vypočítať jeho výkon v závislosti od plochy domu. Až potom sa pozrieť na ceny rôznych výrobcov.

Pri výpočtoch sa používa koeficient energetickej účinnosti COP (pomer výkonu TČ k spotrebovanej energii).

V „skleníkových podmienkach“ často dosahuje 4–5 bodov a najmodernejšie modely až 7–8. Pri poklese vonkajšej teploty na -15 až -20 °C však tento ukazovateľ prudko klesne len na dvojku.

Optimálnu produktivitu vykurovania dosahuje tepelné čerpadlo pri vonkajších teplotách -10…+10 stupňov Celzia, pričom až ¾ tepelnej energie odoberá z vonkajšieho prostredia.

Pri výpočte vzduchového vykurovania je potrebné zohľadniť:

• tepelnoizoláciu a insoláciu miestností;
• plochu miestností;
• počet osôb žijúcich v dome;
• všeobecné klimatické podmienky oblasti, kde sa dom nachádza.

Pre väčšinu domov je na každých desať štvorcových metrov potrebný výkon tepelného čerpadla približne 0,7 kW. Všetko je to však dosť orientačné. Ak sú stropy vyššie ako 2,7 m alebo steny a okná sú zle izolované, bude potrebné viac tepla.

Výrobcov tepelných čerpadiel vzduch-vzduch je nemálo v Ázii aj v Európe.

Dobré recenzie majú systémy od Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Carrier, Aertec, Panasonic a Toshiba. Takmer všetky ich modely sú prispôsobené domácim prevádzkovým podmienkam a osvedčili sa.

Dokonca ani pri výkyvoch napätia sa nepokazia a po obnovení dodávky elektriny fungujú bez problémov.

Cena bežných vzduchových tepelných čerpadiel sa pohybuje v rozmedzí od 900 do 4 500 €. Veľa závisí nielen od výkonu zariadenia, ale aj od doplnkových funkcií a krajiny výroby.

Jednotlivé modely sú doplnené o:

• filtre na čistenie a dezinfekciu vzduchu;
• záložné ohrievače;
• elektrické generátory;
• GSM moduly na riadenie systému;
• ionizátory a ozonizátory.

Prax ukazuje, že pri mrazoch pod -15 °C sa v miestnostiach vykurovaných iba tepelným vzduchovým čerpadlom ochladí. A bez dodatočného ohrievača o komforte v miestnostiach vôbec nemožno hovoriť.

V južných regiónoch, kde sú takéto mrazy zriedkavé, je tepelné čerpadlo úplne účinné a vďaka úspore energie sa vynaložené peniaze s prebytkom vrátia.

Svojpomocné zariadenie zo starej chladničky

Z jednotlivých kompresorov a kondenzátorov je bez špecializovaných inžinierskych znalostí dosť náročné zostaviť tepelné čerpadlo vzduch-vzduch. Pre malú miestnosť alebo skleník je však možné použiť starú chladničku.

Najjednoduchšie vzduchové tepelné čerpadlo sa dá vyrobiť z chladničky, a to tak, že sa do nej z vonkajšej strany privedie vzduchovod a na zadnú mriežku výmenníka tepla sa pripevní ventilátor.

Na tento účel je potrebné v predných dvierkach chladničky vytvoriť dva otvory. Prvým bude do mrazničky vstupovať vonkajší vzduch a druhým (spodným) bude odvádzaný späť von.

Počas prechodu vnútorným priestorom tak odovzdá časť svojho tepla chladivu (freónu).

Taktiež je možné chladiaci stroj jednoducho zabudovať do steny tak, že otvorenými dverami smeruje von a zadným výmenníkom tepla do miestnosti. Treba však počítať s tým, že výkon takéhoto ohrievača bude malý a spotreba elektrickej energie bude pomerne vysoká.

Vzduch v miestnosti sa ohrieva od zadného výmenníka tepla chladničky. Takéto tepelné čerpadlo je však schopné fungovať len pri vonkajších teplotách nie nižších ako plus päť stupňov Celzia.

Toto zariadenie je určené výhradne na prevádzku v interiéri.

Vo veľkom dome bude potrebné doplniť systém vzduchového vykurovania vzduchovodmi, ktoré rovnomerne rozvádzajú teplý vzduch do všetkých miestností.

Montáž tepelného čerpadla vzduch-vzduch je veľmi jednoduchá. Je potrebné nainštalovať vonkajšiu a vnútornú jednotku a potom ich spojiť okruhom s teplonosnou látkou.

Prvá časť systému sa inštaluje vonku: priamo na fasáde, streche alebo vedľa budovy. Druhú časť v dome je možné umiestniť na strop alebo stenu.

Vonkajšiu jednotku sa odporúča inštalovať niekoľko metrov od vchodu do domu a ďalej od okien, netreba zabúdať na hluk produkovaný ventilátorom.

A vnútorná sa inštaluje tak, aby sa prúd teplého vzduchu z nej rovnomerne šíril po celej miestnosti.

Ak sa plánuje vykurovať dom s niekoľkými miestnosťami na rôznych poschodiach tepelným čerpadlom vzduch-vzduch, bude potrebné vybudovať systém vetracích kanálov s núteným vháňaním.

V takom prípade je lepšie objednať projekt u kompetentného inžiniera, inak by výkon TČ nemusel stačiť na všetky miestnosti.

Elektromer a ochranné zariadenie musia vydržať špičkové zaťaženie spôsobené tepelným čerpadlom. Pri prudkom ochladení vonku začne kompresor spotrebúvať niekoľkonásobne viac elektriny ako zvyčajne.

Najlepšie je pre takýto vzduchový ohrievač viesť samostatnú prívodnú linku z rozvodnej dosky.

Osobitnú pozornosť treba venovať montáži rúrok pre freón. Aj najmenšia trieska vo vnútri môže poškodiť kompresorové zariadenie.

Tu sa nezaobídete bez zručností spájkovania medi. Plnenie chladiva by ste mali vôbec zveriť odborníkovi, aby ste sa neskôr vyhli problémom s jeho únikom.

Podrobný návod na výrobu tepelného čerpadla z chladničky je popísaný v tomto článku.

Závery a užitočné video k téme

Princíp činnosti tepelného split-systému «vzduch-vzduch»:

Vzduchové tepelné čerpadlo v systéme vykurovania dvojpodlažného domu:

Klimatizácia-invertor alebo tepelné vzduchové čerpadlo – čo je lepšie?

Tepelné čerpadlá pracujúce na princípe «vzduch-vzduch» sú vysokoúčinné zariadenia. Sú jednoduché na údržbu, pohodlné na prevádzku a hospodárne.

V predaji je teraz obrovský sortiment takýchto systémov, pre každý dom možno vybrať vykurovacie zariadenie. Treba len správne vypočítať jeho výkon, potom bude efektívne slúžiť dlhé roky.

A čo si myslíte o účinnosti a vhodnosti používania tepelných čerpadiel “vzduch-vzduch”? Podeľte sa o svoj názor, zanechajte recenzie o používaní agregátov a pýtajte sa. Formulár pre komentáre sa nachádza nižšie.