Prilož ruku k zadnej stene chladničky. Je tam teplo! Chladnička „nevyrába chlad“. Vynáša teplo zo svojho vnútra a vypúšťa ho vzadu.
Klimatizácie a tepelné čerpadlá fungujú presne rovnako – len pre celý dom. V lete vynášajú teplo z domu von. V zime ho prinášajú dnu, dokonca aj z mrazivého vzduchu vonku. Ako je to možné? Poďme to poskladať krok za krokom.
Teplo samo tečie „z kopca“
Teplo samo od seba vždy prechádza z teplejšej veci na chladnejšiu. Horúci nápoj v chladnej izbe vychladne. Kocka ľadu sa v teplej dlani roztopí. Samo od seba teplo nikdy nejde od studeného k teplému.
Ak chceš teplo presunúť „opačne“ – z chladnej izby von do horúceho letného vzduchu –, potrebuješ stroj, ktorý na to spotrebuje energiu.
Aj studený vzduch v sebe má teplo
Možno si myslíš, že mrazivý zimný vzduch v sebe nemá žiadne teplo. Ale má! Všetko je z drobných čiastočiek, ktoré sa neustále chvejú. Kým sa chvejú, je v nich teplo – a aj pri −15 °C sa čiastočky vzduchu stále riadne chvejú. Tepelné čerpadlo časť tohto tepla pozbiera a prenesie ho dnu.
Tajomstvo: kvapalina, ktorá vrie v mraze
Vo vnútri každej klimatizácie, tepelného čerpadla aj chladničky obieha zvláštna kvapalina, ktorej hovoríme chladivo. Jej superschopnosť je, že vrie pri veľmi nízkych teplotách – oveľa nižších, než je teplota ľadu.
Keď sa kvapalina mení na plyn a späť, stanú sa dve veci:
- Keď kvapalina vrie alebo sa vyparuje, nasáva teplo zo svojho okolia. Preto mokrá koža vo vetre studí.
- Keď plyn kondenzuje späť na kvapalinu, toto teplo zasa odovzdá.
Stroj si navyše vie vybrať, kde chladivo zovrie – tak, že mení jeho tlak. Pri nízkom tlaku vrie aj v treskúcej zime. Pri vysokom tlaku kondenzuje, aj keď je horúce. Prečo je to tak, sa dočítaš v článku prečo voda nevrie vždy pri rovnakej teplote.
Cesta dookola okruhom
Chladivo obieha dookola v uzavretom okruhu trubiek. Na každom kole prejde štyrmi zastávkami:
- Výparník: studená kvapalina tu vrie a nasáva teplo zo vzduchu okolo.
- Kompresor: čerpadlo stlačí plyn. Pri stláčaní sa zohreje – ako sa zohreje pumpa na bicykel, keď ňou pumpuješ. Táto časť spotrebúva elektrinu.
- Kondenzátor (časť, v ktorej chladivo kondenzuje): horúci plyn tu odovzdá teplo vzduchu okolo a zmení sa späť na kvapalinu.
- Expanzný ventil: kvapalina prestrekne maličkým otvorom. Jej tlak klesne a znova sa veľmi ochladí. Potom sa kolo začína odznova.
Leto: klimatizácia
Keď stroj chladí, studený výparník je vo vnútri domu. Nasáva teplo zo vzduchu v izbe a ventilátor fúka ochladený vzduch späť do izby.
Horúci kondenzátor je vonku – v skrinke na stene s veľkým ventilátorom. Preto je vzduch, ktorý z nej fúka, teplý: je to teplo z tvojich izieb.
Klimatizácia vzduch aj vysušuje. Vodná para z izby kondenzuje na studenom výparníku, podobne ako na studenom pohári. Voda potom odkvapkáva malou trubičkou.
Zima: tepelné čerpadlo
Teraz chceme, aby teplo išlo opačne. Zvláštny ventil jednoducho otočí smer, ktorým chladivo tečie. Studený výparník je teraz vonku a nasáva teplo aj z mrazivého vzduchu. Horúci kondenzátor je teraz vnútri a ohrieva vzduch, radiátory alebo podlahu.
Preto mnohé stroje zvládnu obe úlohy: v zime kúria a v lete chladia.
Niekedy za studeného dňa z vonkajšej jednotky vyfučí oblak pary. Neboj sa: na jej studenej časti sa vytvoril ľad a stroj ho práve rozmrazuje.
Prečo tak dobre kúri?
Elektrický ohrievač zmení 1 jednotku elektriny na 1 jednotku tepla. Tepelné čerpadlo použije 1 jednotku elektriny na to, aby presunulo do domu približne 3 až 4 jednotky tepla. Tomuto číslu hovoríme vykurovací faktor (COP).
Je to kúzlo? Nie – a neporušuje to ani pravidlo, že energia nikdy nevznikne z ničoho. Elektrina poháňa kompresor. Teplo navyše sa nevyrobí; pozbiera sa z vonkajšieho vzduchu.
Čím je vonku chladnejšie, tým viac sa tepelné čerpadlo musí snažiť, a tak za každú jednotku elektriny presunie o trochu menej tepla.
Tepelné čerpadlá všade okolo teba
- Chladničky a mrazničky sú tiež tepelné čerpadlá. Vynášajú teplo z jedla a vypúšťajú ho vzadu.
- Tepelné čerpadlá zem–voda zbierajú teplo z trubiek zakopaných v záhrade. Hlboko v zemi je teplota takmer rovnaká po celý rok.
- Tepelné čerpadlá voda–voda zbierajú teplo z jazera alebo rieky.
Poďme hlbšie: Tlaky a teploty v okruhu pre dospelých a extra zvedavých
Zober si tepelné čerpadlo naplnené propánom (R-290) v zimný deň s teplotou 0 °C. Vo vonkajšom výparníku propán vrie pri teplote asi −8 °C a tlaku približne 4 bary. Kompresor ho stlačí na asi 14 barov; pri tomto tlaku kondenzuje pri približne 40 °C, čo stačí na vykúrenie domu. Plyn, ktorý vychádza z kompresora, je ešte teplejší, často 60–70 °C.
Čím väčší je rozdiel medzi studenou a horúcou stranou, tým viac musí kompresor stláčať a tým nižší je vykurovací faktor. Preto tepelné čerpadlá milujú podlahové kúrenie: voda v ňom stačí mať asi 35 °C, nie 55 °C ako v mnohých radiátoroch.
Poďme hlbšie: Koľko tepla je v studenom vzduchu? pre dospelých a extra zvedavých
Teplota meria, ako rýchlo sa čiastočky chvejú, a chvenie sa úplne zastaví až pri absolútnej nule: −273,15 °C. Vzduch s teplotou −15 °C je stále o viac ako 250 stupňov nad ňou, a tak v sebe má dosť tepla, ktoré môže tepelné čerpadlo pozbierať. Ťažké nie je teplo nájsť, ale ohriať ním vodu.
Over sa
Odkiaľ v zime pochádza väčšina tepla z tepelného čerpadla?
Ukáž odpoveď
Zo studeného vzduchu vonku — Elektrina len poháňa kompresor. Väčšina tepla sa pozbiera z vonkajšieho vzduchu, aj keď mrzne.
Elektrina len poháňa kompresor. Väčšina tepla sa pozbiera z vonkajšieho vzduchu, aj keď mrzne.