Elektrický ohrievač mení elektrinu na teplo. Dáš mu 1 jednotku elektriny a dostaneš 1 jednotku tepla.

Tepelné čerpadlo to dokáže oveľa lepšie: z tej istej elektriny ti dá 3 alebo 4 jednotky tepla. Ako je to možné a ako sa to meria? Poďme zistiť.

Energiu meriame v kilowatthodinách

Aby sme mohli ohrievače porovnať, musíme merať energiu. Na účtoch za elektrinu sa meria v kilowatthodinách, skrátene kWh. Jedna kilowatthodina je energia, ktorú spotrebuje ohrievač s výkonom 1 000 wattov, keď hodinu beží. (Vo wattoch sa meria výkon – ako rýchlo sa energia spotrebúva.)

Aj teplo je energia, takže ho môžeme merať v kilowatthodinách. Vďaka tomu vieme porovnať elektrinu, ktorá do zariadenia vchádza, s teplom, ktoré z neho vychádza.

Čo je vykurovací faktor?

Vykurovací faktor, skrátene COP (z anglického coefficient of performance), porovnáva tieto dve množstvá:

COP=dodaneˊ teplospotrebovanaˊ elektrina\text{COP} = \frac{\text{dodané teplo}}{\text{spotrebovaná elektrina}}

Dodané teplo je teplo, ktoré tepelné čerpadlo odovzdá do domu. Spotrebovaná elektrina je elektrická energia, ktorú potrebuje na chod. Obe sa merajú v rovnakej jednotke, napríklad v kWh, takže COP je obyčajné číslo bez jednotky.

Skúsme to. V mierny zimný deň dodá tepelné čerpadlo do domu 3,5 kWh tepla za každú kilowatthodinu elektriny, ktorú spotrebuje:

COP=3,5 kWh1 kWh=3,5\text{COP} = \frac{3{,}5\ \text{kWh}}{1\ \text{kWh}} = 3{,}5

Elektrický ohrievač zmení 1 kWh elektriny presne na 1 kWh tepla, takže jeho COP je 1. Tepelné čerpadlo dá za tú istú elektrinu tri a polkrát viac tepla. To znamená oveľa nižší účet za elektrinu.

Teplo z elektriny: elektrický ohrievač a tepelné čerpadlo Farebné kocky, každá znamená 1 kilowatthodinu. Elektrický ohrievač: 1 kocka elektriny sa zmení na 1 kocku tepla. Tepelné čerpadlo: 1 kocka elektriny a 2,5 kocky tepla nazbieraného z vonkajšieho vzduchu sa zmenia na 3,5 kocky tepla pre dom. elektrický ohrievač 1 kWh 1 kWh elektrinateplo zvonkudodané teplotepelné čerpadlo + 1 kWh 2,5 kWh 3,5 kWh
Elektrický ohrievač zmení 1 kWh elektriny na 1 kWh tepla. Tepelné čerpadlo k tomu pridá 2,5 kWh tepla nazbieraného z vonkajšieho vzduchu, a tak dodá 3,5 kWh.

Odkiaľ sa berie teplo navyše?

Počkaj – 3,5 kWh tepla len z 1 kWh elektriny? Energia nikdy nevznikne z ničoho. Tomuto pravidlu hovoríme zákon zachovania energie. Tak odkiaľ je tých zvyšných 2,5 kWh?

Zvonku! Tepelné čerpadlo teplo nevyrába. Presúva ho, podobne ako špongia prenáša vodu z miesta na miesto. Zbiera teplo z vonkajšieho vzduchu a prenáša ho do domu.

Aj studený zimný vzduch obsahuje trochu tepla. V tepelnom čerpadle prúdi chladivo, ktoré je ešte studenšie ako vonkajší vzduch, a tak zo vzduchu doň prúdi teplo. Elektrina poháňa najmä kompresor – čerpadlo, ktoré chladivo stláča, aby mohlo teplo odovzdať v dome. Celú cestu chladiva nájdeš v článku ako fungujú tepelné čerpadlá.

Energia teda presne sedí: 1 kWh elektriny + 2,5 kWh tepla zvonku = 3,5 kWh tepla pre tvoj dom. Žiadna energia nevzniká. Len sa presúva a sčítava.

Prečo sa vykurovací faktor mení?

Teplo samo od seba prúdi len od teplého k studenému, ako voda, ktorá tečie z kopca. Tepelné čerpadlo núti teplo ísť opačne: zo studeného vzduchu vonku do teplého domu. Je to ako nosiť vodu do kopca.

Vykurovací faktor preto klesá, keď je kopec vyšší:

  • Vonku je väčšia zima. Tepelné čerpadlo musí zbierať teplo zo studenšieho vzduchu.
  • Dom potrebuje teplejšiu vodu. Väčšina tepelných čerpadiel zohrieva vodu, ktorá prúdi radiátormi alebo trubkami pod podlahou. Čím teplejšia má táto voda byť, tým je kopec vyšší.

Preto tepelné čerpadlá milujú podlahové kúrenie. Teplá voda prúdi trubkami pod celou podlahou. Podlaha je veľká, a tak na vykúrenie izby stačí voda s teplotou asi 30–35 °C. Malé radiátory často potrebujú vodu s teplotou 50 °C a viac.

Ako vysoko musí tepelné čerpadlo teplo vyniesť Dva stĺpce na tej istej teplotnej stupnici. Vľavo mierny deň s podlahovým kúrením: tepelné čerpadlo vynáša teplo z vonkajšieho vzduchu s teplotou plus 7 stupňov Celzia do vody s teplotou 35 stupňov. Šípka je krátka, a preto je vykurovací faktor vyšší. Vpravo mrazivý deň s radiátormi: vynáša teplo z mínus 7 stupňov do vody s teplotou 55 stupňov. Šípka je oveľa dlhšia, a preto je vykurovací faktor nižší. mierny deň podlahové kúrenie 35 °C +7 °C voda vonku vyšší COP mrazivý deň radiátory 55 °C −7 °C voda vonku nižší COP
Čím väčší je rozdiel medzi vonkajším vzduchom a vodou na kúrenie, tým vyššie musí tepelné čerpadlo teplo vyniesť – a tým nižší je jeho vykurovací faktor.

Tu sú typické hodnoty pre tepelné čerpadlo, ktoré berie teplo z vonkajšieho vzduchu a zohrieva vodu pre podlahové kúrenie:

Teplota vonkuCOP (približne)Teplo z 1 kWh elektriny
+7 °Casi 4asi 4 kWh
−7 °Casi 2,5–3asi 2,5–3 kWh
Akékoľvek počasie (elektrický ohrievač)11 kWh

Aj v mrazivý deň dá tepelné čerpadlo dva- až trikrát viac tepla ako elektrický ohrievač.

Koľko tepla z 1 kWh elektriny?

Meň počasie a druh kúrenia. Žltá je elektrina, modrá je teplo získané z vonkajšieho vzduchu.

Tepelné čerpadlo: 4,1 kWh teplaElektrický ohrievač: 1 kWh tepla1 kWh elektrinyteplo zo vzduchu vonku
Dom vykuruje
COP 4,1
Teplo z 1 kWh 4,1 kWh
Ochladzuj počasie alebo prepni na radiátory a sleduj, koľko tepla prinesie do domu 1 kilowatthodina elektriny.

Keďže sa vykurovací faktor mení s počasím, výrobcovia uvádzajú aj sezónny vykurovací faktor (SCOP): priemer za celú vykurovaciu sezónu.

Poďme hlbšie: Carnotova hranica: najlepší možný COP pre dospelých a extra zvedavých

Aj dokonalé tepelné čerpadlo bez akýchkoľvek strát má najvyšší možný vykurovací faktor. Vyplýva z práce francúzskeho inžiniera Sadiho Carnota (1824), preto sa volá Carnotova hranica:

COPmax⁡=T1T1−T2\text{COP}_{\max} = \frac{T_1}{T_1 - T_2}
  • T1T_1 je teplota, pri ktorej sa teplo dodáva, napríklad teplota vody pre podlahu.
  • T2T_2 je teplota, z ktorej sa teplo berie, napríklad teplota vonkajšieho vzduchu.
  • Obe musia byť v kelvinoch (K): teplota v °C plus 273,15. Kelvinova stupnica sa začína absolútnou nulou (−273,15 °C), najnižšou možnou teplotou.

Riešený príklad: voda pre podlahové kúrenie má 35 °C, vonkajší vzduch 0 °C.

T1=35+273,15=308,15 KT2=0+273,15=273,15 KCOPmax⁡=308,15308,15−273,15=308,1535≐8,8\begin{aligned} T_1 &= 35 + 273{,}15 = 308{,}15\ \text{K} \\ T_2 &= 0 + 273{,}15 = 273{,}15\ \text{K} \\ \text{COP}_{\max} &= \frac{308{,}15}{308{,}15 - 273{,}15} = \frac{308{,}15}{35} \doteq 8{,}8 \end{aligned}

Skutočné tepelné čerpadlá dosahujú približne 40–55 % tejto hranice, teda tu asi 3,5 až 4,8.

Teraz skúsme radiátory, ktoré potrebujú vodu s teplotou 55 °C, pri rovnakých 0 °C vonku:

COPmax⁡=328,15328,15−273,15=328,1555≐6,0\text{COP}_{\max} = \frac{328{,}15}{328{,}15 - 273{,}15} = \frac{328{,}15}{55} \doteq 6{,}0

Skutočný stroj potom dosiahne len asi 2,4 až 3,3. Vzorec ukazuje prečo: väčší rozdiel teplôt v menovateli zlomku vykurovací faktor zmenšuje.

Skutočné stroje za hranicou zaostávajú z viacerých dôvodov. Chladivo musí byť studenšie ako vonkajší vzduch a teplejšie ako voda, takže skutočný „kopec“ je vyšší ako ten vo vzorci. Elektrinu spotrebúvajú aj ventilátory, čerpadlá a trenie a v zime treba vonkajší výmenník z času na čas odmraziť.

Poďme hlbšie: Chladenie: chladiaci faktor EER pre dospelých a extra zvedavých

Keď klimatizácia alebo tepelné čerpadlo chladí izbu, záleží na teple, ktoré z izby odoberie. Tento pomer sa volá chladiaci faktor (EER):

EER=teplo odobrateˊ z izbyspotrebovanaˊ elektrina\text{EER} = \frac{\text{teplo odobraté z izby}}{\text{spotrebovaná elektrina}}

V Európe je EER obyčajné číslo, podobne ako COP, a bežné klimatizácie dosahujú asi 3 až 4. Jeho sezónny priemer sa volá SEER. V USA sa EER udáva v iných jednotkách (v britských tepelných jednotkách za hodinu na každý watt), a preto tam čísla vyzerajú asi 3,4-krát väčšie.

Pre ten istý stroj, ktorý pracuje medzi tými istými dvoma teplotami, platí: teplo, ktoré odovzdá, sa rovná teplu, ktoré nazbiera, plus spotrebovanej elektrine. Preto je jeho vykurovací faktor asi o 1 väčší ako jeho chladiaci faktor.

Poďme hlbšie: Prečo COP nevoláme účinnosť pre dospelých a extra zvedavých

Účinnosť porovnáva užitočnú energiu, ktorá zo stroja vychádza, s energiou, ktorá doň vchádza, a preto nikdy nemôže byť väčšia ako 100 %. Vykurovací faktor tepelného čerpadla je väčší ako 1, lebo jeho výstup obsahuje aj teplo, ktoré samo nevyrobilo: teplo nazbierané zvonku. Preto ho inžinieri nevolajú účinnosť, ale vykurovací faktor.

Over sa

Tepelné čerpadlo spotrebuje 2 kWh elektriny a dodá 8 kWh tepla. Aký je jeho vykurovací faktor?

Ukáž odpoveď

4 — COP = dodané teplo : spotrebovaná elektrina = 8 kWh : 2 kWh = 4. Zvyšných 6 kWh tepla nazbieralo zvonku.

Over sa

Prečo vykurovací faktor tepelného čerpadla klesá vo veľmi studený deň?

Ukáž odpoveď

Musí dvíhať teplo z oveľa studenšieho vzduchu, a to si vyžaduje viac elektriny — Čím je vonkajší vzduch studenší, tým vyšší je kopec, na ktorý treba teplo vyniesť. Každá kilowatthodina tepla potom potrebuje viac elektriny.