Na akom princípe funguje tepelné čerpadlo

„Teplo sa môže samovoľne šíriť len z miesta teplejšieho na miesto studenšie,“ tak hovorí prirodzený a všetkým známy základný princíp prírody, o ktorom hovorí II. zákon termodynamiky (vedná disciplína zaoberajúca sa javmi spojenými s prenosom tepla). V uvedenej formulácii je však podstatné slovíčko „samovoľne“.

Vhodným dodaním energie vieme totiž tento prirodzený, samovoľný tok tepla otočiť a odvádzať teplo z miesta studenšieho na miesto teplejšie. Na úplne rovnakom princípe ako tepelné čerpadlo funguje aj chladnička, kde je teplo tiež odvádzané zo studenšieho miesta (z výparníka) na miesto teplejšie. Ak priložíte ruku za chladničku, zistíte, že pomerne výdatne „kúri“. Je to práve to teplo, ktoré bolo odvedené z výparníka chladničky. Ale späť k tepelným čerpadlám.

Zákony prírody v tepelných čerpadlách

Aby sme pochopili, na akom princípe fungujú tepelné čerpadlá, potrebujeme si v prvom rade uvedomiť, že v podstate ide o technickú aplikáciu dvoch veľmi dôležitých prírodných javov. Skôr ako si o týchto javoch povieme, je však nutné ozrejmiť si rozdiel medzi dvoma, v širokej verejnosti často zamieňanými pojmami, a to teplo a teplota. Teplo je len inak povedané tepelná energia (poznáme mnoho druhov energie, ako napr. tepelnú, mechanickú, jadrovú, chemickú, vnútornú...), ktorú pri kontakte odovzdáva teplejšie teleso studenšiemu. Teplota je len vonkajší prejav energie každej hmoty. Ak hmota teplo odovzdáva, jej teplota klesá a ak teplo prijíma, jej teplota rastie. A teraz k tým spomínaným javom.

Prvým javom je zmena teploty premeny skupenstva. Všetci si vieme predstaviť tri skupenstvá vody, a to ľad, kvapalnú vodu a vodnú paru. Keď sa hocikoho opýtate, aká je teplota varu vody, automaticky dostanete odpoveď 100°C. Táto odpoveď je správna, samozrejme, treba ju však doplniť o jeden údaj, a to je tlak. Teda, teplota varu vody je 100°C pri normálnom atmosférickom tlaku (presne 101,325 kPa). Keď však vyjdete na Mount Everest do nadmorskej výšky 8848m, kde je tlak podstatne nižší ako pri mori, zistíte, že voda bude vrieť možno pri 80°C. Z týchto pozorovaní vyplýva veľmi dôležitý poznatok, a to, že vieme regulovať teplotu varu a kondenzácie (skvapalňovania) látok pomocou zmeny tlaku (teplota varu a kondenzácie sú presne tie isté hodnoty, ale o teplote varu sa hovorí pri prechode z kvapalného stavu do plynného a teplotou kondenzácie sa myslí prechod z plynu na kvapalinu). Teda pri vyššom tlaku je teplota varu vyššia a naopak, pri nižšom tlaku nižšia.

Druhým javom je tepelné správanie sa látok pri zmene skupenstva. Človek, ako súčasť prírody sa správa presne podľa jej zákonov. Všetci sa cítime najpohodlnejšie, ak sme v pokojnom a vyrovnanom stave. Podobne sa do určitého neutrálneho stavu so svojím okolím snažia dostať všetky látky nachádzajúce sa v prírode. Ak chceme svoje telo dostať do stavu s vyššou energiou, logika velí, že túto energiu musíme odniekiaľ zobrať (napríklad sa najesť). Naopak, ak sa chceme dostať do stavu s nižšou energiou, príroda nám káže energiu odovzdať (spálime energiu v posilňovni).

Pre všetky látky platí, že kvapalný stav (skupenstvo) je energeticky vyšší ako pevný, a plynný stav je vyšší ako kvapalný. Z uvedeného vyplýva druhý dôležitý poznatok, teda ak látka prechádza z kvapalného stavu do plynného, musíme jej dodať energiu (voda bude vrieť, len ak jej dodáme energiu - teplo; resp. ak začneme ohrievať kocku ľadu, najprv sa dopracujeme k vode ako kvapaline, až následne k pare), a naopak, ak látka prechádza zo stavu plynného do kvapalného, energiu odovzdáva (v technickej praxi sú tieto energie označované ako kondenzačné a výparné teplo).Ako teda tepelné čerpadlo konkrétne funguje?

Ako teda tepelné čerpadlo konkrétne funguje?

Tepelné čerpadlo je cyklicky pracujúci tepelný stroj, kde celý proces prebieha v uzatvorenom okruhu a všetky deje sa periodicky opakujú. V nasledujúcom texte si opíšeme jeden cyklus.

Teplonosné médium (látka, ktorú nechávame vyparovať a odoberá teplo zo zdroja; následne ju necháme skondenzovať a odovzdáva nám naakumulované teplo; jednoducho povedané ide o „prenášač“ tepla) prúdi v kvapalnom stave k zdroju tepla (podzemná voda, vzduch, veľký objem pôdy...). Toto médium je v rovnováhe so svojím okolím a pri danom tlaku a teplote nemá snahu meniť svoj stav na iný.

V mieste, kde chceme získavať teplo, náhle znížime tlak média (väčšinou za pomoci expanzného ventilu). Čo sa stane? Pokles tlaku spôsobí, že teplota vyparovania média klesne pod teplotu zdroja energie a médium sa vyparí. Pri vyparovaní médium odoberá teplo z okolia a akumuluje ho v sebe. Následne je médium v plynnom stave aj s naakumulovanou energiou vedené k miestu, kde túto energiu chceme zužitkovať (napríklad k akumulačnému zásobníku vody). V danom mieste teraz náhle zvýšime tlak (väčšinou pomocou kompresora). Čo sa stane? Zvýšenie tlaku spôsobí, že teplota kondenzácie média narastie nad teplotu v zásobníku vody a médium začne kondenzovať. Pri kondenzácií je teplo, ktoré sa v médiu naakumulovalo pri vyparení, odovzdávané do vody v zásobníku. Odovzdané teplo spôsobí nárast teploty okolia a jednoducho povedané, zohrejeme vodu, ktorou potom môžeme napríklad vykurovať (t.j. zohriata voda  zo zásobníka je rozvádzaná napr. do podlahového kúrenia alebo sa využije pre ďalšie účely domácnosti). Po kondenzácií a odovzdaní tepla sa médium opäť dostane do východiskového stavu a tento cyklus sa znovu opakuje.

Tepelné čerpadlo je teda cyklicky pracujúci tepelný stroj, ktorým za pomoci vhodnej zmeny tlaku média vieme riadiť jeho odparovanie a kondenzáciu, čo nám umožňuje prenášať energiu z miesta s nižšou teplotou na miesto s vyššou teplotou.

Výhodný obchod s prírodou

Na záver sa naskytá otázka: „Podarilo sa nám oklamať prírodu?“ Predsa pomocou tepelného čerpadla dokážeme prenášať energiu zo studenšieho miesta na teplejšie, čo je jasne v rozpore s II. zákonom termodynamiky. Samozrejme, prírodu sa nám oklamať nepodarilo. Len sme s ňou uzavreli obchod. Dovolila nám síce preniesť teplo z miesta s nižšou teplotou na miesto s vyššou, ale za tento prenos sme museli zaplatiť. Konkrétne energiou dodanou kompresoru na zvýšenie tlaku. To je cena, ktorú si príroda pýta. Výsledkom tohto obchodu sú dve spokojné strany. Jednak príroda, ktorej zákony sme neporušili, len sme ich vhodne využili. Na druhej strane sme my, keďže sa nám podarilo zužitkovať všadeprítomné a ľahko dostupné zdroje s obrovskou energiou, ale nízkou teplotou (pôda, vzduch, voda...). A keďže tepelné čerpadlá patria medzi ekologické zdroje energie, príroda je spokojná dvojnásobne .