Princip tepelného čerpadla byl popsán již v 19. století skotským matematikem a fyzikem lordem Kelvinem. Jde v podstatě o obrácený princip chladícího zařízení, které je primárně určeno k produkci tepla. Prostředí, které nás obklopuje (vzduch, voda, půda), má obvykle příliš nízkou teplotu, než aby ji bylo možno přímo využít. Toto přírodní nízkopotenciální teplo, které je obnovitelným a ekologickým zdrojem, však může být pomocí tepelného čerpadla (TČ) převedeno na využitelnou teplotu.

Tepelná čerpadla odebírají teplo půdě, vodě nebo okolnímu vzduchu a převádějí ho na vyšší teplotní hladinu.

Nízkopotenciální teplo se ze zdrojů k tepelnému čerpadlu odčerpává pomocí vloženého okruhu nositelů tepla. Těmi bývají voda nebo nemrznoucí směs (solanka, etylakohol, nebo glykoly). U zdrojů, kde je to technicky možné, se prostředník vynechává a vnější médium vstupuje přímo do výparníku tepelného čerpadla. Je zřejmé, že vložený okruh znamená ztrátu na účinnosti přečerpávání tepla.

Tepelné čerpadlo pracuje tak, že v jednom výměníku (výparníku–na primární straně TČ) se odebírá teplo z okolí na nízké teplotní úrovni (tím ho chladí) a pomocí cirkulující látky (chladiva) ve druhém výměníku (kondenzátoru–na sekundární straně TČ) se předává tepelná energie na využitelné teplotní úrovni. Kondenzace probíhá při vyšší teplotě než vypařování (o cca 40 až 70°K).

Zdrojem tepla pro tepelná čerpadla jsou vnější vzduch, spodní a důlní vody, povrchová voda, zemská kůra a odpadní teplo.

Nízkopotenciální zdroje tepla musí splňovat základní požadavky:

• co nejvyšší teplotní úroveň zdroje
• co nejmenší rozdíl mezi teplotní úrovní zdroje a výstupní teplotou pro spotřebič vyrobeného tepla
• dostupnost zdroje tepla v libovolném čase
• co nejmenší energetická náročnost dopravy hmotnostního toku zdroje nízkopotenciálního tepla do systému tepelného čerpadla
• co nejmenší fyzikální a chemické účinky zdroje na výměníky tepla v systému tepelného čerpadla
• co nejmenší závislost zdroje na podnebí, půdních a geografických podmínkách

Podle použitého nízkopotenciálního tepla se zpravidla dělí TČ. U typu TČ se uvádí na prvém místě ochlazované prostředí a pak ohřívané medium.

• vzduch-voda (zhoršené parametry TČ při nízkých venkovních teplotách)
• země-voda (hlubinné vrty až 150 m nebo zemní kolektor v hloubce 1,5 až 2 m)
• voda-voda (studniční nebo povrchová voda)
• vzduch-vzduch (klimatizace, teplovzdušné vytápění)
• voda-vzduch (klimatizace, teplovzdušné vytápění)

TČ jsou buď kompresorová (kompresory pístové, spirálové, rotační) nebo absorpční (bez kompresoru, zcela nehlučná, horší topný faktor).

Důležité jsou zejména informace týkající se:

• dispozice lokality pro nasazení tepelného čerpadla
• posouzení výběru a vhodnosti nízkopotenciálního zdroje ve vztahu ke geologickým, hydrologickým a podnebním podmínkám dané lokality
• technologické zařízení vlastního tepelného čerpadla a vložených okruhů pro dopravu nízkopotenciálního tepla
• propočty roční výroby tepla včetně ročního diagramu výroby a spotřeby energie

Nezbytné je pečlivě posoudit návrh výkonového dimenzování tepelného čerpadla a jímače nízkopotenciálního tepla v daných podmínkách. Systém s tepelným čerpadlem musí být dimenzován tak, aby bylo optimálně využito jeho tepelného výkonu v návaznosti na potřeby tepla v průběhu roku.

Systémy s tepelným čerpadlem bývají obvykle navrhovány jako bivalentní v kombinaci s dalším zdrojem pro krytí odběrových špiček (elektrokotel). Špičkový zdroj začíná pomáhat tepelnému čerpadlu většinou od venkovní teploty 0°C (bivalentní bod).

Ocenění potenciálu výroby tepla

Základním výpočtem pro hodnocení provozu a ekonomie tepelného čerpadla je roční bilance výroby tepla a spotřeby elektrické energie.

Základní charakteristikou tepelného čerpadla je tzv. topný faktor (ε_T), jehož hodnota se běžně pohybuje mezi 2,5 až 4,5. To znamená, že tepelné čerpadlo např. dodá až 4,5 krát více tepla než spotřebuje např. elektrické energie nebo plynu. Čím je tento faktor vyšší, tím je zařízení efektivnější. Topný faktor však během roku kolísá. Pro hodnocení provozu se proto používá tzv. provozní topný faktor, což je poměr celoroční produkce tepla k celoroční spotřebě energie. Tento faktor se v praxi pohybuje mezi 2,0 až 3,0.

ε_T = Q/E

kde:

Q = teplo dodané (kWh)
E = energie pro pohon (kWh)

Hodnota topného faktoru je závislá na teplotách, při kterých dochází ke kondenzaci teplonosné látky v cyklu (T_kond), resp. k vypařování (T_vypař):

ε_T zahrnuje v sobě tudíž i ztráty termodynamického cyklu, při čemž účinnost η tohoto cyklu je cca = 0,4 ‑ 0,6.

Výpočet roční nebo měsíční bilance - jde o početní úkon, kdy se pro vstupní hodnoty (teplota nízkopotenciálního zdroje a teplota na výstupu z TČ) určuje dosažitelný topný výkon a elektrický příkon. Porovnáním se skutečně dosahovanou spotřebou vychází "poměrná doba provozu". Elektrická energie potřebná pro pohon kompresoru vychází jako součin hodin daného měsíce (roku), poměrné doby provozu a elektrického příkonu TČ při daných podmínkách. Množství potřebného vyrobeného tepla je dáno ze zadání. Pro vytápění se vypočte denostupňovou metodou.

Výsledkem sestavení roční bilance provozu je

• roční výroba tepla
• roční spotřeba elektrické energie

Roční spotřeba elektrické energie je počítána pro celý systém. Proto je k spotřebě tepelného čerpadla třeba připočítat i všechna pomocná zařízení, zejména spotřebu oběhových čerpadel, čerpadel spodní vody a ventilátorů.