Toplotne črpalke so dandanes danes že povsem vpeljan način ogrevanja. Kljub temu, da je njihov zgodovinski razvoj dolg že skorajda 200 let, svoj razmah pa so doživele v 70-ih letih prejšnjega stoletja, sam koncept delovanja ostaja v osnovi enak. Seveda pa se je z leti povečala njihova učinkovitost, razvijajo pa se vedno učinkovitejši modeli.Osnovni sestavni deli toplotne črpalke so kompresor, ki plin stiska in ga s tem segreje, ekspanzijski ventil, kjer plin ekspandira in se ohladi ter dva toplotna izmenjevalca, uparjalnik, ki je na “hladni strani” in kondenzator, ki je na “topli strani”.
Toplotna črpalka deluje z enakim principom kot hladilnik, samo proces pretvorbe energije poteka v nasprotni smeri. Hladilnik odvzema toploto živilom v notranjosti in jo prek lamel na zadnji strani oddaja v prostor. Toplotna črpalka pa oddaja v prostor toploto, ki jo odvzema okolici.
Za črpanje toplote na višjo temperaturno raven in prav tako za samo delovanje toplotne črpalke, je potrebno v sistem dovesti potrebno energijo. To pomeni, da toplotna črpalka za pogon kompresorja, porablja energijo.
Na hitro
Da bi razumeli delovanje toplotne črpalke, moramo poznati plinski zakon, ki pravi, da če pline stisnemo, se jim zviša temperatura, če pa se plini razširjajo, pa se jim temperatura niža.
V toplotnih črpalkah uporabljamo poseben, okolju prijazen plin (hladivo), ki ima to lastnost, da se začne spreminjati v paro že pri temperaturah, veliko nižjih od 0°C. Pri višji temperaturi in tlaku pa kondenzira (se utekočini) in oddaja kondenzacijsko toploto.
V toplotni črpalki s kompresorjem plin stisnemo in mu s tem povečamo tlak, posledično pa tudi temperaturo. Zaradi odvzema toplote in višjega tlaka se plinu spremeni agregatno stanje, ta se utekočini. Ko hladivo potuje skozi ekspanzijski ventil, se tekočina spet razširi. Krožni proces se tako lahko nadaljuje.
Proces delovanja toplotne črpalke
Toplotna črpalka deluje po načelu zaprtega kroga. Toplota se na eni strani odvzema na drugi pa oddaja. Sistem toplotne črpalke deluje krožno, cevni krog je nepredušno zaprt, edini gibljivi del je kompresor. Toplota iz toplotne črpalke je tako rezultat termodinamičnega procesa in ne izgorevanja, kot smo vajeni pri konvencionalnem načinu ogrevanja. Povsem osnovna definicija pojma delovanja toplotne črpalke je, da slednja premika toploto iz enega vira v drugega. Toplotna črpalka pretvori energijo iz nižjega temperaturnega nivoja v energijo višjega toplotnega nivoja. Pretvorba je možna zaradi krožnega hladilnega procesa. Hladilna tekočina izpareva pri zelo nizki temperaturi in porabi večji del energije iz okolja (zrak, voda, zemlja), ko prehaja iz tekočega v plinsko stanje.Delo premika z nižjega na višji tlak opravi kompresor. Ta sesa paro in jo komprimira na željeni višji tlak. V kondenzatorju (hladilniku plina), ki je nameščen za kompresorjem, se para ob odvajanju toplote pri višjem tlaku utekočini (ohladi). Pri tem jo vodimo skozi cevi, ki jih od zunaj obliva voda. Pri tem para odvaja toploto in kondenzira (se ohladi). Hladilna voda se lahko na tak način segreje na 60-70°C in jo lahko uporabimo kot nosilec toplote za toplovodno ogrevanje. Kondenzator (hladilnik plina) toplotne črpalke nadomešča kotel. Hladivo v sistemu ekspandira skozi dušilni ventil oz. kapilaro na nižji tlak. V uparjalniku se ponovno upari. Iz tega krožnega procesa lahko vidimo, da se nosilec toplote s kompresorjem prečrpava z nižje temperature(10°C) na višjo temperaturo(50-60°C). Pri trenutnih cenah energije so te naprave zelo gospodarne, zlasti v takšnih stavbah, kjer je potrebno sočasno gretje in hlajenje.
Cikel delovanja toplotne črpalke bolj ali manj sledi (idealnemu) Carnotovemu ciklu izgorevanja motorja v obrnjenem zaporedju. Zaradi tega lahko izračunamo COP tako, da izračunamo razliko med temperaturo vira (uparjalnikom) in razliko temperature (kondenzorjem):
Toplotna črpalka je sistem, ki temelji na obratnem delovanju Carnotovega cikla, kateri pretvarja toploto v delo, pri čemer se koristi uporaba idealnih plinov, ponavadi freoni, odvisno od želene temperature.