Bliskovit razvoj toplotnih èrpalk sega 20 let nazaj, v  dobo  velike naftne krize,  kjer so mnogi proizvajalci iskali rešitve za zamenjavo fosilnih goriv v drugih izvorih. Eden od odgovorov je bil uporaba odpadne toplote oziroma toplote okolice. Takratne  tehniène rešitve in izvedbe toplotnih èrpalk niso dale prièakovanih rezultatov glede izkoristka ter  so  bile z konèanjem naftne krize dejansko  za daljšo dobo pozabljene.

S poveèanjem ekološke zavesti pri potrošnikih ter narašèanjem cen energije, postajajo toplotne èrpalke kot energetsko uèinkovit in okolju prijazen sistem za ogrevanje in pripravo tople vode, ponovno  vse zanimivejše. Z razvojem novih tehnologij, izboljšanjem izkoristka delovanja, zmanjšanjem dimenzij in mase, se uporaba toplotnih èrpalk ponovno vraèa. Toplotne èrpalke nove generacije so znižale mejo delovanja do najnižjih temperatur  zunanjega zraka celo do – 20°C. Leta 1978 je bil odnos elektriène energije in pridobljene toplotne energije 1:2, danes pa znaša 1:4  in celo 1:5.

 Predvideva se, da bodo toplotne èrpalke  v bodoènosti predstavljale  osnovne  ogrevalne naprave na nizkotemperaturnih sistemih.

Najnovejši izraèuni in meritve na številnih izvedbah toplotni èrpalk so pokazali, da toplotne èrpalke porabijo med 34 in 49 % manj primarne energije kot plinski in oljni kondenzacijski kotli. Prav tako se z uporabo toplotnih èrpalk zelo zmanjša emisija CO₂  in drugih škodljivih plinov, v primerjavi  s  plinskimi in oljnimi kondenzacijskimi kotli. To zmanjšanje znaša med 31 in 60 %.

 

1.       Delovanje toplotne èrpalke

Vsakdo je že opazil, da se izza hladilnika dviga topel zrak. Sigurno ste kdaj pomislili, da bi na tak naèin lahko ogrevali vodo? To je možno narediti in sicer s toplotno èrpalko, ki deluje na enakem principu kot hladilnik. Pri hladilniku se ohlaja notranjost, toplota odvzeta živilom pa prehaja v okolico. S pomoèjo toplotne èrpalke pa toploto, ki bi sicer prešla v okolici koristno uporabimo za ogrevanje prostorov ali sanitarne vode, samostojno ali v kombinaciji z ostalimi sistemi. Pridobljena toplota je tu rezultat termodinamiènega procesa (slika 1) in ne izgorevanja goriva kot pri  klasiènih ogrevalnih sistemih.

 

 

Toplotna èrpalka je sestavljena iz uparjalnika, ki odvzema toploto okolice (vode, zraka, zemlje), v njem se pri nizki temperaturi uplini hladilno sredstvo, ki nato potuje v kompresor. Ta pare stisne in jih dvigne na višji tlaèni in temperaturni nivo. Vroèe pare v kondenzatorju kondenzirajo pri višji temperaturi in pri tem oddajo kondenzacijsko toploto ogrevanemu mediju. Tekoèe hladilno sredstvo potuje preko ekspanzijskega ventila, kjer se mu zniža tlak nazaj v uparjalnik in proces se ponovi. Vsa toplota pridobljena iz okolice je brezplaèna. Da jo iz nizkotemperaturnega nivoja dvignemo na visokotemperaturni nivo, je potrebno vložiti nekaj dela.Tako je za delovanje toplotne èrpalke potrebna elektrièna energija za pogon agregata, ki ga sestavljata kompresor in ventilator. Razmerje med plaèano energijo (elektriko) in brezplaèno energijo (pridobljeno iz okolice) je obièajno 1/3 in pri najnovejših èrpalkah celo do 1/5. To pomeni, da pri 3 kWh pridobljene toplotne energije uporabnik plaèa 1 kWh, 2 kWh pa dobi brezplaèno. Razmerje med pridobljeno toplotno energijo in vloženim delom imenujemo grelno število. Njegova vrednost zavisi od vrste toplotne èrpalke in vira okoliške toplote in v povpreèju znaša 2,5 do 3 in tudi veè.

Poznamo tri osnovne izvedbe toplotnih èrpalk glede na medij (okolico), ki ga hladimo in medij, ki ga ogrevamo. Tako poznamo sisteme toplotnih èrpalk  zrak/voda, voda/voda, zemlja/voda. Pri oznaèevanju tipa toplotnih èrpalk se na prvo mesto postavlja medij, ki ga hladimo, na drugo mesto pa medij, ki ga grejemo.

Toplotne èrpalke zrak/zrak pa so v bistvo vse vrste klimatizerjev, ki ohlajajo in vzdržujejo temperaturo v doloèenem prostoru in toploto predajajo na zrak v sosednjem prostoru ali okolico.

 Za ogrevanje zgradb pa potrebujemo poleg zadostne kolièine toplote tudi zadosten temperaturni nivo grelnega medija. Najprimernejše je talno ogrevanje, kjer zadostuje režim 40/30 °C. V  tem primeru lahko namesto klasiènega kotla kot generator toplote uporabimo toplotne èrpalke. Èim manjša je temperatura predtoka, tem boljši je izkoristek toplotne èrpalke.

Pri uporabi novih tehniènih rešitev, je zelo pomembna tudi zašèita okolja, zato se kot delovno  snov (hladilno sredstvo)  uporablja propan  R 20 in popolnoma brezfreonsko hladivo R 407 C.

Glede oblike poznamo dve izvedbi toplotnih èrpalk. V kompaktni izvedbi sta toplotni èrpalka in hranilnik toplote (vode) v enem sklopu. V primeru, da je toplotna èrpalka loèena od hranilnika vode imenujemo takšno izvedbo split ali loèena izvedba.

 

 

Glede na obratovanje poznamo dva naèina obratovanja toplotnih èrpalk in sicer bivalentno obratovanje in monovalentno obratovanje.

Kadar je toplotna èrpalka za ogrevanje objekta in tople sanitarne vode instalirana dodatno k kotlu centralne kurjave, imenujemo tak naèin obratovanja bivalenten. Dejansko pa  loèimo tri naèine  bivalentnega obratovanja v kombinaciji s toplovodnim kotlom in sicer: bivalentno alternativno, bivalentno vzporedno in bivalentno delno vzporedno. Tako lahko s pomoèjo regulacije izbiramo poljubno obratovanje pri doloèenih zunanjih temperaturah. Pri bivalentnem vzporednem obratovanju pa imamo dva neodvisna generatorja toplote, ki se v primeru izpada enega nadomešèata.

Pri monovalentnem naèinu obratovanja toplotna èrpalka deluje samostojno  pokrije celotne zahteve po toplotni energiji skozi celotno ogrevalno sezono.

2.       Viri toplote

Pri naèrtovanju za vgradnjo toplotne èrpalke je kljuènega pomena vir toplote. Grelno število toplotne èrpalke je namreè odvisno od temperature, pri kateri èrpamo toploto. Pri tem pa je še potrebno upoštevati temperaturni režim ogrevanja, letne energetske potrebe objekta, zahtevan odstotek kritja energetskih potreb objekta s toplotno èrpalko in èe je toplotna èrpalka  predvidena  za novogradnjo ali obstojeèi objekt.

Med najpogostejše vire sodijo zunanji zrak, odpadni zrak prezraèevalnih sistemov, površinske vode, podtalnica, zemlja ter energetske vrtine.

V  tem èlanku bo poudarek na zraku in vodi kot viru toplote, èeprav se toplota zemlje lahko  tudi koristno izrabi. Sloji zemlje imajo namreè  na globini 15 m skoraj konstantno temperaturi približno  +15°C. Toplota zemlje se koristi tako, da se v izkopani kanal položi kolektor zaprtega sistema. V  ceveh kroži delovno sredstvo, ki ga zemlja ogreje za nekaj stopinj. Sistem je izveden  tako, da izkorišèanje toplote ne vpliva na floro.  Podoben sistem se vgradi za izkorišèanje toplote kamenin – energetske vrtine.

Ta vir toplote je zanesljiv vendar drag. Globina in premer ene ali veè energetskih vrtin sta odvisni  od potrebe objekta po ogrevanju in moèi vgrajene toplotne èrpalke.
 

A.      Zrak

Zrak je neizèrpen in je povsod na voljo, vendar je potrebno upoštevati, da se moè toplotne èrpalke  kljub razvojnim dosežkom, z upadanjem temperature zunanjega zraka znižuje. Pri zelo nizkih temperaturah, je bilo pri klasiènih  toplotnih èrpalkah »stare generacije« zrak/voda potrebno zagotoviti dodaten vir ogrevanja. Zaradi nizkih  temperatur uparjalnika se na uparjalnikih  kondenzira vlaga, ki zamrzne v plast sreža. Nastali srež prepreèi pretok zraka skozi uparjalnik in  s tem  dotok novega zraka, zato je delovni proces toplotne èrpalke v takem primeru moten, ali pa v doloèenih primerih nemogoè. Odmrznitev  z vroèimi parami ali elektriènim grelcem je  rešitev, vendar se uèinkovitost toplotne èrpalke zaradi tega zniža.

 Na sliki 2 je shematsko prikazan sistem bivalentnega ogrevanja in priprava  tople sanitarne vode s  klasièno toplotno èrpalko zrak/voda. Delujejo lahko do temperature – 7°C, zato jih moramo v ogrevalnih sistemih vgraditi skupaj s klasiènim kotlom.

 

Nove, patentirane rešitve  so probleme v vezi nizkih zunanjih temperatur dejansko odpravile in tako se na tržišèu pojavile toplotne èrpalke »nove generacije« , ki izkorišèajo toploto zunanjega zraka celo do – 20°C. Ali je torej mogoèe ogrevati z ledom ?

V  zunanjem zraku je vedno nekaj vlage. Pri ohladitvi se vlaga izloèi, pri nizkih temperaturah pa celo zamrzne. V obeh primerih se lahko izkoristi toplota, ki se sprošèa  pri spremembi agregatnega  stanja vlage v zraku. Kolièina toplotne energije, ki se sprošèa  pri izloèanju vlage iz zraka ali nastajanju  ivja, je zelo velika. Sprošèeno toplotno izkorišèa toplotna èrpalka. Sprošèena energija 0,5 mm debele plasti ivja, omogoèa ogrevanje moderne hiše pri zunanjih temperaturah od 0 do – 5°C celo uro. Prednosti so v brezšumnem delovanju, ni potreben ventilator zunanje enote, ni potrebna kurilnica, kajti celotna naprava je postavljena na prostem.  Delovanje toplotne èrpalke je neprekinjeno, ne glede na zamrznitev   uparjalnika, kar poveèa tudi izkoristek èrpalke. Primerne so na   objektih z radiatorskim, talnim ali konvektorskim ogrevanjem. Grelno število pri temperaturi zunanjega zraka –10°C in temperaturi predtoka 45 °C  je približno 2,4. Pri zunanji temperaturi – 20 °C, pa je grelno število še vedno 2.

 Za objekt s porabo 2000  do 3000 litrov kurilnega olja na leto, so letni  prihranki 6.000 do 9.000 kWh Letno grelno število je do 3, pri talnem ogrevanju pa do 4.

Izkorišèanje toplote zunanjega zraka je idealno posebno v objektih brez radiatorskega ogrevanja, torej pri ogrevanju z elektrièno energijo. V Sloveniji se preko 25.000  stanovanj ogreva samo z elektrièno energijo. Èe bi se samo polovica objektov preusmerila na ogrevanje s toplotnimi èrpalkami, bi v enem letu prihranili 78.000.000 kWh elektriène energije. Ta vrednost ustreza  prihranku  približno 11.000 m³ kurilnega olja (70% letni izkoristek kotla).

Poleg èrpalk, ki izkorišèajo toploto  zunanjega zraka, lahko koristimo tudi toploto notranjega zraka. Primerna mesta s npr.v kleti, kjer želimo vzdrževati stalno temperaturo + 3°C, ali podstrešje, kjer redko pade temperatura zraka pod 0°C.

Za ogrevanje sanitarne vode se uporabljajo toplotne èrpalke zrak/voda ogrevalne moèi od 2 do 3 kW.

Zmogljivost ogrevanja je do 1400 litrov vode na dan. Toplotna èrpalka je izvedena tako, da je namešèena  na grelnik vode. Èe je èrpalka v loèeni izvedbi se hranilnik vode in èrpalka samo povežeta z vodovodnimi cevmi. Za cirkulacijo vode je potrebno vgraditi obtoèno èrpalko, ki jo upravlja termostat vgrajen v hranilnik vode. Glavna prednost toplotne èrpalke je v tem, da ima tri krat manjšo porabo elektriène energije kot klasièni elektro grelec. Vodo segrevamo maksimalno na 55 °C, kar pomeni manjše toplotne izgube v hranilniku vode in na ceveh, prav tako pa manjše nalaganje vodnega kamna na ogrevalne površine. Velik volumen hranilnika energije  omogoèa delovanje toplotne èrpalke na cenejši tarifi elektriène energije.

Sistem voda/zrak  pa se uporablja za ogrevanje zraka, v primerih, ko je hlajeni medij tekoèina (vino, olje, tehnološka voda).

Klimatske  naprave  je tudi možno uporabiti kot toplotne  èrpalke, vendar klimatske  naprave omogoèajo obièajno delovanje samo do temperature  zunanjega zraka + 5°C ob nižjem grelnem številu. Toplotna èrpalko pa lahko z preklopom v reverzibilno delovanje uporabimo za hlajenje objekta.

Izkorišèanje toplote prezraèevalnih sistemov je primerno na objektih, ki imajo urejeno prisilno prezraèevanje preko zraènih kanalov. Ker je v takih objektih poraba energije za ogrevanje svežega zraka do približno 45 % skupne letne rabe za ogrevanje, je z izrabo odpadne toplote prezraèevanja mogoèe doseèi znatne prihranke. Odvisno od kolièine zraka in velikosti objekta je mogoèe odpadno toploto uporabiti za ogrevanje vstopnega svežega zraka,za ogrevanje sanitarne vode in ogrevanje objekta. S  pravilnim dimenzioniranjem toplotne èrpalke ohladimo zrak iz prezraèevalnega sistema lahko s dodatno regulaciji tudi do + 1 °C. S tem so doseženi dobri delovni pogoji za toplotno èrpalko in znatni prihranki.

 

B. Toplota površinskih voda in podtalnice

Ogrevanje s toploto površinskih voda ne predstavlja velikega posega, seveda pa mora biti izpolnjen pogoj, da je v bližini na razpolago primerna površinska voda. Voda se v jezerih, poèasi tekoèih rekah in morjih preko pomladi in poletja ogreva, pozimi pa poèasi ohlaja.  Uporablja se zaprt sistem odvzema toplote. Kolektor položimo na dno vodnega zajetja, jezera ali druge vodne površine, njegovo dolžino pa prilagodimo energetskim potrebam objekta. Sistem je zasnovan na kroženju nestrupenega sredstva, ki ga z obtoèno èrpalko vodimo od  kolektorja, v katerem se za nekaj stopinj ogreje, do toplotne èrpalke, ki mu toploto odvzame. Sistem obratuje tudi, ki se temperatura vode približuje nièli.

Ta sistem deluje pri nas, v bližini Ljubljane. V švicarskem mestu Kuflnachtu, ki leži ob jezeru, je instalirano pet toplotnih èrpalk voda/voda, ki služijo za pogon toplotne centrale moèi 152 kW. Sesalne plastiène cevi so premera 250 mm in dolžine 50 m, èrpalke imajo pretok 2 x 36 m³/h  ter  sesajo vodo iz jezera  do toplotne èrpalke . Voda ohlajena za približno 2 °C se vraèa nazaj v jezero. Temperatura v jezeru v celem letu nikoli ne pade pod + 8°C. Vgrajeni so trije hranilniki toplote volumna 5000 litrov. Sistem ogreva 20 stanovanj pri nizkotemperaturnem režimu 40/30°C. Za toplo sanitarno vodo je v vsakem stanovanju vgrajen hranilnik vode volumna 300 litrov. Sistem je v pogonu  štiri  leta  in je že prvo leto upravièil prièakovanja in vložena sredstva.

Sistemi s podtalnico so odprti sistemi, zato je najnižja temperatura vode, ki jo še lahko uporabljamo, +3 °C. Pri nas v glavnem uporabljamo podtalnico s temperaturo 8 do 12 °C

 Pri tem sistemu talno vodo s pomoèjo potopne  èrpalke vodimo skozi uparjalnik. Uparjalnik hladi talno vodo, kar pomeni, da ji odvzame toploto. Tako pridobljena toplota v uparjalniku prestopi na delovno snov oziroma hladilno sredstvo. S  pomoèjo  elektriène energije, ki jo potrebujemo za pogon kompresorja, stisnemo hladilno sredstvo na višji tlaèni in temperaturni nivo. V  kondenzatorju, hladilno sredstvo prenese toploto na greto vodo. Razmerje med uporabno energijo  ter vloženo elektrièno energijo je grelno število.

Da lahko koristim podtalnico, moramo ob zgradbi izvrtati v zemljo dve vrtini, za èrpanje in vraèanje podtalnice.Talna voda mora imeti pretok vsaj 2 m³/h. To je lahko že na globini 5 metrov ali veè. V vrtino potisnemo cev, v katero vgradimo potopno èrpalko, ki jo povežemo s toplotno èrpalko.  Med obratovanjem nam potopna èrpalka potiska vodo v toplotno èrpalko, ki je odvzame toplotno energijo in  jo ohlajeno za 5°C spusti po drugi,nekaj metrov oddaljeni vrtini nazaj v podtalnico. Podtalnica je torej zaradi relativno visoke temperature idealen vir toplote, saj z njo dosegamo visoka grelna števila. Problem je pomanjkanja èiste pitne vode, s katerim se v razvitem svetu vse pogosteje sooèajo. Tako je npr. v Skandinaviji že pred leti prišlo do o stroge zašèite podtalnice. Podoben trend je èez neka let verjetno prièakovati tudi pri nas.

Pri ogrevanju objekta s toplotno èrpalko  voda/voda za zmanjšajo stroški ogrevanja z približno 50 do 60 %.

Te èrpalke so praviloma veèjih moèi od 8 do 40 kW. Ker moramo raèunati na porabo elektriène energije tudi za potopno èrpalko, lahko raèunamo s stalnim grelni število 3 do 3,5. Sistem je prikazan na sliki št.2a.

3.       Izbor toplotne èrpalke

Izbor toplotne èrpalke je odvisen od energetskih potreb objekta, razpoložljivega vira toplote ter od odloèitve, kolikšen odstotek letnih energetskih potreb objekta naj bi pokrila toplotna èrpalka. Iz tega razloga izberemo pri zahtevnih objektih toplotno èrpalko moèi 40 do 60% maksimalne moèi ogrevanja, ki pa vseeno pokrije relativni visok odstotek letne rabe energije za ogrevanje. Toplotna èrpalka z moèjo enako maksimalni potrebni moèi objekta, pride v poštev le pri energetsko varènih objektih.

Pri sistemu s toplotno èrpalko, ki ne pokrije vseh energetskih potreb objekta, je potrebno zagotoviti dodatno ogrevanje, ki se naj vklopi samodejno, ko toplotna èrpalka ne zmore veè vzdrževati zahtevane temperature. Toplotna èrpalka in dodatni vir tako delujeta istoèasno. Ko je nastavljena temperatura dosežena, se dodatni vir izklopi in toplotna èrpalka nadaljuje ogrevanje sama.

4.       Grelno število

Razmerje med pridobljeno toplotno energijo in vloženim delom imenujemo grelno število. Njegova vrednost zavisi od vrste toplotne èrpalke in vira okoliške toplote in v povpreèju znaša 2,5 do 3 in tudi veè.  Grelno število je odvisno je od temperature vira toplote katerega izkorišèamo, ter od temperature medija, s katerim ogrevamo objekt. Grelno število  je tem višje, èe ima vir toplote sorazmerno visoko temperaturo ter èe je temperatura ogrevalnega medija nizka. Omenjeno ugotovitev lahko preverimo na diagramu, slika 3.

Iz primera št.1 je razvidno, da imamo pri temperaturi vira 0°C in temperaturi predtoka  55 °C  grelno število 2,27.  Iz primera št. 2 pa je razvidno, da imamo pri temperaturi vira 0°C in temperaturi predtoka  40 °C  grelno število 3,12. Vsekakor oèitna razlika, ki dokazuje, da je vgradnja nizkotemperaturnega sistema smotrna.

Med nizkotemperaturne ogrevalne sisteme prištevamo talno ogrevanje in ogrevanje z ventilatorskimi konvektorji, pa tudi  radiatorsko ogrevanje, pri katerem je temperaturni režim 55/45°C ali nižji.

Temperatura ogrevanja se med letom spreminja, prav tako temperatura vira toplote. Realno energetsko sliko nam zato da le letno grelno število, ki upošteva razmerje med toplotnimi potrebami in vloženo energijo preko celega leta, vkljuèno s potrebno energijo za dodatno ogrevanje (v primeru, èe toplotna èrpalka ne pokrije vseh toplotnih potreb 100 %).

5.  Ekonomija in okolje

Sistemi s toplotnimi èrpalkami so obièajno izvedeni tako, da omogoèajo ogrevanje in hlajenje objektov, kar je iz energetskega, ekološkega in investicijskega vidika najugodnejša rešitev. Naložba v toplotne èrpalke je ekonomsko posebej zanimiva pri veèjih objektih, kot so trgovine, športni objekti, hoteli, ki so vsi veliki potrošniki energije.

 Po zbranih podatkih v  Sloveniji deluje nad 6000 malih toplotnih èrpalk, ki izkorišèajo toploto zraka za pripravo tople sanitarne vode. Za primerjavo, na Švedskem  se je število toplotnih èrpalk od leta 1985 do danes  poveèalo od 120.000  na preko 3000.000 enot.

Uporaba toplotnih èrpalk pomeni poleg direktnega prihranka za uporabnika tudi širšo družbeno korist. Povpreèno gospodinjstvo s 4 èlani porabi dnevno približno 200 l sanitarne vode ogrete na 55 °C. To pomeni letno porabo 3400 kWh. Z uporabo toplotne èrpalke lahko to porabo zmanjšamo za dve tretjini, torej za 2300 kWh.

Investicije v toplotne èrpalke ne prinašajo le visokih energetskih prihrankov, temveè tudi obèutno znižanje onesnaževanja ozraèja z žveplom, ogljikovim dioksidom, dušikovimi oksidi in sajami. V oèeh ekološko osvešèenih potrošnikov imajo tako  toplotne èrpalke dodatno vrednost.

Ministrstvo za gospodarske dejavnosti je v letu  1998/99 dajalo nepovratna sredstva za nakup toplotnih èrpalk obèanom in podjetjem. Vendar so  bila ta sredstva v primerjavi z drugimi državami  mnogo manjša, kot so  npr. bila  nepovratna sredstva v Nemèiji. Po sedaj znanih podatkih  so nepovratna   sredstva za nakup toplotnih èrpalk za obèane  v Nemèiji znašala približno 30.000 SIT na vsak kilovat toplotne moèi èrpalke.