Iz enega dela električne več delov toplotne energije

Toplotne črpalke lahko uporabljamo za ogrevanje sanitarne vode, v tem primeru govorimo o sanitarnih toplotnih črpalkah, ali za ogrevanje prostorov in sanitarne vode, za kar moramo izbrati kombinirane. Izbira in vgradnja oziroma priključitev prvih je precej preprosta, saj je treba upoštevati le število članov gospodinjstva, oceniti dnevno porabo tople vode in urediti približno poldrugi kvadratni meter prostora. Kot vir toplote navadno izkoriščajo kar zrak v prostoru, v katerem stojijo, saj to zadostuje za njihovo nemoteno delovanje. Večinoma gre za kompaktne izvedbe, pri katerih je ustrezno velik 200- ali 300-litrski bojler prigrajen k toplotni črpalki. Njihova grelna števila so približno 3, pri najsodobnejših pa celo čez 4, kar pomeni, da so zelo učinkovite. Nekatere lahko priključimo na kotel za ogrevanje prostorov, tako da vodo v gospodinjstvu pozimi, ko temperatura zraka pade pod določeno mejo, ogrevamo s kotlom in zagotovimo optimalno rabo energije.

Grelno število in moč naprave

Več pozornosti je treba nameniti izbiri kombinirane toplotne črpalke. Če želimo, da bo dovolj učinkovita, stroški za elektriko, ki jo porabi pri delovanju, pa čim manjši, je treba upoštevati več različnih dejavnikov. Na rabo elektrike vplivata grelno število in moč toplotne črpalke. Prvo je odvisno predvsem od vira, ki ga naprava izkorišča, njena moč pa od toplotnih potreb, ki jih je treba v hiši nadomestiti. Vir, ki ga lahko izkoriščamo, je odvisen od naravnih danosti na parceli oziroma parcele same. Načrtovanje in izbiro kombinirane toplotne črpalke je torej treba začeti z izračunom toplotnih izgub in upoštevanjem danosti parcele.

Smisel ogrevanja s toplotno črpalko je v tem, da porabimo čim manj električne energije in hkrati dobimo čim več toplote. Malo elektrike bodo rabile naprave manjše moči z visokim grelnim številom. To pove, kako učinkovita je toplotna črpalka, saj gre za razmerje med električno energijo, ki jo dovajamo, in energijo (toploto), ki jo naprava odda v sistem. Če ima naprava na primer grelno število 4, to pomeni, da iz enega dela vložene elektrike proizvede štiri dele toplote. Pri razmerju moči in toplotnih izgub pa velja, da manjše ko so toplotne izgube, manjšo moč toplotne črpalke potrebujemo. Zato so kombinirane naprave najbolj smiselne in tudi največkrat uporabljene v dobrih nizkoenergijskih in pasivnih hišah. V prvih zadostujejo naprave z močjo približno 3 kW, v pasivnih pa je moč lahko še manjša. Za povprečno toplotno izolirano hišo je treba izbrati približno šestkilovatno napravo, v slabo izoliranih 12-kilovatno, v neizoliranih pa morajo biti moči še bistveno večje. Razlika je namreč, ali za ogrevanje potrebujemo na primer od 2300 do 4000 kWh, kolikor znašajo potrebe v pasivnih in nizkoenergijskih hišah, ali osem, deset in več tisoč kilovatnih ur v slabo izoliranih ali neizoliranih. V slednjih zato vgradnja toplotne črpalke večinoma ni smiselna, poleg tega so v njih ogrevala običajno radiatorji, kar dodatno povečuje rabo elektrike. Izbrati je treba tako imenovane visokotemperaturne toplotne črpalke, ki vodo za ogrevalni sistem ogrejejo na 60 ali celo 70 stopinj Celzija, torej morajo premagati bistveno večjo temperaturno razliko med virom in ogrevalno vodo kot črpalke, ki ogrevajo vodo v sistemu ploskovnega gretja, pri katerem zadostuje že 30 stopinj Celzija.

Voda/voda

Če je izpolnjen prvi pogoj, potem je treba preveriti, kakšne možnosti imamo na parceli, in se glede na to odločiti med toplotnimi črpalkami voda/voda, zemlja/voda ali zrak/voda. V kakovostno zgrajenih pasivnih hišah je izbira lahko tudi toplotna črpalka zrak/zrak, kar pri nas ni praksa, po podatkih evropskega združenja proizvajalcev toplotnih črpalk (European Heat Pump Association – EHPA) pa jih precej uporabljajo na primer na Švedskem in Norveškem.

Toplotne črpalke voda/voda izkoriščajo toploto podtalnice, ki jo v napravo iz vrtine črpa potopna črpalka. Primerna je podtalnica, ki ni globlje kot 30 metrov, prav tako ne sme biti tik pod površjem, saj bi pozimi lahko zmrznila. S črpalčnim preizkusom, ki ga opravi geolog, je treba preveriti pretok vode, ki mora biti vsaj 0,2 m³/h. Izvrtati je treba dve vrtini, ena je sesalna, po drugi pa se ohlajena voda, ki je toploto že oddala toplotni črpalki, vrača v podtalnico. Zaradi precej stalne temperature, ki jo ima podtalnica (najbolje je, če je ta od 7 do 12 stopinj Celzija, in ne nižja od 3 stopinj Celzija), imajo te naprave najvišja grelna števila, in sicer tudi več kot pet. Tudi letno grelno število je visoko, saj to niha glede na temperaturo vira.

Zemlja/voda

Toploto zemlje lahko izkoriščamo na dva načina: s kolektorji in geosondo. Prvi in za družinske hiše primernejši je izkoriščanje toplote tik pod površjem oziroma najbolje na globini od 110 do 150 centimetrov. Položijo se zemeljski kolektorji, ki so različnih oblik in polnjeni z vodo, ki ji je proti zmrzovanju dodan glikol ali čisti etanol. Največ toplote iz zemlje lahko prenašajo ploščati kolektorji, ki se razporedijo v obliki zank po večji površini. Kolikšna mora biti ta, je odvisno od potreb po toploti oziroma površine, ki jo ogrevamo, načeloma pa velja, da za na primer 200 kvadratnih metrov ogrevane površine potrebujemo približno 400 metrov kolektorja. To zahteva tudi precej veliko parcelo, kar je največkrat ovira, da bi se odločili za tak kolektor. Druga možnost so zato kolektorji v obliki spirale oziroma posebnih košar, ki zavzamejo bistveno manj prostora, vendar tudi toploto prenašajo z bistveno manjše površine, zato je njihova učinkovitost slabša. Na to prav tako vpliva sestava tal; več toplote se lahko črpa iz ilovnatih tal, slabo prepustnih za padavine, saj zagotavljajo dovolj toplote, manj je je v prodnatih in lapornatih oziroma za vodo bolj prepustnih tleh. Temperatura zemlje je približno devet stopinj Celzija, proti koncu zime pa pada, saj jo ohlaja medij v kolektorju, ki se potem, ko je oddal toploto toplotni črpalki, vrača v tla. Vendar je temperatura kljub temu relativno stalna in nikoli pod ničlo, zato imajo toplotne črpalke, ki izkoriščajo to toploto, relativno visoko grelno število, in sicer 4 do 5.

Zrak/voda

Najmanj učinkovite so toplotne črpalke zrak/voda, njihovo grelno število je približno 3, redke dosežejo vrednost do štiri. Razlog je veliko nihanje temperature zraka, ki je pozimi pogosto pod lediščem. Takrat mora naprava premagovati večjo temperaturno razliko med virom in ogrevalno vodo, zato rabi več električne energije. Pri tem tipu toplotnih črpalk je zelo pomembno določiti bivalentno točko. To je točka oziroma temperatura, pri kateri naprava z določeno močjo še ne potrebuje dodatnega vira toplote. Pri toplotnih črpalkah zrak/voda in tudi zrak/zrak je ta točka pri –5 do –7 stopinjah Celzija, le pri najbolj izpopolnjenih je pri –10. Pri nižji temperaturi delovanje naprave ni več optimalno, zato je smiselno, da se vključi dodaten ogrevalni vir. To je lahko že v črpalko vgrajen električni grelnik ali pa je naprava povezana z ogrevalnim kotlom. Lahko bi sicer izbrali toplotno črpalko bistveno večje moči, vendar to ni najbolj gospodarna odločitev, saj bi ta zaradi nekaj dni na leto, ko so temperature izjemno nizke, ves čas delovala z večjo močjo in porabila precej več elektrike. Zajem zraka je lahko na fasadi in v napravo prihaja brez predgretja, lahko pa ga zajemamo kje na parceli in po cevi pod zemljo vodimo v napravo, s čimer ga nekoliko ogrejemo. Ta možnost zagotavlja večjo učinkovitost predvsem takrat, ko so zunanje temperature nižje od temperature, na katero se ogreje v cevi pod zemljo.

Še večja učinkovitost

Proizvajalci si ves čas prizadevajo izboljšati lastnosti toplotnih črpalk, med katerimi je najpomembnejša njihova učinkovitost. Največ rezerv je pri grelnem številu naprav zrak/voda. Te so v zadnjem času večje, saj jim vgrajujejo toplotne izmenjevalnike z večjo površino. Učinkovitost povečujejo tudi z vgradnjo digitalnega nadzora delovanja, natančneje hladilnega kroga, in zvezno regulacijo moči, ki omogoča zanesljivo delovanje v širokem območju temperature zraka in tako tudi večje grelno število. Veliko truda je usmerjenega v razvoj čim manj hrupnih naprav, kar je še posebno pomembno, če so to zunanje toplotne črpalke ali če so te postavljene blizu bivalnih prostorov. Pri drugih tipih naprav ni veliko možnosti za povečevanje grelnega števila, vgrajujejo jim le vedno bolj kakovostne kompresorje in druge materiale. Za sodobne naprave je značilno, da so kompaktne izvedbe, tako da zavzamejo čim manj prostora, serijsko imajo že vgrajene priključke za povezavo z drugimi vrstami ogrevalnih sistemov, največkrat solarnih in kotlov na lesno biomaso, lahko pa jih povežemo tudi s plinskimi in oljnimi kotli. Na trgu so tudi toplotne črpalke s serijsko vgrajeno tehnologijo, ki omogoča preprosto povezavo s pametno napeljavo, s tem pa preprosto in učinkovito krmiljenje oziroma upravljanje na daljavo ter glede na trenutne potrebe po toploti.

Poganjalo jih bo sonce

V prihodnje lahko pričakujemo, da se bodo bolj množično pojavile solarne in absorpcijske toplotne črpalke, ki so za zdaj predvsem zaradi visoke cene težko dostopne oziroma se naložba vanje še ne izplača. Pri prvih bodo večji del toplote, ki se bo skladiščila v latentnih hranilnikih, zagotovili sprejemniki sončne energije zrak/voda. Hranilniki nadomeščajo klasični hranilnik tople vode, v njih se hrani toplota iz obdobij, ko je bilo dovolj sonca, in se uporabi, ko tega ni dovolj. Naprave bodo za enake učinke tako potrebovale bistveno manj elektrike kot klasične toplotne črpalke. Tudi kompresor absorpcijske toplotne črpalke poganja sonce, elektriko potrebuje le za delovanje obtočnih črpalk.