Toplotne črpalke: Nekaj stopinj Celzija dovolj za ogrevanje

Tokrat nas je zanimalo, kako toplotne črpalke delujejo, kako izkoriščajo toploto obnovljivih virov, katere njihove lastnosti je treba poznati in katere so njihove prednosti ter morda pomanjkljivosti. Obiskali smo proizvajalca toplotnih črpalk, podjetje Termotehnika iz Braslovč.

Povpraševanje po toplotnih črpalkah, tako tistih, ki so namenjene le za ogrevanje sanitarne vode, kot kombiniranih, s katerimi je mogoče tudi ogrevanje prostorov, se povečuje. Zanje se odloči vse več graditeljev, vse pogosteje pa tudi lastniki starejših hiš, v katerih je treba zamenjati zastarele in dotrajane ogrevalne kotle. Vendar kljub temu v širši javnosti še vedno obstajajo dvomi o učinkovitosti in varčnosti toplotnih črpalk. Marsikomu ni jasno, kako lahko te naprave iz zemlje, ki ima pozimi lahko temperaturo le nekaj stopinj Celzija, ali iz zraka, katerega temperature so pozimi pogosto okrog nič stopinj Celzija ali celo nižje, zagotovijo dovolj toplote za ogrevanje.
Krožni proces delovanja

V podjetju, ki smo ga obiskali, so nam najprej pojasnili, kako delujejo toplotne črpalke. Bogdan Kronovšek je njihovo delovanje primerjal z delovanjem hladilnika. Ta odvzema toploto živilom, shranjenim v njem, in jo oddaja v prostor. Pri toplotni črpalki je prav nasprotno. Toploto odvzema iz hladne okolice in jo črpa na višji temperaturni nivo za ogrevanje. Krožni proces, ki poteka, je precej zapleten in je sestavljen iz uparjanja, kompromiranja oziroma stiskanja, kondenzacije in ekspanzije. Drobovje vsake naprave je sestavljeno iz uparjalnika, kompresorja, kondenzatorja in ekspanzijskega ventila.

Preden natančneje opišemo delovanje, je treba povedati, da so viri toplote lahko zrak, zemlja ali podtalnica. V prvem primeru v napravo s pomočjo ventilatorja vstopa zunanji zrak, v drugem poseben medij, denimo mešanica vode ali glikola ali na primer vode in etanola, ki ima temperaturo zemlje, v tretjem pa toploto prenaša podtalnica.

Za lažje razumevanje bomo za primer vzeli delovanje toplotne črpalke voda/voda, ki izkorišča toploto podtalnice. Ta najprej vstopi v uparjalnik s temperaturo na primer 10 stopinj Celzija in del toplote odda hladivu, s katerim je polnjen sistem toplotne črpalke in je medij prenosa toplote v napravi. Tako se podtalnica ohladi na primer na sedem stopinj Celzija, hladivo pa se ogreje na pet stopinj. Koliko toplote se izmenja med virom toplote in hladivom, je odvisno od temperature vira in količine njegovega pretoka. Pri prenosu toplote se hladivu spremeni agregatno stanje iz tekočega v plinasto, pri tem pa se mu zniža tlak. Uparjeno potuje v kompresor, ki plin stisne, rezultat pa je višja temperatura plina pri isti prostornini. Ta naraste na približno 40 stopinj Celzija, odvisno od temperature kondenzacije. Vroč plin nadaljuje pot v kompresor, kjer poteka druga izmenjava toplote. V kompresorju kroži tudi voda iz ogrevalnega sistema, pri toplotnih črpalkah, ki so namenjene le za ogrevanje sanitarne vode, pa je kompresor nameščen v bojlerju. Voda, ki pride iz ogrevalnega sistema, ima temperaturo 30 stopinj Celzija (talno gretje). Na 40 stopinj Celzija ogret plin odda toploto vodi iz sistema in jo segreje na 35 stopinj Celzija. Plin pa zaradi padca temperature kondenzira in se spet utekočini. Preden se utekočinjen vrne v uparjalnik, gre še skozi ekspanzijski ventil, ki povzroči znižanje tlaka in temperature. Podhlajen se vrne v uparjalnik in krog se ponovi.

Glavni prenos toplote torej temelji na spremembah agregatnega stanja hladiva. Električno energijo je treba napravi dovajati le za delovanje kompresorja, torej za stiskanje plina. Drugi procesi potekajo brez dovajanja energije le s prenosom toplote. Delovanje toplotne črpalke je enako ne glede na vir toplote.

Grelno število je odvisno od temperature vira toplote

Razlike med njimi so v tem, koliko energije je treba vložiti, da se premaga temperaturna razlika med virom toplote in vodo v ogrevalnem sistemu. To nam natančno pove grelno število, ki je razmerje med električno energijo, ki jo dovajamo, in energijo, ki jo naprava odda v sistem. Povedano še drugače, grelno število na primer 4 pomeni, da en del energije vložimo, dobimo pa štiri dele – ali večje ko je grelno število, manj električne energije je treba vložiti za enak učinek, kot ga dosežemo s toplotno črpalko z nižjim grelnim številom. Grelno število je odvisno od temperature vira toplote in temperature ogrevalnega sistema, kot poudarja Bogdan Kronovšek, pa je treba upoštevati še del električne energije, potrebne za delovanje obtočne črpalke ali ventilatorja, ki potiska vir toplote v in skozi uparjalnik, ter obtočne črpalke za premagovanje tlačnega padca v kondenzatorju na strani ogrevalnega sistema. Opozarja, da pri izračunu grelnih števil nekateri proizvajalci navedenega ne upoštevajo in navajajo večja, kot so v resnici.

Poleg tega opozarja, da mora biti grelno število izračunano po točno določenih standardih, ki predpisujejo pogoje, pri katerih se računa. To je zelo pomembno predvsem pri toplotnih črpalkah zrak/voda, pri katerih je vir toplote zrak, katerega temperatura zelo niha. Bolj stalna je temperatura zemlje, ki pa je kljub temu odvisna od letnega časa, najbolj stalna je temperatura podtalnice. Tako velja, da se grelno število toplotnih črpalk zrak/voda meri pri temperaturi zraka dve stopinji Celzija, zemlja/voda pri nič stopinj Celzija in zemlja/voda pri 10 stopinja Celzija. Pri vseh se upošteva temperatura vode ogrevalnega sistema 35 stopinj Celzija, ki je značilna za talno gretje.
Iz tega sledi, da morajo toplotne črpalke zrak/voda in zemlja/voda premagati večjo temperaturno razliko kot črpalke voda/voda. Zato imajo zadnje večja grelna števila, nekoliko manjša, kljub nižji vstopni temperaturi zemlje, so pri črpalkah zemlja/voda in najnižja pri črpalkah zrak/voda. Velja tudi, da se pri prvih dveh vrstah zaradi večjega nihanja temperature vira grelno število v času delovanja spreminja, pri črpalkah voda/voda je veliko bolj konstantno. Vse toplotne črpalke bodo delovale z manjšim grelnim številom, če je ogrevalni sistem v hiši radiatorski, saj ta potrebuje bistveno višjo temperaturo vode, približno 65 stopinj Celzija.

Moč se določi glede na toplotne izgube stavbe

Moč toplotne črpalke nima vpliva na grelno število, določa se glede na potrebe stavbe. Več ko moramo nadomestiti toplotnih izgub, večjo moč črpalke potrebujemo. Kot pravi Bogdan Kronovšek, v večini povprečno toplotno izoliranih stavb zadostuje moč od 6 do 12 kW, za stanovanja in nizkoenergijske hiše približno 3 kW, za pasivne hiše pa so primerne črpalke s še manjšo močjo. Pri izbiri moči je treba upoštevati tudi vir toplote in ekstremne zunanje temperature pozimi. Največ težav je pri črpalkah zrak/voda, ki optimalno delujejo do zunanje temperature –5 ali morda do –7 stopinj Celzija. Lahko bi delovale tudi pri nižjih, vendar bi morali izbrati črpalko bistveno večje moči, kar pa je negospodarno. Zato se določi bivalentna točka. To je točka oziroma zunanja temperatura, pri kateri toplotna črpalka z določeno močjo še ne potrebuje dodatnega vira toplote. Ko zunanje temperature padejo pod bivalentno točko, se lahko samodejno vključi električni grelnik, vgrajen v toplotni črpalki, ali kak drug vir toplote. Takšna izbira moči je bolj gospodarna kot vgradnja močnejše toplotne črpalke, ki bi samo nekajkrat na leto delovala pri –15 ali na primer –20 stopinj Celzija. Omenjenih težav pri tipih zemlja/voda in voda/voda ni, saj ne glede na zunanje temperature temperatura vira ne pade pod nič stopinj Celzija.

Najboljši učinki so pri izkoriščanju toplote podtalnice

Izbira vira toplote je odvisna od možnosti, ki jih imamo na parceli, pri tem pa je treba upoštevati še nekatere druge dejavnike, ki lahko vplivajo na kar najboljše izkoriščanje vira toplote, je pojasnil Marko Bizjak, inženir v podjetju. Toplotno črpalko voda/voda lahko vgradimo le tam, kjer imamo na parceli ali v bližini podtalnico. Ta naj ne bi bila niže kot 30 metrov pod površjem in tudi ne tik pod njim, saj so tam površinske vode, ki zaradi temperaturnih omejitev niso primerne. Preden se odločimo za ta vir toplote, je treba preveriti, da temperatura podtalnice nikoli ni nižja od tri stopinje Celzija, saj bi nižja temperatura povratne vode, ki je oddala toploto in se vrača v podtalnico, lahko povzročila zmrzovanje. Optimalna temperatura je od sedem do 12 stopinj Celzija. Preveriti je treba tudi, ali je pretok dovolj velik in stalen. Za vsak kilovat moči mora biti pretok 0,2 m³/h. Prav tako pa je pomembna kemijska sestava vode, v kateri ne sme biti preveč železa in mangana. Vendar kot pravi Bizjak, se tudi v teh primerih lahko najdejo različne rešitve. Opraviti je treba črpalčni preizkus, ki ga naredi geolog. V vrtino – do 30 metrov globine ni potrebno rudarsko dovoljenje – se vstavi cev in vanjo ustrezno dimenzionirana potopna črpalka, ki črpa vodo na površje. Prednost izkoriščanja podtalnice je predvsem stalna temperatura vse leto in relativno visoko grelno število od 4,5 do 5,2, dodaja Bogdan Kronovšek. Slabost so precej visoki stroški vrtanja vrtine. Vedno je treba zavrtati dve, ena je sesalna, po drugi pa se ohlajena voda vrača v podtalnico.

Druga možnost je izkoriščanje toplote zemlje. To lahko naredimo z zemeljskimi kolektorji ali z zemeljsko sondo. Kolektorji, ki so lahko različnih oblik, na primer v obliki horizontalnih zank, spiral ali posebnih košar, se položijo v zemljo na globini od 110 do 150 centimetrov. Najboljše učinke zagotavlja horizontalni kolektor, ker je položen na največji površini in lahko iz zemlje črpa največ toplote. Vendar to pomeni, da moramo imeti na razpolago dovolj veliko parcelo. Natančna dolžina kolektorja se izračuna za vsako stavbo posebej, vendar velja groba ocena, da na primer za 200 kvadratnih metrov ogrevanih površin potrebujemo 400 kvadratnih metrov parcele. V zemeljskem kolektorju je tekoč medij – voda, ki ji je treba proti zmrzovanju dodati glikol ali čisti etanol. Preden se odločimo za zemeljski kolektor, moramo preveriti sestavo tal in razgibanost terena. Veliko boljši učinki bodo, če so tla ilovnata in slabo prepustna za padavine. Te zagotavljajo dovolj toplote v zemlji, ki jo odvzema medij v kolektorju. V prodnatih ali lapornatih tleh bo toplote manj, zato je treba položiti več metrov kolektorja.

Toploto zemlje lahko izkoriščamo tudi z zemeljsko sondo. To pomeni, da izkoriščamo toploto kamnin pri večjih globinah. Vrtanje vrtin je zelo drago, poleg tega je treba vrtati tako globoko, da običajno potrebujemo še rudarsko dovoljenje. Ta rešitev za družinske hiše običajno ni primerna.

Tretja možnost je izkoriščanje toplote zraka. Prednost je predvsem zelo preprosta in poceni izvedba, saj potrebujemo le zajem zraka. Toplotno črpalko lahko postavimo zunaj ali v prostoru, lahko pa se odločimo tudi za dvodelno izvedbo, pri kateri je uparjalnik na zunanji strani, druge komponente pa so v prostoru. V drugem primeru se zajem zraka običajno zagotovi skozi fasado. Za toplotne črpalke majhnih moči, ki so namenjene le ogrevanju sanitarne vode, običajno zadostuje zrak iz prostora, v katerem je naprava. V vsakem primeru mora biti pretok zraka vsaj 500 m³/h za vsak kilovat moči toplotne črpalke.

Kljub rabi električne energije je delovanje varčno

S toplotnimi črpalkami je povezanih precej dvomov o rabi električne energije za njihovo delovanje. Pri proizvajalcu smo zato preverili, koliko potratne so v primerjavi z drugimi načini ogrevanja, predvsem s kurilnim oljem in električnimi grelniki. V podjetju so predstavili izračune, ki niso teoretični, temveč so nastali po meritvah v njihovem laboratoriju, kjer vsako napravo preverijo. Dovolj zgovorna je primerjava ogrevanja sanitarne tople vode s toplotno črpalko in električnim grelnikom, kakršne imajo klasični bojlerji za vodo. Da je toplotna črpalka oddala 1800 W toplote, je porabila 400 W električne energije. Le nekaj močnejši grelec je oddal 2200 W energije in za to porabil 2200 W elektrike. Razlika je približno štirikratna v korist toplotne črpalke.

Drugi izračun je primerjava toplotne črpalke voda/voda z uporabo kurilnega olja in zemeljskega plina. Za ogrevanje 200 kvadratnih metrov prostorov in pripravo tople vode za štiričlansko družino s toplotno črpalko moči 13 kW in grelnim številom 5,14 bi porabili 4845 kWh električne energije na leto. Strošek ogrevanja in priprave tople sanitarne vode z delovanjem črpalke bi bil 571 evrov. Če bi isto hišo ogrevali in tudi sanitarno vodo pripravljali s pečjo na kurilno olje, bi porabili 2660 litrov tega energenta. Letni strošek bi znašal 2140 evrov. Če bi za energent izbrali zemeljski plin, bi ga porabili 2823 m³, letni strošek v Ljubljani pa bi znašal 1835 evrov. Končne cene so sestavljene iz cene zemeljskega plina in omrežnine, ki je po občinah različna, nanjo pa vpliva tudi količina porabljenega plina.

Manjše bi bile razlike v rabi električne energije in končnega stroška, če bi bil vir toplote zemeljski kolektor, grelno število toplotne črpalke pa 4,32. Na leto bi porabili 5890 kWh električne energije, letni strošek bi znašal 627 evrov. Pri toplotni črpalki zrak/voda in grelnem številu 3,39 bi porabili 6480 kWh energije na leto, strošek pa bi bil znašal 684 evrov.

Zaradi manjše rabe energije bi bili manjši tudi izpusti ogljikovega dioksida v ozračje. Za kilovatno uro uporabne toplote, pridobljene iz kurilnega olja, spustimo v ozračje nekaj več kot 0,20 kilograma ogljikovega dioksida, pravi Bogdan Kronovšek. Za enako količino uporabne toplote pa s toplotnimi črpalkami, ki imajo grelno število večje od 2,7, izpustimo manj ogljikovega dioksida. Z večjim grelnim številom količina emisij pada in je pri grelnem številu 4 približno 0,15 kilograma, pri grelnem številu 5 pa 0,10 kilograma.

Subvencioniranje vgradnje toplotnih črpalk

Država prek Eko sklada sofinancira vgradnjo naprav, ki so energijsko varčne, in naprav, ki izkoriščajo obnovljive vire energije. Občani lahko dobijo nepovratna sredstva za vgradnjo sončnih kolektorjev in sončnih celic za proizvodnjo električne energije, vgradnjo kondenzacijskih kotlov na lahko kurilno olje in zemeljski plin ter vgradnjo toplotnih črpalk. Vendar ne vseh treh tipov. Do nepovratnih sredstev ni upravičen investitor, ki vgradi toplotno črpalko zrak/voda. Razlog za to je prevelika raba električne energije za delovanje te črpalke. Rudi Kronovšek, direktor podjetja, ki smo ga obiskali, pravi, da je takšna odločitev pripravljavcev javnega razpisa neupravičena. Vse meritve in izračuni kažejo, da je kljub večji rabi elektrike naprav zrak/voda v primerjavi z drugima dvema vrstama raba energije še vedno manjša kot pri katerem koli kondenzacijskem kotlu. Prav tako so manjše emisije ogljikovega dioksida v okolje. Ne strinja se z argumenti vladnih uradnikov, da se okolje onesnažuje že s pridobivanjem električne energije in zato naprave zrak/voda niso okolju prijazne. To drži le za električno energijo, proizvedeno v termoelektrarni, ki predstavlja le nekaj več kot tretjino vse elektrike, proizvedene pri nas, pravi Kronovšek in dodaja, da gre pri drugih dveh tretjinah za zeleno električno energijo. Pravi še, da se vgradnja sončnih kolektorjev subvencionira v veliko večjem deležu vrednosti naložbe, kot to velja za toplotne črpalke, kar po njegovem graditeljev ne spodbuja k takšnim naložbam. Izračuni kažejo, da so te naložbe energijsko varčne in za investitorja zanimive tudi zato, ker se razmeroma hitro povrnejo.

Toplotne črpalke v kompaktnih napravah

V kompaktnih napravah so v energijsko učinkovito celoto na razmeroma majhnem prostoru združene naslednje enote: prezračevalna enota z rekuperatorjem toplote odpadnega zraka, toplotna črpalka in bojler za toplo sanitarno vodo. Toplotne črpalke v kompaktnih napravah imajo praviloma manjšo toplotno moč (največ nekaj kilovatov), ki je prilagojena potrebam pasivnih in nizkoenergijskih hiš, pravi Peter Gašperšič, svetovalec podjetja IMS Ecotech. Črpalke lahko toploto pridobivajo iz podtalnice, zemeljskega kolektorja ali iz odpadnega zraka po rekuperaciji. V prvem primeru imajo nekaj večjo toplotno moč in pridobljeno toploto prek treh zaporedno vezanih izmenjevalnikov oddajajo bojlerju za toploto sanitarno vodo, nizkotemperaturnemu ogrevalnemu sistemu (npr. talno ali stensko gretje) ter zraku, s katerim prezračujemo prostore. Rečemo lahko torej, da so to črpalke tipa voda/voda/voda/zrak. Toplotne črpalke v kakovostnih napravah tega tipa dosegajo celoletno grelno število okoli 4. V drugem primeru dosegajo toplotno moč od enega do največ dveh kilovatov in so primerne zgolj za pasivne hiše. Za delovanje nujno potrebujejo ustrezen zemeljski izmenjevalnik, prek katerega se zrak na vstopu v prezračevalno enoto ogreje na približno 5 stopinj tudi pri najnižjih zimskih temperaturah. Toploto, ki jo pridobijo iz odpadnega zraka po rekuperaciji, oddajajo bojlerju za toplo sanitarno vodo in zraku, s katerim prezračujemo prostore. Gre torej za črpalke tipa odpadni zrak/voda/zrak. Celoletno grelno število kakovostnih naprav tega tipa dosega vrednosti okoli 3,2. Toplotne črpalke v kompaktnih napravah toplote ne pripravljajo na zalogo (zalogovnik toplote torej ni potreben), temveč jo proizvajajo tam in takrat, kjer in ko je to potrebno.

Delo in dom, 1. oktober 2008