Toplotne črpalke za začetnike

Pri odločanju je treba upoštevati toplotne izgube stavbe, površino ogrevanega prostora, naravne danosti parcele in svoje finančne zmožnosti. Vse to bo namreč vplivalo na rabo električne energije, ki jo toplotna črpalka (TČ) potrebuje za svoje delovanje. Te naprave sicer izkoriščajo obnovljive vire energije, elektriko pa potrebujejo za delovanje kompresorja in obtočnih črpalk.

Toploto zemlje lahko sprejemajo tudi cevi v obliki košar, za katere potrebujemo majhno površino. Foto:

TČ je naprava, ki deluje po enakem principu kot hladilnik ali klimatska naprava. S pomočjo elektrike prenaša toplotno energijo toplotnega vira (podtalne vode – TČ voda/voda; zemlje – TČ zemlja/voda; okoliškega zraka – TČ zrak/voda) v ogrevalni sistem. To se zgodi v zaprtem tokokrogu, kjer se tekoči delovni medij (hladivo) uparja, komprimira in spet utekočinja. To omogoča, da se top­lotna energija z nižje temperaturne ravni dvigne na višjo. Hladilno sredstvo ostane v tokokrogu nespremenjeno, se ne porablja ali spušča v okolje. Bistveni sestavni deli toplotne črpalke so kompresor, uparjalnik, kondenzator, dušilni ventil in hladilni plin, ki je potreben za prenos toplote. Kompresor stisne hladilni plin pod visokim tlakom in ga s tem segreje na višjo temperaturo. Plin pri tej temperaturi v kondenzatorju odda toploto, nato skozi dušilni ventil ekspandira na nižji tlak, s čimer se ohladi pod temperaturo vira toplote. V uparjalniku ga vir toplote spet segreje na prvotno temperaturo.

TČ lahko uporabljamo za ogrevanje prostorov in sanitarne vode, reverzibilne TČ pa tudi za hlajenje prostorov. V primerih, ko potrebe po toploti v stavbi presegajo zmogljivosti nizkotemperaturnih črpalk, ko se lastnik denimo odloči za zamenjavo ogrevalnega kotla, preden energijsko prenovi hišo, pa so primerna izbira hibridne toplotne črpalke, ki delujejo v kombinaciji z drugim virom ogrevanja in imajo samodejno regulacijo. Najpogostejša je kombinacija toplotne črpalke zrak/voda s kondenzacijskim plinskim kotlom.

Če želimo ogrevati 200 m2 bivalne površine, mora biti površinski kolektor pri TČ zemlja/voda speljan na približno 400 m2. Foto:

Kazalec učinkovitosti TČ je letno grelno število (SCOP), katerega vrednost je odvisna od vira okoliške toplote. Večje ko je grelno število, več toplote dobimo pri enakem vložku energije. To pomeni, da je smiselno izbrati toplotno črpalko s čim večjim grelnim številom. Grelno število pove, kolikšno je razmerje med električno energijo, ki jo dovajamo, in energijo, ki jo črpalka odda v ogrevalni sistem. Večje ko je, manj električne energije je potrebno za več oddane toplote. Če ima črpalka na primer grelno število 4, to pomeni, da bo iz enega dela vložene električne energije oddala v sistem štiri dele toplote. Grelno število je odvisno od temperature vira toplote in temperature vode v ogrevalnem sistemu. Manjša ko je ta razlika, večje je lahko število. Zato je najbolj primeren ogrevalni sistem pri toplotnih črpalkah ploskovno gret­je, ki deluje v nizkotemperaturnem režimu, približno 35 stopinj Celzija.

Najvišje grelno število imajo TČ voda/voda, sledijo jim TČ zemlja/voda in TČ zrak/voda.

Vrste toplotnih črpalk  glede na vir energije

• TČ voda/voda izkoriščajo toploto podtalnice in jo oddajajo vodi ogrevalnega sistema. Primerne so za ogrevanje prostorov in tople vode stavb na parcelah, kjer je podtalnica na globini ne več kot 30 metrov. Izvrtati je treba dve vrtini, ena je sesalna, po drugi se ohlajena voda vrača v podtalnico. Ker je temperatura podtalnice konstantna in dovolj visoka, približno od 7 do 12 stopinj Celzija, je temperaturna razlika med virom in vodo v sistemu manjša. Grelno število teh črpalk je zato lahko večje, od 5,5 do 6,4, kar pomeni manjšo rabo električne energije.
• TČ zemlja/voda izkoriščajo toploto zem­lje in jo oddajajo vodi ogrevalnega sistema. Ločimo dva načina izkoriščanja toplote zem­lje. Prvi je izkoriščanje toplote kamnin na večjih globinah z zemeljsko geosondo. Običajno je treba vrtati zelo globoko (potrebno je rudarsko dovoljenje). Zaradi velikih stroškov je to najmanj primerna izbira za družinske hiše. Bolj razširjena možnost je položitev zemeljskega kolektorja, ki izkorišča toploto zemlje na globini približno 1,1 do 1,5 metra. Večjo površino ima horizontalni kolektor, manj prostora pa zavzamejo posebne zanke in košare, ki črpajo toploto z manjše površine. Grelno število teh črpalk sega od 4,4 do 4,9.
• TČ zrak/voda izkoriščajo toploto zraka in jo oddajajo vodi ogrevalnega sistema. Njihova grelna števila so običajno nižja od grelnih števil drugih tipov črpalk, ker je temperatura zraka zelo spremenljiva, poleg tega lahko pozimi pade krepko ledišče. Dosegajo grelno število od 3,2 do 4,2. Primerne so za ogrevanje sanitarne vode in ogrevanje energijsko zelo varčnih hiš, kot so pasivne in zelo dobre nizkoenergijske hiše. V potratnejših je njihovo delovanje običajno negospodarno, saj porabijo preveč električne energije. Tip TČ zrak/voda je zadnja leta med najpogosteje uporabljenimi zaradi najnižje investicije in preproste vgradnje. Poskrbeti je treba le zajem zraka, ki je najpogosteje kar na fasadi. Lahko pa se odločimo za bolj oddaljen zajem kje na parceli. Do hiše in toplotne črpalke vodimo zrak po ceveh pod zemljo in ga tako nekoliko ogrejemo. 
• TČ zrak/zrak izkoriščajo toploto zraka in jo skozi prezračevalni sistem oziroma z zrakom, ki kroži v njem, oddajajo v prostore. Vgrajujejo se le v pasivne hiše, kjer so potrebe po toploti, ki jo je treba nadomestiti zaradi toplotnih izgub, kar najmanjše.

Nekatere TČ za ogrevanje sanitarne vode to enkrat na teden segrejejo na 70 stopinj, da preprečijo razvoj legionele. Foto:

Če smo se odločili za toplotno črpalko, je najprimernejše ploskovno ogrevanje, torej talno, stensko ali stropno, in sicer zaradi precej nižje temperature tekočine, ki se pretaka po cevnem sistemu teh ogreval. Če imamo takšna ogrevala, je smiselna odločitev za reverzibilno toplotno črpalko, ker lahko z njimi v poletnem času prostore ohlajamo, torej ne potrebujemo klimatske naprave. 

Ogrevanje sanitarne vode

TČ, ki so namenjene le ogrevanju sanitarne vode in so manjše moči, so ponavadi tipa zrak/voda. Zrak zajemajo kar v prostoru, kjer so postavljene, obstajajo pa tudi različice, ki imajo kompresorsko enoto ločeno in nameščeno podobno kot klimatske naprave na zunanji steni hiše.

Črpalko za pripravo tople sanitarne vode navadno postavimo v klet ali shrambo, lahko tudi na podstrešje, torej v prostor, v katerem je temperatura zraka čim višja. Območje delovne temperature je od 5 do 35 stopinj Celzija, sanitarno vodo pa lahko tako ogrevamo vse leto. Med delovanjem toplot­ne črpalke se ta prostor ohladi za tri do pet stopinj Celzija, kar je dobrodošlo v kleteh ali shrambah.

Ker obstaja pri pripravi tople sanitarne vode (zlasti v večjih objektih) tveganje okužbe z nevarnimi bakterijami legionele, za razvoj katerih so ugodne temperature vode do 55 stopinj Celzija, je treba sanitarno vodo ogreti nad 60 stopinj Celzija, s čimer bakterije uničimo. Poleg tega imajo sodobne toplotne črpalke posebno funkcijo, ki zagotavlja, da se voda najmanj enkrat na teden samodejno segreje na 70 stopinj Celzija ali več.