Toplotne črpalke: zakaj, kdaj, kako?

Prednosti toplotnih črpalk so: uporaba obnov­ljivih virov energije iz bližnjega okolja, nič emisij in nizki stroški toplotne energije. Predstavljamo osnovne pojme te vrste ogrevanja, ki je najbolj primerna za nove in energijsko obnovljene stanovanjske hiše. Zakaj?

V njih namreč zaradi izolacije, sodobnega stavbnega pohištva in zrakotesnosti zadostuje nekajkrat manj energije kot v starih stavbah. Mogoča je tudi uporaba v energijsko potratnih hišah, vendar je pri njih čas, v katerem se naložba povrne, precej daljši, zato je odločitev za vgradnjo toplotne črpalke z zelo veliko močjo kljub manjšim sprotnim stroškom negospodarna.

Brezplačen in obnovljiv vir toplotne energije

Okoljsko ozaveščenim investitorjem veliko pomeni, da TČ od 60 do 80 in tudi več odstotkov energije ustvarijo brezplačno, iz obnovljivih virov v bližnji okolici.

Razložimo: toplotne črpalke so naprave, ki izkoriščajo toploto zraka, zemlje in podtalne vode in jo pri višji temperaturi oddajajo v ogrevalni sistem. Za delovanje potrebujejo električno energijo. Smisel ogrevanja z njimi je, da dobimo čim več toplote iz okolice in porabimo čim manj električne energije. Malo elektrike porabijo naprave manjše moči z visokim grelnim številom, ki ga bomo razložili v nadaljevanju. Racionalno je, da se elektrika pri TČ porablja izključno ali pretežno za prenos toplotne energije s toplotnega vira v ogrevalni sistem (za delovanje kompresorja in obtočnih črpalk) in ne za ogrevanje.

Glede na toplotni vir iz okolice, ki ga TČ izrabljajo, poznamo več vrst naprav: TČ zrak/voda, ki izkoriščajo toploto zraka, TČ zemlja/voda, ki izkoriščajo toploto zem­lje, in TČ voda/voda, ki izkoriščajo toploto podtalnice. Obstajajo tudi črpalke, ki lahko izkoriščajo več virov hkrati oz. med njimi preklapljajo glede na učinkovitost v trenut­nih razmerah.

PREBERITE ŠE: TOPLOTNE ČRPALKE: ZMANJŠEVANJE HRUPNOSTI JE KLJUČNI IZZIV

Grelno število

Večje ko je grelno število (COP), manj elek­trične energije je potrebno za več oddane toplote. Smiselno je torej izbrati toplotno črpalko s čim višjim COP. TČ, ki ima npr. grelno število 3, z enim delom vložene električne energije odda v sistem tri dele toplote.

V povprečju imajo najvišje COP TČ voda/voda, sledijo jim TČ zemlja/voda in TČ zrak/voda. Ker je razvoj tehnologije zelo hiter, dosegajo najnovejše TČ določenega tipa višji COP kot pred leti. TČ voda/voda imajo grelno število od 4,5 do 6, TČ zemlja/voda od 4 do 5 in TČ zrak/voda od 3 do 5.

COP oz. učinkovitost TČ sta odvisna od temperature toplotnega vira iz okolice, ki ga izkorišča, in od temperature vode v ogrevalnem sistemu. Manjša ko je ta razlika, večji je lahko COP. Zato je najbolj primeren ogrevalni sistem pri TČ ploskovno gret­je (talno, stensko, stropno cevno gretje), ki deluje v nizkotemperaturnem režimu. Pri visokotemperaturnih TČ, ki morajo zagotoviti dovolj toplo vodo za klasične radiatorje, je ta učinkovitost manjša.

Kako delujejo TČ

TČ delujejo po enakih zakonitostih kot hladilniki ali klimatske naprave. S pomočjo elek­trike prenašajo toplotno energijo pod­talne vode, zemlje ali okoliškega zraka v ogrevalni sistem. To se zgodi v zaprtem toko­krogu, kjer se tekoči delovni medij (hladivo) uparja, stisne 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.

Glavni deli TČ so kompresor, uparjalnik, kondenzator, dušilni ventil in hladilni plin, 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 zrak/voda

Čeprav so TČ, ki izkoriščajo toploto zunan­jega zraka, manj učinkovite v primerjavi z drugima viroma (temperatura zunanjega zraka je zelo spremenljiva in lahko pozimi pade nizko pod ledišče), so zaradi nižje investicije in preproste vgradnje pogostejša izbira. Za njihovo vgradnjo ne potrebujemo dovoljenj, a moramo upoštevati normative glede hrupa.

Primerne so za ogrevanje sanitarne vode in ogrevanje energijsko zelo varčnih hiš. Zagotoviti pa je treba zajem zraka, bodisi na fasadi hiše ali na parceli. Obstajajo dvodelne in enodelne izvedbe TČ zrak/voda. Pri dvodelnih (split) izvedbah sta uparjalnik in kompresor nameščena v enoti zunaj objekta, kondenzator in obtočna črpalka pa sta vgrajena v enoti, ki je v stavbi. Pri enodelnih, znanih kot kompaktne ali monoblok izvedbe, pa so vse komponente v enem ohišju, ki je nameščeno zunaj objekta ali v njem. Njihova prednost je, da so preproste za vgradnjo.

Zunanje monoblok izvedbe so primerne za manjše ali prenovljene stavbe, v katerih ni dovolj prostora za kurilnico, prednost je tudi, da naprava ne povzroča hrupa v stavbi. Postavljene so na betonski podstavek (temelj). Povezava z ogrevalnim sistemom v stavbi je izvedena z izoliranimi cevmi.

Notranje monoblok izvedbe so dobrodošle, kjer ni prostora za zunanjo enoto, potrebujejo pa odprtine za zajem in izpih zunanjega zraka po zračnih kanalih (ponavadi na fasadi). Pri montaži moramo poskrbeti za zvočno izolacijo, tako zaradi hrupa pri pretoku zraka (ventilatorji) kot zaradi vibracij pri delovanju TČ, ki bi se lahko prenašale po konstrukciji objekta.

Grelno število kakovostnih TČ zrak/voda znaša od 3 do 5.

Subvencije

Za vgradnjo TČ je mogoče pri Eko skladu dobiti subvencijo (javni poziv 74SUB-OB19).

• Ko gre za vgradnjo prvega ogrevalnega sistema v stavbi, znaša subvencija do 20 odstotkov priznanih stroškov naložbe, vendar ne več kot 2500 evrov za TČ voda/voda ali slanica (kot npr. zemlja)/voda in 1000 evrov za ogrevalno TČ zrak/voda.
• Pri zamenjavi stare kurilne naprave z novo TČ v občinah, kjer ni sprejet odlok o načrtu za kakovost zraka, dosega subvencija do 40 odstotkov naložbe, vendar ne več kot 4000 evrov za TČ voda/voda ali slanica (kot npr. zemlja)/voda in 2500 evrov za TČ zrak/voda.
• Največja je subvencija, ko s TČ zamen­jujemo staro napravo v občinah, kjer velja odlok o načrtu za kakovost zraka. V tem primeru znaša do 50 odstotkov naložbe, vendar ne več kot 5000 evrov za TČ voda/voda ali slanica (kot npr. zemlja)/voda in 3200 evrov za TČ zrak/voda.
• V občinah, kjer je za prednostni vir določen plin, subvencije za TČ ni mogoče dobiti.

TČ zemlja/voda

Tej skupini TČ pravimo tudi geotermalne TČ. Medtem ko temperature zunanjega zraka čez leto močno nihajo, je temperatura tal od globine dveh metrov naprej precej konstantna (glede na sestavo tal in globino med 0 °C in 9°C). TČ zemlja/voda prenaša energijo zemlje v hišo po ceveh, vkopanih v zemljo. V hiši vgrajena toplotna črpalka pretvori zbrano energijo in jo odda radiatorskemu ali ploskovnemu (najpogosteje talnemu) cevnemu sistemu.

Toploto zemlje oz. tal »zbira« v ceveh krožeča mešanica vode in protizmrzovalne tekočine, v notranji enoti se ohladi za pri­bližno 3 °C, ohlajena se vrne v zunanji cevni sistem. Tega predstavljajo bodisi geosonde, ki so v Sloveniji čedalje pogostejše, ali zemeljski kolektorji.

Geosonda izkorišča toploto kamnin na večjih globinah, od 60 do 200 metrov. Pogoj za vgradnjo geosonde, cevne U-zanke, je, da na parceli ni vodovarstvenega območja ali podzemnih jam. Za namestitev je potrebna vrtina, za katero mora izvajalec pridobiti rudarsko dovoljenje. Za izvedbo vrtine je treba imeti na parceli približno 25 kvadratnih metrov površine na sondo in vsaj 2,5 metra širok dostop za vrtalni stroj. Za površino nad geosondo ni omejitev glede ozelenitve ali izvedbe pohodnih ali parkirnih površin.

Drugi način zajema toplote zemlje je zemeljski kolektor, pri katerem se cevne zanke položijo v tla na globino 120 do 170 cm. Običajna dolžina zank je 100 m, razdalja med njimi pa 0,7 metra. Površina, potrebna za izvedbo zemeljskega kolektorja, je 1,5- do 2-kratnik ogrevalne površine v stavbi. Tla, v katera je položen horizontalni kolektor, se lahko ozelenijo, prepovedana pa so drevesa z globokimi koreninami, pokrivanje površine s pohodnimi in povoznimi tlaki in pozidava.

Redkejša različica zemeljskega kolektorja so energetske košare. Pri njih so cevi spiralno zavite v obliki valja ali stožca, visokega pet metrov, skupna dolžina cevi je 70 metrov ali več. Energetske košare se položijo na globino dva metra, vertikalno ali horizontalno. Najbolj zahteven način izkoriščanja toplote tal pa so energetski piloti oziroma temelji objekta. Podobno kot v energetske košare se v pilote oziroma temelje stavbe vgradijo spiralno zavite cevi. V Sloveniji imamo že nekaj primerov tovrstne izvedbe toplotnega vira.

Običajno dosežen COP za TČ zemlja/voda je od 4 do 5.

PREBERITE ŠE: ZEMELJSKI PLIN: TOPLOTNA ČRPALKA IMA LAHKO PLINSKI MOTOR

TČ voda/voda

Zmotno je razmišljanje, da je za ogrevalne sisteme primerna samo vroča podtalnica. TČ voda/voda namreč izrabljajo toploto podtalne vode s konstantno temperaturo od 7 do 12 °C.

Da bi lahko TČ uporabljala toploto podtalnice, morajo na parceli izvrtati dve vrtini, oddaljeni od 15 do 20 metrov, eno za črpanje, drugo za vračanje podtalnice. V prvo vstavijo cev s potopno črpalko. Ta potiska vodo skozi TČ, ki ji odvzame toplotno energijo in jo ohlajeno za 2 do 4 °C vrne po drugi vrtini v vodonosno plast tal. V hiši vgrajena toplot­na črpalka pretvori to zbrano energijo in jo odda radiatorskemu ali talnemu gretju.

Pogoj za ureditev takšnega sistema je zadostna količina vode v sesalni vrtini, da zadostuje za neprekinjeno obratovanje ogrevalnega sistema pri največjih toplotnih potrebah, vendar le v krajih, ki niso razglašeni za vodovarstveno območje. Globina vrtine je odvisna od razpoložljivosti vodnega vira. Za vrtine, globlje od 30 metrov, je potrebno vodno dovoljenje, vodo je treba pred začetkom del kemično analizirati.

Običajno dosežen COP pri TČ voda/voda je od 4,5 do 6.

Hibridne TČ

Dodatna skupina TČ so hibridne toplotne črpalke s samodejno regulacijo, pri katerih se združujejo lastnosti dveh toplotnih virov, bodisi dveh virov za TČ ali TČ in konvencio­nalni ogrevalni vir. Primerne so tam, kjer potrebe po toploti v stavbi presegajo zmog­ljivosti običajnih TČ, ko se lastnik denimo odloči za zamenjavo ogrevalnega sistema, preden energijsko prenovi hišo.

Hlajenje s TČ

Nekatere vrste TČ lahko poleti uporabljamo tudi za hlajenje prostorov. T. i. aktivno hlajenje zagotavljajo reverzibilne toplotne črpalke zrak/voda, pri katerih pri hlajenju deluje kompresor, pasivno pa hladijo TČ zemlja/voda in TČ voda/voda, pri katerih pri hlajenju delujejo samo primarne črpalke. V stavbi potrebujemo za prenos hladu v prostore bodisi konvektorje (dinamično hlajenje) bodisi ploskovno cevno napeljavo (v tleh, stenah ali stropih), ki je sicer pozimi namenjena za prenos toplote.