Katere so najpomembnejše prednosti toplotnih črpalk?

Toplotne črpalke večji del toplote proizvedejo iz obnovljivih virov energije, tako da izkoriščajo toploto zemlje, podtalnice, zraka in sonca. Njihova prednost je, da lahko eno napravo uporabljamo za ogrevanje in hlajenje prostorov, pripravo tople vode in celo prezračevanje. Ker je po novih predpisih treba graditi energijsko varčne hiše, ki potrebujejo za ogrevanje malo toplote, so toplotne črpalke zelo primerne, saj so njihove moči lahko bistveno manjše (že od enega kilovata naprej) kot pri plinskih in oljnih kotlih. Največja konkurenca so jim sodobne kaminske peči na pelete z majhno močjo, vendar jih ne moremo uporabljati za hlajenje. Omeniti velja tudi stroške ogrevanja, ki so v primerjavi s fosilnimi gorivi približno za polovico nižji. Še učinkovitejše in cenejše pa je delovanje solarnih in absorpcijskih toplotnih črpalk.

Kako delujejo toplotne črpalke?

Glavni prenos toplote temelji na spremembah agregatnega stanja hladiva, ki je medij prenosa toplote v napravi. Električno energijo je treba napravi dovajati le za delovanje kompresorja, drugi procesi potekajo s prenosom toplote. Toplotna črpalka jo odvzema zunanjemu zraku, zemlji ali podtalnici in jo črpa na višji temperaturni nivo za ogrevanje. Poteka krožni proces, ki je sestavljen iz uparjanja, kompromiranja oziroma stiskanja, kondenzacije in ekspanzije. Toplota vira vstopi v uparjalnik s temperaturo na primer 10 stopinj Celzija in se deloma prenese na hladivo. Tako se vir ohladi na primer na sedem, hladivo pa ogreje na pet stopinj Celzija. Koliko toplote se izmenja med virom toplote in hladivom, je odvisno od temperature vira in količine njegovega pretoka. Pri prenosu toplote se hladivo iz tekočega spremeni v plinasto agregatno stanje, pri tem pa se mu zniža tlak. Uparjeno potuje v kompresor, ki plin stisne, rezultat pa je višja temperatura plina pri enaki prostornini. Ta naraste na približno 40 stopinj Celzija, odvisno od temperature kondenzacije. V kompresorju poteka druga izmenjava toplote. Vroč plin (40 ° C) odda toploto vodi iz ogrevalnega sistema (30° C) in jo tako segreje na približno 35 stopinj Celzija. Plin zaradi padca temperature kondenzira in se spet utekočini, nato gre še skozi ekspanzijski ventil, ki povzroči znižanje tlaka in temperature. Podhlajen se vrne v uparjalnik in krog se ponovi.

Kaj pomeni grelno število in zakaj je pomembno?

Grelno število je razmerje med električno energijo, potrebno za delovanje kompresorja, in energijo, ki jo naprava odda v sistem. Pri tem 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. Grelno število 5 npr. pomeni, da vložimo en del energije in je dobimo pet delov. Večje ko je grelno število, manj električne energije je treba vložiti za enak učinek. Grelno število mora biti izračunano po točno določenih standardih, odvisno pa je od temperature vira toplote in temperature ogrevalnega sistema. 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 dve stopinji Celzija, zemlja/voda pri 0 stopinj Celzija in voda/voda pri 10 stopinjah Celzija. Pri vseh se upošteva temperatura vode ogrevalnega sistema 35 stopinj Celzija, ki je značilna za talno gretje. Toplotne črpalke voda/voda imajo grelno število od 4,5 do 5,5, pri črpalkah zemlja/voda je malo manjše, od 4 do 4,6, in najmanjše pri črpalkah zrak/voda, do 3,5. S spreminjanjem temperature vira čez leto se spreminja tudi grelno število, zato pravi podatek o učinkovitosti naprave dobimo iz letnega grelnega števila. 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.

Kako delujejo solarne toplotne črpalke?

Delovanje je enako kot pri klasičnih, le da je pri solarnih namesto hranilnika vode vgrajen hranilnik z različnimi parafinskimi voski, naprava pa je povezana še s sončnimi sprejemniki zrak/voda. V voskih se hrani latentna toplota iz obdobij, ko je bilo dovolj sonca, in se porabi, ko tega ni. Raba električne energije je zaradi shranjene sončne energije manjša, zato je letno grelno število teh sistemov višje kot pri klasičnih in doseže vrednosti šest in sedem, ogrevanje in hlajenje pa sta še cenejša. Energijo sonca lahko izkoriščamo vsaj 80 odstotkov leta.

Kako deluje absorpcijska toplotna črpalka?

Absorpcijska toplotna črpalka nima kompresorja, energijo za delovanje dobimo od sonca. Delovanje absorpcijskih črpalk je zelo gospodarno, saj potrebujemo elektriko le za delovanje obtočnih črpalk. Te črpalke imajo še za približno 20 odstotkov višje grelno število, ki pa se računa drugače kot pri klasičnih in solarnih.

Kako delujejo kompaktne toplotne črpalke z vgrajenim prezračevanjem?

V kompaktnih napravah so v celoto na razmeroma majhnem prostoru združeni prezračevalna enota z rekuperatorjem toplote odpadnega zraka, toplotna črpalka in bojler za toplo vodo. Toplotne črpalke v teh napravah imajo praviloma manjšo toplotno moč (največ nekaj kilovatov), ki je prilagojena potrebam pasivnih in nizkoenergijskih hiš. 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 toplo sanitarno vodo, nizkotemperaturnemu ogrevalnemu sistemu (npr. talno ali stensko gretje) ter zraku, s katerim prezračujemo prostore. Toplotne črpalke tega tipa dosegajo letno grelno število okoli 4. Toplotna moč naprav, ki izkoriščajo toploto prek zemeljskega kolektorja, je od enega do največ dveh kilovatov in so primerne zgolj za pasivne hiše. Za delovanje nujno potrebujejo ustrezen zemeljski izmenjevalnik, v katerem 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, oddajo bojlerju za toplo sanitarno vodo in zraku, s katerim prezračujemo prostore. Letno 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, kadar je to potrebno.

Kako se lahko s toplotno črpalko poleti hladimo?

Za hlajenje lahko uporabljamo toplotne črpalke, ki so reverzibilne. V prostore je treba vgraditi talno ali stensko, še bolje pa stropno gretje ali konvektorje. Izkoriščamo hlad zemlje, pri čemer ima medij poleti v zemeljskem kolektorju temperaturo približno 16 stopinj Celzija. To je primerna temperatura, ki lahko vstopi prek toplotne črpalke v ploskovni sistem. Vira hladu sta lahko tudi podtalnica in zrak. Pri zadnjem mora biti zajem narejen nekaj metrov stran od hiše in vanjo pripeljan po ceveh pod zemljo, v katerih se pohladi. Hlajenje je lahko pasivno ali aktivno. Pri prvem kompresor črpalke ne deluje, zato je takšno hlajenje skoraj brezplačno, saj električno energijo porabljajo le obtočne črpalke, ki potiskajo zrak oziroma vodo po sistemu. Pri aktivnem hlajenju pa kompresor deluje in aktivno hladi okoliški vir.

Kako se odločimo za najboljši vir toplote za toplotno črpalko?

Toplotne črpalke voda/voda, ki so primerne za ogrevanje prostorov in tople vode vseh vrst hiš, lahko izberemo le, če imamo na zemljišču podtalnico, ki naj ne bi bila globlje kot 30 metrov niti tik pod površino, saj so tam površinske vode, ki zaradi velikih temperaturnih nihanj niso primerne. Preveriti je treba tudi, da temperatura podtalnice ni nikoli nižja od treh stopinj Celzija. Iz sistema se namreč v podtalnico skozi posebno vrtino vrača ohlajena voda, ki ji je bil odvzet del toplote. Ta pa bi lahko povzročila zmrzovanje podtalnice. Optimalna temperatura je od 7 do 12 stopinj Celzija. Pretok vode mora biti vsaj 0,2 m³/h za vsak kilovat moči črpalke. Treba je izvrtati dve vrtini. Po sesalni potopna črpalka črpa vodo na površje, po drugi pa se ta ohlajena vrača v podtalnico.

Toplotna črpalka zemlja/voda izkorišča toploto kamnin (geosonda) ali toploto zemlje (zemeljski kolektor). Če se odločimo za prvo, je treba vrtati zelo globoko, za kar
potrebujemo rudarsko dovoljenje. Stroški izvedbe so zelo visoki, zato je to najmanj primerna izbira za družinske hiše. Primernejše so toplotne črpalke z zemeljskim kolektorjem, ki toploto zemlje izkoriščajo na globini približno 1,1 do 1,5 metra. Če imamo dovolj prostora, je najboljša izbira horizontalni kolektor, ker ima največjo površino. Načeloma velja, da za 200 m² ogrevanih površin potrebujemo približno 400 m² parcele. Lahko pa se odločimo za posebne zanke in košare, ki zavzamejo bistveno manj prostora, le nekaj kvadratnih metrov, kar pomeni, da črpajo toploto z manjše površine. Pomembna je tudi sestava tal. Učinki so boljši, če so tla ilovnata in slabo prepustna za padavine, slabši pa pri prodnatih ali lapornatih tleh.

Najcenejša možnost je toplotna črpalka zrak/voda, vendar imajo te naprave največ omejitev. Najbolj jim niha grelno število, za svoje delovanje porabijo največ električne energije. Njihove prednosti so preprosta vgradnja, saj moramo urediti le zajem zraka, najpogosteje kar na fasadi. Bolj oddaljen zajem je lahko na parceli. Do hiše in toplotne črpalke vodimo zrak po ceveh pod zemljo in ga tako nekoliko ogrejemo. Te toplotne črpalke so primerne za ogrevanje sanitarne vode in ogrevanje pasivnih in zelo dobrih nizkoenergijskih hiš. V bolj potratnih je njihovo delovanje večinoma negospodarno, saj porabijo preveč električne energije.

Kaj je 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. Pri črpalkah zemlja/voda in voda/voda je bivalentna točka lahko precej nizka, saj ne glede na zunanje temperature temperatura vira ne pade pod nič stopinj Celzija, zato naprave brez večjih težav delujejo pri –15 in celo –20 stopinj Celzija. Največ težav je pri črpalkah zrak/voda, ki optimalno delujejo do zunanje temperature –5 ali morda do –7 stopinj Celzija, ko temperatura zraka pade pod to točko, pa potrebujemo dodaten vir toplote. Lahko bi delovale tudi pri nižjih temperaturah, vendar bi morali izbrati črpalko bistveno večje moči, kar pa je negospodarno.

Ali so toplotne črpalke uporabne tudi v starejših hišah?

Le pod določenimi pogoji. Smiselno je, da v hiši najprej s toplotno izolacijo in vgradnjo toplotnoizolativnih oken zmanjšamo toplotne izgube. Tako lahko vgradimo toplotno črpalko manjše moči, manjši bo tudi hranilnik toplote, večje bo grelno število, manjša bo raba električne energije in zato bodo stroški ogrevanja nižji. V hišah z velikimi toplotnimi izgubami moramo izbrati naprave z močjo 15, 20 ali celo več kilovatov in večji hranilnik toplote. Če imamo v prostorih radiatorje, potrebujemo visokotemperaturno črpalko. To ni gospodarna naložba, zato se je bolje odločiti za kondenzacijski kotel na plin ali lesno biomaso.

Delo in dom, 22. september 2010