Toplotne črpalke » Ogrevanje s toplotno energijo iz okolja
Objavljeno: 10. julij 2024 | Čas branja: 8 minut
Globalno segrevanje, podnebne spremembe, emisije CO2 in učinek tople grede so bile ključne besede, ki so se v zadnjih letih pogosto pojavljale v novicah.
Zato je tako pomembno zmanjšati emisije toplogrednih plinov, kot so fluoroogljikovodiki, metan, dušikov oksid in ogljikov dioksid (CO2). Predvsem ogljikov dioksid, ki ga oddajajo številni ogrevalni sistemi pri izgorevanju fosilnih goriv, kot so premog, nafta ali zemeljski plin, med drugim prispeva k globalnemu segrevanju in podnebnim spremembam.
Zaradi tega so nujno potrebne okolju prijazne ali podnebno nevtralne alternative z uporabo obnovljivih virov energije. Ko govorimo o ogrevanju, se večkrat pojavlja izraz »toplotna črpalka«. Kaj pa so toplotne črpalke, kako delujejo in ali so res rešitev za podnebno krizo? Radi bi odgovorili na ta vprašanja in ponudili zanimive informacije o tej pomembni temi.
V zraku, zemlji in vodi je veliko toplote, ki jo lahko uporabimo za ogrevanje. Razlog za to je sončno sevanje oziroma vroče jedro Zemlje. Razen kipečih gejzirjev na Islandiji pa razpoložljiva toplotna energija žal ni neposredno primerna za ogrevanje. To je zato, ker so temperature zraka, vode ali tal v ogrevalni sezoni pogosto precej nižje od zahtevanih 20 stopinj Celzija (°C), ki se priporočajo kot ciljna sobna temperatura.
Tukaj je potrebno nekaj tehničnega znanja, da zagotovimo, da postopek ogrevanja še vedno deluje, hkrati pa je učinkovit in okolju prijazen. Toplotne črpalke zrak-voda (1) se na primer uporabljajo za dvig razpoložljive toplotne energije (2) v zraku na precej višjo raven (3).
Tako dosežena visoka temperatura oziroma njeno zvišanje se nato prenese v vodni krog ogrevalnega sistema (4). Na ta način je mogoče enostavno in učinkovito ogrevati posamezne prostore, celotne zgradbe in celo celotne komplekse bazenov.
Skrivnost je v tem, da velik del ogrevalne energije prihaja neposredno iz okolja. Na stroške vpliva samo električna energija, potrebna za črpalko (5), ki je idealno pridobljena iz obnovljivih virov energije.
Toplotne črpalke niso nov izum 21. stoletja. Obstajajo že več kot 100 let. Pravzaprav je vsak hladilnik ali zamrzovalnik toplotna črpalka. Edina razlika je v tem, da te hladilne naprave izkoriščajo znižanje notranje temperature in ne odpadne toplote, ustvarjene na zadnji strani. Da boste lažje razumeli delovanje toplotne črpalke, si najprej podrobneje oglejmo funkcije kompresorskega hladilnika.
Značilnosti kompresorskega hladilnika
Hladilnik ima zaprt hladilni krog, ki vsebuje plinasto ali tekoče hladilno sredstvo, kot je izobutan. Izobutan ali R600a ima zelo nizko vrelišče in izhlapi pri -11,5 °C.
Plinasto hladilno sredstvo (1) stisne kompresor (2), ki je nameščen zunaj notranjega prostora, ki ga je treba hladiti (zunaj). Hladilno sredstvo se zaradi Joule-Thomsonovega učinka segreje na približno 60–100 °C. Vroče in stisnjeno hladilno sredstvo se nato dovaja v hladilno zanko ali izmenjevalnik toplote (3) na zadnji steni hladilnika. Tam se toplotna energija preprosto sprosti v okoliški zrak.
Ker je vrelišče hladilnega sredstva pod tlakom veliko višje od -11,5 °C, kondenzira v hladilnem krogu in se spremeni v tekočino. Zato strokovnjaki imenujejo hladilno zanko kondenzator ali kondenzator.
Tekoče hladilno sredstvo nato teče skozi kapilarno cev v notranjost hladilnika (na sredini). Kapilarna cev služi kot loputa ali ekspanzijski ventil (4), ki znižuje tlak in razpršuje hladilno sredstvo. Cev uparjalnika (5) zagotavlja dovolj prostora, da se hladilno sredstvo z znižanjem tlaka vrne v plinasto stanje. Toplotna energija, potrebna za izhlapevanje (hlajenje z izhlapevanjem), se črpa iz notranjosti hladilnika skozi uparjalnik kot toplotni izmenjevalnik. Po uparjalniku se hladilni plin vrne v kompresor, tako da se lahko cikel znova začne. Temperaturo nadzira termostat, ki vklopi ali izklopi kompresor v določenem temperaturnem območju.
Funkcije toplotne črpalke
Toplotna črpalka vsebuje tudi zaprt krog s hladilnim sredstvom, dvema izmenjevalnikoma toplote in kompresorjem. Vendar za razliko od hladilnika uporablja zvišanje temperature in ne njenega znižanja.
V ta namen se plinasto hladilno sredstvo (2) stisne s kompresorjem (1). Ogreto hladivo se dovaja v prvi izmenjevalnik toplote ali kondenzator (3).
Poleg cevi za dovod hladilne tekočine ima ta izmenjevalnik toplote cevi za kroženje hladilne tekočine (4).
Cevni sistemi so med seboj toplotno povezani. To omogoča učinkovit prenos toplote iz stisnjenega hladilnega sredstva v ogrevalni krog s sistemom za distribucijo in shranjevanje toplote.
Ohlajeno in tekoče hladilno sredstvo se skozi loputo (5) usmeri v drugi izmenjevalnik toplote, uparjalnik ali sistem izvora toplote (6). Uparjalnik poleg cevi za hladilno sredstvo vsebuje tudi termično povezano instalacijo za hladilni krog (7). Sistem je običajno napolnjen z antifrizom in vodo in lahko kompenzira mraz, ki nastane zaradi izhlapevanja v uparjalniku, z uporabo toplote okolice. Na ta način toplotna črpalka hladi okolje kot pozitiven stranski učinek. Hladilno sredstvo, ki je zdaj spet v plinastem stanju, se dovaja v kompresor, ki zaključi cikel.
Obstajajo različne vrste toplotnih črpalk, odvisno od medija, iz katerega se črpa energija za ogrevanje. Tukaj bi radi podrobneje pogledali najbolj priljubljene:
Toplotna črpalka zrak-voda
V primeru toplotne črpalke zrak-voda ali toplotne črpalke zrak (glej diagram A) je vir toplote zunanji zrak. V nekaterih primerih so nameščene split enote, pri čemer so kompresor, uparjalnik in ventilator nameščeni zunaj, kondenzator z obtočno črpalko in krmilno tehniko pa znotraj hiše. Toplotne črpalke zrak-voda lahko varčno delujejo do temperature zraka -20°C.
Toplotna črpalka slana-voda
Toplotne črpalke slana-voda, znane tudi kot toplotne črpalke zemlja-voda, kot vir energije uporabljajo naravno geotermalno toploto. V ta namen se zemeljski zbiralniki zakopljejo blizu površine (glej sliko B) ali pa se izvrtajo vrtine (40-100 m) (glej naslednjo sliko C). Čeprav so stroški vgradnje bistveno višji, višje temperature tal praviloma omogočajo večjo učinkovitost toplotne črpalke.
Toplotna črpalka voda-voda
Pri toplotni črpalki voda-voda (glej skico D) se kot vir toplote običajno uporablja podtalnica. Zato potopne toplotne črpalke potrebujejo vodnjak za črpanje in vračanje vode.
Temperatura podtalnice je konstantna vse leto, ne glede na letni čas, zato lahko ti sistemi delujejo zelo učinkovito. Marsikje pa je za uporabo podzemne vode potrebno dovoljenje.
Toplotne črpalke zrak-zrak
Toplotna črpalka zrak-zrak kot vir toplote uporablja zunanji zrak ali zrak, odveden iz hiše. Za razliko od toplotne črpalke zrak-voda se energija ne prenaša v ogrevalni krog, napolnjen z vodo, temveč v prezračevalni sistem. Toplotne črpalke zrak-zrak so idealne za pasivne hiše in energetsko varčne objekte, kjer je predvidena vgradnja prezračevalnega sistema z rekuperacijo toplote.
Toplotne črpalke za toplo vodo
Toplotna črpalka za sanitarno vodo je bila zasnovana posebej za pripravo tople sanitarne vode s tehnologijo zunanjega zraka in toplotne črpalke. Toplotna črpalka in hranilnik vode pogosto tvorita celoto. Pri nekaterih modelih so toplotne črpalke za sanitarno vodo dodatno opremljene z grelnimi elementi, ki lahko po potrebi dvignejo temperaturo vode na približno 65°C. Možna je tudi naknadna vgradnja teh sistemov z dodatnimi priključki za sončne kolektorje, kar omogoča dodatno optimizacijo energetske učinkovitosti.
Dopolnitev toplotne črpalke s sončnimi kolektorji
Seveda je možno toplotno črpalko učinkovito dopolniti in podpreti s sončnimi kolektorji. Uporabljajo se lahko neposredno za pripravo tople vode ali za povečanje moči vira toplote pri nizkih temperaturah. Možnosti na tem področju so tako raznolike, da je vredno načrtovanje zaupati strokovnjakom.
Tehnologijo toplotne črpalke je mogoče uporabiti za ogrevanje in hlajenje domov in zgradb. Zaradi vse bolj vročih poletij je na stenah stanovanj vse pogosteje zaslediti posodobljene klimatske naprave s toplotnimi črpalkami. Ta tehnologija se že desetletja uporablja tudi v vozilih.
Dandanes celo gospodinjski aparati delujejo na podlagi te premišljene tehnologije. Sušilni stroji so priročni in uporabni, zahtevajo pa tudi relativno veliko električne energije. Za zmanjšanje porabe električne energije ob ohranjanju enake učinkovitosti sušenja sodobni modeli uporabljajo toplotno črpalko. Pri sušilnih strojih s toplotno črpalko ni potrebe po nenehnem segrevanju zraka, ki se po končanem sušenju preprosto spusti v prostor ali okolico. Zrak za sušenje se vse pogosteje ponovno uporablja v zaprtem krogu in se zahvaljujoč vgrajeni toplotni črpalki ciljno segreva in ohlaja.
Toplotne črpalke imajo veliko prednosti, a tudi nekaj slabosti, ki jih ne želimo skrivati. Verjetno največja prednost je ta, da večino proizvedene toplotne energije vzamemo iz okolja in je zato na voljo v neomejenih količinah. Če električna energija za pogon kompresorja prihaja iz obnovljivih virov, so toplotne črpalke okolju prijazni ponudniki toplote. Na žalost so investicijski stroški kljub državnim subvencijam visoki. Poleg tega je integracija v obstoječe zgradbe otežena zaradi včasih nizke temperature dovodne vode.
Prednosti:
✓ Okolju prijazen dobavitelj energije
✓ Visoka učinkovitost
✓ Skoraj neusahljivi viri toplote
✓ Visoka fleksibilnost glede virov energije
✓ Nizki obratovalni stroški, hitra amortizacija
✓ Delovanje skoraj brez vzdrževanja
✓ Možnost delovanja v načinu ogrevanja in hlajenja
Slabosti:
✗ Visoki nabavni stroški
✗ Omejena dovodna temperatura
✗ Zahtevana je dobra izolacija stavbe
✗ Optimalna učinkovitost samo v sistemih talnega ogrevanja
✗ Oteženo delo z radiatorji
✗ Za sanitarno toplo vodo je potreben ločen sistem
✗ Načrtovanje in projektiranje izvajajo samo strokovnjaki
Učinkovitost ogrevalnega sistema določa razmerje med dovedeno energijo in uporabno toploto. Če plinski ogrevalni sistem iz 10.000 kWh zemeljskega plina proizvede približno 9.000 kWh toplote, je izkoristek sistema 0,9. Pri toplotnih črpalkah je izkoristek med 2 in 5! To pomeni, da ena kilovatna ura (1 kWh) električne energije ustvari približno 2-5 kWh toplote, ki jo je najbolje pridobiti iz obnovljivih virov energije.
Vendar toplotne črpalke niso čarobni stroji, ki čudežno ustvarjajo energijo iz nič. Visok izkoristek je posledica dejstva, da se v tem primeru pri izračunih upošteva samo potrebna električna energija, ne pa količina dovedene energije v okolje.
Vendar to na koncu ni pomembno, ker je zahtevana okoljska energija na voljo v neomejenih količinah in ne bo prikazana na nobenem računu za elektriko. V idealnem primeru obratovalnih stroškov ni, če ima upravljavec toplotne črpalke tudi fotovoltaični sistem, ki proizvaja električno energijo za kompresor, ventilator in črpalke. Zahvaljujoč obnovljivim virom energije je ogrevanje lahko popolnoma brez CO2.
Eko sklad ponuja finančno podporo za novo toplotno črpalko, da bi ljudi spodbudila k prehodu na podnebju prijazno toplotno črpalko Vendar so nepovratna sredstva povezana s posebnimi merili. Poleg tega se podpora sčasoma spreminja. Zato je pred odločitvijo vredno preveriti, kateri programi financiranja so v veljavi v posameznem letu.