Toplotne črpalke

Toplotna črpalka deluje na enostaven način, ki ga pri hladilnikih uporabljamo že dolgo. Tekoče snovi, ki se hitro uparijo sprejemajo toplotno energijo iz okolice in jo med utekočinjanjem (kondenzacijo) oddajajo na želenem mestu (Carnotov krožni proces). Toplotna črpalka deluje nasprotno kot hladilnik: od okolice sprejema toplotno energijo in jo oddaja v ogrevanih prostorih, pri čemer izkorišča naravni toplotni zbiralnik okolja. Kot energetski viri se lahko uporabljajo talna in površinska voda, zemeljska toplota, sončna energija in zunanji zrak. Sistem sestavljajo štiri enote: uparjalnik, kompresor, kondenzator in dušilnik. Toplotna energija se prenaša s hladilnim sredstvom. Hladilno sredstvo v uparjalniku sprejema toplotno energijo in izpareva. Para se v kompresorju stisne (komprimira), zaradi česar se močno ogreje. Ta vroča para prenaša toplotno energijo v kondenzatorju na grelno vodo in se utekočinja. V dušilniku se hladilno sredstvo razširi (tlak se zniža na začetnega, od tam gre v uparjalnik in krožni proces se ponovi. Najučinkovitejše je izkoriščanje talne vode. V globini 7m je namreč vse leto stalna temperatura 10°C. Talno vodo črpajo iz črpalnega vodnjaka in jo po uporabi ohlajeno približno za 4°C vračajo v zemljo preko ponikalnega vodnjaka. Tovrstne toplotne črpalke so učinkovite za ogrevanje skozi vse leto. Zemeljska toplota prehaja v sistem plastičnih cevi, položenih 1,5m globoko v tla, skozi katerega se pretaka hladilno sredstvo. V tej globini je temperatura tal 6-10°C. Za vsak kvadratni meter ogrevane stanovanjske površine sta potrebna približno 2,5m cevi. V ugodnih razmerah taka naprava lahko zadostuje za ogrevanje stanovanjske hiše.

druzina

S toplotno črpalko odvzemamo toploto okoliškemu zraku, vodi ali zemlji in z njo segrevamo vodo do temperature 55° C ali več. Za pogon črpalke je potrebno vložiti od 20-30% električne energije, ostalo energijo pa pridobimo iz okolice. Razmerje med vloženo električno energijo in pridobljeno toplotno energijo imenujemo grelno število. Večje grelno število pomeni večji prihranek.

Za ogrevanje s toplotnimi črpalkami so najprimernejši nizko temperaturni sistemi talno, stensko ali konvektorsko ogrevanje. Za zagotovitev optimalnega bivalnega ugodja pa je pomembna tudi ustrezna izoliranost objekta.

Prednosti toplotnih črpalk

  • nižji stroški ogrevanja tudi do 60 odstotkov obnovljiva energija
  • delovanje brez škodljivih vplivov na okolje
  • uporaba obnovljivih virov energije
  • investicija se povrne v nekaj letih
  • potrebujejo malo prostora
  • tiho delovanje
  • ne potrebujejo skoraj nobenega vzdrževanja
  • v poletnem času omogočajo hlajenje hiše
  • enostavno upravljanje
  • ob nakupu je možno pridobiti subvencijo Eko sklada

Kako deluje toplotna črpalka?

Med delovanjem toplotne črpalke, se nekaj toplotne energije pretvori v neko drugo obliko energije, preden se pojavi kot toplotna energija na sprejemniku toplote. Toplotna črpalka uporablja mehansko delo ali kateri drug vir termodinamičnega dela, da doseže zastavljen prenos toplotne energije iz vira k sprejemniku toplote. V klasičnem smislu termodinamike, toplotna črpalka dejansko ne dvigne temperaturo toplote kar pomeni, da ne more skočiti z nižjih temperatur na višje temperature. Ker pa je učinek naprave pri gibanju toplotne energije enak kakor, da toplota teče (čeprav v napačno oziroma nasprotno smer glede na temperaturne razlike), so “toplotno črpalko” poimenovali po analogiji.

Toplotne črpalke delujejo po principih enostavnih fizikalnih zakonov. Toplota, ki je energija, prehaja iz telesa oziroma medija, ki ima višjo temperaturo na telo oziroma na medij, ki ima nižjo temperaturo.

Kako je mogoče da se lahko grejemo z zrakom ali vodo, ki je hladnejša od našega bivalnega prostora?

To je mogoče zaradi fizikalne lastnosti plinov, ki se jim zviša temperatura če jih stiskamo in niža če se plini razširjajo. Toplotna črpalka torej odvzema toploto zraku, vodi ali zemlji in z pomočjo električne energije segreje sanitarno vodo do temperature 55 ºC.

Toplotna črpalka je sestavljena iz kompresorja, ki plin stiska in ga ogreva, ekspanzijskega ventila, kjer se plin razširja in ohlaja, ter dveh toplotnih izmenjevalcev.

Toplotno črpalko lahko uporabljamo tudi za hlajenje manjših kleti ali shramb.

shema-delovanja-toplotne-crpalke

Vrste toplotnih črpalk

Toplotna črpalka lahko pridobiva toploto iz zraka, vode ali zemlje. Odločimo se za tisti vir, ki nam je na razpolago in ki nam daje optimalno količino energije. Z energetskega stališča je najbolj zanimiva uporaba podtalnice če je leta na voljo v zadostni količini in kvaliteti. Povprečna letna temperatura podtalnice je konstantno +10º C. To nam omogoča da dosežemo grelna števila preko 5 in s tem najbolj učinkovito izrabo energije.

V primeru da podtalnica ni na voljo, imamo pa dovolj veliko površino zemlje ob objektu se lahko odločimo za uporabo horizontalnega zemeljskega kolektorja ali vertikalne geosonde. S tem sistemom dosegamo grelna števila okrog 4 kar je še vedno zelo ugodno.Tretja možnost pa je uporaba okoliškega zraka kot vira toplote, kadar prej omenjene možnosti niso izvedljive. S tem sistemom dosegamo grelna števila okrog 3.

Toplotna črpalka voda voda

Toplotna črpalka voda voda je primerna za ogrevanje stanovanjskih in poslovnih objektov ter za ogrevanje sanitarne vode. Kot vir toplote se uporablja podtalnica. Postopek pridobivanja toplote poteka tako , da s pomočjo potopne ali kakšne druge črpalke prečrpavamo vodo iz vrtine skozi uparjalnik toplotne črpalke. V uparjalniku podtalna voda odda toploto in se ohlajena za cca. 3 do 4° C vrača nazaj v zemljo. Za vračanje vode izdelamo ponorno vrtino ali plitvejšo ponikovalnico.

S toplotno črpalko voda voda dosegamo visok izkoristek, oziroma visoka grelna števila konstantno, preko celega leta. Z relativno visoko temperaturo toplotnega vira je razmerje med skupno pridobljeno energijo in vloženo električno energijo najvišje. Vsi ogrevalni sistemi voda voda nudijo zelo široko področje uporabe ogrevanja in ohlajevanja, skupaj s pripravo sanitarne vode. Sistem toplotne črpalke voda-voda zagotavlja največ energije po najnižji ceni.

Za pridobivanje toplote iz podtalnice potrebujemo dva vodna zajetja ali studenca. Iz enega zajetja, podtalnico črpamo in jo, preko toplotne črpalke, vodimo do drugega vodnjaka (ponorja), kjer jo ponovno vračamo pod površino zemlje.

Shema-delovanja-crpalke-voda-voda

Sisteme s toplotno črpalko običajno izvedemo tako, da lahko z njimi hkrati ogrevamo in hladimo objekt. To je z energetskega, ekološkega in tudi ekonomskega vidika najugodnejša rešitev.

V principu je toplotna črpalka podobna kompresorski hladilni napravi in ima tudi enake sestavne elemente: kompresor, kondenzator, dušilni ventil in uparjalnik Razlika je v tem, da hladilna naprava z uparjanjem hladilnega sredstva odvaja toploto iz prostora, to pomeni, da znižuje temperaturo, medtem, ko toplotna črpalka, s kondenzacijo delovnega sredstva, dovaja toploto v prostor. Pri tem izkoriščamo pojav, da se tekočine pri visokem tlaku uparjajo pri višji temperaturi, kot pa je temperatura uparjanja pri nižjem tlaku.

Toplotna črpalka zemlja voda

Toplotne črpalke zemlja voda izkoriščajo toplotno energijo ki je shranjena v kamninah oziroma v zemlji. V zemlji je uskladiščena velika količina sončne energije, ki jo lahko s pomočjo toplotne črpalke uporabimo za ogrevanje hiše ali sanitarne vode. Količina sončne energije, ki jo lahko odvzamemo zemlji je odvisna od sestave tal, od moči toplotne črpalke in načina izkoriščanja tega vira. Za odvzem toplote lahko uporabimo horizontalni zemeljski kolektor ali vertikalna geosonda. Odvzem toplote se izvaja s pomočjo vode, ki ji je dodano sredstvo proti zmrzovanju. Voda kroži v zaprtem cevnem sistemu, položenim na globini od 110 – 130 cm pri uporabi horizontalnega kolektorja ali pa so cevne sonde vstavljene v vrtine globine od 60 – 140 m. Krožeča voda odda toploto toplotni črpalki, ki jo s pomočjo dodane električne energije pretvori na višji temperaturni nivo (do 55° C), vrača pa se ohlajena za cca. 4° C.

horizontalni-zemeljski-kolektor geosonda
Horizontalni zemeljski kolektor Geosonda