Ogrevati s toplotno črpalko

Z tehnologijo toplotne črpalke izrabljamo shranjeno sončno energijo iz zraka, vode in zemlje. Ta tehnologija šteje v sedanjem času za  eno  najbolj sodobnih sistemov ogrevanja, ki so na trgu. Že pred 140 leti je Avstrijec Peter Ritter von Rittinger, pri pridobivanju soli  na jezeru Ebensee, prvi krat dojel nedvomen pomen shranjene toplote, ki jo lahko uporabimo za ogrevanje prostorov in pripravo tople vode. 

Zanesljiva tehnologija, nove možnosti

Toplotna črpalka je paradni primer za uradno pridobivanje toplote. Za okoli 100 % ogrevalne energije potrebujemo samo 25 % pogonske energije. Ostalih 75 % pridobimo iz okolja shranjene sončne energije. Če ta nizek vložek pogonske energije proizvedemo s pomočjo električne energije iz obnovljivih virov, je toplotna črpalka ena okolju najbolj prijaznih sistemov ogrevanja.

Toplotna črpalka se v obliki hladilnika že leta uporablja v vsakem gospodinjstvu, kjer v več milijonih primerov dokazuje svojo sigurno delovanje. Z izmeničnim izparevanjem in utekočinjanjem hladilne tekočine, odvzame toploto iz notranjosti hladilnika in jo oddaja v okolje. Na sliki št. 1 so prikazani načini za izrabo energije s toplotno črpalko.

V primerjavi s tem, odvzame toplotna črpalka iz zemlje, vode ali zraka toploto in »črpa« iz okolja pridobljeno energijo v ogrevalni sistem. Sonce pošilja na Zemljo letno velike količine brezplačne energije, katera se nakopiči v zemlji, vodi in zraku. V kolikor hočemo to shranjeno sončno energijo uporabiti z nizkotemperaturnim ogrevalnim sistemom,  potrebujemo toplotno črpalko.

Za nizko energijsko hišo, s povprečno velikostjo, potrebujemo, v najbolj hladnem zimskem obdobju, okoli 5,0 kW toplotne energije in za pasivno, približno 2,5 kW, kar ni veliko. Tako potrebujemo, v prvem primeru,  za ogrevanje povprečno moč 1,5 kW in v drugem, za pasivno hišo, na osnovi svežega zraka, ki ga dovajamo predgretega skozi zemljo, le okoli 0,5 kW, kar pa je zanemarljivo.
Velike površine nizkotemperaturnega ogrevalnega sistema , kot sta stensko in talno ogrevanje, imata številne prednosti in sta danes, zaradi ugodnega počutja, že povsem sprejemljiva.

Na osnovi nizke temperature ogrevalnega medija v predtoku, maksimalno do 30 ^oC, je izkoristek toplotne črpalke tako dober, da danes njen učinek že dosega število 4. Številka učinka pove, kolikokrat več moči, za ogrevanje prostorov, imamo na razpolago, od vložene električne energije, ki jo porabimo za pogon toplotne črpalke. Drugače rečeno: Iz toplotne črpalke pridobimo za en kW vložene električne energije, do štiri kW toplotne energije. Rezultat tega so nižji stroški in visoka učinkovitost.  Na sliki št. 2 je v prerezu prikazan način delovanja toplotne črpalke.

Kako deluje toplotna črpalka

Tehnologija toplotne črpalke je primerljiva s hladilnikom, samo v obrnjenem smislu. V krožnem sistemu (Carnot-sistem) se, iz okolja odvzeta toplota, prenese na visok temperaturni nivo in se uporabi za ogrevanje. V tokokrogu kroži hladilna tekočina z nizko temperaturo vrelišča.

• 1.       V uparjalnik, s hladilno tekočino, dovajamo toploto iz okolja.  Tu preide iz tekočega v plinasto agregatno stanje. 
• 2.       Hladilna tekočina v plinastem stanju se močno zgosti in pri tem ogreje na visoko temperaturo. Za takšen prehod potrebuje toplotna črpalka okoli 25 % električne energije.
• 3.       Toplotna energija se prenese direktno na ogrevalni krogotok. Hladilna tekočina pa se medtem ponovno ohlaja in utekočini.
• 4.       V ekspanzijskem ventilu se hladilna tekočina, zaradi znižanega tlaka, tako močno ohladi, da lahko ponovno prevzema toploto iz okolja.            

Tipi toplotnih črpalk

Glede na uporabo energije, ki jo pridobimo iz okolja, vode, zemlje ali zraka in glede na ogrevalni medij, voda ali zrak, lahko uporabimo naslednje vrste toplotne črpalke:

• Toplotna črpalka - voda / voda
• Toplotna črpalka - zemlja / voda
• Toplotna črpalka - zrak / voda
• Toplotna črpalka - zrak / zrak

Prve tri naštete so primerne za ogrevanje in za pripravo tople vode. Četrta pa se uporablja za kontrolirano prezračevanje s toplim zrakom.

Način delovanja toplotne črpalke

O monovalentnih toplotnih črpalkah govorimo, kadar, skozi celo leto,  potrebno toploto pridobimo   izključno le, s toplotno črpalko. Za takšen način delovanja so primerne toplotne črpalke, ki delujejo po sistemu:

• Voda / voda
• Zemlja / voda

Toplotne črpalke zrak-voda in zrak-zrak so večinoma brez dodatnih pripomočkov, na primer, nimajo vgrajenega  toplotnega menjalnika, s katerim bi lahko zagotovili ogrevanje iz zemlje tudi pri nizkih zunanjih temperaturah. Tako ne zadoščajo za samostojno ogrevanje. 

Po nekaj hladnih dnevih, v katerih za ogrevanje zgradbe toplotna črpalka več ne zadošča, je potrebno vključiti dodatno ogrevanje, oziroma bivalentno, ogrevanje.

Zemeljski toplotni izmenjevalnik

Zrak -voda in zrak-zrak toplotne črpalke so primerne v zimskem obdobju, samo za monovalentno delovanje, kadar hladni zunanji  zrak, še preden preide v toplotno črpalko, predhodno ogrejemo na +2 do +3 ^oC. To lahko storimo v odgovarjajoče velikem betonskem vodnjaku, s premerom od 250-300 mm in dolžine 80-120 m.

Da zagotovimo, da se tla pod kletjo preveč ne ohladijo, moramo energijski vodnjak vgraditi neposredno poleg objekta in ne pod samo zgradbo. Energijski vodnjak mora biti vgrajen v minimalni globini 1,5 m, da preprečimo zmrzovanje.

Toplotna črpalka voda - voda

Za kW toplotne moči je potrebnih približno 240 litrov podtalnice na sekundo, ki ima vstopno temperaturo od 8 do 10 ^oC in za hlajenje od 3 do 4 ^oC.

Toplotna črpalka voda-voda lahko toplotne potrebe za hišo pokriva skozi celo leto samostojno (monovalentno). Podtalnica je na voljo le v omejenih količinah in njena uporaba potrebuje predhodno pridobitev ustreznih dovoljenj. Za uporabo podtalnice potrebujemo dva vodnjaka. V prvem vodnjaku podtalnico pridobivamo in jo prečrpavamo v drug vodnjak, ki je oddaljen minimalno 15 m. Tu se, ohlajena podtalnica, ponovno odvaja v zemljo. 

Toplotna črpalka zemlja-voda

V zemljo shranjeno sončno energijo lahko uporablja s pomočjo ravnih zemeljskih toplotnih zbiralnikov ali, iz globoko v zemljo, izdelanih vrtin (zemeljska sonda). Na sliki št. 3 je prikazan način delovanja toplotne črpalke zemlja-voda s pomočjo ravnega zemeljskega toplotnega hranilnika.

Toplotne črpalke zemlja-voda delujejo bodisi po postopku z direktnim uparjanjem, kjer se hladilni medij uparja direktno v ceveh in se, brez toplotnega menjalnika, zgoščen dovaja v kompresor, ali indirektno, kot zaščitna mešanica (dva dela vode in en del Glikola), kjer se toplota, ki je hranjena v zemlji, prenese na krogotok toplotnega hranilnika. Pri pogonu z zaščitno tekočino, je v toplotni črpalki potreben dodatni toplotni menjalnik.

Toplotna črpalka zemlja-voda dosega letno grelno število 3,5 do 4,0 in lahko samostojno (monovalentno) pokriva toplotne potrebe skozi celo leto.

Globinsko vrtanje - zemeljska sonda

Pri omejeni velikosti zemljišča lahko izvedemo hranilnik toplote z navpičnim vrtanjem zemeljske sonde, v globino od 50 do 200 m.  Za izvedbo toplotnega hranilnika so idealna vlažna ilovna tla. Suha peščena tla niso primerna. Za kW toplotne energije potrebujemo od 12 do 15 m globoko vrtino. Za eno ali za večje število potrebnih vrtin, se običajno izvrtajo vrtine do globine 100m, v posameznih primerih pa lahko tudi do 200 m. Potrebni minimalni odmik med vrtinami mora znašati  vsaj 5 m.

Zemeljske sonde ne uporabljamo samo na osnovi obnovljivih virov energije preko Sonca, temveč tudi za koriščenje geotermalne energije, kjer je v globokih zemeljskih plasteh, na vsakih 100 m za približno 3 ^oC višja temperatura.  

Slika št. 4 prikazuje diagram za nivo temperature zemlje, ki je odvisen od letnega časa, v globini od 0 do 20 m. V globini 20 m je temperatura zemlje neodvisna od letnega časa in znaša okoli 10 ^oC. Pod vplivno področje sončnega sevanja se upošteva srednja temperatura okroglo 3 ^oC na 100 m globine, kar pomeni, da znaša temperatura zemlje okoli 13 ^oC. Zaradi tega je monovalentna toplotna črpalka za delovanje mogoča skozi celo leto.

Pod vplivom sončnega sevanja, se temperatura zemlje poveča za približno 3 ^oC. To pomeni, da je temperatura zemlje v globini 100 m okoli 13 ^oC, kar zadostuje za monovalenten način delovanja toplotne črpalke.

Sonde se izdelajo iz plastične cevi v obliki črke U, kjer sta predtok in povratni tok. Tako imenovana U cev je vtaknjena v večjo plastično ovojno cev, katera je zapolnjena s toplotno prevodno maso. Ovojna cev meji na zemljo in poskrbi za prenos toplote iz zemlje na ogrevalni medij v U cevi, ki kroži do toplotne črpalke, kjer odda toploto in se ohlajena ponovno vrne nazaj, v vrtino. Slika št. 5 prikazuje razporeditev zemeljskih sond.