Toplotne črpalke: Perspektivna rešitev

 
V vse večji energetski krizi, pri stalnem naraščanju cen, je smotrno iskati varčne sisteme, s katerimi bi bistveno zmanjšali stroške in hkrati zagotovili čim manjše onesnaževanje okolja. Med take gospodarne sisteme sodijo tudi toplotne črpalke. Zanimanje zanje je zadnje čase vse večje. V tem prispevku obravnavamo vse vrste toplotnih črpalk, ki se lahko uporabljajo za ogrevanje, pripravo tople vode (PTV), hlajenje in prezračevanje stanovanjskih hiš. Ti najsodobnejši sistemi so predvsem zelo primerni za nizkoenergijske (klasične in montažne) novogradnje, v določenih primerih in v posebnih razmerah pa so izvedljivi tudi v že zgrajenih hišah.

Toplotne črpalke zrak/voda
Zelo ekonomičen sistem, predvsem za PTV, ki se izredno veliko vgrajuje. Za toplo vodo potrebuje dovolj velik hranilnik toplote: približno 200 do 300 l in toplotno moč do 3 kW, ki zadostuje za porabo tople vode v štiričlanski družini. Naprave se pogosto hkrati uporabljajo za hlajenje prostora, v katerem so nameščene, lahko z ločenim uparjalnikom do 10 metrov narazen, v shrambah za živila, pijačo, tehnološko vodo itd.
Toplotno črpalko zrak/voda je mogoče uporabiti tudi za ogrevanje hiš. V obeh primerih izkoriščamo kot vir toploto zraka. Za ogrevanje prostorov so nameščene zunaj, redkeje pa lahko v sami stavbi. Niso za velike moči, do največ 20 kW, lahko tudi manj. Obratovanje je omejeno. Bolj problematično in manj ekonomično je pod +5 °C do –5 °C, največ –10 ºC, pri nekaterih proizvajalcih pa še niže. V zimskih razmerah grelno število pade od normalnega 2,5 do 3,5 izredno nizko: pod 2 ali celo na 1,8. Pri približno +5 ºC se začne ob večji vlagi na uparjalniku nabirati led, zato je treba urediti avtomatsko odtajanje.
Takšne toplotne črpalke so najbolj primerne za toplejše primorske kraje. Največja temperatura ogrevalne vode je 55 °C, izjemoma do 65 ºC, po potrebi za radiatorsko ogrevanje itd. Pri –10 ºC obratujejo le še s polovično toplotno močjo. če je tako, morajo biti opremljene z dodatnimi električnimi grelniki ali pa jim mora pomagati drug vir ogrevanja; to pa podraži naložbo in tudi obratovalne stroške. Za nizkoenergijske hiše majhnih moči naj bi bilo upravičenomonovalentno obratovanje s cenejšim ogrevanjem, a višjo naložbo.
Toplotne črpalke zrak/voda se lahko priredijo tudi za poletno hlajenje prostorov v reverzibilni izvedbi, vendar le do omejene temperature zunanjega zraka. Pozimi je potem z njimi urejeno ogrevanje prostorov in hkrati celo leto PTV.
Prednosti: cena ni zelo visoka (približno dva milijona tolarjev), vir toplote (zrak) je neomejen, ne potrebuje posegov v okolico (manjši stroški), ne potrebujemo dovoljenja ali soglasja, poceni in preprosta vgradnja, uporabna za obstoječe hiše z odlično toplotno izolacijo, primerna za toplejše primorsko podnebje, uporaba v kombinaciji za prezračevanje z rekuperacijo.
Slabosti: uporabnost le do določene zunanje temperature zraka, pri nizki temperaturi je učinkovitost (grelno število) slaba – toplotna moč pada, potreben je dodatni vir; omejena moč, manj primerna za obstoječe, slabo toplotno izolirane stavbe.
 
Toplotne črpalke voda/voda – podtalnica, površinska voda
Izkoriščajo toploto tekoče ali stoječe površinske vode. Vodo tako črpamo kot vir toplote. Uporabni so tudi vodnjaki z zadostnim pritokom.
Iz podtalnice je mogoče odvzemati toploto tako, da izvedemo dve vrtini: sesalno in ponorno, med katerima naj bo 15 do 20 metrov v smeri toka vode. Globina vrtine je odvisna od globine, na kateri je podtalnica. Temperatura podtalnice je od 6 °C do 10 °C oz. največ 12 ºC, pod + 6 °C pa iz tehničnih razlogov redko. Najnižja uporabna temperatura vode je omejena na +3 ºC. Pogosto je globina vrtine od 5 do 15 metrov, ponekod celo do 40 metrov. Ohlajena voda se iz toplotne črpalke vrača v ponorno vrtino (odprti sistem). če ni čista, je obvezen dodatni toplotni izmenjevalec. Zelo pomemben je zadosten pretok vode: za 1 kW toplote v povprečju približno 0,2 m3/h. Grelno število je izredno ugodno, celo preseže 5, a le v določenih posebnih razmerah, sicer je celoletno manjše. Energijska učinkovitost tega sistema je med vsemi sistemi toplotnih črpalk največja, tudi toplotne moči, ki jih lahko dosegamo, so največje. Za povprečno letno grelno število je treba računati tako kot pri vseh z nekaj nižjo vrednostjo: največ okoli 4.
če je dovolj pretoka vode, je kot vir toplote s to toplotno črpalko mogoče izkoriščati vodnjak, tekoče vode (reke) in stoječe vode (jezera, morska voda). Najvišja temperatura ogrevalne vode je 55 °C, pri visokotemperaturnih izvedbah 65 °C (za radiatorje). Mogoče je tudi aktivno ali pasivno hlajenje prostorov.
Prednosti: visoko grelno število (največja učinkovitost); uporabna za ogrevanje, hlajenje, PTV, visoke moči.
Slabosti: draga naložba – približno 2,5 do tri milijone tolarjev; zahtevna pridobitev soglasja; izvedljivost glede na zadosten pretok vode; potrebne so vrtine; morebitna vsebnost železa, mulja in peska v podtalnici pomeni pogosto čiščenje filtra in potopne črpalke; gladina podtalnice se lahko z leti močno zniža.
 
Toplotne črpalke z zemeljskim kolektorjem – zemlja/voda
V tem primeru gre za odvzem toplote iz zemlje ali iz površinskih voda z nižjo temperaturo z uporabo zemeljskega kolektorja. Cevi iz umetnih materialov, običajno premera 25 do 40 mm, položimo meter do dva metra globoko v zemljo. Razdalja med njimi je 50 do 80 cm. Iz tal dobimo od 10 do 45 W/m2 toplote, odvisno od termoakumulacijske sposobnosti in strukture zemlje. Ta je največja v vlažnih, močvirnih humusnih tleh ali v zemlji s podtalnico, najmanjša pa je v suhi, peščeni zemlji. Sistem je zaprt, krožni.
Primer: za nizkoenergijsko hišo s toplotno močjo ogrevanja 10 kW potrebujemo približno 300 m2 zemlje, pri bolj neugodni strukturi tal pa mnogo več. Obstajajo tudi kompaktni sistemi, ki zahtevajo občutno manjše površine za enako moč. Grelno število (razmerje med ogrevalno in priključno močjo) znaša pri talnem ogrevanju največ približno 4 do 4,5. To pomeni, da je pri toplotni moči 10 kW električna priključna moč le okrog 2,5 kW, pri radiatorskih sistemih pa je letno grelno število manjše. Temperatura zemlje se v globini 1,5 do 2 metra spreminja, s tem pa tudi grelno število oz. toplotna učinkovitost ogrevanja. Maksimalna ogrevalna temperatura toplotne črpalke je 65 °C, kar pomeni nizkotemperaturni sistem.
Sistem le redko v celoti zadosti vsem potrebam zgradbe, pogosteje sta potrebna dva vira toplote, tako da dodatni vir v konici pomaga toplotni črpalki. Za te sisteme je idealno talno in stensko ogrevanje, radiatorsko pa mora upoštevati nizkotemperaturni obratovalni režim, kar pomeni večje radiatorje (s tem se ukvarja projektant).
Toplotne črpalke imajo možnost ogrevanja in hlajenja. Pri ogrevanju toplotna črpalka odvzema toploto zemlji, v obrnjenem obratovanju pa ohlajamedij in odvzeto toploto oddaja v okolico, redkeje v zemljo. Pri pogosto uporabljenem pasivnem hlajenju kompresor ni v pogonu, poraba elektrike je minimalna, kar je priporočljivo.
Prednosti: uporaben za ogrevanje, hlajenje in PTV, visoka učinkovitost – majhni obratovalni stroški za energijo, mogoče so večje moči, majhno nihanje temperature zemlje omogoča visok izkoristek vse leto.
Slabosti: sorazmerno velika naložba (nekako 2,5 do tri milijone tolarjev); ustrezna površina zemlje okoli hiše; manj uporabno za že obstoječe stavbe; spremembe temperature zunanjega zraka in zemlje vplivajo na učinkovitost (na grelno število); zemeljska dela.
 
Toplotne črpalke z zemeljsko sondo – sistemi zemlja/voda
Ta sistem, imenovan tudi energetska vrtina ali geosonda, je priporočljiv, kadar ni mogoče uporabiti sistema z zemeljskimi kolektorji – zaradi premajhne površine parcele – ali ko niso izvedljivi drugi sistemi toplotnih črpalk.
Govorimo predvsem o odvzemu toplote kameninam, redkeje o odvzemu toplote zemljinam. Globina in število vrtin je odvisno od potrebne toplotne moči zgradbe, od strukture kamenin ali zemljin, od izvedbe toplotne črpalke – grelnega števila, temperature ogrevalne vode, toplotne prevodnosti kamenin ali zemljin in od izvedbe zaprtega kolektorskega sistema. Za meter znaša pridobljena toplota povprečno: tla s podtalnico 80 do 100 W/m, vlažna kamnita tla 60 W/m, peščena vlažna tla 40 W/m, suha tla 20 W/m. Primer: za 10 kW toplotne moči pri vrtini 50 W/m potrebujemo dve vrtini po 100 m. Največja globina vrtin je 150 metrov, v praksi je manjša, premer je približno 100 do 150 mm.
Pri bivalentnem obratovanju ne pokrivamo celotne potrebne energije za ogrevanje. V najhujši zimi (ogrevalna konica) regulacija po potrebi vklopi električni grelnik ali drug vir. Pri zemeljski sondi je grelno število manj spremenljivo zaradi sorazmerno stalne temperature tal v vrtini, ki je približno 10 °C (pred začetkom izkoriščanja od 8 do 12 °C, nato se zniža).
če bi s toplotno črpalko pokrili polno obremenitev, bi to pomenilo dražjo investicijo dražje, stroški ogrevanja pa bi bili manjši. če je toplotna črpalka predimenzionirana, je število vklopov in izklopov večje, s tem pa se skrajšuje trajanje kompresorja in toplotne črpalke. Zato je potrebna vgradnja hranilnika toplote – »akumulatorja« pri vseh sistemih Tč. Sistem je zaprt, onesnaženja in vpliva na podtalnico ni.
Aktivno hlajenje je bolj učinkovito. Taka reverzibilna toplotna črpalka je za 5 do 10 odstotkov dražja. Cenejše pa je pasivno hlajenje, saj je temperatura kamenin in zemljin v globini nad 15 m bolj stalna – povprečno 10 °C – in tako medija ni treba hladiti. Pri hlajenju z geosondo in z zemeljskim kolektorjem ne smemo prekoračiti dovoljenega pregrevanja kamenin ali zemljin v bližini kolektorskih cevi. Zaradi izsušitve zemlje se učinkovitost toplotne črpalke zmanjšuje.
Prednosti: potreben je majhen prostor, skoraj povsod je izvedljivo, uporabno za ogrevanje, PTV in hlajenje, visoka učinkovitost – poceni ogrevanje in PTV, ni škodljivega vpliva na okolje, stalnejša temperatura medija ne zmanjšuje bistveno grelnega števila.
Slabosti: rudarsko dovoljenje, draga naložba (približno pet milijonov tolarjev), globoke vrtine (stroški); nezanesljivo je ugotavljanje toplotne prevodnosti materialov in s tem globine vrtine.
 
Toplotne črpalke zrak/zrak
Toplotne črpalke zrak/zrak so pri nas med toplotnimi črpalkami malo v uporabi. V določenih razmerah so uporabne pri toplozračnem ogrevanju stanovanj, pa tudi za hlajenje in druge funkcije. Zanimive rešitve so pri posebnih napravah na osnovi toplotne črpalke tipa zrak/zrak z inverterskim kompresorjem, ki deluje s spremenljivim številom vrtljajev dvojno: za ogrevanje in hlajenje. Drugače kot pri inverterskih klimatskih napravah, ki so hkrati toplotne črpalke, je tu poudarek na ogrevanju, in ne na hlajenju. Za zdaj so primerne le za manjše moči, do 5 kW, obratujejo pa lahko celo do zunanje temperature –10 do –15 ºC, kakovostnejše do –20 °C. Običajna je ena notranja enota na eno zunanjo. Ogrevalna temperatura je okoli 28 ºC, maksimalna do 35 °C, iz česar izhajajo pogoji visoko grelno število in dober izkoristek.
Zaradi majhne toplotne moči je te naprave mogoče uporabiti le v nizkoenergijskih ali pasivnih hišah, v tujini jih zelo pogosto uporabljajo za počitniške hiše.
Hladilna moč je nižja od ogrevalne. To je splošna ugotovitev za vse sisteme. Grelno število je približno 3,5; hladilno pa manjše – približno 3,0, pri boljših tudi več.
Prednosti: najnižja cena investicije med Tč (okoli 500.000 tolarjev), ekonomičen sistem, večnamenska uporabnost: ogrevanje, hlajenje, prezračevanje z rekuperacijo, zahteva majhen prostor.
Slabosti: majhna moč, uporabnost je omejena – ni za večje objekte (razen z več toplotnimi črpalkami); potrebna izredno dobra toplotna izolacija; za nizkoenergijske, pasivne hiše, vikende ...; sistem je mogoče prirediti za PTV, a je dražja rešitev.
 
Kompaktne nizkoenergijske toplotne črpalke
To so kompaktne kombinirane naprave majhnih moči, ki imajo več funkcij: ogrevanje, PTV, hlajenje, kontrolirano prezračevanje (z rekuperacijo vsaj 70 odstotkov) ter čiščenje zraka. Kot vir toplote uporabljajo zrak (lahko kombiniramo z zemeljskim kolektorjem in dodatno sončno energijo). So izredno varčne, sorazmerno cenene naprave manjše toplotne moči – do približno 8 kW in manj, odvisno od izdelovalca – torej zgolj za nizkoenergijske, pasivne klasične in montažne hiše z najmanjšo mogočo močjo. Pri tej napravi je toplotna črpalka običajno reverzibilna z vsemi pripadajočimi elementi, vgrajenimi v dobro zvočno in toplotno izolirani omari. Ponekod so vključeni še sprejemniki sončne energije za PTV in po potrebi za podporo ogrevanju. Te kompaktne naprave lahko prek prenosnikov toplote izkoriščajo tudi topel odpadni zrak za gretje svežega zraka za prezračevanje z rekuperacijo. Temperatura ogrevne vode je navadno do 55 °C, v posebnih izvedbah še višja. Grelno število je 3 do 4.
Prednosti: s to napravo poskrbimo za vse pomembne energijske funkcije in jih ni treba posebej urejati, npr. prezračevanje, rekuperacija, česar drugi klasični ogrevalni sistemi ne omogočajo; je sorazmerno poceni naprava s številnimi funkcijami, z visoko učinkovitostjo in izredno majhno rabo energije.
Slabosti: omejena moč, uporabna le za nizkoenergijske in pasivne hiše, pri nas nimamo izkušenj s to rešitvijo.
 
Za konec
Predstavili smo vse toplotne črpalke, sodobne, varčne naprave, ki izkoriščajo toplotno energijo zemlje, vode, zraka, odpadnega toplega zraka in sonca (v kompaktni napravi). Precejšnja ovira so draga naložba (kljub subvencijam države) in premalo toplotno izolirane stavbe. Veliko podatkov in informacij je mogoče najti o tej temi tudi na spletu, med plodovitejšimi slovenskimi pisci je denimo Bojan Grobovšek.
Za ogrevanje, PTV, hlajenje, prezračevanje z uporabo rekuperacije in čiščenje zraka torej obstaja izredno gospodarna, obetavna in prava rešitev. Tč so veliko bolj ekonomične kot klasični ogrevalni sistemi, ki ne zagotovijo vseh navedenih funkcij v eni napravi. Delovanje Tč je v principu enako: poleg same Tč je prigrajen »akumulator« za ogrevanje, za PTV pa dvoplaščni hranilnik toplote ter regulacija – avtomatika delovanja; različni pa so viri toplote. Podobno je pri hlajenju.
Karkoli že bi izbrali, poiščite začetno strokovno pomoč v energetski svetovalni pisarni, na spletu ali drugod, kjer lahko dobite podrobnejše informacije. Tudi projekt je nujen, običajno ga pripravi dobavitelj sistema. V določenih primerih in za nekatere izvedbe so potrebna ustrezna soglasja oziroma dovoljenja.
Pred odločitvijo je smiselno zbrati več ponudb »na ključ«, preveriti servis, garancijo za opremo in funkcionalno delovanje, izkušnje, kakovost. Med ponudniki pri nas so recimo Termotehnika iz Orle vasi pri Braslovčah, Knut iz Malega Osolnika pri Turjaku, Viessmann in THS iz Maribora, ZEUS Solar iz Predvora, Tehnohlad iz Šmartnega ob Paki, Geosonda iz Kranja ter DE-MAT in E-NET v Ljubljani. Že iz števila ponudnikov je videti, kako veliko je zanimanje za energijske sisteme te vrste.
  
Franc Kalan
Fotografije in ilustracije www.Ivt.se
   

kliknite tukaj za dostop do celotnega članka
 
 
30. november -0001
 
 
Ureditev dvorišč Dežman d.o.o. Tlakovanje, asfaltiranje, ...
Gradnja objektov Lap d.o.o. Gradbeništvo, gradnja na ključ
Urejanje okolice Lap d.o.o. Tlakovanje dvorišč, asfaltiranje
Ureditev dvorišč Dežman d.o.o. Tlakovanje, asfaltiranje, ...