Osnove

Toplotne črpalke so namenjene ogrevanju in hlajenju prostorov ter pripravi tople sanitarne vode, za kar pa potrebujejo vir toplote. Pri ogrevalnih sistemih s toplotnimi črpalkami imamo tri med seboj povezane sklope: vir toplote, toplotna črpalka, ogrevala

Vsi trije sklopi morajo biti med seboj pravilno usklajeni, ker bomo le tako dobili učinkovit sistem, ki bo nudil uporabniku ugodje in nizke stroške obratovanja.

Pri razmišljanjih o toplotnih črpalkah moramo najprej preveriti možnost virov toplote. Vir toplote mora imeti čim višjo temperaturo in mora biti konstanten. Višja kot bo temperatura vira v okolici našega doma, nižji bodo stroški ogrevanja. Toplotne črpalke najpogosteje uporabljajo kot vir zemljo, podtalno vodo in zrak.

Na stroške ogrevanja pa lahko vplivamo tudi sami z izbiro katerega od nizkotemperaturnih sistemov ogrevanja, ki so priporočljivi s stališča zmanjšanja izgub. Najvišje ugodje nam nudi talno ali stensko ogrevanje, možna pa je tudi uporaba radiatorjev, pri čemer moramo zaradi nižje temperature predvideti nekaj večjo površino. Vse pogosteje prihajajo v naše kraje tudi sistemi z zračnim (konvektorskim) ogrevanjem, ki omogočajo tudi hlajenje v poletnem času.

V vseh primerih (oz. kar pogosto) pa toplotno črpalko kombiniramo z drugimi ogrevalnimi napravami, ki uporabljajo klasične (plin, kurilno olje) ali obnovljive vire (sonce, biomasa, ...). Takšni sistemi so še učinkovitejši in cenejši pri obratovanju a je njihova investicija višja.

Priprava tople sanitarne vode je možno sočasno s pripravo vode za ogrevanje prostorov. Takšen sistem je opravičljiv, če ga omogoča že sama toplotna črpalka s svojo konstrukcijo, sicer pa je pogosteje, da za toplo sanitarno vodo uporabimo ločeno toplotno črpalko ali dogrevamo vodo z dodatnim virom. Tako bo toplotna črpalka za ogrevanje dala kar najboljše rezultate.

Kako deluje
Delovanje toplotne črpalke je podobno delovanju gospodinjskega hladilnika. S pomočjo električne energije dosežemo, da toploto odvajamo iz hladnejšega prostora v toplejšo okolico in s tem spremenimo naravni tok toplote. Osnova pa je krožni proces.

Toplotna črpalk je funkcijsko sestavljena is štirih osnovnih komponent: kompresor, kondenzator, dušilni organ in uparjalnik. Znotraj teh elementov in povezav je hladivo, ki ga poganja kompresor. Kompresor dvigne tlak hladivu in temperaturo, na preko 60°C (lahko tudi preko 80°C). Toplote na tej najvišji temperaturi pa je malo, večino jo dobimo na kondenzacijski temperaturi, ki je običajno med 40 in 50°C. Toploto toplotna črpalka odda ogrevalnemu sistemu preko kondenzatorja. Nasprotno funkcijo od kompresorja ima dušilni organ (ventil ali kapilara), kjer hladivu tlak in temperatura močno padeta. Temperaturo in tlak za dušilnim ventilom določimo predvsem glede na temperaturo vira toplote. V uparjalniku (prenosniku toplote) sprejme hladivo toploto iz vira toplote posredno ali neposredno.

Hladivo v toplotnih črpalkah je običajno R407C ali 134a. Obe hladivi sta ekološko sprejemljivi saj nimata vpliva na tanjšanje ozonske plasti (ODP), imata pa določen vpliv na učinek tople grede. V prihodnje lahko pričakujemo tudi toplotne črpalke, ki bodo uporabljala naravna hladiva, med njimi tudi ogljikov dioksid. Količina hladiva v klasični toplotni črpalki je majhna običajno pod 500 g (kompaktne izvedbe), pri deljenih je lahko količina večja.

Poleg kompresorskih toplotnih črpalk, ki so trenutno v večini, poznamo tudi absorpcijske toplotne črpalke. Nalogo mehanskega kompresorja opravlja termični kompresor, naprava pa je brez gibajočih delov. Kompresorske toplotne črpalke

Količina energije, ki jo porabijo toplotne črpalke za pogon je odvisna od temperaturne razlike. Večja kot je temperaturna razlika, več električne energije bomo potrebovali. Naš cilj je torej, da prostore ogrevamo s čim nižjo temperaturo (NE na čim nižjo temperaturo).

Toplotne črpalke za pripravo tople sanitarne vode

Toplotne črpalke za pripravo tople sanitarne vode so se v zadnjem času precej razmahnile. Njihova prednost je v enostavni postavitvi in ekonomičnem delovanju. Najpogosteje uporabljamo toploto zraka, ki jo jemljemo iz prostorov, kjer želimo imeti nižjo temperaturo. Zaradi možnosti pregrevanja na temperaturo 60°C (higenske zahteve) je običajno dodan električni grelnik ali prenosnik toplote, ki uporablja toploto iz npr. kotla. Toploto iz kotla lahko uporabimo tudi v zimski sezoni.Enostavna primerjava stroškov priprave tople vode (brez investicije) med toplotno črpalko in električnim grelnikom nam pokaže, da zmanjšamo stroške energije za tolikokrat kolikor je  grelno število (okoli 3) pri pogojih segrevanja vode. Ker pa moramo upoštevati, da pri delovanju pogoji niso idealni je potrebno glede na pogoje ta faktor nekoliko zmanjšati, še vedno pa sta poraba in strošek električne energije bistveno manjša.

Toplotne črpalke za ogrevanje

Pri odločitvi za ogrevanje moramo upoštevati tudi izbrani ogrevalni sistem. Pri novogradnjah to ne predstavlja ovir, saj so zgradbe dobro izolirane in običajno je že upoštevan nizek temperaturni režim ogrevanja.

Za ogrevalne sisteme s toplotnimi črpalkami so najprimernejši:
- talno ali stensko ogrevanje
- toplozračno ogrevanje
- nizkotemperaturno radiatorsko ogrevanje
- Talno ogrevanje

Najvišja površinska temperatura tal v bivalnih prostorih ne sme presegati 29°C. Višjo temperaturo imamo lahko le na področjih z velikimi toplotnimi izgubami (ob zunanjih stenah, ob velikih oknih ali zastekljenih površinah) in v kopalnicah. Za ta področja je dovoljena najvišja temperatura 35°C. Višjo površinsko temperaturo dosežemo z enako temperaturo dovoda, a z večjo gostoto cevi v tleh.

Stensko ogrevanje
Stensko ogrevanje daje, enako kot talno ogrevanje, občutek ugodja, ki je posledica toplih sten. Stensko ogrevanje se pogosto uporablja v kombinaciji s talnim ogrevanjem, predvsem kadar je pri prenavljanju prostorov prišlo do sprememb, ki vplivajo na moč talnega ogrevanja. Za stensko ogrevanje se odločimo tudi v primeru, ko ne moremo ali ne želimo spreminjati tal (dvig nivoja).

Toplozračno ogrevanje
Toplozračno ogrevanje pridobiva na veljavi predvsem z nizkoenergijskimi hišami in izrabo toplote odpadnega zraka. Pri toplozračnem ogrevanju moramo v zgradbi predvideti prostor za zračne kanale in upoštevati, da pri tem nastaja tudi šum. Pomemben je tudi način vpiha, ki bo zagotavljal občutek ugodja. Toplozračni sistemi omogočajo tudi hlajenje za kar uporabimo isti sistem razvoda zraka.

Radiatorsko ogrevanje
Radiatorji so še vedno najbolj razširjena ogrevala, čeprav imajo mnoge pomanjkljivosti glede zahtevane temperature in posredno tudi večje porabe energije. Za enako ugodje je potrebno prostor segreti na višjo temperaturo kot pri stenskem ali talnem ogrevanju.
Pri starejših zgradbah, kjer je bilo radiatorsko ogrevanje z višjim temperaturnim režimom, je potrebno narediti izračun primernosti uporabe toplotne črpalke. V preteklosti so običajno močno predimenzionirali ogrevala (radiatorje) in lahko se zgodi, da po menjavi oken in dodatni izolaciji zgradbe, s čimer smo zmanjšali stroške za ogrevanje, lahko uporabimo toplotno črpalko brez večjih predelav.

Kombinirano ogrevanje
Pri načrtovanju ogrevalnega sistema se lahko odločimo tudi za kombinacijo različnih ogreval. Najpogostejše so kombinacije talnega ogrevanja (predprostor in kopalnica) in radiatorskega
ogrevanja. Zavedati pa se moramo, da mora toplotna črpalka v tem primeru dosegati tisto temperaturo, ki je najvišjo najvišja (običajno radiatorji).

Toplotna črpalka bo delovala tem bolj učinkovito (ekonomično) čim nižja bo temperatura na vstopu v ogrevala.

Viri toplote

Toplotna črpalka sprejema toploto sonca in zemlja, vendar pa ne čisto neposredno. Sonce segreva zemljo in zrak, toplotna črpalka pa jima odvzema toploto. Tudi voda, ki je pogosto vir toplote sprejema toploto predvsem od sonca.

Vire toplote delimo na dve glavni skupini: toplota zraka in toplota zemlje (ground source). Glavna razlika med njimi je ta, da se učinkovitost toplotne črpalke, ki izkorišča toploto zraka, dosti bolj zniža s padcem zunanje temperature kot v primeru izkoriščanja toplote zemlje ali podtalne vode. Toplotna črpalka, ki uporablja zunanji zrak kot vir toplote le redko lahko (na učinkovit način) zagotavlja potrebne moči za ogrevanje objekta preko celega leta (ogrevalni sistem ne more biti monovalenten) in običajno povezan s pomožnim virom toplote.

Glede na temperaturne nivoje in stalnost lahko običajne vire toplotnih črpalk
razdelimo na:
- zemlja
- podtalna voda in
- zrak.

Zemlja
Zemlja preko celega leta sprejema toploto sonca. V poletnem času sonce obseva površino zemlje z močjo do 1000 W/m2 (odvisno od lokacije), pozimi pa le z močjo do 200 W/m2. V poletnem času zemlja del toplote shrani in s tem počasi segreva zgornji sloj (do okoli 10 ali 20 m, odvisno od sestave). Temperatura zgornjega sloja se torej preko leta spreminja. Zgornjih nekaj cm zemlje ima podobno temperaturo kot je povprečna dnevna temperatura globlje v notranjosti pa je temperatura nižja in manj spremenljiva. Na okoli 10 m se skoraj ne spreminja več ima približno povprečno letno temperaturo zraka.

Pri sprejemu toplote iz zemlje lahko le-to sprejemamo
Možno je odvesti med 10 W (suha tla) do 40 W (mokra tla) na kvadratni meter površine v najhladnejšem delu leta, seveda odvisno od lokalnih geoloških pogojev.

Podtalna voda
Temperatura podtalne vode je običajno zelo konstantna in znaša okoli 10-12°C. Za uporabo podtalne vode je potrebno pridobiti vodno dovoljenje, ki ga izda MOP oz. ARSO. Običajno toplotna črpalka ohladi vodo za 3 do 4°C temperaturo. Močnejše ohlajanje ni primerno niti za okolje niti za napravo.

Pri uporabi vode kot vira toplote le te ne onesnažimo, saj je ločena od same toplotne črpalke. Pred njeno uporabo pa je nujno izvesti črpalni test, ki nam pove kakšen je pretok podzemne vode.

Zrak
Zrak kot vir toplote lahko učinkovito uporablja na področjih z milejšim podnebjem (na primer na Primorskem), kjer lahko črpalka pokriva celotne potrebe po toploti. V preostalem delu Slovenije, je s stališča učinkovitosti, primerneje uporabiti bivalentni način delovanja s pomožnim virom energije, ki ga lahko uporabljamo tudi za pripravo tople vode (na primer kotel na fosilna goriva ali biomaso). Največja pomanjkljivost zraka je, da takrat ko najbolj hladno potrebujemo največ toplote, hkrati pa toplotna črpalka v takih razmerah da najmanjšo toplotno moč in je najmanj učinkovita. Paziti moramo tudi na hrup, ki ga lahko povzroča zrak. Zato je potrebno predvideti pravilno postavitev in eventualne dušilnike zvoka.

© Sig instalacije d.o.o, Ljubljana 2008, info@siginstalacije.si, Produkcija: Premedia