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.

Delovanje

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. [1] 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.

instalacije zagar toplotna crpalka

Izkoriščanje energije

Toplotna črpalka vedno premika toplotno energijo v nasprotno smer od začetne temperature, vendar je toplotna črpalka, ki ohranja toploto klimatiziranega prostora lahko uporabljena bodisi za hlajenje ali ogrevanje, odvisno od tega ali je okolica (prostor) hladnejši ali toplejši od klimatiziranega prostora. Ko so črpalke uporabljene v namen za segrevanje, se uporabljajo zato, ker je manj vhodnih gospodarskih virov energije, kot jih je ponavadi potrebno za ustvarjanje toplotne energije. Potrebno je preoblikovati vire, ki dejansko nimajo in ne oddajajo toploto brez drugih dejavnikov (na primer električna energija) ali plinski plamen, ki je neposreden v zahtevano ogrevanje. To je zato ker toplotna črpalka izkorišča nekaj toplotne energije iz okolja za tisti del, ki zagotavlja ogrevanje ter s tem povečuje učinkovitost procesa.
( wikipedija )

Povsem osnovna definicija pojma delovanja toplotne črpalke je, da slednja premika toploto iz enega vira v drugega. Območje iz katerega se toplota »vzame« je vedno bolj vroče od površine, kam se toplotna dostavi. Toplotni izvor so lahko različne lokacije: zrak, zemlja ali voda. Različni toplotni izvori so tudi vzrok za obstoj različnih tipov toplotnih črpalk.

Sledi še bolj strokovna razlaga…

Toplotna črpalka opravlja prenos toplotne s pomočjo delovnega medija, ki prenaša toploto iz okolice v poljuben ogrevalni sistem s spremembo svojega agregatnega stanja. Hladiva (snovi z nizkimi temperaturami uparjanja) se uporabljajo v toplotnih črpalk kot delovno sredstvo, ki v uparjalniku pod vplivom toplote, ki je bila odvzeta iz okolice prehajajo iz tekočega v plinasto stanje. V obliki plina nato hladivo potuje skozi kompresor, kjer se mu zviša tlak in dvigne temperatura zaradi vloženega mehanskega dela. Kompresorju je potrebno dovesti električno energijo, tekočina pa po izstopu iz kompresorja preide v kondenzator kjer odda toploto ogrevalnemu mediju. Hladivo se nato na račun zmanjšanja gostote začne ohlajati, saj je nastala ekspanzija. Krožni proces je sklenjen ko hladivo preide iz ekspanzijskega elementa ponovno v uparjalnik.
Toplotne črpalke so tudi pri nas vse bolj razširjena rešitev za ogrevanje našega doma pozimi in ohlajanje poleti. Toplotne črpalke črpajo energijo iz okolja (zrak, podtalna voda ali zemlja) s pomočjo kompresorja pa ji dvigne temperaturo, da je primerna za namene ogrevanja, zato so tudi energetsko učinkovitejše.
Glavni razlog, da se odločamo za toplotne črpalke je varčnost le teh. Kot že rečeno, velik del energije izčrpajo iz okolja. Koliko energije izčrpajo pa je odvisno od možnosti, ki jih lokacija objekta ponuja. Seveda bo črpalka varčnejša na področju, kjer lahko več toplote dobi iz zraka, podtalne vode ali zemlje, ker bo potrebno manj energije, da se segreje na temperaturo primerno za gretje. Učinkovitost toplotnih črpalk pa merimo z grelnim številom (COP), ki nam pove, kakšen je izkoristek toplotne črpalke glede na vloženo energijo. Grelno število je odvisno od vrste toplotne črpalke in vira toplote iz okolja. Iz tega sledi, da je poraba elektrike za ogrevanje primerno manjša, ker je del energije pridobljen že iz okolja.
Velika prednost toplotne črpalke je tudi ta, da je vzdrževanje preprosto in poceni. Življenjska doba toplotne črpalke je namreč tudi 25 let.
Upoštevati pa velja tudi, da za toplotno črpalko ni potreben nek dodaten večji prostor ali rezervoar za shranjevanje goriva, niti ni potreben dimnik ali kaj drugega. S tem pa odpade tudi skrb za dobavo goriva, čiščenje dimnikov, shranjevanje goriva in ostalih stvari, ki jih prinesejo drugi načini ogrevanja.
Toplotne črpalke imajo tudi ugoden vpliv na okolje in so trenutno eden izmed najboljših načinov ogrevanja, kar se tiče varovanja okolja. Stopnja emisij je namreč skoraj enaka nič. S toplotno črpalko torej skrbimo za okolje in ga varujemo, vgradnjo toplotnih črpalk pa spodbuja tudi država z eko subvencijami.
Omeniti pa moramo tudi, da toplotna črpalka ne služi samo za ogrevanje, ampak lahko služi tudi za hlajenje prostorov poleti.
Prednosti toplotnih črpalk je veliko, mi pa moramo izbrati pravo in za nas najprimernejšo glede na naše potrebe, da nam bo toplotna črpalka nudila kar največ in bo izkoristek čim večji.

 

KATERO TOPLOTNO ČRPALKO IZKORISTITI?

Najprej moramo vedeti, kateri toplotni viri so na voljo v našem primeru. Najboljše je, če imamo možnost za vgradnjo toplotne črpalke voda/voda, ker te dosegajo najvišje izkoristke. Pogoj pa je, da imamo možnost izkoriščanja podtalne vode oz. v nekaterih primerih površinske vode. Nadaljnja izbira je toplotna črpalka zemlja/voda ali zrak/voda. Pri toplotni črpalki zemlja/voda koristimo toploto, ki je akumulirana v zemlji. Izkoristek tovrstne črpalke pa je odvisen od sestave zemlje in površine, ki je na voljo. Pomembno je vedeti ali je zemlja peščena, ilovnata oz. kakšno sestavo ima, ker je od tega odvisno kakšen bo odvzem toplote.

delovanje toplotne crpalke

Kako deluje toplotna črpalka – korak za korakom

Toplotne črpalke so sposobne proizvesti več ogrevne toplote, kot porabijo električne energije za svoje delovanje. Za odvzem toplote iz okolja uporabljajo klasični hladilni krog, s katerim dvignejo toploto na nivo, primeren za ogrevanje.

  1. Protizmrzovalna mešanica* kroži v cevnem kolektorju in sprejema toplotno energijo iz različnih virov (kamnine, zemlja, zrak in voda)..
  2. V prenosniku toplote (uparjalniku) protizmrzovalna zmes, ki je ogreta v cevnem kolektorju, odda toploto hladilnem sredstvu na nižjem temperaturnem nivoju** v toplotni črpalki. Hladilno sredstvo se upari in segreje za nekaj stopinj.
  3. Kompresor hladilnemu sredstvu dvigne temperaturo in tlak; toplota se na višjem temperaturnem nivoju prek prenosnika toplote (kondenzatorja) prenese v hišni ogrevalni sistem.
  4. Krožni proces hladilnega sredstva se zaključi v dušilnem ventilu, kjer se mu znižata tlkak in temperatura. Postopek se ponovi z vstopom hladilnega sredstva v uparjalnik, kjer ponovno prejme toploto iz zajemnega kolektorja.

* Protizmrzovalna mešanica je zmes, ki ne zamrzne, npr. zmes glikol/voda.
** Uporabljena so sodobna hladilna sredstva, kot npr. ogljikovodiki in ogljikov dioksid. Včasih se je uporabljal freon

 

Pellets- biomass

Voda

Toplotna črpalka voda/kamnine preko talnega kolektorja, ki je lociran v vrtini globine od 50 do 200 m, izkorišča shranjeno sončno energijo iz kamnin in jo uporablja za ogrevanje in pripravo sanitarne tople vode.

 

 

 

Pellets- biomass

Zemlja

Toplotna črpalka zemlja/voda izkorišča shranjeno sončno energijo, shranjeno v površinskem sloju zemlje preko sistema zemeljskih kolektorjev, vkopanih pod površjem zemljišča.

 

 

 

Pellets- biomass

Vir – zrak

S toplotno črpalko zrak/voda ni potrebno izvesti posebnih zemeljskih del, s čimer se zmanjša tudi strošek investicije. Energija se s pomočjo zunanjega modula črpa neposredno iz okoliškega zraka.

 

 

 

Pellets- biomass

Uparjalnik, kompresor, kondenzator, ekspanzijski ventil

Protizmrzovalna mešanica kroži skozi uparjalnik.
Ogrevna voda kroži skozi kondenzator.
Hladilno sredstvo kroži skozi hladilni krog.

 

 

 

Pellets- biomass

Priprava sanitarne tople vode

Ko vklopno tipalo za toplo vodo doseže želeno začetno temperaturo, tripotni preklopni ventil preusmeri tok ogrevne vode v grelno kačo STV v bojlerju . Priprava sanitarne tople vode se zaustavi, ko regulacijski presostat doseže želeni tlak.

 

 

( VIR: Danfos)