Ukr_top_pumpe
Ukratko o toplinskim pumpama

Ukratko o toplinskim pumpama

Što su to uopće toplinske pumpe, kakve vrste postoje i na koji način smanjuju troškove grijanja?

Mnogi ljudi dosad su se vrlo malo susretali s pojmom "toplinska pumpa" ili "dizalica topline". Pa iako to i nije najnovija tehnologija (dapače, prve ideje javile su se još u 18. stoljeću) financijski aspekt odnosno cijena takvog uređaja vjerojatno je glavni faktor koji koči realizaciju takve tehnologije u vlastitom domu. No, širenjem svijesti o potrebi zaštite okoliša, politikama država o poticanju u ulaganje i korištenje obnovljivih izvore energije kao i pojavom jeftinijih rješenja, toplinske pumpe postale su pristupačnije prosječnom građaninu, iako, još uvijek nedovoljno prepoznate i s izostankom u široj primjeni kao jeftini i ekološki čist način grijanja.

 
Krenimo redom.
 
Sam pojam "toplinska pumpa" ili "dizalica topline" odnosi se na različite tzv. HVAC (heating, ventilating and air-conditioning) uređaje koji se koriste za grijanje ili hlađenje prostora na način da crpe toplinsku energiju iz određenog izvora topline te je prenose do određenog akumulacijskog odredišta. To su uređaji dizajnirani za prijenos toplinske energije suprotno od smjera spontanog toplinskog toka apsorbirajući pritom toplinu iz hladnijeg okoliša i prenoseći je u toplije okruženje, pritom koristeći određenu količinu energije potrebne za funkcioniranje cijelog procesa.
 
Konkretnije, to su sustavi grijanja koji, uz vrlo malu potrošnju električne energije, toplinu potrebnu za grijanje crpe iz zemlje, vode ili zraka, dakle besplatnih i obnovljivih izvora energije, te je prenose u sustav za centralno grijanje ili pripremu potrošne tople vode.
 
Princip rada toplinske pumpe bazira se na lijevokretnom Carnotovom kružnom procesu, koji toplinu u stroju pretvara u rad. Pri tome  koristi rashladni medij, najčešće neki od plinova freona. Način rada toplinske pumpe gotovo je identičan kao i rad npr. običnog kućnog hladnjaka, samo što je razlika u tome što kućni hladnjak oduzima toplinu namirnicama i predaje je u okoliš, dok se kod toplinske pumpe dešava obrnuti proces. Najjednostavniji i najpoznatiji oblici toplinskih pumpi su različiti inverter klima uređaji koji griju i hlade.
 
Kako točno funkcionira sustav toplinske pumpe ?
 
Ukratko, rashlani medij koji je prenosioc topline, cirkulira sustavom toplinske pumpe čije su glavne komponente isparivač, kompresor, kondenzator i termo ekspanzijski ventil.U tom procesu prolazi kroz dvije izotermne i dvije adijabatske promjene. Izotermna promjena   odnosi se na proces razmjene topline odnosno promjene sistema gdje temperatura ostaje konstantna dok suprotno tome, adijabatska promjena označava proces u kojem je izostao prijenos topline između sistema i njegove okoline. Izotermne promjene dešavaju se u isparivaču i kondenzatoru, dok se adijabatske promjene dešavaju u kompresoru i termo ekspanzijskom ventilu. Shematski, funkcioniranje cijelog sustava izgleda ovako:
 
 
Isparivač uzima toplinu iz okoliša (voda, tlo, zrak) nakon čega zagrijani rashladni medij koji se nalazi u parnoj fazi putuje prema kompresoru. Ovdje se dešava prva izotermna promjena.
U kompresoru zatim dolazi do adijabatske kompresije odnosno promjene gdje tlak medija raste a time i njegova temperatura, nakon čega tako zagrijani medij kreće prema kondenzatoru.
U ovoj fazi kondenzator prikupljenu toplinu rashladnog medija predaje vodi ili nekom drugom prostoru koji želimo zagrijati. Došlo je do druge izotermne promjene. Ovdje rashladni medij iz parne prelazi u tekuću fazu.
Na kraju, u posljednjoj fazi, rashladni medij prolazi kroz termo ekspanzijski ventil gdje se dešava druga adijabatska promjena tijekom koje rashladni medij gubi tlak te mu pritom opada temperatura i tako rashlađen spreman je za novi krug.
Vrlo je važno za cijeli proces je da rashladno sredstvo u trenutku kompresiranja postigne dovoljno visoku temperaturu potrebnu za oslobađanje topline kada prolazi kroz kondenzator te da, s druge strane, tekućina kod prolaska kroz ekspanzijski ventil, postigne dovoljno nisku temperaturu kako bi u isparivaču privukla novu toplinu iz okoline. Ukoliko razlika tlaka nije dovoljno velika, odnosno, što je veća razlika u temperaturi, potrebno je više energije za kompresiju tekućina, a što znači pad koeficijenta performansi. Zbog toga je potrebno osigurati optimalan rad kompresora te optimalnu temperaturu rashladnog medija što se postiže regulacijom otvorenosti termo ekspanzijskog ventila, koji je regulator protoka rashladnog medija kroz sistem.
 
 
A što je to koeficijent performansi ?
 
Koeficijent performansi toplinske pumpe ili COP (coefficient of performance, eng.) je podatak koji nam govori koliko smo topline dobili u odnosu na količinu uložene električne energije. Drugim riječima,to je omjer dobivene energije u odnosu na uloženi rad. Veći COP znači manje operativne troškove. Kad govorimo o 100%-noj učinkovitosti, odnosno jednostavnom pretvaranju rada u toplinu, tada COP iznosi 1. No, kod toplinskih pumpi on iznosi višestruko više te se kreće otprilike između 3.5 do čak 5, što znači da za 1 kW struje, pumpa proizvede 3.5 odnosno 5 kW topline.
 
Fascinantno, zar ne ?
 
Toplinska pumpa ne ovisi o izgaranju fosilnih goriva kako bi stvorila toplinu, već je jednostavno uzima iz zemlje, zraka ili vode te pritom koristi samo malu količinu električne energije potrebne za rad kompresora i funkcioniranje njezinog sustava.
 
Danas postoji mnogo vrsta i varijanti toplinski pumpi za grijanje i hlađenje, međutim glavna i najjednostavnija podjela bi bila na:
 
-        zračne
 
-        geotermalne
 
 
Zračne pumpe tj. pumpe koje koriste vanjski zrak kao izvor energije, danas su najčešće i cjenovno najpristupačnije toplinske pumpe za grijanje i hlađenje. Iako nešto manje učinkovite od geotermalnih s obzirom na nestalnost zračnih temperatura, razvojem tehnologije dostigle su zavidnu razinu tehnološke učinkovitosti. Pa tako danas već postoje modeli koji bez problema istim intenzitetom rade i do -15°C vanjske temperature, dok donja granica funkcioniranja jednog takvog uređaja pada i do -28°C.  Mogućnost uštede troškova grijanja ovdje iznosi više od 60%. Zračne pumpe najčešće se koriste kod malih niskoenergetskih kućanstava za podno/radijatorsko grijanje i grijanje tople vode te su u tom segmentu najučinkovitije. Iako, što se tiće veličine prostora, postoje rješenja, poput kaskadnih sustava sa jednom unutrašnjom i više vanjskih jedinica, koji mogu grijati i do 1400 m² unutrašnjeg prostora. Njihov COP najčešće iznosi oko 4 - 4.8. Kao što smo već napomenuli, zračne toplinske pumpe najčešće su i najpristupačnije toplinske pumpe, prilično jednostavne za ugradnju koja ne bi trebala trajati duže od 14 – 15 sati. Zbog toga su i prvi izbor većini građana ili tvrtkama koje su se odlučile za ovu vrstu investicije.
 
Pod pojmom geotermalne toplinske pumpe smatramo pumpe koje kao izvor energije koriste temepraturu iz tla te iz podzemnih voda. Toplina tla najsigurniji je izvor energije za toplinsku pumpu s obzirom da je na određenoj dubini ona konstantna tokom cijele godine te se kreće negdje između +8 i +12°C što je, u područjima sa kontinentalnom klimom ogromna razlika u odnosu na temperaturu vanjskog zraka u zimskom periodu. Kod takvih sustava, toplinske pumpe mogu se podijeliti na sustave sa podzemnim kolektorom te na sustave sa dubinskom sondom. Podzemni kolektori postavljaju se u obliku zavojnica na dubinu ispod smrzavanja tla (dubina veća od 1.2 – 1.5m) dok se dubinske sonde postavljaju u obliku U-cijevi na dubinama od 80-200m.
 
U slučajevima kad se kao izvor topline koristi voda odnosno toplina podzemnih voda, koriste se dvije bušotine na minimalnom razmaku od 15 m, gdje se iz jedne crpi voda temperature +10°C i dovodi u isparivač u kojem zagrijava radnu tvar koja dalje kruži sistemom a kroz drugu cijev se vraća natrag u izvor.
 
 
 
Glavni nedostataci geotermalnih toplinskih pumpi su cijena i kompleksnost izvedbe. Na primjer, za izvedbu geotermalne pumpe sa podzemnim kolektorom, potreban omjer grijane površine i površine za postavljanje kolektora iznosi 1:2.5, što bi značilo da za 100m² grijanog prostora trebamo 250m² površine sa podzemnim kolektorima. S druge strane, na mogućnost izvlačenja energije iz tla utječe i kvaliteta tla, pa tako, što je veća vlažnost tla mogućnost izvlaćenja će biti veća za razliku od suših i tla manje gustoće. Da bi dobili informaciju o kvaliteti tla moramo vršiti ispitivanja što opet sve zajedno povećava troškove izgradnje jednog takvog sustava itd.
 
Generalno govoreći, toplinske pumpe isplativa su investicija. U doba kada je potrošnja fosilnih goriva u sve većem padu, kad cijene takvih energenata sve više rastu uz neizbježno zagađenje okoliša, primat u svijetu sve više  preuzimaju tehnologije obnovljivih izvora energije. U tu skupinu spadaju i toplinske pumpe te je za očekivati da će cijene ovakvih uređaja sve više padati. Drastično smanjenje troškova grijanja i hlađenja uz relativno brz povrat investicije, jednostavnost upravljanja i komfor koji ovi uređaji pružaju (upravljanje kod mnogih modela moguće je i pomoću pametnog telefona, tableta ili laptopa) te minimalni utjecaj na okoliš, čine ih vrhunskim uređajima budućnosti.