Toplotne črpalke v stavbah

Delovanje kompresorske toplotne črpalke

Toplotne črpalke predstavljajo eno od pomembnejših tehnologij za toplotno oskrbo stanovanjskih stavb. Z njihovim delovanjem lahko s souporabo obnovljivih virov energije ali odpadne toplote na energijsko učinkovit in stroškovno atraktiven način pridobivamo koristno toploto za ogrevanje prostorov in pripravo tople sanitarne vode.

Glede na potrebe objektov in izvedbo sistemov pa nam lahko na aktiven ali pasiven način pridobivamo tudi energijo za hlajenje.

Tehnologija toplotnih črpalk ni nova, je pa v preteklosti izredno napredovala v učinkovitosti in številu različnih aplikacij za stavbe. S povečevanjem energijske učinkovitosti stanovanjskih stavb je postala izredno aktualna tako za novograditelje, kot tudi za lastnike stavb, ki se energijsko celovito prenavljajo.

Proces pridobivanja toplote v kompresorski toplotni črpalki poteka v zaključenem tokokrogu (glej zgornjo sliko). Hladivo v uparjalniku (1) odvzame toploto okoliškemu mediju (5) in se upari. Uparjeno hladivo nato potuje skozi kompresor (2), kjer se mu zaradi vloženega mehanskega dela-kompresije zvišata tlak in temperatura. V kondenzatorju (3) uparjeno hladivo kondenzira in pri tem odda toploto mediju (6), ki ga ogreva. Utekočinjeno in ohlajeno hladivo potuje skozi dušilni ventil (4), kjer ekspandira na nižji tlak ter od tu nazaj v uparjalnik. Ta krožni proces se ponavlja, dokler deluje toplotna črpalka.

Poleg kompresorskih poznamo tudi druge izvedbe toplotnih črpalk, npr. absorpcijske in adsorbcijske, katerih uporaba v gospodinjstvih ni najbolj razširjena. Absorpcijske toplotne črpalke se od kompresorskih ločijo po tem, da imajo namesto mehanskega kompresorja t.i. toplotni kompresor, ki kot pogonsko energijo izkorišča različne energijske vire.

Učinkovitost delovanja toplotne črpalke se vrednoti s pomočjo grelnega števila (COP), ki predstavlja razmerje med pridobljeno toploto (za ogrevanje in toplo vodo) in vloženo električno energijo (pogon kompresorja, ostale komponente, npr. odtaljevanje). Učinkovitost naprave je pogojena tudi s temperaturo okoliškega medija in ogrevalnega medija – večja je ob višji temperaturi okoliškega vira toplote (prednost zemlje ali vode pred okoliškim zrakom) in sočasno nižji temperaturi ogrevalnega medija (prednost nizkotemperaturnih ploskovnih sistemov ogrevanja pred višje temperaturnimi radiatorskimi). Zaradi majhne porabe električne energije je strošek za proizvedeno toploto izredno nizek in je lahko za polovico nižji od pridobljene toplote iz kurilnih naprav na fosilna goriva.

Osnovne izvedbe toplotnih črpalk razlikujemo najprej glede na okoliški medij, ki ga hladimo, in ogrevalni medij. Najbolj pogosto je ogrevalni medij v sistemih za stavbe prav voda – tu poznamo sisteme zrak-voda (okoliški zrak), voda-voda (podtalnica ali površinska voda) in zemlja-voda (zemeljski kolektor, geosonda). Pri izkoriščanju toplote zunanjega zraka so sistemi nekoliko manj učinkoviti v primerjavi z ostalima viroma (zemlja, voda), vendar pa so sistemi zaradi nekoliko nižje investicije bolj pogosta odločitev. Z ostalima viroma so grelna števila TČ višja, prav tako pa izvedbe lahko omogočajo tudi pasivno koriščenje toplote okolice, za brezplačno hlajenje objekta. Stavbe lahko ogrevamo tudi s pomočjo zraka – tu pa je najbolj pogosta izvedba toplotne črpalke tipa zrak-zrak za centralno ogrevanje pasivnih stavb ali pa sodobne izvedbe t.i. klimatskih naprav.

Glede na obliko izvedbe ločujemo kompaktno (v enem sklopu) ter ločeno oziroma »split« izvedbo. Sistemi s TČ zaradi učinkovitejšega delovanja (izravnava konic v proizvodnji in odjemu energije, manj prekinitev delovanja kompresorja, hidravlična ločitev) pogosto uporabljajo hranilnik toplote ali hladu, še posebej v izvedbi TČ zrak-voda. Njegova vgradnja pa npr. ni nujna v primeru zagotovljenega odjema toplote
ali pri izvedbi TČ z regulacijo moči.

Način obratovanja toplotne črpalke v stavbi je lahko monovalenten, npr. v učinkovitih novogradnjah je TČ manjše moči (tipično do 6 kW) lahko edini generator toplote in tokom celega leta sama pokriva celotne toplotne potrebe hiše. V sistemih novogradenj lahko TČ obratuje tudi bivalentno vzporedno, npr. kadar se zaradi svoje manjše moči v delovanju v izrazitih konicah dopolnjuje z električnim grelcem, ki pa naj na letnem nivoju ne prispeva več kot 5 do 10 % toplote. Bivalentni alternativni sistem obratovanja je npr. tipičen pri postopni prenovi potratnih stavb, ko zaradi zniževanja stroškov ogrevanja v kotlovnico najprej dogradimo TČ, ki toplotno oskrbuje objekt v milejšem delu ogrevalne sezone – kurilna naprava pokriva konico sezone in se lahko odstrani šele po prenovi toplotnega ovoja stavbe.

Številčno najbolj pogosta izvedba TČ so zagotovo male toplotne črpalke za pripravo tople sanitarne vode, tipa zrak-voda. V primeru kompaktne izvedbe je TČ vgrajena običajno kar nad hranilnik tople vode (bojler), zato ob svojem delovanju lahko hladi prostor, v katerem je nameščena. Če zrak dovajamo do naprave po kanalu, lahko s tem koristno prezračujemo poljubne prostore ter obenem s sistemom koristimo odpadno toploto zavrženega zraka. Kadar je sistem ločene izvedbe, je povezava s hranilnikom tople vode lahko plinska (manjša oddaljenost) ali pa vodna.

Kompaktna izvedba bojlerske toplotne črpalke