TEME:

Prije uvoda nekoliko riječi o terminologiji

TOPLINSKA PUMPA,  TOPLINSKA CRPKA ili DIZALICA TOPLINE?

U hrvatskoj stručnoj literaturi nailazi se na trojaku uporabu naziva jednog te istog uređaja. Izrazi TOPLINSKA PUMPA ili TOPLINSKA CRPKA doslovni su prijevodi engleskog izraza "Heat pump" ili njemačkog izraza za "Wärmepumpe". Naziv DIZALICA TOPLINE uveo je najveći hrvatski autoritet na području tehničke termodinamike, prof.dr.sc. Fran Bošnjaković (1902.-1993.) u svojim hrvatskim izdanjima poznatog udžbenika "Nauka o toplini" čime je na orignalan način strani izraz približio hrvatskom prijevodu. Ne upuštajući se u jezične rasprave smatramo da s  tehničke točke gledišta bilo koji od ovih izraza odgovara temi o kojoj govorimo, iz tog razloga poslužit ćemo se izrazom TOPLINSKA PUMPA kao općeprihvaćeniim u eri globalizacije i interneta.

Uvod

Raspoloživost fosilnih goriva plina i nafte vremenski je ograničena. Ova činjenica zaokuplja sve više svijest ljudi kao i potreba za zaštitom okoliša. Iz tog razloga korištenje obnovljivih izvora energije dobiva sve više na značaju. Za razliku od drugih obnovljivih izvora energije kao što je solarna energija i energija vjetra, toplina iz okoliša (zemlja, voda, zrak) dostupna je za non-stop korištenje tijekom cijele godine. Toplinskom pumpom, bez dodatnog izvora energije, moguće je pokriti sve potrebe za toplinskom energijom jedne kuće za grijanje i PTV. U Švicarskoj se danas svaka treća novogradnja oprema nekom od tipova toplinskih pumpi, u Švedskoj 7 od 10 novogradnji a u Njemačkoj i Islandu jedna četvrtina.

U tom okviru toplinske pumpe doživljavaju svojevrsnu renesansu. Otklonjene su tehničke nesavršenosti koje su popratile prvi "bum" početkom 80-tih godina da bi danas toplinske pumpe predstavljale pouzdan, ekonomičan i ekološki sustav grijanja koji će u bliskoj budućnosti biti vodeći način grijanja i hlađenja.

Princip rada toplinske pumpe za grijanje

Toplinske pumpe su uređaji koji omogućavaju prijenos toplinske energije iz sustava niže temperaturne razine (zemlja, voda,zrak) u sustav više toplinske razine (centralno grijanje ili PTV) korištenjem dodatne energije rada (struja za kompresor) pomoću kružnog procesa prikladnog radnog medija (freon).

Princip rada toplinske pumpe je jednostavan, mogli bi ga usporediti s kućanskim hladnjakom samo u obrnutoj funkciji: on grije umjesto da hladi.

Energija okoline (zemlja, voda, zrak) prenosi se radnom tvari do kompresora koji tlači radnu tvar čime joj se povećava temperatura koja se putem kondenzatora i izmjenjivača unutar kondenzatora zaprima toplinu i šalje toplu ogrijevnu vodu u sistem centralnog grijanja. Nakon toga se radni medij preko ekspanzijskog ventila vraća u isparivač. U ekspanzijskom ventilu radni medij ekspandira s višeg tlaka kondenzatora na niži tlak isparivača i ohlađuje se. Time je zatvoren kružni proces isparavanje-kompresija-kondenzacija-ekspanzija koji se stalno ponavlja. 

Kompresorskom krugu radni medij je freon (R 407C, R 404A itd.) Toplinske pumpe na električni pogon dobivaju cca. 3/4 topline za grijanje iz okoliša a preostalih 1/4 je električna energija potrebna za pokretanje kompresora. Iz omjera PREDANE topline grijanja i UTROŠENE električne energije dobije se koeficijent učinka (3+1=4) koji opisuje DJELOTVOTNOST toplinske crpke. 

Radi standardizacije prihvaćen je jedinstveni COP koeficijent (coefficient of performance= faktor grijanja ili toplinski množitelj) koji opisuje omjer promjene topline prema uloženom radu. 
Jednostavnim riječnikom, ako toplinska pumpa ima COP 4 onda ona daje 4 kW energije za svaki 1 kW uložene energije.

Sastavni dijelovi toplinske pumpe za grijanje:

Srce svake toplinske pumpe je kompresor koji služi za povećanje tlaka i temperature hladne strane (izvora topline) u odnosu na toplu stranu (krug grijanja). Za razliku od do nedavno korištenih  klipnih kompresora hermetički Scroll kompresori odlikuju se dugotrajnošću, tihim radom, malom masom i malim utroškom el.energije. Komprimiranje medija unutar kompresora odvija pomoću dvije Arhimedove spirale.

Pogledajte simulaciju rada različitih tipova Buderus toplinskih pumpi:

Podjela toplinskih pumpi s obzirom na izvor topline

ZEMLJA KAO IZVOR TOPLINE:

1. Varijanta izvođenja sa ZEMLJANIM KOLEKTORIMA
2. Varijanta izvođenja sa ZEMLJANIM SONDAMA

1. Varijanta izvođenja sa ZEMLJANIM KOLEKTORIMA

Zemlja je dobar akumulacijski spremnik topline budući da su temperature unutar zemlje tijekom čitave godine relativno jednolične: 7-13°C na dubini 2m. Energija tla u gornjem sloju zemlje, za razliku od donjeg sloja zemlje (dubina ispod 2m), regenerira se solarnim zračenjem, kišom, rosom itd. odnosno korištenjem energije iz ekoloških utjecaja.

Količina iskoristive topline, a time i veličina potrebne površine, u znatnoj mjeri ovise o termofizikalnim svojstvima tla. Za svojstva tla mjerodavan je prije svega udio vode, mineralnih sastojaka (pjesak ili glinenac) te udio i veličina zrakom ispunjenih pora. Pojednostavljeno se može reći da su svojstva akumuliranja i sposobnost vođenja topline utoliko veći što je tlo više obogaćeno vodom i mineralnim sastojcima a što je manji udio poroznosti.

Specifično toplinsko odavanje topline (qe) za pojedine vrste tla:

• Suho pjeskovito tlo, qe = 10 - 15 W/m²
• Vlažno pjeskovito tlo, qe = 15 - 20 W/m²
• Suho glinasto tlo, qe = 20 - 25 W/m²
• Vlažno glinasto tlo, qe = 25 - 30 W/m²
• Tlo sa podzemnim vodama, qe = 30 - 35 W/m²

Iskorištenje topline iz zemlje provodi se preko sustava plastičnih cijevi (PE) plošno položenih u obliku više sekcija na dubini od 1,2-1,5m. Jedna sekcija cijevi ne smije biti dulja od 100m zbog previsokog pada tlaka i velikog opterećenja optočne pumpe. Podjednakim duljinama sekcija osiguravaju se identični padovi tlaka, podjednaki protočni uvjeti i podjednako oduzimanje topline iz zemlje. Cijevi na njihovim krajevima završavaju u razdjelniku/sabirniku koji treba biti opremljen zapornim armaturama, odzračnim elementima i regulatorima protoka.Uz pomoć optočne pumpe kroz cijevi cirkulira RASOLINA (otopina natrijevih ili kalcijevih soli u vodi, snižava točku ledišta vode i djeluje antikorozivno na sistem) koja iz zemlje uzima akumuliranu tolinu i predaje je tolinskoj pumpi.

2. Varijanta izvođenja sa ZEMLJANIM SONDAMA

Dok su za polaganje kolektora na dubinu od 1m potrebni veći zemljani radovi i relativno velika površina oko objekta, za ukopavanje zemljanih sondi  modernim uređajima za bušenje potrebno je puno manje vremena i manje pripremnih radova na okolišu. Kod instalacija sa zemljanim sondama vrlo je bitno određivanje rasporeda sondi i dubina bušenja za što treba zatražiti usluge geologa i specijaliziranih tvrtki za bušenje.

Probna bušotina analizira se tako da geolog ispituje sastav uzoraka zemlje uzetih na svakom metru dubine na osnovu čega se stvara dijagram specifičnog učina zemlje na cijeloj dionici, što ujedno određuje iskoristivost TP i daje smjernice za dubinu bušenja. Nakon što se izvedu geološka ispitivanja i izbuše odgovarajuće rupe određenog promjera i dubine, u rupe se umeću predmontirane sonde i nakon toga se šupljine između cijevi sonde i rupe ispunjava punilom suspenzije cementa i betonita. Najčešće se ukopavaju 4 cijevi (sonda s dvostrukom U-cijevi).

Preduvijet za planiranje i umetanje sondi je točno poznavanje svojstava tla, redoslijed slojeva tla, otpor tla te postojanje podzemnih ili površinskih voda uz obvezno određivanje smjera njenog strujanja. Kod instalacija sa zemljanom sondom može se kod normalnih hidrogeoloških uvijeta uzeti da je srednji učinak po jednom metru dužne sonde 50W (prema normativu za PE cijevi VDI 4640). Ako se sonda nalazi u podatljivom vodiću podzemnih voda mogu se ostvariti i viši učinci toplinskog oduzimanja. Za sonde duljine do 50m minimalna udaljenost između bušotina treba iznositi 5m dok za sonde duljine veće od 50m minimalna udaljenost između bušotina treba iznositi 6m. Kao radni medij koristi se rasolina tako da ne postoji opasnost od smrzavanja.

Ispitivanje uzoraka tla na svakih 1m nakon probnog bušenja

Specifično tolinsko odavanje topline (qe) za pojedine vrste podloga (tla):

• Šljunak, suhi pjesak, qe = <20 W/m
• Šljunak, mokri pjesak, qe = 55 - 65 W/m
• Glina, ilovača, qe = 30 - 40 W/m
• Vapnenac, qe = 45 - 60 W/m
• Pješčanik, qe = 55 - 65 W/m
• Kiseli magmatit (npr. granit), qe = 55 - 70 W/m
• Bazični magmatit (npr. bazalt), qe = 35 - 55 W/m
• Kristalasti škriljevac, qe = 60 - 70 W/m

VODA KAO IZVOR TOPLINE:

Čak i u hladnim zimskim danima podzemne vode zadržavaju konstantnu temperaturu od 7-12°C, temperatura površinskih voda (jezera, rijeka) također je razmjerno stalna i pri dnu nikada ne pada niže od 4°C, dok se temperatura morske vode kreće u rasponu od 11-24°C. Iz tog razloga COP toplinskih pumpi voda-voda je visok i relativno konstantan tijekom cijele godine.

Za iskopavanje podzemne vode kao toplinskog izvora treba izbušiti dvije bušotine na najmanjoj udaljenosti od 15m gledajući u smjeru toka vode. Najmanji protok vode treba iznositi 2m3/h što se može postići već na 5m dubine, što ovisi o hidrogeološkim značajkama.

Podzemna voda uzima se u eksploatacijskom bunaru i transportira do isparivača TP voda-voda. Nakon toga se ohlađena voda odvodi u bunar za vraćanje vode. Proizvođači TP preporučuju uporabu izmjenjivača topline međukruga jer su visokoučinkoviti pločasti izmjenjivači topline unutar TP osjetljivi na promjenjivu kvalitetu vode (pijesak, nečistoće, kamenac i sl.). Prijenos topline između izmjenjivača međukuga i toplinske pumpe odvija se putem rasoline.

Shematski princip rada:

ZRAK KAO IZVOR TOPLINE:

1. Toplinske pumpe na VANJSKI ZRAK
2. Toplinske pumpe naOTPADNI ZRAK

1. Toplinske pumpe na VANJSKI ZRAK

Najmanji izdatak za eksploataciju jednog izvora topline predstavlja vanjski zrak. On se usisava kroz kanal, ohlađuje u isparivaču TP i nakon toga ponovno predaje okolišu.

Suvremena toplinska pumpa zrak-voda može proizvesti toplinu grijanja do temperature vanjskog zraka od -20°C. Međutim, kod optimalnog dimenzioniranja kod ovako niskih temperatura TP ne može više potpuno pokriti potrebe za zagrijavanjem stambenog prostora i PTV zbog čega je poželjna ugradnja elektro-grijača u međuspremnik. Budući da izmjenjivač topline zrak-voda recirkulira relativno veliki volumen zraka (3000 do 4000 m³/h) kod rasporeda otvora za zrak u zgradi treba uzeti u obzir moguće stvaranje buke.

2. Toplinske pumpe na OTPADNI ZRAK

Toplinske pumpe koje koriste otpadni zrak kao izvor topline ubuduće će nalaziti povećanu primjenu u kućama sa vrlo malim potrebama za toplinom (pasivne kuće).

U tzv. kompaktnim uređajima TP se koriste i u kombinaciji sa sustavom za kontroliranu ventilaciju stanova. U ovim uređajima integrirana toplinska pumpa otpadni zrak-voda koristi udio topline otpadnog zraka iz stambenih prostorija koji se ne može iskoristiti za regeneraciju topline ventilacije i koristi se za dogrijavanje dovedenog svježeg zraka ili PTV. Ovisno o veličini TP na otpadni zrak pokrivanje potreba za toplinom za grijanje je osigurano dodatnim elektro-grijačem.

Primjena toplinskih pumpi za grijanje

Za sve toplinske pumpe vrijedi isto pravilo: što je manja temperaturna razlika između ogrijevne vode i topline iz okoliša to je veća djelotvornost. Zbog toga su TP posebno prikladne za:

• Niskoenergetske sustave grijanja, kao što je podno grijanje, s maksimalnom temperaturom do 38°C
• Niskoenergetske kuće u kojima se preferira ugradnja kompaktnih centrala za grijanje i PTV
• Pasivne kuće u kojima se zbog nepropusne izvedbe konstrukcije zgrade preferira ugradnja TP otpadni zrak-voda kombinirane sa sustavima za rekuperaciju zraka uz pripremu PTV
• U kombinaciji s drugim obnovljivim izvorima energije poput drva ili sunca za periode kada TP nije dovoljno efikasna