Toplotne črpalke za ogrevanje hiše izkoriščajo toploto iz mrzlega zimskega zraka. To omogoča zaprt fizikalni proces s posebnimi hladilnimi plini. Zato te naprave za delovanje potrebujejo precej manj električne energije kot klasični električni grelci.
Fizika za pridobivanjem toplote iz mrzlega zraka
Osnova toplotne črpalke je hladilni krogotok. Po zaprtem sistemu cevi kroži hladilno sredstvo, ki vre in izhlapeva pri zelo nizkih temperaturah, pogosto že pri minus štirideset stopinjah Celzija. Zrak pri minus deset stopinjah ima glede na absolutno ničlo (-273 °C) še vedno veliko toplotne energije, ki jo sistem lahko absorbira.
Proces se začne v uparjalniku. Ventilator zunanje enote potiska zrak skozi lamele. Ker je zrak toplejši od tekočega hladilnega sredstva, se toplota prenese nanj. Sredstvo se segreje do vrelišča in upari v plin.
Kaj se zgodi s plinom v sistemu
Plin nato potuje v kompresor, ki za delovanje porabi največ elektrike v celotnem sistemu. Kompresor plin stisne. Ob povečanju tlaka se zmanjša prostornina plina, kar povzroči hitrejše gibanje molekul in sproščanje toplote. Plin, ki je imel na začetku okoli nič stopinj, se pod visokim pritiskom segreje na 70 ali 80 stopinj Celzija.
Vroč plin gre naprej v kondenzator. V tem toplotnem izmenjevalniku sistem odda toploto ogrevalni vodi za radiatorje ali talno gretje. Ob oddaji toplote se plin ohladi, kondenzira in spet postane tekočina.
Zaključek krogotoka in ekspanzijski ventil
Tekočina je na izhodu iz kondenzatorja še vedno pod visokim pritiskom, zato preide skozi ekspanzijski ventil. Ta hitro zniža tlak v sistemu. Padec tlaka močno zniža temperaturo hladilnega sredstva. To postane spet zelo mrzlo in pripravljeno na nov cikel v uparjalniku.
Če vas zanimajo natančnejše sheme in razlage o tem, kako deluje toplotna črpalka, si lahko ogledate priročnike proizvajalcev. Sistem neprekinjeno ponavlja ta proces in prenaša toploto z mesta z nižjo temperaturo v toplejše bivalne prostore.
Viri toplote niso enaki
Toploto je mogoče črpati iz zraka, podtalnice ali zemlje. Zrak je najbolj dostopen vir, zato so sistemi zrak-voda najpogostejši in najlažji za vgradnjo. Njihova pomanjkljivost je odvisnost od zunanjih temperatur. V hudem mrazu ima zrak manj toplote, zato učinkovitost naprave pade.
Podtalnica pri sistemih voda-voda ima skozi vse leto stalno temperaturo okoli 10 do 12 stopinj. Kompresorju pozimi ni treba premagovati velikih temperaturnih razlik, kar zagotavlja visoko učinkovitost.
Tudi zemlja pri sistemih zemlja-voda na določeni globini ohranja stalno temperaturo. Globinski kolektorji ali vertikalne sonde omogočajo stabilno delovanje. Kljub temu zahtevajo večje posege na parceli in višjo začetno investicijo.
Kaj nam povesta kratici COP in SCOP?
Učinkovitost toplotnih črpalk merimo s posebnimi kazalniki. COP ali grelno število prikazuje trenutno razmerje med vloženo električno in pridobljeno toplotno energijo.
Če ima naprava COP 4, za vsako kilovatno uro porabljene elektrike ustvari štiri kilovatne ure toplote. Ena kilovatna ura pride iz omrežja, tri pa iz okolice.
Proizvajalci vrednost COP običajno navajajo za idealne laboratorijske pogoje, na primer A7/W35. To pomeni zunanjo temperaturo 7 stopinj in temperaturo ogrevalne vode 35 stopinj. Pri teh temperaturah kompresor ni obremenjen in izkoristek je velik.
Ko zunanja temperatura pade na -10 stopinj, se COP zmanjša. Naprava takrat za enako količino toplote porabi opazno več elektrike.
Sezonska učinkovitost daje realnejšo sliko
Za oceno dejanske porabe je ustreznejši kazalnik SCOP. Ta upošteva delovanje črpalke skozi celotno ogrevalno sezono, vključno s toplimi jesenskimi obdobji, mrzlimi dnevi in porabo v stanju pripravljenosti.
SCOP se računa za različna podnebna območja. Evropa se deli na toplo, povprečno in hladno cono. Ker Slovenija spada pretežno v povprečno cono, je pri nakupu treba gledati ta podatek. Vrednosti za toplo cono so lahko višje in zavajajoče.
Če hiša letno potrebuje 15.000 kilovatnih ur toplote, bo črpalka s SCOP faktorjem 3,5 porabila okoli 4.285 kilovatnih ur elektrike. Izračun dobimo tako, da potrebno toploto delimo s faktorjem SCOP.
Skriti porabnik je cikel odtaljevanja
Pozimi se na uparjalniku zunanje enote pogosto nabira ivje. Vlaga iz zraka na mrzlih lamelah zmrzne. Ker led ovira prenos toplote, mora sistem redno vklapljati cikel odtaljevanja.
Takrat se hladilni krogotok začasno obrne. Vroč plin iz kompresorja potuje v zunanjo enoto in tam stali led. V tem času se hiša ne ogreva, sistem pa porablja elektriko. Območja okoli ledišča z visoko zračno vlago zahtevajo pogostejše odtaljevanje, kar na koncu vpliva na letni SCOP.
Branje energijskih nalepk in pomen temperature predtoka
Energijska nalepka na napravi z barvnimi puščicami prikazuje razrede od A+++ navzdol, ki temeljijo na vrednosti SCOP.
Običajno boste našli dva stolpca. Eden velja za ogrevanje vode na 35 stopinj pri talnem gretju, drugi pa za 55 stopinj pri klasičnih radiatorjih. Uporabnik mora preveriti stolpec, ki ustreza njegovemu ogrevalnemu sistemu.
Večja kot je razlika med zunanjo temperaturo zraka in ciljno temperaturo vode, bolj je kompresor obremenjen. Zaradi tega so toplotne črpalke pri talnem gretju varčnejše kot pri radiatorjih.
Inverterska tehnologija rešuje težave s porabo
Sodobne toplotne črpalke uporabljajo invertersko tehnologijo za prilagajanje hitrosti kompresorja. Naprava se ne prižiga in ugaša pri polni moči, ampak deluje z manjšo močjo, ko so potrebe hiše po toploti manjše.
Takšno zvezno delovanje zmanjša porabo elektrike ob zagonih in obrabo delov. Starejši sistemi brez inverterja so imeli slabše izkoristke in pogosto krajšo življenjsko dobo.
Bivalentno delovanje in dodatni viri toplote
V zelo mrzlih dneh, ko temperature padejo pod projektirano mejo, toplotna črpalka včasih ne zmore pokriti vseh toplotnih potreb stavbe. Takrat se vklopi bivalentni način in sistemu pomaga dodaten vir, običajno vgrajen električni grelec.
Grelec za vsako kilovatno uro elektrike odda enako količino toplote, zato se poraba ob njegovem vklopu močno poveča. Pravilna izbira moči toplotne črpalke je zato nujna. Prešibka naprava bo nenehno uporabljala grelce in višala račune, premočna pa se bo v prehodnih obdobjih prepogosto prižigala in ugašala.
Vpliv izolacije na končno učinkovitost
Poraba ni odvisna le od toplotne črpalke, temveč predvsem od toplotnih izgub stavbe. Tudi najučinkovitejša črpalka bo v neizolirani hiši porabila veliko elektrike. Sistem bo moral neprestano delovati na visoki moči, da bo nadomeščal toploto, ki uhaja skozi stene, streho in okna.
Starejše, potratne stavbe pogosto zahtevajo vgradnjo dvokompresorskih ali visokotemperaturnih črpalk. Te so dražje in imajo v osnovi nižje grelne faktorje kot nizkotemperaturni modeli. Toplotna izolacija in nova okna pred menjavo ogrevalnega sistema močno zmanjšajo potrebno moč črpalke in stroške obratovanja.
