Izbira vira energije za toplotno črpalko – voda, zemlja, zrak

Priprava energenta za vaš ogrevalni ali hladilni sistem pomembno vpliva na njegovo učinkovitost, stroške vgradnje in mesečne stroške. Izbira energenta je zato en izmed ključnih faktorjev pri odločanju za določen način ogrevanja in hlajenja.

Kaj sploh je energent? Energent je vir energije, ki ga lahko uporabljamo za ogrevanje ali hlajenje stavbe. Energenti so lahko fosilna goriva, lahko pa so tudi obnovljivi viri kot npr. sonce, voda in zrak.

V tem članku si bomo ogledali možne energente toplotnih črpalk in kaj vsak izmed njih zahteva, da je primeren za uporabo.

1.) KATERE VIRE ENERGIJE UPORABLJAJO TOPLOTNE ČRPALKE?
2.) IZBIRA OBNOVLJIVEGA VIRA ENERGIJE: ZUNANJI ZRAK
3.) IZBIRA OBNOVLJIVEGA VIRA ENERGIJE: ENERGIJA ZEMLJINE SKORJE
4.) IZBIRA OBNOVLJIVEGA VIRA ENERGIJE: VODA
5.) ALI POTREBUJETE ZALOGOVNIK VODE?

Katere vire energije uporabljajo toplotne črpalke?

Toplotne črpalke delujejo samodejno in samodejno izkoriščajo izbran vir energije, če so seveda ustrezno inštalirane.

Običajno lahko uporabljajo tri vrste virov energije:

• zrak,
• vodo (reke, morja, jezera),
• zemljo oz. energijo zemljine skorje (podtalna voda / podtalnica).

Najvišje izkoristke dosegajo toplotne črpalke, ki uporabljajo energijo zemljine skorje ali podtalnice, saj sta ta dva vira energije vedno na razpolago, njuna temperatura pa je vedno višja od 0°C. Toplotnim črpalkam, ki uporabljajo ta dva geotermalna vira rečemo geotermalne toplotne črpalke.

Slovenija leži na precej ugodnem območju za izkoriščanje plitvih geotermalnih virov energije, zato povpraševanje po tovrstnih toplotnih črpalkah raste. Uporaba geotermalnih virov energije je precej specifična, zato jo bomo kmalu podrobneje obdelali.

A začnimo z virom energije, ki nas vedno obdaja – zrakom.

Izbira obnvoljivega vira energije: Zunanji zrak

Toplotne črpalke, ki uporabljajo zrak kot vir energije, še vedno prevladujejo na trgu.

Pri uporabi zunanjega zraka kot vira energije za toplotno črpalko za ogrevanje ali hlajenje stavbe, morate biti pozorni na:

• Učinkovitost sistema.
  Toplotne črpalke, ki za ogrevanje in hlajenje kot vir energije uporabljajo zrak, so praviloma veliko manj učinkovite – sploh, ko se temperature spustijo pod ničlo oz. v vročih poletnih dneh, ko se dvignejo nad 30 °C.
  Takrat takšne toplotne črpalke za zadovoljivo ogrevanje ali hlajenje porabijo veliko dodatne energije, kar seveda zviša stroške.
• Šumnost.
  Če je toplotna črpalka sestavljena iz zunanje in notranje enote, morate biti pozorni, da ventilator v zunanji enoti ne povzroča šumnosti, ki je moteča za okolico.

Zaradi velikega nihanja temperature je zrak v nekaterih obdobjih neučinkovit vir energije, zato je smiselno preveriti, če lahko vaša toplotna črpalka izkorišča energijo zemljine skorje ali vode.

Izbira obnvoljivega vira energije: Energija zemljine skorje

Geotermalne toplotne črpalke, ki uporabljajo energijo zemljine skorje, so izjemno učinkovite, saj je temperatura na primerni globini zemlje relativno konstantna in znaša preko celega leta – med 10 °C in 13 °C. 

Energijo iz zemljine skorje lahko pridobivamo z vodoravnim ali navpičnim sistemom. Geotermalna toplotna črpalka pri tem vedno uporablja zaprt sistem nosilca energije oz. prenosnega medija, ki je običajno voda ali slanica.

Zaprt krogotok pomeni, da medij, ki prenaša energijo zemlje v toplotno črpalko, kroži po ceveh oz. po prenosniku toplote in nato nazaj v toplotno črpalko. Na svoji poti po ceveh oz. v zemlji se ogreje oz. ohladi na temperaturo zemlje, nato pa to energijo preda v toplotno črpalko (ogrevanje) oz. iz toplotne črpalke v zemljo (hlajenje). Proces ogrevanja ali hlajenja traja dokler stavba potrebuje ogrevanje oz. hlajenje.

Zaradi učinkovitega ogrevanja oz. hlajenja transportnega medija, morajo biti cevi zemeljskega izmenjevalnika iz materiala, ki čim bolje prevaja toploto.

Cevi so v zemljo lahko položene na dva načina:

Navpično oz. vertikalno

Navpična položitev  izmenjevalnika toplote je primerna za gosteje poseljena območja ali za večje stavbe, ki bi za ustrezno vodoravno položitev zahtevale preveliko površino zemlje in s tem močno vplivale na okolje.

Navpični izmenjevalniki toplote so vstavljeni v vrtine, ki so lahko globoke od 30 pa vse do 180 metrov, ponekod celo še globlje. Takšnim zbiralnikom toplote, vstavljenim v vrtine, rečemo tudi geosonde.

Geosonda je sestavljena iz dveh ali štirih cevi v skupnem telesu premera cca. 10 -16 cm. Po dve cevi sta na dnu geosonde povezane tako, da tvorita zaprto U zanko. Geosonda omogoča delovanje geotermalne toplotne črpalke z relativno stabilnimi temperaturnimi pogoji, kar je pomembno za visoko energijsko učinkovitost in dolgo življenjsko dobo toplotne črpalke.

Prostor med steno vrtine in vsako geosondo je zapolnjen z dobro prevodnim materialom, ki hkrati fiksira geosondo in omogoča tesen stik z okoliško zemljino. S kroženjem prenosnega medija v zankah geosonde, toplotna črpalka učinkovito izkoristi toplotni potencial zemlje (cca. 10 °C). To energijo lahko s pomočjo kompresije in ekspanzije hladilnega medija v toplotni črpalki dvignemo vse do temperature 65 °C.

Vodoravno oz. horizontalno

Vodoravna položitev izmenjevalnika toplote je načeloma cenovno najugodnejša možnost za hiše in objekte, ki imajo na razpolago večjo površino zemlje okrog stavbe. 

Prednost vodoravne položitve je, da za namestitev ni potrebno vrtati v globino, saj se cevi položijo plitvo, približno 1,2 do 1,6 metra pod površjem zemlje. Čeprav v tem pasu zemlja še nima konstantne temperature, so nihanja vseeno bistveno manjša kot nihanja temperature zunanjega zraka. 

Najobičajnejši položitvi cevi sta vzporedna, kjer zanke potekajo ena ob drugi na isti globini in dvoslojna, kjer položimo dve cevi na različnih globinah tako, da sta ena pod drugo. Cevi so oblikovane v zanke na razmaku cca. 0,7 m, saj je tako dosežen dober izkoristek energije zemlje.

Izbira obnvoljivega vira energije: Voda

Voda oz. vodni viri so zelo učinkovit energijski vir, ki ga uporabljajo toplotne črpalke. Možna je uporaba bližnjih površinskih vodnih virov, kot so reke, morje ali jezero (v kolikor zakonodaja to dopušča) ali podtalnice, ki je zaradi relativno konstantne temperature še učinkovitejši vir.

Podtalnica

Podtalnica je odličen prenosni energent, saj ima razmeroma konstantno temperaturo, hkrati pa je podtalna voda dober transportni medij energije, ki se nahaja v zemlji.

Da dosežemo podtalnico, so potrebne vrtine, globoke nekaj 10 ali celo 100 metrov. Natančna globina je odvisna od geoloških razmer in nivoja podtalnice.

Podtalnica je drugačen energent od do zdaj omenjenih, saj gre za odprt sistem. To pomeni, da podtalnico po cevi iz ene vrtine črpamo v toplotno črpalko in jo po odvzemu toplote vračamo preko druge vrtine nazaj v podtalnico. Natančneje v isti vodni sloj podtalne vode.

Pred uporabo podtalne vode je potrebno opraviti meritve pretoka vrtine in analizo podtalnice, saj mora biti voda primerna za takšno izkoriščanje.

Površinski vodni viri

Če želimo površinski vodni vir izkoristiti kot energent, je potrebno upoštevati količino oz. pretok in globino vira, saj vsi vodni viri niso primerni. 

Zaradi preprečitve zamrzovanja je priporočljivo, da za pridobivanje energije iz površinskih virov uporabljamo zaprt sistem, kjer cevi v obliki zank položimo vsaj 2,5 metra pod vodno gladino. S tem se izognemo, da bi voda zmrznila okrog cevi, kar bi preprečilo prenos toplote in bi povzročilo neučinkovito delovanje toplotne črpalke.

Ali potrebujete zalogovnik vode?

Pri prirpavi energije s pomočjo toplotne črpalke pa se velikokrat pojavi vprašanje ali oz. kdaj potrebujemo zalogovnik vode – t.i. hranilnik toplotne oz. hladilne energije. 

Zalogovnik vode oz. ogrevalne energije omogoča manjše število vklopov kompresorja in enakomernejšo temperaturo ogrevalne vode, zato je priporočljiv, a ni vedno potreben.

Zalogovnik toplotne ali hladilne energije nujno potrebujemo v naslednjih primerih:

• Ko uporabljamo toplotno črpalko zrak/voda, saj zalogovnik vode služi kot vir toplote za odtajevanje uparjalnika, ko je to potrebno.
• Ko je talno ogrevanje nadzorovano tako, da ima vsak prostor svoj termostat, povezan z razdelilno omarico talnega ogrevanja. Brez zalogovnika vode lahko pride do prenizkega pretoka vode v sistemu, kar ovira ali celo onemogoči delovanje toplotne črpalke.
• Ko so sistemi radiatorjev regulirani z mešalnimi ventili, saj želimo nadzorovati dovod toplote v posamezni del stavbe. Tudi v tem primeru lahko pride do prenizkega pretoka ogrevalne vode skozi toplotno črpalko.
• Ko je toplotna črpalka montirana zunaj objekta in so v njej vse vitalne komponente – t.i. monoblok izvedba toplotne črpalke. Če toplotna črpalka ni frekvenčno krmiljena, je zalogovnik vode znotraj stavbe obvezen.
• Ko je toplotna črpalka priklopljena v sistem, kombiniran s kotlom na trda goriva ali sončnimi kolektorji (oz. sončnimi celicami). V tem primeru naj bo toplota iz vseh virov združena v zalogovniku, toplotna črpalka pa naj nadzoruje temperaturo vode v zalogovniku. Če drugi viri ne zagotovijo dovolj toplote v zalogovniku, se vključi toplotna črpalka, da dogreje vodo, sicer pa miruje.
• Ko sicer sistem hidravlike uporabe toplotne ali hladilne energije ne zagotavlja zadostnih pretokov skozi toplotno črpalko.

Upamo, da vam je članek pomagal razumeti pripravo posameznih energentov oz. virov energije, ki jih lahko uporabljajo toplotne črpalke in da izbran vir eenrgije čim učinkoviteje izrabite. V naslednjem in zadnjem članku serije o toplotnih črpalkah in geotermalni energiji pa bomo podrobneje obdelali toplotno črpalko za sanitarno vodo oz. ogrevanje sanitarne tople vode.