Kako zagrijati kuću na 21 °C, a koristiti toplinu besplatnog izvora koji ima svega 10 °C ?
Dizalica topline je uređaj koji može grijati neki zatvoreni prostor preuzimanjem besplatne topline iz okolišnog izvora topline predavanjem te okolišne topline u zatvoreni, grijani prostor. Okolišni izvor topline (zrak, voda, tlo) ima najčešće nižu temperaturu od željene u zatvorenom prostoru. Dizalica topline uz pomoć radne tvari u sebi diže (prebacuje) toplinu iz okoline s niže temperature okoline na željenu temperaturu zatvorenog, grijanog prostora.
Dizalicu topline, neovisno o njezinoj vrsti, može se usporediti s radom kućnog hladnjaka. Hladnjak namirnicama oduzima toplinu koju predaje toplijem okolišu, a dizalica topline oduzima toplinu okolišu (zraku, vodi ili tlu) koju predaje u zatvoreni, grijani prostor.
Izvori topline u okolišu su obnovljivi (ne iscrpljuju se korištenjem), a za podizanje temperature pri predaji topline iz okoline u zatvoreni prostor mora se ipak uložiti električna energija. Što je temperatura izvora viša, potrebno je manje električne energije za podizanje iste količine topline čime će dizalica topline imati veći stupanj iskoristivosti, što izravno znači i manje financijske troškove grijanja zatvorenog prostora.
Vrste dizalica topline
Dizalice topline s obzirom na izvor topline iz kojeg se preuzima toplinska energija dijele se na:
- Dizalica topline zemlja-voda. Zemlja je dobar spremnik koji upija toplinsku energiju Sunca. Na dubini već oko 2 m ispod površine tijekom cijele godine temperatura se kreće od 7 do 13 °C. Preuzimanje topline iz zemlje može se ostvariti polaganjem:
- vodoravnog sustava cijevi u zemlju (najčešće trajnih polietilenskih cijevi) na dubinu 120-150 cm, kroz koje cirkulira rasolina tj. otopina natrijevih ili kalcijevih soli u vodi koja snižava točku ledišta vode. Rasolina preuzima toplinu iz tla i predaje ju dizalici topline.
- okomitog sustava cijevi u zemlju, po potrebi i do 100 m u dubinu te preuzimanje topline iz zemlje u okolišu bušotine također uz pomoć rasoline.
Ovisno o sastavu tla horizontalni cijevni kolektor ima tipičnu snagu 25 W/m2, a okomite dubinske sonde 50 W/m. Za dizalicu topline, primjerice snage 10 kW, potrebne su dvije okomite dubinske sonde, svaka duljine 100 m ili horizontalni cijevni kolektor površine 400 m2.
- Dizalica topline voda-voda. Ako je izvor topline iz okoliša voda, sustav se može realizirati kao:
- zatvoreni sustav tako da se cijevni kolektor horizontalno položi u vodu (potok, rijeku, jezero, more …).
- otvoreni sustav kod kojeg se buši dva bunara. Usisni, iz kojeg se crpi voda za potrebe dizalice topline te upojni u koji se vraća u zemlju voda iz koje je toplina (energija) upravo preuzeta.
- Dizalica topline zrak-voda. Najraširenija vrsta dizalica topline zrak-voda, zbog najmanjih investicijskih troškova i najjednostavnije ugradnje i puštanja u rad, kao izvor topline koristi okolišni zrak. Kako temperatura okolišnog zraka varira, tako varira i stupanj iskoristivosti, a pri niskim temperaturama zraka (-7 °C ili manje), dizalica topline dodatnim elektro grijačem pospješuje proces podizanja toplinske energije na potrebnu višu temperaturu grijanog prostora.
Načelo djelovanja dizalice topline
Glavne komponente dizalice topline su isparivač, kompresor, kondenzator i termo ekspanzijski ventil, slika 1. Izvoru topline iz okoliša potrebna je „pomoć“ pri podizanju temperature radne tvari koja kruži dizalicom topline i prenosi toplinu iz hladnije okoline u zatvoreni topliji prostor. Da bi primila toplinu iz okoline radna tvar pri ulazu u vanjsku jedinicu mora biti hladnija od okoline, a da bi predala toplinu u unutarnjoj jedinici radna tvar na ulazu unutarnje jedinice mora biti toplija od unutarnjeg prostora. Ta „pomoć“ radnoj tvari se događa u kompresoru i ekspanzijskom ventilu.
Na ulazu u kompresor radna tvar mora biti u plinovitom stanju da bi se uopće mogla stlačiti. Iz osnova ponašanja plina zna se da se plin tlačenjem tj. smanjenjem volumena zagrijava. U kompresoru se uz „pomoć“ manje količine električne energije povećava tlak plina, time i temperatura na vrijednost veću od temperature ogrjevne vode kojom će se grijati zatvoreni prostor. Sjetite se kad pumpate gumu od bicikla – sigurno ste primili donji dio pumpe i vidjeli kako je vruć. Ta vrućina nije od trenja klipa uz cilindar pumpe već od zagrijavanja uslijed tlačenja. Tlačenje kojim se povisuje temperatura radne tvari (plina) omogućava predaju topline s radne tvari na ogrjevnu vodu u kondenzatoru unutarnje jedinice. Radna tvar oduzimanjem topline prelazi u kondenzatoru dijelom u tekuće stanje.
Tekuća radna tvar, još uvijek visokog tlaka, se provodi preko termo-ekspanzijskog ventila prema isparivaču. Kroz termo ekspanzijski ventil radna tvar ekspandira s višeg tlaka u kondenzatoru na niži tlak, postaje kapljevina s jako niskom temperaturom. Sjetite se ovdje iskustva vatrogasnog aparata koji u sebi ima isto stlačeni plin. Pri ekspandiranju kroz sapnicu aparata taj plin prelazi u krute vrlo hladne čestice – suhi led. Ekspanzijom stlačenog plina u vatrogasnom aparatu dolazi do sniženja temperature i promjene agregatnog stanja.
U isparivač dolazi tako jako hladna kapljevina. Radna tvar u tekućem stanju mora imati svojstvo isparavanja na niskim temperaturama tako da pod utjecajem topline koju radna tvar preuzima iz okoliša u isparivaču vanjske jedinice radna tvar prelazi opet u plinovito stanje. Prije ulaza u kompresor radna tvar je opet sva u plinovitom stanju. Tako biva spremna da tlačenjem povisi svoj tlak i temperaturu i da se tako nastavi kružni proces.
Za što bolju energetsku učinkovitost, potrebno je što više smanjiti količinu električne energije potrebne za kompresiju radne tvari. Radne tvari su ranije bili freoni koji su u novije vrijeme zamijenjeni s fluoriranim ugljikovodikom (R32) razvijenim kako bi se smanjio utjecaj na ozonski omotač i globalno zatopljenje.
Niskotemperaturno i visokotemperaturno grijanje dizalicama topline
Grijanje s dizalicama topline za novogradnje projektira se kao niskotemperaturno grijanje, pri čemu je polazna temperatura ogrjevne vode kojom će se grijati prostor oko 32 °C, a samo grijanje kroz objekt realizira se plošno kao podno, zidno ili stropno grijanje. Dizalicama topline za niskotemperaturno grijanje dodatno se štedi energiju. Za svaki °C povećanja polazne temperature ogrjevne vode trošak grijanja se povećava za 4%.
Pri obnovi postojećih zgrada gdje nije moguće ili financijski nije isplativo polagati novo niskotemperaturno plošno, podno ili zidno, grijanje moguće je zadržati grijanje prostora postojećim radijatorima s visokom temperaturom polaznog voda. Za razliku od niskotemperaturnih dizalica topline, visokotemperaturne mogu postići temperaturu vode polaznog voda od 65 do 80 °C uz pomoć posebnih kompresora. Njihova učinkovitost je ipak nešto niža u usporedbi s niskotemperaturnim dizalicama topline jer zahtijevaju veću potrošnju energije, ali i kao takve nude znatne energetske uštede u usporedbi s tradicionalnim sustavima grijanja na fosilna goriva. Slika 2 prikazuje komponente unutarnje i vanjske jedinice dizalice topline zrak- voda.
Interes za dizalicama topline
O sve većem interesu za instaliranjem dizalica topline govore i statistički podaci Europskog udruženja dizalica topline www.ehpa.org . Europsko tržište dizalica topline oborilo je novi rekord 2022. prema podacima s 21. tržišta u Europi, s oko 3 milijuna prodanih jedinica, slika 2. Podavi koje je prikupilo Europsko udruženje dizalica topline ukazuju na rast od 39%, u odnosu na prethodnu godinu kad je rast bio 34% .
Do sad je u Europi s krajem 2022. godine ukupno ugrađeno oko 20 milijuna dizalica topline (zrak-voda, voda-voda, zemlja-voda. One osiguravaju grijanje za oko 16% europskih stambenih i poslovnih zgrada te smanjuju emisiju CO2 za 52,5 milt, što je primjerice jednako godišnjim emisijama CO2 Grčke.
Do sljedećeg nastavka, ako vas zanimaju ova ili slične teme iz gradnje, neke od odgovora sigurno ćete moći pronaći i na našem stručnom portalu časopisa Korak.
urednik stručnog časopisa Korak