Toplinske pumpe » Grijanje toplinskom energijom iz okoline
Objavljeno: 15. srpanj 2024 | Trajanje čitanja: 8 minuta
Zagrijavanje Zemlje, klimatske promjene, emisije CO2 i efekti staklenika su ključne riječi koje dramatično zvuče i nažalost su sve češće u trenutnim vijestima.
Stoga je apsolutno nužno da se staklenički plinovi poput fluoriranih plinova, metana, dušikovog oksida i ugljičnog dioksida (CO2) trebaju smanjiti. Osobito ugljični dioksid, koji se koristi u mnogim sustavima grijanja pri izgaranju fosilnih gorivima poput ugljena, nafte ili zemnog plina, doprinosi globalnom zagrijavanju i klimatskim promjenama.
Iz tog razloga hitno su potrebne ekološki prihvatljive ili klimatske neutralne alternative iz obnovljivih izvora energije. Kada je u pitanju grijanje, izraz "toplinska pumpa" uvijek pada napamet. Ali što su toplinske pumpe, kako funkcioniraju i jesu li stvarno univerzalni lijek protiv klimatske krize? Željeli bismo pojasniti ta pitanja i pružiti vam dodatne zanimljive informacije o ovoj važnoj temi.
-
Gdje se koristi tehnika toplinske pumpe?
-
Državni poticaji za toplinske pumpe
U zraku je dosta topline, u zemlji i u vodi, što bi se u idealnom slučaju moglo koristiti i za grijanje. Razlog za to je sunčeva svjetlost ili vruća jezgra Zemlje. Ako odbacite gejzire na Islandu, postojeća toplinska energija nažalost nije prikladna za grijanje. Jer su tijekom sezone grijanja temperature zraka, vode ili zemlje često značajno niže od potrebnih 20 stupnjeva Celzija (°C), što Federalna agencija za okoliš preporučuje kao željenu sobnu temperaturu.
Potrebno je neko tehničko znanje, kako bi postupak grijanja unatoč tome djelovao i pritom bio učinkovit i ekološki prihvatljiv. Na primjer, zračno-vodene toplinske pumpe (1) koriste se za podizanje postojeće toplinske energije (2) zraka na značajno višu razinu (3).
Tako postignuta visoka temperatura ili povećavanje temperature prenosi se u vodotok grijanja (4). Pojedinačne prostorije, cijele zgrade ili potpuni bazeni mogu se zagrijavati lako i učinkovito.
Genijalni trik je da veliki dio dobivene energije grijanja dolazi izravno iz okoliša. Samo potrebna električna energija za pumpu (5), koja je idealno proizvedena iz obnovljivih izvora energija, je troškovno važna.
Toplinske pumpe nisu novi izum iz 21. stoljeća. Ne, toplinske pumpe postoje već više od 100 godina. U principu, svaki hladnjak ili zamrzivač je toplinska pumpa. Samo se kod ovih uređaja za hlađenje koristi proizvedeno smanjenje temperature u unutarnjem prostoru, a ne rezultirajuća otpadna toplina na poleđini. Kako bismo lakše razumjeli funkcioniranje toplinske pumpe, prvo želimo detaljnije ući u funkciju kompresorskog hladnjaka.
Funkcija kompresorskog hladnjaka
Hladnjak ima zatvoreni rashladni kružni tok u kojem postoji plinovito ili tekuće rashladno sredstvo, poput izobutana. Izobutan ili R600A imaju vrlo nisku točku vrelišta i isparava već na temperaturi od -11,5 ° C.
Plinovito rashladno sredstvo (1) stavlja se pod pritisak uz pomoć kompresora (2) koji se nalazi izvan unutrašnjeg prostora kojeg treba hladiti (Outside). Rashladno sredstvo zagrijava se efektom Joule-Thomson do oko 60 do 100 ° C. Rashladno sredstvo koje je vruće i pod pritiskom i dalje se dovodi do rashladne petlje ili izmjenjivača topline (3) na stražnjem zidu hladnjaka. Tamo se toplinska energija jednostavno oslobađa u okolinski zrak.
Budući da je temperatura vrelišta rashladnog sredstva koje je pod pritiskom značajno veća od -11,5 ° C, ono se kondenzira u rashladnoj petlji i postaje tekuće. Zbog toga stručnjaci također opisuju rashladnu petlju kao kondenzator ili ukapljivač.
Tekuće rashladno sredstvo zatim utječe u unutrašnjost hladnjaka (Inside) putem kapilarne cijevi. Kapilarna cijev služi kao prigušna naprava odnosno otpusni ventil (4), koji smanjuje tlak i fino raspršuje rashladno sredstvo. Cjevovodi pridodanog isparivača (5) nude dovoljno prostora rashladnom sredstvu kako bi moglo preći natrag u plinovito stanje pomoću smanjenja tlaka. Toplinsku energija koja je potrebna za isparavanje (hladnoća isparavanja) oduzima isparivač kao izmjenjivač topline iz unutrašnjosti hladnjaka. Nakon isparivača, plinovito rashladno sredstvo ponovno se dovodi u kompresor tako da cirkulacija može započeti od ponovo. Regulacije temperature preuzima termostat koji kompresor uključuje ili isključuje unutar određenog temperaturnog raspona.
Funkcija toplinske pumpe
U toplinskoj pumpi nalazi se i zatvoreni rashladni kružni tok s rashladnim sredstvom, dva izmjenjivača topline i kompresorom. No, za razliku od hladnjaka, kod toplinske pumpe koristi se povećanje temperature, a ne smanjenje temperature.
U tu svrhu, plinovito rashladno sredstvo (2) zgušnjava se kompresorom (1). Vruće rashladno sredstvo koje je pod pritiskom dovodi se do prvog izmjenjivača topline ili kondenzatora (3).
Uz cjevovode za rashladno sredstvo, ovaj izmjenjivač topline također ima cjevovode za cirkulaciju grijanja (4).
Oba sustava vodova su termički međusobno povezana. Na taj se način toplina komprimiranog rashladnog sredstva može učinkovito otpustiti u cirkulaciju grijanja sa sustavom raspodjele i pohranjivanja topline.
Ohlađeno i sada tekuće rashladno sredstvo dovodi se prigušnicom (5) do drugog izmjenjivača topline, isparivača odnosno sustava izvora topline (6). Uz cjevovode za rashladno sredstvo, u isparivaču nalaze se termički spojene cijevi za rashladni kružni tok (7). U pravilu se rashladni kružni tok napuni antifrizom i vodom te može izjednačiti hladnoću nastalu u isparivaču s okolišnom toplinom. Na ovaj način, okoliš se rashlađuje toplinskom pumpom kao pozitivna nuspojava. Sada se plinovito rashladno sredstvo dovodi u kompresor koji ponovno zatvara cirkulaciju.
Ovisno o tome iz kojeg medija se uzima energija za grijanje, postoje različite vrste toplinskih pumpi. Želimo ovdje predstaviti najčešće vrste:
Zračno-vodena toplinska pumpa
U slučaju zračno-vodene toplinske pumpe ili zračne toplinske pumpe (vidi skicu A), okolinski zrak služi kao izvor topline. Djelomično su instalirani podijeljeni uređaji, u kojima su kompresor, isparivač i ventilator vani, a kondenzator s optočnom pumpom i regulacijskom tehnikom unutra u kući. Zračne toplinske pumpe mogu se ekonomski koristiti do temperature zraka od -20 ° C.
Solno-vodena toplinska pumpa
Solno-vodena toplinske pumpe također se nazivaju zemljanim toplinskim pumpama ili solnom toplinskim pumpama i koriste prirodnu geotermalnu energiju kao izvor energije. Za to se blizu površine zakopavaju zemljani kolektori (vidi skicu B) ili provode (vidi sljedeću skicu C) duboka bušenja (40 - 100 m). Čak i ako je napor ugradnje značajno veći, veće temperature zemlje uglavnom omogućuju veću učinkovitost toplinske pumpe.
Vodena toplinska pumpa
S vodenom toplinskom pumpom (vidi skicu D), podzemna voda obično služi kao izvor topline. U tu svrhu, vodene toplinske pumpe zahtijevaju usisnu bunar za izvlačenje vode i upijajući bunar za povratno dovođenje podzemne vode.
Budući da je temperatura podzemne vode konstantna tijekom cijele godine bez obzira na sezonu, ovi sustavi mogu raditi vrlo učinkovito. Međutim, upotreba podzemne vode na mnogim mjestima podliježe odobrenju.
Zračno-zračne toplinske pumpe
Zračno-zračna toplinska pumpa koristi vanjski zrak ili ispušni zrak kuće kao izvor topline. Za razliku od zračno-vodene toplinske pumpe, toplina se ne izručuje optoku grijanja s napunjenog vodom, nego ventilacijskom sustavu. Zračno-zračne toplinske pumpe idealne su za pasivne kuće i energetski učinkovite zgrade u kojima se treba ugraditi ventilacijski sustav s obnovom topline.
Toplovodne toplinske pumpe
Toplovodna toplinska pumpa ili tehnološko-vodena toplinska pumpa posebno je dizajnirana za stvaranje tople tehnološke vode uz pomoć sobnog zraka i tehnologije toplinske pumpe. Toplinska pumpa i spremnik vode često tvore jedinicu. U nekim slučajevima, toplovodne toplinske pumpe imaju dodatne grijaće elemente kako bi značajno povećale već visoku temperaturu vode od oko 65 ° C ako je potrebno. Alternativno, postoje i toplovodne toplinske pumpe s dodatnim priključcima za solarne kolektore.
Proširenje toplinske pumpe solarnim kolektorima
Naravno, postoji mogućnost učinkovitog proširenja i podržavanja toplinske pumpe solarnim kolektorima. Solarni kolektori mogu se koristiti izravno za dobivanje tople vode ili podizanje energetske razine izvora topline na niskim temperaturama. Mogućnosti u tom pogledu toliko su raznolike da u svakom slučaju ima smisla ovlastiti stručnjake za planiranje.
Moderni klimatizacijski uređaj s tehnikom toplinske pumpe
Tehnika toplinske pumpe može se koristiti za grijanje i hlađenje stanova i zgrada. U kombinaciji sa sve vrućim ljetima, sve nadogradnje klimatizacijskih uređaja tehnikom toplinske pumpe mogu se naći na zidovima kuće. Čak i mobilna upotreba u vozilima dokazuje svoju vrijednost već desetljećima.
U međuvremenu, čak i kućanski aparati rade ovom pametnom tehnikom. S jedne strane, sušilice rublja su udobne i korisne, ali s druge strane im je potrebna i relativno velika količina električne energije. Kako bi se smanjila potrošnja električne energije s istim učinkom sušenja, moderne sušilice za rublje rade s toplinskom pumpom. Kod sušilice rublja s toplinskom pumpom ne treba se stalno zagrijavati novi zrak koji se zatim nakon postupka sušenja jednostavno pušta u sobu ili u okoliš. Umjesto toga, zrak za sušenje se neprestano iznova koristi u optoku te se zagrijava i hladi integriranom toplinskom pumpom.
Kao i dvije strane medalje, toplinske pumpe također imaju mnogo jačih strana, ali i neke slabosti koje ne želimo sakriti. Najveća prednost je što je glavni udio stečene toplinske energije preuzet iz okoliša i stoga je dostupan u neograničenim količinama. Ako se električna energija za pogon kompresora proizvede iz regenerativnih izvora, toplinske pumpe su ekološki prihvatljivi dobavljači energije. S druge strane, troškovi ulaganja, usprkos državnom financiranju, nisu beznačajni. Osim toga, integracija u postojeće građevine je teška zbog ponekad niske protočne temperature.
Prednosti:
✓ Ekološki dobavljač energije
✓ Visoka učinkovitost
✓ Gotovo neiscrpni izvori topline
✓ Velika fleksibilnost u izvorima
✓ Niski operativni troškovi, brza amortizacija
✓ Pogon gotovo bez potrebe održavanja
✓ Moguće grijanje i hlađenje
Nedostaci:
✗ Visoki troškovi nabave
✗ Ograničena protočna temperatura
✗ Potrebna dobra izolacija zgrade
✗ Optimalna učinkovitost samo u slučaju grijanja podova
✗ Težak rad s radijatorima
✗ Potreban zasebni sustav za toplu vodu
✗ Planiranje i projektiranje samo od strane stručnjaka
Stupanj učinkovitosti grijanja navodi omjer opskrbe energijom i upotrebljive topline. Ako grijanje na plin od 10 000 kWh prirodnog plina proizvodi oko 9.000 kWh topline, grijanje je učinkovito na 0,9. U slučaju toplinskih pumpi, navedena je učinkovitost između 2 i 5! To znači da oko 2 - 5 kWh topline nastaje u kilovatnom satu (1 kWh) koji je najbolje dobiven iz obnovljivih izvora energije.
No, toplinske pumpe nisu čarobni strojevi koji mogu čudesno povećati energiju. Umjesto toga, visoka učinkovitost je zbog toga što je u ovom slučaju u proračun ulazi samo struja, a ne i navedena energija okoliša.
U konačnici, to nije relevantno, jer je potrebna energija okoliša dostupna u nedogled i neće se pojaviti ni na jednom računu energetskih troškova. U idealnom slučaju, nema operativnih troškova ako operater toplinske pumpe još uvijek ima fotonaponski sustav koji onda proizvodi struju za kompresor, ventilator i pumpe. Zahvaljujući obnovljivim energijama, može se grijati potpuno bez CO2.
Fotonaponski sustav idealan je dodatak toplinskoj pumpi.
Eko fond/država nudi financijsku potporu za novu toplinsku pumpu kako bi potaknuo ljude da prijeđu na klimatski prihvatljivu toplinsku pumpu. Međutim, financiranje toplinske pumpe vezano je za određene kriterije. Iz tog razloga, zainteresirane strane koje žele iskoristiti svoje novo grijanje trebale bi se informirati o trenutnim mjerama.