Sodobne, tako imenovane reverzibilne toplotne črpalke imajo namreč vgrajen sistem, ki zamenja vlogo uparjalnika in kondenzatorja, s tem pa se obrne proces delovanja toplotne črpalke. Za to je potrebnih le nekaj dodatnih ventilov in armatur. O tem, kako delujejo, smo se pogovarjali s prof. dr. Alojzom Poredošem, predstojnikom katedre za prenos toplote in snovi ter okoljsko tehniko in vodjo laboratorija za hladilno tehniko na ljubljanski fakulteti za strojništvo.

Naložba v toplotno črpalko bo najbolj upravičena, če bomo z njo ogrevali in hladili, je prepričan Alojz Poredoš. Pozimi potrebujemo samo ogrevanje, poleti samo hlajenje, za zadnje običajno poskrbi klimatska naprava. In tudi ta je pravzaprav toplotna črpalka. »V funkcionalnem smislu je vsak hladilnik toplotna črpalka, saj prečrpava toploto z nižje na višjo temperaturo,« razlaga Poredoš. Hladilnik, ki ga uporabljamo v gospodinjstvu, na primer, toploto črpa iz svoje notranjosti in jo prek prenosnika toplote oziroma kondenzatorja oddaja v okolico. Tudi veliko toplotnih črpalk manjših moči, ki so namenjene ogrevanju sanitarne vode, deluje hkrati kot hladilnik in grelnik – toplotna črpalka, nameščena v kleti, na primer, črpa toploto iz okolice v hranilnik toplote in s tem klet hladi.

Poleti se proces obrne

Krožni proces delovanja toplotne črpalke, ki jo uporabljamo za ogrevanje prostorov in sanitarne vode, je sestavljen iz štirih faz: uparjanja, stiskanja (komprimiranja), kondenzacije in ekspanzije (shema levo – ogrevanje). Del toplote, ki vstopi v črpalko, se odda hladivu v uparjalniku, hladivu se zato spremeni agregatno stanje iz kapljevinastega v plinasto pri nizkem tlaku. Kompresor sesa uparjeno hladivo iz uparjalnika in ga stisne na manjšo prostornino, pri čemer mu naraste temperatura. Za to je potrebna električna energija. Pregreto paro kompresor potisne v kondenzator, kjer se del toplote prenese na vodo, ki kroži v ogrevalnem sistemu, uparjeno hladivo pa kondenzira. Krožni proces se sklene med kondenzatorjem in uparjalnikom prek ekspanzijskega ventila. Utekočinjenemu plinu se znižata temperatura in tlak, nato se vrne v uparjalnik in spet sprejme del toplote vira energije (to je lahko podtalnica, zemlja, zrak …).

Pozimi torej toplotna črpalka prečrpava toploto iz okolice v notranjost, in sicer na višjo temperaturo, da lahko prostore ogrevamo pri višji temperaturi. Poleti se proces obrne (shema desno – hlajenje). Zamenjata se vlogi dveh elementov, uparjalnika in kondenzatorja – kondenzator postane uparjalnik in uparjalnik postane kondenzator. V tem primeru skozi uparjalnik, ki je zdaj v prostoru, kroži notranji zrak. Pri tem se ohladi, saj je oddal toploto hladivu, ki se v uparjalniku uparja. Po besedah Alojza Poredoša poteka proces enako kot pri zimskem režimu, le da je kondenzator, prek katerega odvajamo toploto, v tem primeru zunaj objekta. Toploto iz kondenzatorja moramo, če je le mogoče, izkoristiti, jo vrniti uporabniku v objektu. »Tako dosežemo dvoje: prvič, ne segrevamo okolice, drugič pa pridobimo toploto, recimo za ogrevane sanitarne vode ali kaj podobnega, za kar bi sicer potrebovali dodatno energijo. Bistvo tako imenovane reverzibilne toplotne črpalke je torej, da poleti črpa toploto iz objekta v okolico oziroma jo porabi za potrebe ogrevanja,« pravi Poredoš.

Sogovornik poudari, da izraz »reverzibilen« ni najbolj ustrezen. Uporablja se v termodinamiki, kjer pomeni, da je nekaj povračljivo (proces, na primer), da ni izgub: »V strojništvu smo radi natančni, in če za toplotno črpalko rečemo, da je reverzibilna, to pomeni, da deluje idealno, brez kakršnih koli izgub, kar pa, seveda, ni res. Že nekaj časa si prizadevam, da bi se uveljavil po mojem mnenju ustreznejši izraz 'obrnljive' toplotne črpalke. Še boljše je opisno poimenovanje: toplotne črpalke za ogrevanje in hlajenje.«

Grelno število – hladilno število

Na rabo električne energije pri ogrevanju vpliva tudi grelno število, medtem ko pri hlajenju govorimo o hladilnem številu. Grelno število je razmerje med toploto, ki jo toplotna črpalka dovaja, in električno energijo, ki jo črpalka porabi za delovanje. Večje ko je razmerje, manj električne energije je potrebne za več oddane toplote. Grelno število tri denimo pomeni, da bo toplotna črpalka z eno enoto vložene električne energije dovajala v ogrevalni sistem tri enote toplote. Dve enoti energije je odvzela okolici, temu pa dodala enoto električne energije.

Ko pa toplotna črpalka objekt hladi, je po besedah Alojza Poredoša za nas koristna tako imenovana hladilna toplota, ki jo črpalka črpa iz objekta. Hladilno število je v tem primeru razmerje med hladilno toploto, ki jo črpalka izčrpava, in električno energijo, ki jo porablja. Podobno kot pri grelnem številu tudi pri hladilnem velja, da večje ko je, manj energije je potrebne za več izčrpane toplote.

Centralni hladilni sistem

Reverzibilne toplotne črpalke so lahko tudi centralni ogrevalni in hladilni sistem s prilagojeno regulacijo, ki podpira delovanje v vseh letnih časih. Pri hlajenju prostorov poleti je priprava sanitarne (in tudi bazenske) tople vode brezplačna, saj poteka vzporedno s hlajenjem – črpalka namreč izkorišča odpadno toploto hlajenja. Glede na hladilna telesa ločimo mirno in dinamično hlajenje, glede na funkcijo celotnega sistema toplotne črpalke pa pasivno in aktivno hlajenje.

Mirno hlajenje poteka po cevnem razvodu v tleh, stenah ali stropu (ploskovno). Najbolj učinkovito in udobno je stropno hlajenje, saj se ohlajeni zrak spušča navzdol in se enakomerno porazdeli po prostoru. Temperatura hladilne vode mora biti vedno nad točko rosišča zraka, v nasprotnem na teh površinah nastaja kondenz. V posameznih prostorih je treba zato namestiti tipala temperature in vlage, ki posredujejo podatke elektronskemu krmilju, to pa omogoča doseganje želene temperature v prostorih z ustreznim uravnavanjem temperature hladilne vode. V primerjavi z dinamičnim hlajenjem je mirno bolj udobno, saj manj občutimo gibanje zraka.

Dinamično hlajenje je hlajenje z ventilatorskimi konvektorji, ki lahko pospešeno ohlajajo prostore. Poredoš poudarja, da radiatorji niso primerni za hlajenje poleti, saj imajo premajhno površino: »Pri hlajenju potrebujemo prenosnik toplote z večjo površino, torej konvektor. Poleg tega potrebujemo kontroliran odvod kondenza, kar je pri radiatorju težko izvedljivo.« Temperatura hladilne vode je lahko pri dinamičnem hlajenju tudi pod točko rosišča, saj imajo konvektorji izveden odvod kondenza.

Pri pasivnem hlajenju izkoriščamo razpoložljivi medij na nizki temperaturni ravni (podtalnica, zemlja …), njegovo toploto pa prenašamo običajno neposredno na hladilno-ogrevalni sistem. Pri tem kompresor toplotne črpalke ne deluje, je pasiven. Pri aktivnem hlajenju toplotna črpalka deluje v reverzibilnem načinu, kompresor torej deluje, medij pa se v ohlajevalnem krogotoku aktivno ohlaja.

Tisti, ki že uporabljajo toplotno črpalko, imajo izvor hladu za pasivno hlajenje že rešen (podtalnica, zemlja, zrak). Če imamo, na primer, talno vodo temperature 12 stopinj Celzija, jo lahko neposredno uporabimo za hlajenje. Kakor pravi Alojz Poredoš, v tem primeru voda samo kroži po hladilnih elementih (konvektorjih) in tako neposredno ohlaja prostore: »Za pogon kompresorja ne potrebujemo energije, potrebujemo jo samo za pogon obtočne črpalke, kar pa je malo. Če imamo črpalko zrak/voda, poleti prostore hladimo z nočnim zrakom temperature vsaj 18 stopinj Celzija ali manj.«

Za aktivno hlajenje je potrebna reverzibilna toplotna črpalka. Na trgu je že nekaj modelov zrak/voda za notranjo in zunanjo postavitev. Črpalka za zunanjo postavitev stoji na pripravljenem betonskem podstavku, z ogrevalnim sistemom jo povezujeta dve izolirani cevi za toplo vodo, ki sta skozi podstavek in pod zemljo speljani do kurilnice. Sesanje in izpih zraka sta urejena s posebno zvočno izolirano masko. Zvočna izolacija oziroma tiho delovanje pa je še toliko pomembnejše, kadar je enota, ki hladi, v bivalnem prostoru.

Po principu toplotne črpalke delujejo tudi tako imenovane bojlerske klime, ki večji del energije za svoje delovanje črpajo iz toplote okoliškega zraka. Sistem sestavljajo toplotna črpalka (zunanja enota), notranja enota klimatske naprave in grelnik vode.

Za večje sisteme so primerne absorpcijske toplotne črpalke. Od kompresorskih se ločijo po tem, da imajo namesto mehanskega kompresorja tako imenovani toplotni kompresor, ki kot pogonsko energijo ne uporablja električne energije, ampak bioplin, fosilna goriva, sončno energijo, odvečno toploto in podobno. Po besedah Alojza Poredoša je absorpcijska toplotna črpalka konstrukcijsko zahtevnejša od kompresorske, nabavna cena pa je precej višja od električno gnanega kompresorja: »Ekonomski izračun kaže, da je naložba prevelika oziroma neupravičena za manjše sisteme, pri velikih sistemih z enim ali dvema megavatoma moči pa je absorpcijska črpalka cenejša od kompresorske.« Prvi tak večji »absorpcijski« hladilnik deluje v Velenju, ki deluje na odpadno toploto iz Termoelektrarne Šoštanj (ta se je prej skozi hladilne stolpe izgubljala v atmosfero). Z močjo enega megavata proizvaja energijo za hlajenje petih stavb v središču mesta.

Delo in dom, 1. april 2009