V času naraščajoče globalne energetske krize in trenutno ugodnih cen električne energije so toplotne črpalke zelo aktualen sistem ogrevanja hiš. Vedno večje povpraševanje po teh sistemih to potrjuje. Toplotna črpalka "črpa" toploto iz vira - ga hladi (podtalna voda, toplota zemljine, okoliškega zraka) in jo prenaša v sistem ogrevanja objekta na višjem temperaturnem nivoju 35 - 55°C. A tudi tukaj ima dobra stvar tudi temnejšo plat: vgradnja sistema toplotne črpalke ni enostaven poseg v sistem ogrevanja, posebej pri starejših obstoječih objektih s klasičnimi visokotemperaturnimi sistemi ogrevanja. Pri teh moramo računati na obsežnejše posege.

Ogrevanje z "mlačno" vodo

Ogrevalna telesa morajo, zaradi nizke temperature ogrevnega medija, v objektu imeti velike površine. Relativno majhni radiatorji, zelo pogosti v starih objektih, dimenzionirani za pokrivanje toplotnih izgub z ogrevalnim medijem temperature okrog 80°C, pri nizkih temperaturah medija ne oddajo v prostore dovolj toplote. Toplotna izolacija mora biti zadovoljivo rešena, da bo sistem kar se da varčen. Izvor energije, iz katerega toplotna črpalka "črpa" toploto največkrat predstavlja zajeten projekt, bodisi izdelavo vrtine za podzemno vodo, polaganje zemeljskega kolektorja ali izvedbo zemeljske sonde.

Namesto plinske ali oljne cisterne

Problematični izvedbi izvora energije - vse možnosti z vodo - se izognemo, če uporabimo kot izvor energije toploto zraka iz okolice. Najenostavnejši sistem toplotne črpalke zahteva le postavitev zunanje enote ter dokaj enostavno povezavo v obstoječ sistem ogrevanja (slika 4).

Pogoj je, da imamo v objektu ogrevalna telesa dimenzionirana tako, da je možno ogrevanje s temp. medija 45-50°C. Objekti s talnim ogrevanjem se bodo najbolje odrezali. A vendar je potrebno omeniti, da je vseeno najboljši izvor toplote tisti, ki ima tudi pri najnižjih zunanjih temperaturah skoraj konstantno temperaturo, torej podtalna voda. Pri izkoriščanju toplote okoliškega zraka pa je tako, da kadar potrebujemo največ, dobimo najmanj.

Izvore toplote za ogrevalne toplotne črpalke bi lahko razvrstili kot sledi, od najučinkovitejšega pa do najmanj učinkovitega:

• podtalna voda (studenec, vrtina)
• zemeljska sonda
• površinska voda
• zemeljski kolektor
• zunanji zrak

Na sliki 5 je hierarhija izvorov toplote lepo vidna. Podtalnica je najbolj neobčutljiva na spremembe zunanje temperature in zato najbolj primeren in energetsko učinkovit izvor toplote za toplotne črpalke. Enostavnost in dostopnost izvedbe izvora je ravno v obratnem sorazmerju z učinkovitostjo in tako zaseda sistem toplotne črpalke, ki izkorišča toploto zraka, prvo mesto v kategoriji po enostavnosti izvedbe. Že res, da so pri najnižjih zunanjih temperaturah toplotne črpalke zrak - voda dokaj neučinkovite, grelno število drastično pade, tudi grelna moč. Toda povprečne zimske temperature le niso tako nizke - poglejmo samo začetek letošnje zime.
Povprečne temperature se v ogrevalni sezoni na celinskem področju gibjejo med 4 - 5°C. Pri teh temperaturah pa povprečna toplotna črpalka še vedno dovolj učinkovito deluje (slika 6).

Kako izbrati toplotno črpalko zrak - voda

Primerjava različnih virov energije za toplotno črpalko prikazuje kako strma je krivulja za zunanji zrak (slika 5), ostale krivulje so bolj položne. Dimenzioniranje toplotne črpalke na pokrivanje celotnih toplotnih potreb zgradbe bi pomenilo predimenzioniranost sistema skozi večji del ogrevalne sezone. Iz diagrama je razvidno, da ima toplotna črpalka pri zunanji temperaturi -10°C le še 50% nazivne ogrevne moči (slika 6). Toplotno črpalko izberemo tako, da pokrije okrog 50 - 70% maksimalne moči ogrevanja objekta. Na ta način bo dosegala ustrezno ogrevno moč za pokrivanje toplotnih potreb pri povprečni zunanji temperaturi ogrevalne sezone. Dosežen bo visok delež pokrivanja celoletnih toplotnih potreb s toplotno črpalko. Preostanek ogrevalnih potreb pokrije klasičen sistem ogrevanja - npr. plinski kotel. Oba sistema tudi lahko delujeta sočasno, kadar toplotna črpalka ne zmore več proizvajati dovolj toplotne energije, ko željena temperatura v prostoru ni dosežena. Kadar so zunanje temperature zelo nizke, se toplotna črpalka izklopi. Dvojni sistem je neke vrste dvoživka,lahko izkorišča dva vira energije, govorimo o t.i. bivalentnih sistemih ogrevanja.

Koliko lahko s toplotno črpalko zrak - voda prihranimo?

Poglejmo, koliko nam toplotna črpalka prinese in koliko energije za pogon le - te moramo vložiti. Razmerje med dobljeno toplotno energijo in za to porabljeno električno pogonsko energijo označujemo kot grelno število:
ε = Q_tč/P_tč .... 2,5 - 3,5
Q_tč - toplotna moč toplotne črpalke (kW)
P_tč - pogonska moč TČ - dovedena električna moč (kW)

Ocena letnega prihranka

Prikazali bomo okviren izračun prihranka energije s toplotno črpalko zrak - voda. Na razpolago imamo toplotno črpalko toplotne moči 7,4 kW pri zunanji temperaturi 10°C in 6,5 kW pri 5°C. Toplotne potrebe objekta pri zunanji temperaturi 5°C so 6 kW. Ocena nam bo dala okvirno vrednost.

Najprej potrebujemo parametre delovanja toplotne črpalke, torej čas delovanja, povprečne temperature v sezoni ogrevanja, itd. Podatki o podnebju so povzeti po Pravilniku o toplotni zaščiti stavb in učinkoviti rabi energije v stavbah (Ur.l. RS 42/02. Priloga 2 - Grafične podnebne podlage - območje okolica Maribora). Podatki, ki jih ni možno dobiti iz drugih virov so predpostavljeni, oz. predstavljajo izkustvene vrednosti. Iz diagrama na sliki 8 razberemo moč ogrevanja pri zunanji temperaturi 5°C, ki znaša pri temperaturi medija 45°C 6,5 kW. Porabljena električna moč toplotne črpalke pri teh pogojih je 2,0 kW. Iz teh podatkov izračunamo grelno število:

ε = Q_tč/P_tč  = 6,5/2,0 = 3,25 - primer "a", diagram slika 8 s poenostavljenim izračunom ugotovimo, koliko električne energije za pogon toplotne črpalke je potrebno dovesti:
E_el = E_og/ε= 16.320/3,25 = 5.021 ekWh/leto

Pri povprečni ceni električne energije 0,074 EUR/kWh1 za razred porabe do 20.000 kWh letno znaša strošek za pogon toplotne črpalke 371,00 EUR.

Poglejmo, koliko stane enaka količina toplotne energije, ki jo pripravimo s kvalitetnim kondenzacijskim plinskim kotlom:

Pri ceni plina 0,52 EUR/Sm3 znaša letni strošek za ogrevanje 728,00 EUR. Torej je ogrevanje s toplotno črpalko zrak - voda pri trenutnih cenah energije skoraj pol ceneje kot z učinkovito plinsko pečjo. Povprečna temperatura ogrevalne sezone je v naših krajih okrog 5°C, upoštevano je stalno delovanje toplotne črpalke. Nismo upoštevali ekstremno nizkih temperatur pod - 10°C, kjer delovanje toplotne črpalke ni več učinkovito. Tako bo pri nižjih temperaturah sicer strošek za pogon toplotne črpalke nižji, vendar bo potrebno ogrevanje z dodatnim sistemom - bivalentno ogrevanje.
Zgoraj navedena ocena je blizu realnemu stanju v mili zimi, kjer ni večjih in dolgotrajnih odstopanj od povprečne temperature 5°C v času ogrevanja. V zimi z nižjimi temperaturami s toplotno črpalko zrak - voda ne bi dosegli tako izrazitih prihrankov, vendar še vedno lahko računamo s ca 25 - 30% nižjimi letnimi stroški za ogrevanje, kot pri konvencionalnem sistemu ogrevanja.

Ko toplotni črpalki poidejo moči

Pri načrtovanju je pomembno, da vemo kolikšna je moč toplotne črpalke pri najpogostejših zunanjih temperaturah ogrevalne sezone in koliko takrat znašajo toplotne potrebe objekta. Tukaj naj bo stičišče krivulj moči toplotne črpalke in toplotnih potreb objekta (slika 6). Torej potrebujemo delovni diagram toplotne črpalke in poznati moramo krivuljo toplotnih potreb objekta. Zelo priporočjivo je projektiranje ogrevalnega sistema prepustiti izkušenemu projektantu. Zagotoviti moramo tudi dodaten vir ogrevanja, ki bodo pokrival toplotne potrebe objekta pri ekstremno nizkih temperaturah. Električni kotel kot dodatni vir namesto ogrevalnega kotla na olje ali plin, je investicijsko ugodna rešitev, a le v primeru, če se vključuje v obratovanje le nekaj dni vmesecu, hkrati pa je tudi ekonomična rešitev.

Energija prihodnosti

Toplotne črpalke zrak - voda so okolju in denarnici prijazni sistemi ogrevanja. Enostavnejša vgradnja kot pri sistemih voda - voda, kjer je potrebno zagotoviti vir energije iz podtalnice ali zemeljskih kolektorjev, jih postavlja pred sicer te energetsko optimalnejše rešitve. Pri povprečnih temperaturah v ogrevalni sezoni pa delujejo prav tako z visokimi učinki. V času energetske krize in velikega onesnaževanja okolja s toplogrednimi plini predstavljajo relativno enostavno in učinkovito rešitev zmanjšanja porabe energije za ogrevanje. •

Viri:
- Toplotna črpalka zrak - voda za ogrevanje nizkoenergijskih zgradb, Bojan Grobovšek
- IKZ - Haustechnik - 01/02/03
1 - cena električne energije po statističnem uradu - cene energentov, 2006
2 - cena plina po Statističnem uradu - cene energentov julij 2006

 toplotna črpalka erevija varčujem z energijo gradnja varčevanje energije ogrevanje hlajenje energetika instalacije talno ogrevanje stensko ogrevanje voda-voda zrak-voda zemlja-voda