Toplinske pumpe

Toplinske pumpe ili dizalice topline su sustavi jeftinog i ekološki čistog načina grijanja, one mogu crpiti toplinu iz vode, zemlje ili zraka. Rade na principu sličnom kao i rashladni uređaji. Osnovni proces koji objašnjava njihov rad je lijevokretni Carnotov kružni proces. Toplinske pumpe najčešće koriste freone kao rashladni medij, ali mogu koristiti i neke druge plinove (npr. amonijak). Najjednostavniji oblici toplinskih pumpi su klima uređaji koji griju i hlade, tzv. inverteri. Oni crpe toplinu iz zraka, najlakši su za montažu i najjeftiniji. Složeniji oblici koji daju i više energije su sustavi koji se ukapaju pod zemlju gdje se koristi unutarnja toplina zemlje koja podiže temperaturu rashladnog medija (najčešće nekog od plinova freona). Toplinske pumpe danas još nisu stekle široku primjenu iako su bolji izvor grijanja od fosilnih goriva koja polako nestaju, zagađuju okoliš i imaju stalan porast cijena.

Razvoj rashladne tehnike i toplinskih pumpi

Potreba za hlađenjem pojavila se već u 18.stoljeću kada su ljudi, da bi hranu održali hladnom, rezali iz jezera led i spremali ga u zimi u izolirane prostorije kako bi ga čuvali do ljeta, a kroz ljeto ga koristili. Prvi koji je uspio proizvesti aparat, preteču današnjem kompresoru, bio je američki inženjer Jacob Perkins 1834. godine. Prvi oblik rashladnog uređaja proizveden je 1855. godine u Njemačkoj, iako je Michael Faraday otkrio princip njegova rada već 1824. godine. Takav uređaj proizvodio je umjetni led sve do 1890. godine kada se nakon blage zime pojavila veća potražnja za ledom. Tada je krenuo ubrzan razvoj tehnologije rashlađivanja. Prvi kućni hladnjaci proizvedeni su 1910. godine. Primjena je tih godina bila mala pa je 1918. godine u Americi prodano samo 67 uređaja, dok se danas godišnje proda više desetaka milijuna rashladnih uređaja. Bitan doprinos razvoju dao je General Electric koji je proizveo prvi hermetički zatvoren uređaj. Godine 1927. pojavili su se i prvi klima uređaji. Principi rada toplinske pumpe poznati su koliko i rad rashladne tehnologije koja se još i danas usavršava.

Teoretski princip rada toplinske pumpe

Toplinska pumpa je sustav koji se bazira na lijevokretnom Carnotovom kružnom procesu koji toplinu u stroju pretvara u rad, pri čemu se koristi idealni plin, najčešće neki od freona ovisno o željenim temperaturama. Način rada je gotovo identičan načinu rada kućnog hladnjaka, a razlika je u tome što rashladni uređaj oduzima toplinu namirnicama i predaje je okolini dok toplinska pumpa uzima toplinu iz zraka, vode ili zemlje, i dovodi je u prostor koji želimo zagrijati. Proces se sastoji od dvije adijabatske promjene i dvije izotermne promjene koje zatvaraju ciklus.

• 1. izotermna ekspanzija promjena odvija se u kondenzatoru koji predaje toplinu rashladnog medija vodi ili nekom drugom prostoru koji želimo zagrijati. Rashladni medij mora prijeći u tekuću fazu.

• 2. adijabatska ekspanzija koju izvodi termo-ekspanzijski ventil unutar kojeg rashladni medij gubi tlak i opada mu temperatura.

• 3. prva izotermna promjena na isparivaču kada on uzima toplinu iz okoline (voda, tlo, zrak) i zagrijani rashladni medij u parnoj fazi vraća je natrag na kompresor čime zaokružuje ciklus.

• 4. adijabatska kompresija promjena na kompresoru gdje tlak medija raste kao i temperatura.

• 5. faktor grijanja je pokazatelj energetske učinkovitosti rada toplinske pumpe gdje je najvažniji omjer predane topline Qo i dovedenog vanjskog rada koji se dovodi radom kompresora W.

βR=Q₀/W

Dijelovi toplinske pumpe

1. Kompresor
2. Kondenzator
3. Termo ekspanzijski ventil
4. Isparivač
5. Rashladni mediji (plinovi)

Kompresor:

Kompresori su strojevi koji imaju ulogu tlačenja rashladnog medija, podizanja njegove temperature i tlaka dovođenjem rada W. Postoji više načina podjele kompresora, ali za nas su bitne samo dvije:

1. Podjela prema dosegljivom tlaku;

• vakumske sisaljke
• kompresori niskog tlaka (do 10 bar)
• kompresori srednjeg tlaka (100 bar)
• kompresori visokog tlaka (do 500 bar)
• superkompresori (do 3000 bar)

Toplinske pumpe najčešće koriste kompresore niskog odnosno srednjeg tlaka do 20 bar.

2. Podjela prema području primjene odnosno temperaturi;

• kompresore za niske tlakove isparavanja ( za smrzavanje temperatura isparavanja <-30°C)
• kompresore za srednje tlakove isparavanja (za hlađenje temperatura isparavanja približno -10°C)
• kompresore za visoke tlakove isparavanja (za klimatizaciju temperatura isparavanja >0°C)

Kondenzator

Kondenzator je izmjenjivač topline napravljen kao sustav cijevi u zavojnicu gdje rashladni medij predaje toplinu. Kod toplinskih pumpi on svoju toplinu predaje vodi koja se pri tome zagrijava i pomoću vodene pumpe cirkulira kroz izmjenjivač topline u prostoru kojim grijemo npr. radijator i na taj način nas grije. Kod rashlada on ima obrnutu ulogu gdje on odvodi toplinu.

Termo ekspanzijski ventil

Ekspanzijski ventil je regulator protoka rashladnog medija kroz sistem. Nalazi se između kondenzatora i isparivača. U njega ulazi rashladni medij iz kondenzatora na višem tlaku i većoj temperaturi. Kada plin izađe iz ventila u cijev većeg poprečnog presjeka, dobivamo niži tlak rashladnog medija. Ekspanzijskim ventilom možemo regulirati rad kompresora regulirajući površinu poprečnog presjeka kod protoka, njegovu otvorenost odnosno zatvorenost regulira sonda koja se nalazi prislonjena na usisnu cijev kroz koju rashladni medij nakon predavanja topline ulazi u kompresor. Unutar sonde se nalazi medij (obično tekućina sa viskom koeficijentom termičkog rastezanja) koji se širi povećanjem temperature rashladnog medija te time se smanjuje protok i dobiva se niža temperatura rashladnog medija. U obrnutom slučaju kada je rashladni medij na nižoj temperaturi, ventil se otvara i dobiva se nešto viša temperatura rashladnog medija. Regulacijom otvorenosti ventila dobiva se optimalan rad kompresora i optimalna temperatura rashladnog medija kada je iskoristivost najpovoljnija. Manji sustavi ne koriste termo-ekspanzijske ventile već cijevi manjeg promjera (kapilare), od cijevi unutar sustava kroz koje putuje rashladni medij. Kapilare djeluju na istom principu, samo je kod njih površina poprečnog presjeka protoka plina konstantna.

Isparivač

Isparivač je izmjenjivač topline građen kao sustav cijevi namotanih u zavojnicu površinom u koje ulazi rashladni medij na nižoj temperaturi i preuzima toplinu iz tla, vode ili zraka. Dakle nama su tlo, voda ili zrak su medij koji svoju energiju predaju toplinskoj pumpi. Isparivač je funkcijski građen kao i kondenzator.

Rashladni mediji (plinovi)

Kao rashladni medij moraju se koristiti isključivo plinovi sa svojstvima da na određenoj temperaturi, ovisno o tlaku, mogu biti u svim agregatnim stanjima. Rashladni medij ne smije reagirati niti s jednim sastavom unutar sistema, gustoća bi mu trebala biti što veća, mora biti hermetički zatvoren unutar sustava, najčešće u nehrđajućim bakrenim cijevima, mora biti neeksplozivan, tako da u slučaju ispuštanja ne bi došlo do eksplozije, neotrovan i po mogućnosti što manje štetan za okoliš. Rashladni medij se miješa sa mazivim uljem kojem rashladni medij mora osigurati kontinuirano putovanje kroz čitav sustav. Ulje ne smije mijenjati svojstva plina.

Izvori topline za toplinske pumpe

Tlo

Toplina tla koristi se kao izvor energije. Toplina tla je najsigurniji izvor topline za toplinsku pumpu jer tijekom cijele godine ima konstantnu temperaturu od +8°C do +12°C na određenoj dubini, što znači da je tlo zimi mnogo toplije od vanjskog zraka. Takav sustav sastoji se od dva načina preuzimanja topline iz tla: - podzemnim kolektorom i - dubinskom sondom.

Podzemni kolektor

Podzemni kolektori postavljaju se u obliku zavojnica koje se postavljaju na određenu dubinu ispod dubine zamrzavanja tla (dubina veća od 1,2-1,5m). Sustav se može temeljiti na dva medija, voda ili plin. Kod vode potrebna je dosta velika površina, omjer površine prostora i površine je 1:2,5, što znači da za zagrijavanje prostora površine 100 m² treba postaviti 250 m² cijevi, kroz te cijevi struji voda kao rashladni medij. Voda koja cirkulira kroz tlo dolazi na isparivač gdje podiže temperaturu rashladnog medija koji nakon stlačivanja i dodatnog podizanja temperature u kompresoru odlazi na kondenzator. Kondenzator pri tome zagrijava drugu vodu koja kruži drugim sustavom, koji se nalazi unutar prostora koji želimo zagrijati. Najčešće se postavlja kao podno grijanje jer ono za svoj rad koristi niže temperature od centralnog grijanja radijatorima. Vodu koja kruži kroz zemlju i kroz unutarnje instalacije tjeraju obične vodene pumpe. Kod plina, tzv. "Direktna ekspanzija" površina je značajno manja cca. 40m²/Kw, dakle 200m² za pumpu snage 5Kw. Na mogućnost izvlačenja energije iz zemlje jako utječe kvaliteta tla, što je tlo vlažnije i nalik glini to će mogučnost izvlačenja biti veća u odnosu na suša i tla manje gustoće. Prijenos energije se odvija na način da plin kruži kroz bakrene cijevi, cijevi su zaštićene nekom vrstom ovojnice pe/pp te dolazi do prijenosa energije sa zemlje na plin. Plin je isti onaj koji koristi kompresor, dakle nema 3 kruga nego dva. Ukoliko je cijeli sustav dobro dimenzioniran u odnosu na potrošnju energije a ujedno se radi o kvalitetnom proizvođaču, zapravo ne postoji bolji izvor topline za toplinske pumpe.

Dubinska sonda

Dubinske sonde se postavljaju u obliku U-cijevi, kroz koje struji najčešće voda. One se koriste na područjima koja nemaju mogućnost polaganja podzemnih kolektora zbog njihove površine ili lošeg tla (kamenjar). Ukapaju se na dubine od 100 ili 200 metara pod zemljom, a ako teren ne dopušta ukapa se više manjih cijevi od 20, 30 ili 50 metara, koje se nakon postavljanja zaliju betonom. Dubinska sonda je najsigurniji izvor trajne jednakosti temperature jer što je više ukopana u zemlju, to manje na nju imaju utjecaja klimatske promjene.

Voda

Kao izvor topline mogu se koristiti toplina podzemnih voda, pri čemu to najviše sliči geotermalnim toplanama. Kod takvih sustava koriste se dvije bušotine na minimalnom razmaku od 15 metara, gdje se iz jedne crpi voda temperature oko +10°C i dovodi u isparivač u kojem zagrijava radnu tvar koja dalje kruži sistemom, a kroz drugu cijev se voda natrag odvodi do izvora.

Možemo koristiti i toplinu površinskih voda jezera, rijeka, morska voda ili otpadne vode neke industrije. Kod površinskih voda, pumpe crpe vodu iz kolektora koji se postavljaju na dubinu gdje je stalna temperatura vode. Kod jezera, to je na dno gdje je stalna temperatura zbog anomalije vode +4°C, a povratna voda se ili vraća natrag, ili ispušta u kanalizaciju. Otpadne vode mogu se koristi ne samo kad toplinskih crpki već direktno kao toplane. Možemo za primjer uzeti otpadne vode nuklearnih elektrana koje služe za hlađenje nuklearnih reaktora, one se u nama najbližoj elektrani Krško još ne koriste na taj način, ali u drugim zemljama se to često primjenjuje.

Zrak

Zrak se koristi najčešće kod malih jedinica odnosno zagrijavanja kućanstava. Inverteri su vrsta toplinskih pumpi koje su po svojem sustavu najsličniji klima uređaju: oni i hlade i griju, imaju isti izgled, montaža je ista, samo koriste drugačiji plin kao rashladni medij od klima uređaja. Inverter se sastoji od vanjske jedinice koja u fazi grijanja ima funkciju isparivača, a za vrijeme hlađenja ima funkciju kondenzatora. Isto je sa unutarnjom jedinicom koja za vrijeme dok grije ima funkciju kondenzatora, a dok hladi funkciju isparivača. Njihov stupanj iskoristivosti je oko 3,5, što znači da za jedan kilovat uložene električne energije daju 3,5 kilovata toplinske energije. Cijena im je od 3000 kuna na dalje, ovisno o stupnju iskoristivosti i snazi. Najveći nedostatak ovih uređaja je nemogućnost rada pri vrlo niskim temperaturama. Kada temperatura padne ispod -20°C, tada je vanjski zrak hladniji od plina u isparivaču i uređaj više nije efikasan jer nema odakle crpiti energiju. Glavna razlika između toplinske pumpe (invertera) i običnog rashladnog klima uređaja je da klima uređaj prestaje djelovati kada temperatura padne ispod +5°C, dok toplinska pumpa i dalje radi. Toplina zraka koji toplinska pumpa dovodi u prostoriju može biti do 28°C.

Izvori

1. Althouse, A.D., Turnquist C.H., Bracciano A.F. Modern refrigeration and air conditioning. The Googheart-Willcox co.,inc., South Holland, Illinois1982
2. Labudović, B. Obnovljivi izvori energije. Energetika marketing, Zagreb 2002.
3. Žilić, D. 2001.Prilagodba rashladnih sustava novim tvarima. Ministarstvo zaštite okoliša i prostornog uređenja, Zagreb 2001.
4. Kostelić, A. Nauka o toplini. Školska knjiga, Zagreb, 1975.