UČINKOVITOST TOPLOTNE ČRPALKE V PRAKSI – SMISELNE REŠITVE

Z meritvami obratovalnih parametrov lahko v praksi preverimo učinkovitost (grelno število) toplotne črpalke. Pri tem moramo biti pozorni, po katerih standardih so navedena grelna števila. Določeni proizvajalci namreč navajajo grelna števila še po starem standardu EN 255, ki upošteva na strani ogrevne vode temperaturno razliko 10 K, med tem ko standard EN 14511 upošteva temperaturni razliko 5 K. Pri tej primerjavi tega parametra je razlika pri grelnih številih do 10 odstotna. 1. Standardni izračun COP in SPF Učinkovitost toplotne črpalke (COP) v določeni obratovalni točki določimo glede na temperaturo vira toplote in ponora toplote ocenjujemo z grelnim številom. Tako glede na EN 255 in D - A - CH velja:

� TČ zemlja/voda: B0/W35 …temperatura vira/temperatura ogrevne vode COP 4,0

� TČ voda/voda: W10/W35 …temperatura vira/temperatura ogrevne vode COP 4,5

� TČ zrak/voda: A2/W35 …temperatura vira/temperatura ogrevne vode COP 3,0 � TČ direktni uparjalnik/voda: E4/W35 temperatura vira/temperatura ogrevne

vode COP 4,0 Testne metode za toplotne črpalke so določene v EU standardu 14511. V skladu z EN 14511 se vrednost COP določa kot delež grelne moči glede na celotno dovedeno električno moč naprave in deleže moči za prenos toplote znotraj naprave (električna) moč za pogon kompresorja, moč za odmrznitev uparjalnika, regulacijske naprave, črpalke, ventilatorje). Standard EN 14511 ne določa minimalnega kriterija učinkovitosti toplotnih črpalk, temveč samo opredeljuje standardne pogoje za testiranje (temperatura vira in ponora toplote) za različne tipe toplotnih črpalk (zrak/voda, raztopina(zemlja)/voda, voda/voda itd). Primerjavo je možno izvesti na podlagi skladnih testnih pogojev ter uporabe standardiziranih temperaturnih virov in ponorov toplote, pri čemer je potrebno upoštevati, da je novi standard EN 14511 ob zamenjavi standarda EN 255 prinesel tudi spremembe pri določenih testnih pogojih. Iz tega razloga je primerjava naprav testirana po stari metodologiji (EN 255) z napravami po novi metodologiji (EN 14511) zahtevna.

Slika 1: Grelna števila TČ zrak/voda različnih proizvajalcev (Vir: gradivo firme CLIVET). Slika 1 prikazuje grelna števila toplotnih črpalk različnih moči pri zunanji temperaturi + 2 °C, temperaturni režim 35/30 °C. Spodnja meja za grelna števila (glede na EN 255) za TČ zrak - voda, ki imajo certifikat kvalitete ( D - A - CH) je 3. 1.2. Letno grelno število - SPF Učinkovitost toplotne črpalke preko celega leta označujemo z letnim grelnim številom (SPF - Seasonal Performance Factor). Izračunamo ga iz razmerja med toploto, ki jo dovedemo grelnemu mediju in celotno porabljeno električno energijo preko cele sezone. Poleg porabe električne energije za pogon kompresorja moramo upoštevati še porabo električne energije pomožnih komponent sistema (črpalke, odmrznitev uparjalnika, regulacija itd). Na letno grelno število TČ vplivajo naslednji faktorji:

• potrebe po toploti in hlajenje glede na lokacijo objekta, • temperatura vira toplote in temperature predtoka ogrevne vode, • ali je optimalno določena obratovalna karakteristika TČ glede na potrebe • po toploti, • dodatna poraba električne energije pomožnih komponent sistema, • sistem regulacije TČ in ogrevalnega sistema, pravilno dimenzioniran hranilnik

toplote. Predpogoj, da lahko dosežemo zadovoljiva letna grelna števila je, da izberemo učinkovito TČ (primeren COP) že pri nazivnih parametrih. Delež električne energije za pogon pomožnih naprav lahko znaša približno 10% pri kvalitetnih TČ in do 15% pri manj kvalitetnih.

Ogrevalni sistem pri novogradnji je potrebno načrtovati tako, da je temperatura dovoda ogrevnega medija (predtoka) čim nižja (najbolje 35 °C). Temperature dovoda naj bodo nižje od 55 °C, kar omogoča vgradnjo običajnih izvedb toplotnih črpalk. 1.3. Letno delovno število JAZ Oceno učinkovitost toplotne črpalke lahko izrazimo tudi z letnim delovnim številom (JAZ - Jaresarbeitszahl) - VDI 4650. Podlaga je grelno število COP glede na DIN EN 255 za nazivne parametre B0/B35 in W0/W35, kjer upoštevamo tri korekturne faktorje: JAZ = COP x Fkondenzator x Fpogon/Fpomožni pogon

• COP BO/W35 - grelno število glede na EN 255 pri Tsv = 0°C, THV = 35 °C (BO/W35),

• Fkondenzator - temperaturna razlika pri testiranju in v pogonu , • Fpogon - faktor pogojen glede na temp. mešanice voda/glikol in temp. predtoka

v ogrevalni sezoni, • Fpomožni pogon - pomožna energija za črpalko mešanice voda/glikol, potopne

črpalke, ventilatorja (glede na vir toplote). Primer:

• Ogrevalni režim 35/30°C - talno ogrevanje

• COP BO/W35 = 4,5

• ∆Ttest = TVH – TRH = 10 K

• Fkondenzator = 0,949

• Fpogon = 1,087

• Fpomožni pogon = 1,075

JAZ = COP x Fkondenzator x Fpogon/Fpomožni pogon = 4,4 x 0,949 x1,087/1,075 = 4,3 Izračun velja za zemeljski kolektor. V primeri zemeljske sonde, se vrednost JAZ poveča za 0,05/1 °C in pri podtalnici za 0,1/1 °C. V primeru radiatorskega ogrevanja je vrednost JAZ nižja za 0,5.

2. Meritev obratovalnih parametrov TČ Za določanje obratovalnih parametrov potrebujemo naslednje podatke:

• tlak uparjanja, • tlak kondenzacije, • pregretje v vstopu v kompresor, • temperaturo vročih par na izstopu iz kompresorja, • podhladitev za kondenzatorjem, • temperaturo vira in ogrevnega medija, •

2.1. Princip delovanja v log p - h diagramu

Princip delovanja toplotne črpalke je prikazan v log p - h diagramu. Z njim lahko določimo pregretje, podhladitev in izstopno temperaturo iz kompresorja. Posamezne faze procesa v toplotni črpalki vrišemo v diagram, kar je prikazano na sliki 2. Vsako hladivo ima svoj diagram.

p (bar)

3 3'

4

I.

s = konst.

2 - 2': Hlajenje hladiva pri konstantnem tlaku do rosilne krivulje2' - 3': Kondenzacija pri konstantnem tlaku3' - 3 : Podhladitev pri konstantnem tlaku3 - 4 : Ekspanzija pri konstantni entalpiji4 - 1": Uparjanje pri konstantem tlaku1" - 1': Pregretje v uparjalniku pri konstantnem tlaku

1 - 2: Neizentropna kompresija

I.

x = konst.

IV.

III.

1"V. 1'

II.

2'

h (kJ/kg)

I uparjanje

III kondenzacijaII kompresija

V pregretje IV podhladitev

1

2

Slika 2: Proces toplotne črpalke v log p - h diagramu

Slika 2: Proces toplotne črpalke v log p - h diagramu Termodinamičen krožni proces v kompresorskih toplotnih črpalkah delimo na štiri faze:

1. UPARJANJE: Hladivo uparjamo pri nizkem tlaku in temperaturi, z dovodom energije vira toplote.

2. KOMPRESIJA: Paro hladiva komprimiramo na višji tlak z uporabo mehanskega kompresorja in s tem povečamo tlak in temperaturo pare hladiva.

3. KONDENZACIJA: Pare hladiva pri visokem tlaku ohladimo in kondenziramo, z odvodom toplote iz kondenzatorja.

4. EKSPANZIJA: Hladivo v kapljevitem stanju ekspandira iz visokega na nizek tlak. S tem dosežemo padec temperature. Krožno proces je zaključen.

Za preračun procesa so potrebne so potrebne naslednje entalpijske razlike: h2 - h1: specifična moč potrebna za pogon kompresorja (kJ/kg) h2 - h3: specifična toplota, potrebna za kondenzacijo (kJ/kg) h1 - h4: specifična toplota, potrebna za uparjanje (kJ/kg)

Iz entalpijskih razlik, k jih odčitamo iz diagrama, lahko izračunamo grelno število (COP) procesa v toplotni črpalki: ε = Qtč/Ptč (COP)

Qtč - grelna moč toplotne črpalke (kW) Ptč - pogonska moč TČ - dovedena električna moč (kW) COP = Qtč/Ptč = grelna moč/električna moč = (h2 - h3) / h2 - h1) Grelno moč toplotne črpalke lahko enostavno določimo z merjenjem električnega toka na kompresorju: Qtč = Ptč x COP x faktor moči 2.2. Pregretje in podhladitev Razliko med temperaturo pare v sesalni cevi kompresorja temperature uparjanja imenujemo pregretje. Za poenostavite lahko temperaturi merimo na površini sesalne cevi. Temperaturo uparjanja lahko odčitamo s temperaturne skale na manometru ali pa odčitamo iz tabel lastnosti hladiv na podlagi tlaka uparjanja. Pregretje določa pregretost par hladiva pred vstopom v kompresor, v primerjavi s temperaturo uparjanja. Razlika je običajno 4 - 8 °C. Če je pregretje prenizko, lahko pride do vstopa kapljic hladiva v kompresor. Rezultat je nižja učinkovitost toplotne črpalkar. Previsoka pregretost tudi ni primerna, kar vodo k neučinkoviti uporabi uparjalnika kot prenosnika in s tem nižje grelno število. Z uporabo nastavitvenega vijaka, ki stiska vzmet v ekspanzijskem ventilu, vzdržujemo nivo pregretja ekspanzijskih par. Ekspanzijski ventil je prednastavljen na 4 - 8 °C pregretja med delovanjem Podhladitev pomeni, koliko je kondenzirana kapljevina hladiva ohlajena pod temperaturo kondenzacije. Običajno je ta razlika 2 - 5 °C. Prenizka podhladite lahko pomeni primanjkljaj hladiva, kar vodi k nižjemu grelnemu številu. Prevelika podhladitev pomeni preveč hladiva v tokokrogu toplotne črpalke in s ten nižje grelno število (prenosne površine kondenzatorja ne moremo v celoti izkoristiti). Obstaja tudi nevarnost, da visokotlačni presostat izklopi sistem, ker se je taka kondenzacije povišal preko nastavljen vrednosti. Podhladite lahko ocenimo tako, da od kondenzacijske temperature(odčitane na manometru ali iz tabel lastnosti hladiv) odštejemo od temperature, ki jo izmerimo na površini cevi, kjer izstopa hladivo iz kondenzatorja. Temperatura površine izstopne cevi iz kompresorja, kjer izstopa vroča para hladiva, približno kaže na dejansko temperaturo hladiva, ki izstopa iz kompresorja. 3. Kontrola grelne moči toplotne črpalke v praksi V tabeli 1 so prikazani rezultati meritev parametrov toplotne črpalke zemlja /voda v praksi. Meritev je bila izvedena v januarju 2009. Vrednosti označene rdeče so

izmerjene, ostale delovne točke so izračunane s programom SELECT 7 proizvajalca kompresorjev Copeland. Tabela 1: Toplotna črpalka zemlja/voda Ogrevalni sistem - nazivni parametri Predtok (°C) 35 43,5* 55 Povratek (°C ) 30 39,5* 50 Meritve Grelna moč 8,7 7,7 8,1 električna moč 2,2 2,4* 3,2 COP 3,9 3,2 2,5 * izmerjeno:

- Tc = 44,5 °C, To = - 6,3 °C (R 407 C) - temperatura vira toplote + 1,3 °C (povratek –

2,3 °C, zemeljski kolektor),

Slika 3: Merjenje parametrov Iz meritev je razvidno, da znaša grelno število 3,2 pri izmerjenih parametrih (B1,3/W 43,5). Pri B1,3/W35 znaša COP 3,9. Iz tega lahko zaključimo, da pri temperaturi vira B0/W35 (EN 255) ne bi dosegli predpisane minimalne vrednosti COP 4. Za dodatno analizo je potrebno preveriti še način vgradnje in dimenzioniranje horizontalnega zemeljskega kolektorja, glede na izmerjeno vrednost temperaturne razlike med virom na vstopu in uparjanjem (7,6 °C). Za B0/W35 bi moral biti ta razlika med 4 in 5 °C. Določeni proizvajalci zagotavljajo pri nazivnih pogojih B0/W35, pri čemer predstavlja vir temperatura raztopine, COP tudi preko 4,6, kar predstavlja le 2 °C razlike med kondenzacijo / uparjanjem in ogrevalnim sistemom / virom.

5. Zaključek Za zaščito kupcev bi bilo smiselno uvesti določene zahteve tako glede doseganja vsaj minimalnih vrednosti (COP) same naprave in tudi zahteve glede letnega grelnega števila (SPF).

REVERZIBILNE KOMPRESORSKE TOPLOTNE ČRPALKE ZA IZKORIŠČANJE TOPLOTE ZUNANJEGA ZRAKA

Povprečna zunanja temperatura v ogrevalni sezoni 2007/2008 je bila za področje Maribora + 7,8 °C. Za primerjavo, pred 10 leti je bila približno + 4 °C. V lanski kurilni sezoni je bilo le nekaj dni s temperaturo pod - 10 °C. Kvalitetne toplotne črpalke zrak - voda, z povečanim uparjalnikom, optimiranim in izboljšanim Scroll kompresorji in učinkovitim sistemom odtaljevanja, omogočajo praktično celo kurilno sezono obratovanje z visokimi letnimi grelnimi števili , brez vključevanja dodatnega vira toplote. V primeru ogrevanja TČ odvzema toploto okolici toploto okolici in jo na višjem temperaturnem nivoju oddaja v prostor. V primeru hlajenja prostora pa se proces obrne. Toplotna črpalka ohlaja prostor, prevzeto toploto pa oddaja v okolico ali pa jo deloma koristimo za segrevanje sanitarne vode.

1. Izvedbe toplotne črpalke

Toplotna črpalke so lahko izvedene kot kompaktne naprave za zunanjo in notranjo postavitev in ločene ali split izvedbe. Pri kompaktnih napravah so vse elementi črpalke vgrajeni v ohišje. Potreben pretok zraka skozi zračne kanale in premagovanje padca tlaka dosežemo s centrifugalnimi ventilatorji.

1.1. Kompaktne TČ - notranja postavitev Postavitev toplotne črpalke je mogoče v vseh suhih in dobro izoliranih prostorih (ni možnosti zamrznitve). Ustreznost prostora naj pregleda strokovna oseba oziroma proizvajalec TČ. Upoštevani morajo biti predpisi in predpisana razdalje za namestitev. Zaradi preprečevanja hrupa mora biti toplotna črpalka nameščena na trdno konstrukcijo (betonska tla) s podlago iz umetne mase (guma). Pri tem mora biti toplotna črpalka nameščena tako, da ima od spredaj in vsaj ene strani 60 cm prehoda, s katerim omogočamo lažji dostop serviserjev. Preprečevanje širitev hrupa zmanjšamo s fleksibilno napeljavo na priključkih toplotne črpalke. V bližini naprave je potrebno namestiti posodo za kondenzat, ki ga speljemo v odtok. Posebej moramo biti pozorni, če toplotno črpalko inštaliramo v prostoru, da v primeru poškodb na zračnih kanalih toplotne črpalke ne vplivamo na vlek kotla (bivalentni način obratovanja, dodatni vir toplote je ogrevalni kote). Zajem in izpust zraka iz TČ mora biti zunaj objekta in na zadostni medsebojni razdalji, da ni vpliva med tokoma zraka (slika 1 in 2). Minimalni premer in dolžino kanalov za zrak določi proizvajalec. Hitrost zraka v kanalih je pod 3 m/s, v povezovalnih gibljivih ceveh pa pod 4 m/s, da se izognemo hrupu iz zračnih kanalov.

Pri kompaktnih TČ so kanali narejeni iz pocinkanih cevi ali gibljivih izoliranih cevi. Če so TČ večjih moči, je potrebno vgraditi ustrezne dušilnike zvoka in zvočno izolirati kanale. Varnostne rešetke na kanalih morajo biti pravilni dimenzionirane, da preveč ne zmanjšamo izstopnih površin. Kanale izoliramo za vodno paro neprepustno izolacijo.

R 150 mm - min.

0,85 m

min

. 1 m

vstopzraka

filter

izstopzraka

jadrovina

kanal za odtočni zrak

0,85

m

kanal za

filter

vstop zraka

odtočni zrak

minimalno 2 m

izstop zraka

0,7

m

R 150 mm - min.

Slika 1: Način vgradnje TČ - notranja postavitev Instalacijo za zrak je potrebno vgraditi tako, da se izognemo kratkemu stiku med svežim in odtočnim - odpadnim zrakom (slika1). 1.2. Kompaktne TČ - zunanja postavitev Pri namestitvi zunanje enote moramo biti pozorni na naslednje zahteve:

• zagotovljen neoviran dotok in odtok zraka, • postavljena mora biti tako, da oddaja čim manj hrupa okolici (ne v bližini

spalnice, razdalja do sosedov), • napeljava kondenzata, ki je speljan v odtok, mora biti zaščitena pred

zamrznitvijo,

Pri zunanji postavitvi TČ prihranimo prostor, ni potrebno izvesti preboja ovoja stavbe. Postavite ima tudi nekaj slabosti. Zagotoviti moramo, da hrup TČ ne bodo vplivala naše ugodje in motil okolice.

odvod kondenzastabetonska plošča 10 cm

gramozno nasutje

toplotna črpalka

cca 120 - 150 cm

Slika 2: Priprava temelja in odvod kondenzata

1.2.1. Ukrepi za manjšanje hrupa

Velika večina toplotnih črpalk ima visok nivo hrupa, posebej črpalke zrak - zrak. Tudi odboj zvoka na samem mestu vgradnje lahko spremeni nivo.Nivo hrupa zunanje enote lahko zmanjšamo, da enote ne postavimo na gladka, za zvok odbojna tla, primernejša je trata. Če je TČ postavljena na odbojna tla, je lahko nivo hrupa tudi do 3 dB /A) višji kot v primerjavi z postavitvijo na travo. Direktno širjenje zvoka preprečimo tudi z raznimi konstrukcijskimi ovirami kot na primer stene, ograje ipd. Zmanjšanje hrupa lahko do 6 dB (A) dosežemo z vgradnjo odbojne plošče, ki obrne tok zraka navzdol.

LwA = 65 dB (A) - nivo zvočne močiLpA1 (razdalja 5 m) = 43 dB(A) - nivo zvočnega tlakaLpA2 (razdalja 10 m) = 37 dB(A) - nivo zvočnega tlaka

LpA1 (razdalja 5 m)= 43 dB(A)

5 m 5 m

LpA2 (razdalja 10 m) = 37 dB(A)

M2

M2

LwA = 65 dB (A)

Slika 3: Nivo zvočnega tlaka na razdalji 5 in 10 m od izvora hrupa

1.2.2. Odtaljevanje uparjalnika

Voda, ki nastaja pri odtaljevanju uparjalnika ali kondenzaciji (pri zunanji enoti) naj prosto odteka v zemljo pod nivojem zmrzovanje zemlje oziroma v odtok v kurilnici (notranja postavitev). Količina vodne pare v zraku je odvisna od temperature in tlaka.

Ko vlažen zrak postopoma ohlajamo, enkrat dosežemo temperaturo, pri kateri je zrak nasičen. Pri nadaljnjem ohlajanju dosežemo kondenzacijo vodne pare iz nasičenega zraka in pri temperaturah pod lediščem kondenzat zmrzne in tvori led ali srež. To se dogaja, ko preko uparjalnika vodimo vlažen zrak, in se tako na rebrih uparjalnika tvori led. Zaradi tvorbe sreža se površina uparjalnika nekaj časa povečuje in s tem njegova moč. Led kot izolator pri prenosu toplote ima večji vpliv kot površina uparjalnika, zato se toplotna moč TČ zmanjša. Z znižanjem temperature uparjanja se zniža pretok hladiva. Prav tako se poveča padec tlaka na zračni strani, kar vodi k zmanjšanju pretoka zraka. V se to povzroči zmanjšano učinkovitost toplotne črpalke, zato je potrebno vgraditi sistem za odtaljevanje uparjalnika. Odtaljevanje se lahko izvede z električnim gretjem, uporabo obvoda vročih par ali z obrnitvijo procesa, kjer zamrzjen uparjalnik in kondenzator zamenjata svoji vlogi (uporaba štiripotnih ventilov). Pri majhnih količinah ledu je najučinkovitejše odtaljevanje z vročimi parami. Odtaljevanje z električnim gretjem je enostavno vendar imamo dodatno porabo električne energije. Odtaljevanje z obrnitvijo procesa je hitro in učinkovito, vendar je potrebno vgraditi dodatno opremo, kar poveča materialne stroške.

1.3. Split izvedbe

Dvodelne črpalke združujejo prednosti zunanje in notranje postavitve. Ne potrebujemo zračnih kanalov, notranja in zunanja enota sta povezani s cevmi, po

kateri kroži hladivo. Pri reverzibilnih TČ zunanjo in notranjo enoto izmenično uporabljamo kot uparjalnik in kondenzator, kar omogoča hlajenje poleti. Vgraditi je potrebno zbirne posode , ki odvajajo kondenzat v odtok, Pri zunanji enoti mora biti odvod kondenzata ogrevan, da ne prihaja do zmrzovanja. V primeru hlajenja, moramo pri notranji enoti prav tako odvajati kondenzat.

Na sliki 4 in 5 je prikazan način vgradnje split izvedbe toplotne črpalke zrak - voda.

Pri tem je potrebno upoštevati dolžino sesalne cevi in cevi za tekočo fazo ( skupna dolžina maksimalno 20 m), odmike od zidu, globino polaganja in način prehoda skozi zid - steno.

maks. 10 m

Odmik od zidu 1 m, mimimalno do strehe 1,5 m !

mim.3 m do strehe**

ARMAFLEX

cevi (plinske in tekoče faze)

toplotnačrpalka

tesnjenom v zaščitni ceviprehod skozi zidi

skupna dolžinamaks. 20 m

zemlja

min.0,5 m - tri strani proste**

uparjalnik

izolacija

Slika 4: Split izvedba toplotne črpalke zrak – voda (direktna povezava uparjalnik – TČ)

izolacija sesalne in tlačne cev (plinska in tekoča faza)

gramoz

Rmin = 1 m

zaščitna cev, tesnjeno, povezava s T - kosom

40 - 50 cm

zatesniti

drenaža

črpalkatoplotna

cevi - maksimalno 20 m ! skupna dolžina

(ARMAFLEX)

uparjalnik

zemlja

Slika 5: Split izvedba toplotne črpalke zrak - voda (povezava uparjalnik – TČ, Instalacija v zemlji)

2. Hlajenje s toplotno črpalko

Hlajenje prostorov s TČ je lahko glede na vrsto grelnih teles »mirno« in dinamično. Mirno hlajenje preko tal, stropa ali sten se izvaja s hladilno vodo s temperaturo nad rosiščem. Dinamično hlajenje se izvaja z ventilatorskim konvektorji. Temperatura hladilne vode je lahko tudi nižja od temperature rosišča. Pri tem načinu se temperatura hlajenemu zraku zniža zaradi senzibilnega in latentnega prenosa toplote, kar pomeni tudi sočasno razvlaževanje zraka.

2.1. Regulacija

Regulacijo ogrevanja in hlajenja uravnava elektronski regulator. Na osnovi izmerjene zunanje temperature, se dovaja v ogrevala v vsakem trenutku toliko toplote, kot jo zgradba potrebuje za nadomeščanje toplotnih izgub in pri tem vzdržujemo želeno sobno temperaturo. Pogosto uporabljamo kombinacijo obeh hidravličnih povezav. Tak primer je na primer ogrevanja in hlajenja, segrevanje sanitarne vode in krmiljenje toplotne črpalke, ki ga skupno uravnava regulator. Regulacijo površinskega hlajenja lahko izvedemo s konstantno temperaturo predtoka ali s konstantnim masnim pretokom. Pri tem je potrebno omejiti spodnjo temperaturo, da ne pride do kondenzacije na hladilnih površinah. Hladilni krog se izključi, ko se v prostoru doseže želena temperatura. Pri manjših sistemih površinskega hlajenja, sobni termostat deluje preko regulatorja in tropotnega ventila na korekcijo temperature hladilne vode, kar pomeni, da se hladilni krog izključi, ko se v prostoru doseže želena temperatura. Morebitni pojav kondenzata preprečimo: - z zvišanjem površinske temperature hladnega zidu, stropa ali tal, - da preprečimo nadaljnjo cirkulacijo hladilne vode, - z znižanjem vlažnosti zraka v prostoru.

Način delovanja TČ zavisi od ogrevalnega sistema. Toplotna črpa lahko zagotovi temperaturi predtoka v odvisnosti od zunanje temperature. Če je potrebna temperatura višja, jo moramo zagotoviti z drugim virom toplote. Temperatura dvižnega voda - predtoka je odvisna od naslednjih parametrov:

• zunanje temperature, • strmine ogrevalne krivulje, • nastavljene sobne temperature, • maksimalne. in minimalne omejitve temperature, • vpliva drugih grelnih teles (npr. kamina).

Vhodna temperatura medija proti zamrznitvi se za vsak ogrevalni krog nastavlja: navzgor z nastavljeno maksimalno temperaturo ter navzdol z minimalno nastavljeno temperaturo. Temperaturni režimi ogrevanja in hlajenja so prikazani na sliki 6.

+25 +10+35 +40 +45 +50 +55 +60- 30+20

+40

+50

+60

+70

+80

+90

3

temp. TČ

temp. MV - mešalni vntil

1 dvižni vod s temp. 55 °C, pri zun.temp. - 15 °C dvižni vod s temp. +25 °C, pri zun.temp. +17 °C

najnižja dovoljena temperatura 6 °C

hlajenje (OFF) pri mak. zun.temp.

zunanja temperatura (° C)

HLAJENJE

-20-25 -15

4

2

paralelni premok ogrevalne krivulje je 0 °C

najnižja temperatura ogrevanja 37 °C

ogrevanje (OFF) pri zun.temp. + 20 °C

1

4

2

3

+30

tem

pera

tura

hra

niln

i ka

topl

ote

(°C

)

zunanja temperatura (° C)

-10 -5 +50

5 °C

+15+10

3

+20

temp. TČ

temp. MV - mešalni vntil

OGREVANJE

tem

pera

tura

hra

niln

ika

hlad

u (°

C)

0

+10

+5

+15

+10 +15 +20 +25

2

+30

5 °C

+20

+30

+25

+35

1

3

1

2

Slika 6: Ogrevanje in hlajenje s TČ - temperaturni režimi 3. Grelna števila TČ Brez upoštevanje energije za odtaljevanje uparjalnika in pogona ventilatorja, kvalitetne toplotne črpalke dosegajo grelna števila pri zunanjih temperaturah med minus 10 °C in minus 15 °C ter temperaturi predtoka 35 °C (∆T = 5 K) že približno 3.

14

23

4

6

8

10

12

16

-20-25

zunanja temperatura (°C)

Primer: TČ IDESTA POLAR 16 (Vir: www.knut.si)

COP = 9,2/2,8 = 3,1 - pri zunanji temperaturi - 16 °C

hladivo R 407 C

+2 +7

zunanja temperatura (°C)

-15

TČ OLW18 pri W35 - Ochsner

Vir: tehnični listi firme Ochsner

4,2

moč

(kW

)

režim 35/30 °C

(brez upoštevanja energije za odtaljevanje uparjalnika in pogon ventilatorja)

DT

pogonska moč

-10 -5 0 +5 +10

grelna moč

+20+15

-102

CO

P

2,5

3

3

3,5

4

4,5

Slika 7: Delovni diagram TČ zrak - voda za režim 35/30°C, hladivo R407 C Na sliki 7 je prikazan delovni diagram za TČ zrak - voda IDESTA POLAR. Grelno število določimo iz razmerja ogrevalne in pogonske moči. Prikazan je diagram odvisnosti COP od zunanje temperature toplotne črpalke Ocshner OLW 18.

Slika 8 prikazuje grelna števila toplotnih črpalk različnih moči pri zunanji temperaturi + 2 °C, temperaturni režim 35/30 °C. Spodnja meja za grelna števila (glede na EN 255) za TČ zrak - voda, ki imajo certifikat kvalitete ( D - A - CH) je 3.

Slika 8: Grelna števila TČ različnih proizvajalcev (Vir: gradivo firme CLIVET). 4. Zaključek Vse več proizvajalcev pospešeno razvija in izpopolnjuje toplotne črpalke, ki kot vir toplote koristijo zunanji zrak. Rezultat tega je, da se je učinkovitost novejših toplotnih črpalk, ki lahko obratujejo z visokimi grelnimi števili tudi pri zelo nizkih zunanjih temperaturah, zelo povečala. Reverzibilne črpalk omogočajo tudi učinkovito hlajenje. Sodobna regulacija pa omogoča kondenzirajoče in ne kondenzirajoče hlajenje.

OGREVANJE NEH S TOPLOTNO ČRPALKO ALI ZEMELJSKIM PLINOM ?

V sestavku so prikazane smernice za načrtovanje 3 litrske hiše in narejena primerjava stroškov ogrevanja s toplotno črpalko in zemeljskim plinom. PRAVILNIK O TOPLOTNI ZAŠČITI Trenutno veljavni pravilnik o toplotni zaščiti in učinkoviti rabi energije (Ur. list 42/2002) predpisuje, da je mora biti letna raba energije za ogrevanje manjša od 45 + 40 . fo, kjer pomeni »fo« faktor oblike objekta (fo = A/Ve in predstavlja razmerje med celotno zunanjo površino stavbe A in ogrevano prostornino stavbe). Za stavbe to pomeni med 60 in 80 kWh/m2leto oziroma preračunano na porabo goriva med 6 in 8 litri ekstra lahkega kurilnega olja na kvadratni mater stanovanjske površine na leto.

- kontrolirano prezračevanje - povečana toplotna izolacija

kotel

odtočniZnačilnosti:

60 - 80 kWh/ /m2 leto

Pravilnik o toplotni zaščiti št. 42/2002

30kWh/m2leto

Ogrevanje NEH - 3 litrska hiša

STROŠKI OGREVANJA300 evrov

Standardni ogrevalni sistem

z rekuperacijo toplote do 95 %- toplozračno ogrevanje ali stensko/talno- hlajenje s stenskim ogrevanjem v letnem času

OGREVANJE S TOPLOTNO ČRPALKO ZRAK/VODAki omogoča tudi hlajenje v letnem času

Značilnosti:- naravno prezračevanje- velike toplotne izgube - radiatorsko ali talno ogrevanje- ni hlajenja prostorov v letnem času

STROŠKI OGREVANJA800 evrov

prenosnik

sveži zrak

zavrženi zrak zrak/zrak površin

toplotni

zrak

Z dobro izolacijo lahko občutno zmanjšamo toplotne izgube in se tako približamo razredu energijsko varčnih hiš, pri katerih letna rabe energije za ogrevanje in pripravo tople vode ne presega 60 kWh/m2leto. Nizko energijske 3 litrske hiše je potrebno načrtovati tako, da znaša energijsko število ogrevanja 30 kWh/m2leto. To pomeni, da porabimo za ogrevanje prostorov največ 30 kilovatnih ur na kvadratni meter uporabne površine na leto.

OSNOVNE ZNAČILNOSTI NEH Za t.i. 3 - litrsko nizko energijsko hišo, to je s porabo 3 litrov ekstra kurilnega olja na kvadratni meter uporabne stanovanjske površine na leto, veljajo sledeče vrednosti: Tabela 1 Vrednost Enota Raba energije za ogrevanje 30 kWh/m2leto Da dosežemo te vrednosti, so bile potrebne naslednje vrednosti za toplotno prehodnost Umak posameznih gradbenih konstrukcij in oken: Tabela 2

Umak Gradbena konstrukcija W/(m2K)

Zunanje stene in stene < 0,2 Zunanje stene in strop proti terenu < 0,3 Poševna streha nad ogrevanim podstrešjem < 0,2 Tla na terenu pri talnem ogrevanju < 0,3 Zasteklitev 0,8 Osnovne smernice za gradnjo NEH:

• kompaktna gradnja, zagotovljena zrakotesnost ovoja, • zadostna toplotna izolacija, • kontrolirano prezračevanje, • izkoriščanje toplote odtočnega - izrabljenega zraka, • optimalna izbira ogrevalnega sistema, priprava tople sanitarne vode in

prezračevanja.

a. Sestava konstrukcije

� zunanja stena: 25 cm opečni blok, 18 cm toplotne izolacije, � streha: 30 cm toplotne izolacije � tla na terenu pri talnem ogrevanju: 12 cm toplotne izolacije

b. U - vrednost

� zunanje stene: 0,18 W/(m2K) � streha: 0,12 W/(m2K) � zasteklitev: 0,8 W/(m2K) � tla na terenu: 0,25 W/(m2K)

OGREVANJE IN PREZRAČEVANJE Specifične toplotne izgube so sestavljene iz toplote potrebne za pokrivanje transmisijskih in prezračevalnih izgub. Zmanjšanje transmisijskih toplotnih izgub dosežemo z primerno toplotno izolacijo ovoja stavbe. Z zmanjšanjem transmisijskih izgub narašča delež prezračevalnih izgub. Te izgube je možno zmanjšati z boljšo

zatesnitvijo zgradbe. To pomeni, da več ni možno zagotoviti naravno izmenjavo zraka, potrebno za zdravje in prijetno počutje stanovalcev, temveč lahko optimalno izmenjavo zraka in s tem minimalne prezračevalne izgube, dosežemo le z mehanskim prezračevanjem. S sodobnim prezračevalnim sistemom se tako odpovemo prezračevanju skozi okna in nekontroliranim toplotnim izgubam. Specifične toplotne izgube za NEH so prikazane v tabeli 3. Tabela 3 Vrsta hiše

Specifične toplotne izgube (W/m2)

Izmenjava zraka

3 - litrska hiša 20 n50 < 1,5 h-1 Ciljna izmenjava zraka v NEH znaša n50 < 1,5 h-1. Tesnost zgradbe se dokazuje z »Blower - Door« testom, kjer se z ventilatorjem ustvarja nadtlak/podtlak 50 Pa med notranjostjo stavbe in okolico. Pri uporabi prezračevalnih naprav z rekuperacijo toplote je potrebna izmenjava zraka n50 < 1,5 h

-1.

OGREVANJE S TOPLOTNO ČRPALKO ZRAK/VODA

Za toplozračno ogrevanje in hlajenje ogrevanje hiš uporabimo reverzibilno toplotna črpalka zrak - voda v povezavi s hidravličnim setom. Toplotna moč znaša 8kW, grelna števila od 4 do 4,5 (za parametre zrak + 7 °C, predtok + 35 °C). Maksimalna temperatura ogrevne vode, s katero grejemo zrak za toplozračno ogrevanje znaša do 55 °C. Področje delovanja TČ je do zunanje temperature – 20 °C. Reverzibilna izvedba TČ omogoča tudi hlajenje. Način delovanje je lahko monovalenten za področja z milo klimo, medtem ko za osrednjo Slovenijo pride v poštev monoenergetski način. Za pripravo tople sanitarne vode je priključen hranilnik s prostornino 200 litrov. Vgrajen ima dodatni elektro grelnik moči 3 kW, ki omogoča v zelo hitro času segretje sanitarne vode do 70 °C. Zunanja stenska enota, črpa toploto iz zunanjega zraka in jo v notranji enoti (hidravlični set) preko hladiva (R 410 a) prenaša na ogrevno vodo za toplozračno ogrevanje in hlajenje in radiatorskega ogrevanja v kopalnicah ter gretje sanitarne vode. Kompaktna notranja enota ne potrebuje posebnega prostora, namestimo jo na steno in vsebuje vse potrebne elemente za upravljanje in povezavo na ogrevalni sistem. Hranilnik toplote ima prostornino 200 l, ki obenem služi tudi kot hranilnik hladne vode za hlajenje v letnem času. V hidravličnem setu je za podporo ogrevanju vgrajen elektro grelnik za monoenergetski način obratovanja toplotne črpalke.

topl

otne

pot

rebe

BT - bivalentna točka

rezervna toplotna kapaciteta TČ

podporno elektro ogrevanje

5

10

pokritje s TČ

90 %

najhladnejši dan v kurilni sezoni

10 % BT

topl

otna

moč

(kW

)

ure

toplotna kapaciteta TČ

Ogrevalni režim 35/30 °C

zunanja temperatura, ° C

-20 - 15 - 10

toplotna karakteristika TČ

0- 5 + 7

Delovni diagram in toplotna karakteristika toplotne črpalke KONTROLIRANO PREZRAČEVANJE, POTREBNA IZMENJAVA ZRAKA, REKUPERACIJA

TOPLOTE

Primerno kakovost zraka dosežemo z prezračevanjem, ki je potrebno predvsem zaradi odstranjevanja škodljivih snovi in različnih vonjav. Z povečevanjem izolacije lahko zmanjšamo “U” - vrednost na minimum, želenih vrednosti porabljene energije za ogrevanje (30 kWh/m2a) pa ne dosežemo. Šele z uporabo kontroliranega prezračevanja, dosežemo želene vrednosti glede rabe energije za ogrevanje prostorov. Kontrolirano prezračevanje ponuja še sledeče prednosti:

- prijetno in zdravo klimo (vedno sveži zrak tudi pri zaprtih oknih), - primerno zvočna izolacijo, ker se okna lahko zaprta, - preprečevanje nastanka plesni, - odvod vodne pare in neprijetnih vonjav iz kuhinje in sanitarij, - prihranek energije pri napravah z rekuperacijo toplote.

Da zmanjšamo izgube zaradi prezračevanja je potrebno samo izrabiti toplotno energijo, ki jo vsebuje že segreti zrak v prostoru in ga moramo zaradi izrabljenosti odvajati. Z realizacijo kontroliranega prezračevanja dovajamo v prostor sveži zrak, ki ga pred vstopom v bivalni prostor segrejemo s toploto izrabljenega zraka in ga nato segretega dovajamo nazaj v prostor. Že ohlajen izrabljen zrak pa odvajamo iz objekta

V napravi pripravljen zrak se po kanalskem razvodu vodi do bivalnih prostorov (dnevna soba, spalnica) v katere vstopa skozi prezračevalne odprtine. Iz teh prostorov se zrak prosto giblje skozi hodnike do prostorov, kjer je potrebno zračenje (npr. kuhinja, sanitarije, Od tod sesalni ventilator sesa zrak skozi izstopne sesalne odprtine nazaj v napravo (toplotni prenosnik), kjer svojo toploto odda svežemu zraku. Na strani vstopnega zraka je vgrajen tudi sistem zaščite pred zmrzovanjem, na poti ohlajenega zraka pa je nameščen lovilec izločene vodne pare. Delovanje naprave oziroma ventilatorjev ureja regulacijska enota.

STROŠKI OGREVANJA Narejena je približna primerjava stroškov ogrevanja z zemeljskim plinom in toplotno črpalko zrak/voda. a. Zemeljski plin Za stanovanje s 180 m2 in rabo energije 70 kWh/m2 znašajo letni stroški za ogrevanje:

- kurilnost zemeljskega plina: 9,5 kWh/m3 - raba energije: 12600 kWh na leto - izkoristek kotla: 0,85

Stroški ogrevanja: 800 evrov z vzdrževanjem b. Toplotna črpalka Za stanovanje s 180 m2 in rabo energije 30 kWh/m2 znašajo letni stroški za ogrevanje: Letno grelno število vzamemo 2,7 (zaradi morebitnega dogrevanje z električno energijo v dneh, ko pade temperatura pod – 15 °°°°C)

- raba toplotne energije: 5400 kWh na leto Raba električne energije kompresorja toplotne črpalke: 5400/2,7 = 2000 kWh Stroški ogrevanja: 300 evrov z vzdrževanjem STROŠKI ZA SANITARNO VODO Za 4. člansko družini porabimo za segrevanje vode 5000 kWh ali 526 m3 zemeljskega plina na leto kar znaša 350 evrov. Ogrevanje sanitarne vode s toplotno črpalko je 60 % ceneje in znaša letno 140 evrov. ZAKLJUČEK Enostaven izračun stroškov ogrevanja pokaže, da je pri trenutnih cenah energentov ogrevanje s toplotno črpalko v primerjavi z ogrevanjem na zemeljski plin 60% ceneje,

DIMENZIONIRANJE TČ VODA – VODA ALI ZEMELJSKE SONDE

Potrebno je pripraviti izračun toplotne moči objekta glede na podane podatke in dimenzionirati toplotno črpalko ter določiti vir toplote glede na stanje na terenu. 1. Dani podatki

• Neto površina znaša 308 m2. • Podlaga je delno rdeča ilovica, sicer pa le kalcit – dolomit (osamelec). Hiša na

polovici stoji na kamniti podlagi. • Pred hišo je za vozilo dostopen vrt, delno nasut z ilovico, dimenzij 10 x 20 m,

primeren za vrtanje. • Na razpolago je tudi parkirišče 5 x 20 m. • Hiša ima dve etaži in delno podkletena. Skupen uporaben prostor ca 308 m2. • Fasada je iz 12 cm polistirena streha ima 25 cm izolacija iz mineralne volne

Okna so troslojna m2 s U stekla = 0,7 W/(m2K). • Plošča proti kleti je izolirana z 8 cm polistirena.

Pripraviti je:

• predloge rešitve za ogrevanje s toplotno črpalko na geosondo/alternativa je toplotna črpalka voda/voda in ceno investicije,

• ceno ogrevanja s toplotna črpalko v primerjavi z ogrevanjem na LKO. A. Dimenzioniranje toplotne črpalke NA ZEMELJSKO SONDO Dejanska toplotna moč objekta na osnovi transmisijskih izgub znaša 10,0 kW.

Slika1: Grelna moč pri temperaturi vira 0 stopinj Celzija Ker je temperatura vira na globini 100 m 10 stopinj Celzija, da naša črpalka grelno moč 12,5 kW ( tabela 1)

Tabela 1: Grelno število v odvisnosti od tem.vira in moči 2. Dimenzioniranje toplotne sonde Določim toplotni odvzem iz zemlje qE = 40 W/m Temperaturo predtoka določim 45 °C.

Skupna globina vrtin: L = Qk /qE = 7700/40 = 192,5 m

Določimo 2 sonde - dvojne U cevi (PE Φ 32 x 2,9 mm) 2 x 100 m ali 3 x 62 m = 186 metrov,

ODLOČIMO SE ZA SKUPNO GLOBINO 2 x 100m = 2000 m. Na sliki 2 je prikazana tabela toplotne črpalke zemlja/voda, kjer se kot vir toplote koristi globinska sonda.

Iz priložene karte (slika št.3) je razvidno, da gostota toplotnega toka za območje vgradnje znaša 0,70 W/m2. Povprečno toplotna prevodnost snovi znaša 1,8 W/(mK). Za takšne kamenine je za pričakovati specifični odvzem 40 W/m in sicer za 1.800 ur obratovanja: P = 200 . 40 = 8 kW – hladilne moči. Ogrevalna moč znaša 9,5 kW pri temperaturi vira 0° C . Običajna temp.vira je na globini 100 m približno 10 °C,zato toplotna črpalka WPF 10 zadošča.

Slika 3: Geološka karta gostote toplotnega toka 3. Specifikacija opreme – Shema 2

a. Toplotna črpalka WPF10 b. Hranilnik toplote 100 litrov – SBP 100 c. Hranilnik sanitarne vode 200 litrov – SBB 200 ali 300 litrov d. Vsa ostala oprema, obtočna črpalka, armature, ekspanzijske posode,

regulacija, v kompletu opreme

Slika 4: Vezava na hranilnik toplote in grelnik sanitarne vode 4. CENA OGREVANJA IN INVESTICIJE Kurilnost LKO znaša 10 KWh/l. a. Cena ogrevanja 9500 kWh = 665 evrov (950 l LKO) b. Cena s toplotno črpalko: Letno grelno število je 4,5 9500 x 0,8/4,5 = 1520 kWh - poraba elek. moči kompresorja….200 evrov Letni prihranek je cca 445 evrov. Skupaj s sanitarno vodo 600 evrov. Investicija se povrne v 4 – 5 letih v primeru, da vgradimo kondenzacijski kotel. 5. CENA INVESTICIJE Cena investicije:

1. toplotna črpalka z opremo: 11.000 evrov 2. GEOSONDE - vrtanje SKUPNO 200 m po ceni 45 evrov na meter:

9000 evrov Skupna investicija cca 20.000 evrov. B. Dimenzioniranje toplotne črpalke Toplotna moč objekta znaša 12 kW. Izberemo za 2 kW manjšo grelno moč TČ. Podatki za TČ:

• potrebna toplotna moč za ogrevanje: 10 kW (10/35 °C) • temp.podtalnice 10 °C, minimalna dovoljena + 7 °C. • temperatura predtoka 35 °C • električna moč: 2,35 kW • grelno število 5,1 • hladilna moč 9,65 kW

1. Vir toplote podtalnica Dimenzioniranje TČ voda/voda Za ogrevanje je potrebno pripraviti projekt vgradnje toplotne črpalke voda/voda toplotne moči 10 kW. Višina podtalnice od spodnjega nivoja znaša cca 25- 30 m.

Toplotna črpalka:

- grelna moč 10 kW - hladilna moč 8 KW - grelno število = 5 - električna moč 2kW - ogrevalna voda režim 35 /30 °C talno ogrevanje - temperatura podtalnice 10 °C, ohlajena na 6 °C…… ∆t = 4 K - Način vgradnje TČ voda/voda:

Osnovne smernice: - podtalnica v samem kroženju ne sme priti v stikom z zrakom, - podtalnica se mora čim manj ohladiti na poti do toplotne črpalke, - v posebnih primerih (kakovost vode ni ustrezna) je mogoča tudi uporaba

ploščnega uparjalnika narejenega iz legiranega jekla.

Za zaščito uparjalnika moramo vgraditi tlačno stikalo prav tako pa moramo paziti na minimalno temperaturo. Za pravilo uporabo tlačnega stikala mora biti na izhodu podtalnice vgrajen dušilni ventil. Pri vgradnji je potrebno upoštevati: • pri zvišanem deležu trdnih delcev v podtalni vodi (pesek, mulj) mora biti

zagotovljen ustrezen usedalni kanal, s katerim se izognemo zamašitev uparjalnika,

• dvižni in povratni vod moramo položiti tako, da jih zavarujemo pred zamrznitvijo vodnjaka,

• cevi v hiši morajo biti izolirani da se prepreči rosenje, • od odvzemnega vodnjaka do toplotne črpalke mora biti napeljana zaščitna cev z

električnim kablom za vodno črpalko, • pokrov vodnjaka mora takšen, da onemogoča zračnost in prehod svetlobe s

katerim preprečimo nastajanje alg in mulja, • za črpanje podtalne vode uporabimo potopno črpalko, • po dokončanju vodnjaka se ga mora izpirati cca 48 ur, da preprečimo vhod

nečistoče v sistem. 0prema, ki je potrebna pri vgradnji: • potopna črpalka z ustrezno močjo, • varnostno stikalo za potopno črpalko, • vodomer z zapornim ventilom, • termometer, dovodna in odvodna napeljava.

Slika 5: Vezava vodnjakov

Hladilno moč izračunamo: Qk = QTČ - PTČ = 10 – 2,0 = 8 kW ε = QTČ/PTČ = 10/2,0 = 5,0 (COP)

Qk = m . cp . (tw1 - tw2) = V . ρ . ∆t

V enačbi pomeni:

V - pretok vode (m3/h)

ρ - gostota vode (1000 kg/m3)

cp = 1,163 . 10 -3 kWh/kg - specifična toplota vode

∆t - temperaturna razlika med vstopno in izstopno vodo iz vodnjaka (običajno 4 K).

V primeru, da imamo pretok cca 200 l/KW in ∆t = 4 K, mora znašati pretok podtalnice minimlano 2,0 m3/h. Vgradi se PLOŠČNI prenosnik za ∆t = 4 K (12/8° C) za podtalnico moči 8 kW. Predvidena je TČ obratovanje z hranilnikom toplote za TČ 100 litrov in akumulacijskim grelnikom 300 litrov. V primeru, da ne upoštevamo zapornega časa, lahko prostornino HT izračunamo: VHT = Qg . (20 do 25 litrov) oz. minimalno 10 litrov/kW Določimo hranilnik prostornine minimalno 100 litrov. Glede na predvideni premer vrtine 3 do 4 cole, je možno vgradnja primarne potopne črpalke Grundffos 2- 2,5 m3/h s kablom – nivojskim. 2. Popis opreme in cena investicije za toplotno črpalko voda/voda - toplotna črpalka voda/voda moči 10 kW, - hranilnik toplote za TČ - 100 L, - grelnik sanitarne vode: 200 – 300 L, (ali HT Higyenik 500 s ploščnim prenosnikom za toplo vodo), - potopna črpalka Grundfoss 2,5 m3/h, H = do 30 m (3 bar)……zavisi od globine

vodnjaka oz.nivoja vode, DN 32, - obtočna črpalka UP 20 – 15 Grundfoss, - ploščni prenosnik za potopno črpalko 8 KW, ∆t = 4 K (12/8 °C), - armatura, filter povezave, - izvedba vrtine do 2 x 30 m globine (sesalne in ponorne), - tlačno stikalo ali varovalo pretoka . Cena investicije ocenjena pri globini vodnjakov 2 x 30 na 18.000 evrov.

ZAPRTI KOLEKTORSKI SISTEMI V PRAKSI PRI OGREVANJU S TOPLOTNO ČRPALKO

POVZETEK Nizkotemperaturne sisteme ogrevanja in hlajenja s toplotno črpalko vse več uporabljamo tudi za manjše individualne zgradbe. Vgradnja toplotnih črpalk za ogrevanje, v Sloveniji bliskovito narašča, saj je bilo v zadnjih dveh letih za ogrevanje družinskih hiš instaliranih približno 400 toplotnih črpalk. Skoraj 80 odstotkov vseh vgrajenih toplotnih črpalk, kot vir toplote, koristi toploto površinske zemlje. Za prenos nizkotemperaturne energije do toplotne črpalke uporabljamo zaprte kolektorske zemeljske sisteme, napolnjene z nestrupenim medijem. V prispevku so predstavljene različne izvedbe zaprtih kolektorskih sistemov. Prikazane so težave, s katerimi se soočajo investitorji pri načrtovanju in vgradnji ogrevalnega sistema s toplotno črpalko.

1. OGREVANJE S TOPLOTNO ČRPALKO IN KORIŠČENJE ZAPRTEGA ZEMELJSKEGA KOLEKTORSKEGA SISTEMA

V Sloveniji, se število toplotnih črpalk za ogrevanje, hlajenje in pripravo sanitarne vode nenehno povečuje.

Skoraj 80 odstotkov vseh vgrajenih toplotnih črpalk, koristi zaprte kolektorske sisteme za izkoriščanje površinske toplote zemlje .

Pri zaprtih sistemih je položen v zemljo kolektorski sistem, v katerem kroži medij, ki ohlaja okolico kolektorja. Dolžina kolektorskih cevi je odvisna od toplotne prevodnosti tal, temperature tal, specifičnega odvzema energije iz tal, lokalnega podnebja, hladilne moči črpalke in letnih potreb objekta. Kolektorje lahko razdelimo na:

- klasične talne (horizontalni) kolektorje, - kompaktne in zelo kompatne vertikalne in horizontalne kolektorje, - spiralne (»Slinky« in »Svec« izvedba), - kolektorje v zbiralnem jarku - kompaktna izvedba (razširjeni predvsem v

Avstriji, t.i.»graben kollektor«), - spiralne kompaktne kolektorje za globine 2 do 5 m (oberflächennahe Sonden), - vertikalne toplotne prenosnike (geosonde).

Toplotni odvzem horizontalnega zemeljskega kolektorja (temperatura vira toplote - 5 do + 15 °C) znaša 15 - 40 W/m2, vertikalne izvedbe kolektorjev dosegajo 30 - 100 W/m2 pri temperaturi vira toplote - 2 do + 10 °C. Največji odvzem toplote imajo kompaktni vertikalni kolektorji v kombinaciji z rekuperacijo toplote prezračevanja in sicer do 130 W/m2 (povprečna temperatura vira v zimskem času + 2 °C). Toplotni

odvzem t.i.“graben kolektorja” (temperatura vira toplote - 5 do + 10 °C) znaša 10 - 15 W/m2. Naštete vrednosti toplotnega odvzema zelo nihajo v odvisnosti od specifične toplotne kapacitivnosti zemlje, toplotne prevodnosti, vsebnosti vode in vodne pare ter količine sončnega obsevanja. Odvzem zmernih količin toplote zemlji ni škodljiv, ker se temperaturni profil s sončnim obsevanjem in dovodom toplote s toplim zrakom in dežjem preko poletja obnovi. V Sloveniji se v večini primerov (75 %) za ogrevanje družinskih hiš s toplotno črpalko vgrajujejo horizontalni kolektorji (Slika 2).

Slika 2 Horizontalni zemeljski kolektor Sestavljeni so iz cevi iz PE, dimenzij 25 x 2,3 oz. 32 x 2,9 mm. Cevi se položijo v posteljico iz peska, da se preprečijo poškodbe. Razširjene so predvsem izvedbe, kjer se PE cevi povežejo med seboj, tako da nastane spiralno oblikovan kompaktni kolektor (Slinky, Svec - kolektor). Slika 3 prikazuje izvedbo v praksi.

Slika 3 Kompaktni zemeljski kolektor Nizkoenergijske hiše s kontroliranim prezračevanjem in rekuperacijo toplote so zelo primerne za uporabo t.i. »VBX« kolektorjev (Slika 4), kjer toploto vračamo v zemljo, iz katere jo črpa toplotna črpalka. Zemlje tako ne moremo podhladiti.

SLIKA 4 Kompaktni kolektor VBX Primerjava med različnimi sistemi zemeljskih kolektorjev pokaže, da pri določeni hladilni moči toplotne črpalke potrebujemo: pri klasično položenem kolektorju 500 m2, pri kompaktnem 200 m2 in pri »VBX« kolektorjih 30 m2 površin. Računski postopki za izračun horizontalnih kolektorjev niso znani, čeprav se v principu lahko uporablja metoda za dimenzioniranje zemeljskih sond. Kolektorje je možno dimenzionirati glede na izkušnje iz prakse. Orientacijske vrednosti (glede na VDI 4640) za specifični odvzem toplote so podane v tabeli 1. Tabela 1: Orientacijske vrednosti za specifični odvzem toplote

Vrsta zemlje odvzem energije W/m2

suha, peščena tla 10 - 15 vlažna, peščena tla 15 - 20 suha, ilovnata tla 20 - 25 vlažna, ilovnata tla 25 - 30 zelo mokra ilovnata tla, z vodo prepojen pesek/prod

30 - 40

Orientacijske vrednosti za razdalje med cevmi in toplotni odvzem pri horizontalnih kolektorjih so prikazane v spodnjem diagramu (Slika 5).

1005040 70

moč W/m2

10

0,9

0,7

0,6

0,5

0,3

0,2

rraz

mik

med

cev

mi (

m)

ilovica

1,2

1,0

0,8

0,4

20

pesek

30

2,0

3,0

1,5

vlažna tla

2,5

3,0

Slika 5 Razdalja med cevmi in toplotni odvzem za horizontalne kolektorje Če je razdalja med cevmi premajhna, lahko celotna površina zmrzuje. Če ima zmrznjeno območje okoli cevi premer 0,5 m, le - to povzroči dvig zemlje nad cevjo za približno 2 cm. Če so cevi položene preveč globoko, bo vpliv sončnega obsevanja zelo majhen. V splošnem se priporoča, da se cevi položijo na globino 1,20 do 1,50 m.

2. VGRADNJA ZEMELJSKIH KOLEKTORJEV - PRIMERI IZ PRAKSE

V primeru uporabe toplotne črpalke z horizontalnim kolektorjem lahko napačno dimenzioniranje kolektorja povzroči poškodbe vegetacije in tudi nižje letno grelno število. Pri izvedbi so najpogostejše sledeče napake

- kolektorji so položeni preplitko in v neprimerna tla (mulj, blato), zato lahko pride do dvigovanja tal zaradi zmrzovanja,

- do dvigovanja tal lahko pride tudi pri kvalitetni zemlji, če je specifična odvedena količina toplote presežena zaradi premajhne površine oz.pregostega polaganja cevi horizontalnega kolektorja,

- nasutje finega materiala okoli kolektorskih cevi ni izvedeno strokovno (kar je posebej pomembno, če se predvideva, da je v sestavi tal tudi blato oz.mulj),

- cevi dovoda in povratka od toplotne črpalke niso dovolj razmaknjene (minimalno 70cm) in so preblizu vodovodne instalacije in kanalizacijskih cevi,

- varnostne razdalje do vodovodnih in kanalizacijskih cevi zaradi varnosti pred zmrzovanjem (minimalno 1,5 m) niso v predpisanih mejah,

- površina kjer je položen kolektor je asfaltirna in položeni tlakovci,

- shema vgradnje - natančna lokacija kolektorja po končanju vgradnje, ni narejena,

- tlačni padci v ceveh kolektorja in ostale opreme so določeni izkustveno in ne računsko, prav tako količina sredstva proti zmrzovanju,

- preizkus tesnosti (tlačno testiranje kolektorja) ni izveden,

- težave pri zagonu sistema, zaradi zraka v raztopini voda/glikol,

- tehnična dokumentacija za kolektorski sistem je zelo pomanjkljiva ali je sploh ni,

- atesti vgrajene opreme niso priloženi tehnični dokumentaciji,

- jaški niso pravilnih dimenzij, kar ima za posledico nepravilno vgrajene zbiralnik in razdelilec,

- vgradnja povezovalnih cevi je ni izvedena korektno, tako da lahko nastopijo problemi z odzračevanjem zank,

- cevi, ki vstopajo v jašek oziroma prečkajo stene objekta, niso dodatno zavarovane pred mehanskimi poškodbami.

Slika 6 Neprimerna vgradnja razdelilnika in zbiralnika

Slika 7 Korektna izvedba razdelilnika in zbiralnika

Slika 8 Površno položen horizontalni kolektor

Slika 9 Pravilno izvedena zaščita cevne povezave do TČ pri prehodu skozi zid Ni tudi priporočljivo, da opremo v vgrajuje dvoje ali troje izvajalcev, vsak za svoje področje (talno/stensko ogrevanje posebej, kolektor in priklop toplotne črpalke dva izvajalca, vsak za svoj del). Če se temu ne moremo izogniti, je potrebno narediti skupen zapisnik vseh izvajalcev del o prevzemu celotnega sistema oziroma dati pismeno jamstvo za funkcionalno delovanje celotnega sistema. ZAKLJUČEK Toplota površinske zemlje je pri nas najbolj uporabljen vir toplote. Toplotna črpalka obratuje monovalentno in pokriva celotne potrebe po ogrevalni toploti. Skoraj preko 90 odstotkov vgrajenih kolektorskih sistemov horizontalne izvedbe, samo 10 odstotkov je vgrajenih kompaktnih kolektorjev. Horizontalni kolektorji se uporabni za toplotne črpalke majhnih moči, pri večji moči toplotne črpalke pa so primernejši kompaktni kolektorji. Ti zavzamejo manjšo površino zemlje. Vertikalne zemeljske sonde, ki segajo v globino 50 do 150 m so za družinske hiše predrage (približno 50 –60 EUR/m), zato bi bila smiselna uporaba spiralnih kompaktnih kolektorjev, ki jih vgrajujem na globino 3 do 5 m. Takšne izvedbe bi bile predvsem primerne za področja, kjer je podtalnica že na globini nekaj metrov (www.gi-zrmk.si/ensvet.htm - Spiralni kompaktni kolektorji v vrtini).

Bojan Grobovšek, univ.dipl.ing.str. Vir:

• B.Grobovšek, Praktična uporaba toplotnih črpalk (knjigo izdala ENERGETIKA MARKETING 12/2009).