TOPLINSKE PUMPE

Kako zemlja može grijati besplatno

KAKO ZEMLJA MOŽE GRIJATI BESPLATNO

Toplinska je pumpa jedinstven uređaj kojim se gotovo neprimjetna toplina tla, vode ili zraka može pretvoriti u vruću vodu. Kod nas se sve radi naopačke, pa o grijanju i instalacijama razmišljamo gotovo tek onog trenutka kad bi se trebali useliti ili smo već uselili. I naravno, sve ono što radimo naknadno je plaćanje propusta sa početka gradnje, a nemalo puta kasnije prilagodbe koštaju i dvostruko više od predviđenih troškova. Za grijanje uglavnom trošimo neobnovljive izvore dok ih ima ili dok možemo plaćati njihovu cijenu koja stalno raste, a istovremeno, Sunce milijarde godina zagrijava naš planet izvana, a užarena Zemljina jezgra održava gotovo stalnu temperaturu njene kore i usporava hlađenje tla zagrijanog suncem. Što dublje prodiremo u tlo prema središtu Zemlje, temperatura raste. Naravno, to nisu neke spektakularne vrijednosti, no na dubini od nekoliko metara ispod smrznute površine ulazimo u područje gdje je tlo i zimi i ljeti podjednako toplo (od 8° do 12°C). To znači da je zimi mnogo toplije, a ljeti hladnije od okolnog zraka pa se vještim iskorištenjem ove termičke stabilnosti kuću može podjednako djelotvorno grijati i hladiti. Kako ovu stalnu temperaturu na određenoj dubini održava za nas gotovo nemjerljiva masa cijelog planeta, možemo reći da nam pod nogama leže neiscrpni besplatni kilovati iskoristive energije. No, kako je iskoristiti da nam bude u stalnoj službi?

KAKO RADI TOPLINSKA PUMPA?

Toplinska pumpa funkcionira na istom principu kao i kuhinjski hladnjak samo je ovdje sve obrnuto. Hladnjak oduzima toplinu namirnicama i ispušta je u okolni prostor. Tekući rashladni medij isparava u izmjenjivaču topline, prelazi u plinovito stanje, naglo se hladi i oduzima toplinu svim okolnim toplijim predmetima (zato je hladnjak dobro zatvorena i temeljito izolirana kutija). Medij s prikupljenom toplinom je topliji, a topliji plin teži širenju i povećanju volumena. Međutim, električni ga kompresor prisilno stlačuje i zgušnjava do tekućeg stanja pri čemu se dodatno podiže temperatura medija. Ovako zagrijan medij pretvoren u tekućinu protiskuje se kroz kapilarnu cjevčicu u rebrasti radijator (drugi izmjenjivač topline, kondenzator) na stražnjoj strani hladnjaka odakle zračna struja odvodi toplinu u okolni prostor. Toplina oduzeta namirnicama odlazi u zrak, a medij se hladi. No, kompresor ga i dalje gura kroz cijev koja ulazi u unutrašnjost hladnjaka, u isparivač (izmjenjivač topline). Tu medij prolazi kroz sapnicu (ekspanzijski ventil) i ulazi u proširenje isparivača gdje se slobodno širi i naglo prelazi iz tekućega u plinovito stanje. Naglim širenjem pada mu temperatura pa ohlađene ploče ovog izmjenjivača ponovno upijaju toplinu namirnica i tako se ciklus ponavlja. Toplinska pumpa ima sve ove elemente, ali je redoslijed procesa malo drukčiji jer se toplina iz okoline (tlo, voda, zrak) iskorištava za grijanje zatvorenog prostora. Toplinu iz tla preuzima medij koji kruži podzemnim cijevima (ili kroz sondu). Ovako zagrijan stiže u toplinsku pumpu gdje predaje toplinu drugom (plinovitom) mediju u isparivaču. Ovaj se zagrijava, raste mu tlak no kompresor ga stlačuje u tekuće stanje pri čemu se dodatno podiže temperatura (npr. s 3° - 7°C na 50° ili 70°C). Ovako zagrijan medij odvodi se cijevima do izmjenjivača u velikom spremniku gdje toplinu predaje vodi (ili drugom mediju - npr. za cijevi podnog grijanja). Pritom se hladi i povratnim vodom vraća u toplinsku pumpu. No, kako je cijeli sustav pod tlakom koji u pojedinim koracima procesa doseže i 15 bara, ovaj ohlađeni medij protiskuje se kroz sapnicu (ekspanzijski ventil) nakon čega se širenjem naglo hladi (i do -3°C) i ulazi u isparivač. Zbog velike temperaturne razlike između medija zagrijanog toplinom tla (8° - 12°C) i ohlađenog plinovitog medija, u isparivaču toplina naglo prelazi na plinoviti medij i zagrijava ga npr. do + 3°C pri čemu se u plinu podiže tlak. Nakon prisilnog stlačivanja u kompresoru temperatura dodatno raste do 50° ili 70°C, a tu toplinu medij predaje vodi u izmjenjivaču (kondenzatoru) u velikom spremniku. I tako stalno u krug.

VISOKI UČINAK

Za ovu izdašnu proizvodnju topline pomoću kompresora s elektromotorom pumpi ipak treba električna energija. Međutim, u ukupnoj energetskoj bilanci, ova električna energija čini tek manji dio. Stoga pumpe razlikujemo po brojki kojom je označena učinkovitost: brojka 4 ili 5 označuje da smo dobili četiri ili pet puta više toplinske energije nego što je utrošeno za pogon kompresora. Dakako, učinak ovisi o vrsti toplinskog izvora (tlo, voda, zrak) i snazi pumpe pa, npr., brojka 5 znači da smo s jednim kilovatsatom električne energije proizveli pet kilovatsati iskoristive toplinske energije. A to je učinak kakvim se ne može podičiti nijedan kotao centralnog grijanja. Jačim kompresorima ili stupnjevanjem nekoliko krugova mogle bi se postići i vrlo visoke temperature no uključivanjem takvih kompresora ili kombiniranjem nekoliko kompresorskih elektromotora smanjujemo ukupni učinak. Stoga je površina tla s koje prikupljamo toplinu itekako važna za stalno dovođenje energije u sustav. Kako toplinskom pumpom možemo lako doseći temperaturu polaznog voda od +65°C ovi se uređaji mogu primijeniti i na starijim zgradama. Ipak, najekonomičniji su u dobro izoliranim kućama s niskotemperaturnim podnim grijanjem (22°-25°C) gdje temperature polaznog voda od 35°C (30°C u povratnom vodu) omogućuju visoku ekonomičnost i potpunu udobnost. U toj kombinaciji moguće je i s monovalentnim sustavom proizvoditi obilje topline tijekom cijele godine. Za slučaj vrlo hladne i duge zime u spremnik možete ugraditi dodatni električni grijač koji će povremeno dogrijavati vodu. U tom izuzetnom slučaju struja će u godišnjim toplinskim potrebama sudjelovati s 5 do 10 posto.

PODZEMNI KOLEKTORI

Mada su solarni kolektori koji zagrijavaju vodu najpopularniji uređaji za iskorištenje sunčeve energije, podjednako djelotvorno možemo je izvući i iz komadića Zemljine kore ispod dvorišta, travnjaka ili voćnjaka. Umjesto staklom pokrivene crne ploče s cijevima na krovu, besplatnu toplinu crpimo iz tla pomoću cijevnog kolektora ukopanog dva do tri metra ispod zemlje (ili barem 20 cm ispod razine mogućeg zimskog smrzavanja). Riječ je o bitno jednostavnijem uređaju od krovnog kolektora pokrivenog staklom no njegovo postavljanje zahtijeva opsežno otkopavanje i premetanje zemlje na velikoj površini. U tlo se polažu savitljive cijevi kroz koje protječe medij sličan automobilskom antifrizu, ali manje otrovan. U takvom sustavu nema hrđe, kamenca niti puknuća izazvanog slijeganjem tla. No, što su cijevi dublje, manja je vjerojatnost oštećenja, a manje su i temperaturne oscilacije. Cijevi se polažu u obliku meandra ili pak jednostavnim odmatanjem kružnih petlji s koluta, a ukupna površina ovog podzemnog kolektora mora biti barem dvaput veća od stambene površine koju želimo zagrijavati crpljenjem topline toplinskom pumpom (dizalicom topline). Optimalni omjer je 1:2,5 što znači da za stan od 100 m2 u tlo treba položiti barem stotinjak metara cijevi tako da pokriju površinu od oko 250 m2. Nakon provjere protočnosti i tlačne probe, cijevi se jednostavno zatrpaju zemljom pa vaš podzemni skupljač besplatne topline ostaje zauvijek nevidljiv pod vrtnim travnjakom. Umjesto ukopane uljne cisterne dobili ste energetski spremnik komadić planeta koji se stalno dogrijava iznutra i izvana.

DUBINSKA SONDA

Ako nemate velik vrt u kojem biste rasprostrli dovoljno cijevi za djelotvorno crpljenje topline, umjesto kolektora možete primijeniti sondu. U tlu se napravi bušotina do dubine od 100 ili 200 metara, potom se u nju spuste cijevi a bušotina se zalije zitkim betonom. Kroz cijevi protječe medij tako da se jednim krakom spušta u dubinu gdje preuzima toplinu iz tla, a potom se drugim krakom vraća na površinu. Ako struktura tla onemogućuje izvedbu dubokih bušotina, problem se rješava bušenjem nekoliko plićih sondi (npr. do 50, 30 ili 20 m) tako da njihova ukupna duljina omogućuje prikupljanje potrebne količine podzemne topline. Duboka je sonda manje osjetljiva na vanjske klimatske promjene pa nudi najpouzdaniji trajni izvor topline. Dakako, i u našoj zemlji postoje područja s povoljnijim temperaturnim gradijentom gdje se već u dubini od nekoliko metara temperatura raste iznad prosječnih vrijednosti najčešće u blizini poznatih termalnih izvora. Tu se ugradnjom sondi (i podzemnih kolektora) postižu izvanredni rezultati pa grijanjem stambenog prostora i potrošne tople vode možete ostvariti i natprosječne godišnje uštede bez ikakvih pomoćnih uređaja za dogrijavanje.

BUNARI PODZEMNIH VODA

Mnoga područja imaju relativno visoku razinu podzemne vode koja također ima konstantnu temperaturu od 7° do 12°C. Tu se primjenjuje poseban tip sondi u paru gdje jedna crpi podzemnu vodu i dovodi je do toplinske pumpe a potom druga vraća ohlađenu vodu u tlo. Za sve instalacije s dubinskim sondama, a posebno onima koje iskorišćuju toplinu podzemne vode nužno je zatražiti savjet geologa i suglasnost vodoprivrednih stručnjaka. Toplinske pumpe iskorišćuju toplinu sunca akumuliranu u tlu, vodi i zraku. Kako ove energije ima u neograničenim količinama, pumpa ima stalni izvor topline, a grijanje stambenog prostora i potrošne vode ne ovisi o plinu, struji, ugljenu ili drvima. Ipak, za iskorištenje ove energije medij treba obraditi komprimiranjem, isparavanjem i kondenziranjem, pa cijeli taj posao obavlja kompresor s elektromotorom koji troši struju. Srećom, udjel električne energije u ukupnim dobicima ovdje najčešće ne prelazi 25 posto pa u kombinaciji s besplatnim toplinskim izvorima pumpa nudi vrhunske uštede. Pri izvlačenju topline rashlađuje se tlo, voda ili zrak, no ovih nekoliko stupnjeva brzo se nadoknađuje iz ukupne mase.

CIJENA INVESTICIJE

Iako je svakom kućevlasniku najvažniji odgovor na pitanje koliko to košta pa ekološke pogodnosti i dugoročnu isplativost potiskuje u drugi plan, jednoznačnih i preciznih odgovora nema. Naime, sve ovisi o brojnim čimbenicima od lokacije, veličine i izoliranosti kuće, do geološkog sastava tla. No, dosadašnja njemačka iskustva na osnovi godišnjeg prosjeka od 30.000 do 40.000 ugrađenih toplinskih pumpi pokazuju da cijela instalacija grijanja toplinskom pumpom ne košta više od kvalitetnijeg konvencionalnog centralnog grijanja. Pritom valja imati na umu da tijekom upotrebe nema dodatnih troškova za kupnju energenata osim struje za pogon kompresora. I dok cijenu toplinske pumpe možemo usporediti s cijenom visokokvalitetnog kotla za centralno grijanje, troškovima treba nužno pribrojiti spremnik tople vode od oko 1500 litara, pufer (spremnik s izmjenjivačem i dodatnim električnim grijačem), uređaje za automatsku regulaciju, senzore, PE-X-cijevi i pripremu tla za ugradnju sonde ili podzemnog kolektora. Uz izvedbu podnog grijanja prosječni sustav s toplinskom pumpom košta od 10.000 do 20.000 EUR. Pritom je struktura troškova bitno drukčija, nema radijatora, uljnih spremnika, priključenja na plinsku mrežu i sl.

TEMPERATURNE RAZLIKE

Ne smije se zaboraviti da sustav toplinske pumpe funkcionira isključivo na osnovi temperaturnih razlika. Što su veće, brži je i djelotvorniji prijenos topline. Dovoljno je prisjetiti se klima uređaja koji toplinu zatvorenog prostora izbacuje u okolinu, a u hladnijim danima ne daje nikakav učinak jer nema hladnijeg medija kojemu bi predao toplinu. Pojedini tipovi klima uređaja mogu raditi i kao toplinska pumpa koja zagrijava prostor oduzimanjem topline vanjskom zraku. No, valja znati da se u zimskim uvjetima brzo dođe do granice kad je vanjski zrak hladniji od medija u isparivaču i ne može mu prenijeti nikakvu toplinu. U ovom se ograničenju krije glavna prednost toplinskih pumpi koje toplinu izvlače iz tla ili podzemne vode s malim temperaturnim oscilacijama. Stoga su toplinske pumpe za iskorištenje topline zraka bitno većih dimenzija, a imaju i mnogo jače kompresore kako bi proizvele toplinu s jako ohlađenim medijem, hladnijim od zimskog zraka. Ipak, ovi uređaju nude i jednu pogodnost, djelotvorno hlađenje prostorija u ljetnom razdoblju pri čemu se toplina izbacuje u okolinu.