Vse O Tem, Kako Deluje Toplotna Črpalka | Vodnik

Priznam, še nekaj let nazaj sem bil precej glasen skeptik. Ko mi je prijatelj razlagal, da njegova nova škatla na vrtu “črpa toploto iz mrzlega zimskega zraka” in s tem ogreva celo hišo, sem si mislil svoje. Seveda. In jaz imam na vrtu osla, ki tiska denar. Moje položnice za kurilno olje pa so medtem vsako zimo dosegle nove, astronomske višave. Ampak veste kaj? Seme dvoma je bilo vseeno posejano. Začel sem raziskovati, brati, spraševati. Zanimalo me je, kako deluje toplotna črpalka in ali je res lahko tako učinkovita, kot pravijo.

Izkazalo se je, da ne gre za magijo.

Gre za presenetljivo eleganten in učinkovit inženirski princip, ki ga, ironično, že desetletja uporabljamo vsi. Ampak o tem kasneje. Ta vodnik sem napisal za vse, ki ste tam, kjer sem bil jaz – skeptični, radovedni in morda malce naveličani visokih stroškov ogrevanja. Potopimo se v fascinanten svet termodinamike, razbijmo nekaj mitov in poglejmo, ali je ta tehnologija prava tudi za vas.

Več iz kategorije Gospodinjski Aparati

Kako Resetirati Pralni Stroj Beko

Kako Odpreti Vrata Pralnega Stroja Gorenje

Ključni Povzetki

Preden gremo v podrobnosti, si poglejmo najpomembnejše točke:

• Toplotna črpalka toplote ne ustvarja, ampak jo premika. To je ključna razlika med njo in, recimo, pečjo na olje ali električnim radiatorjem. Za premikanje porabi bistveno manj energije kot za ustvarjanje.
• Deluje na enakem principu kot vaš hladilnik. Le da je proces obrnjen – namesto da bi jemala toploto iz notranjosti in jo spuščala ven, jo jemlje od zunaj in jo spušča v vaš dom.
• Njena učinkovitost je izjemna. Merimo jo s “COP” (grelno število). COP 4 pomeni, da za 1 kW porabljene električne energije prejmete 4 kW toplotne energije.
• Je rešitev “vse-v-enem”. Večina sodobnih toplotnih črpalk lahko vaš dom pozimi ogreva, poleti pa tudi hladi.
• Obstaja več vrst. Najpogostejše so zrak-voda, zrak-zrak, voda-voda in zemlja-voda. Vsaka ima svoje prednosti glede na vašo lokacijo in potrebe.

Se tudi vi sprašujete, kako lahko nekaj črpa toploto iz mrzlega zraka?

To je bilo moje prvo vprašanje. In je popolnoma logično. Kako, za vraga, najdeš “toploto” v zraku, ki ima -10 °C?

Odgovor se skriva v definiciji toplote. Toplota je zgolj energija, ki jo imajo atomi. Tudi v zraku, ki je zelo mrzel, imajo atomi še vedno nekaj energije. Absolutna ničla, točka, kjer se vse gibanje ustavi, je pri -273,15 °C. Dokler nismo tam, energija obstaja.

Trik toplotne črpalke je v tem, da ustvari nekaj, kar je še bolj mrzlo od že tako mrzlega zunanjega zraka.

Predstavljajte si, da imate dva kozarca vode, enega vročega in enega mlačnega. Če ju zlijete skupaj, bo toplota vedno tekla iz vročega v mlačnega, nikoli obratno. To je drugi zakon termodinamike. Toplotna črpalka pa s pomočjo posebnega medija in enega ključnega dela (kompresorja) ta zakon tako rekoč “obrne”. Ne krši ga, ampak ga pametno izkoristi.

Torej, ne gre za iskanje občutka toplote, ampak za ekstrakcijo energije iz zunanjega vira.

Je toplotna črpalka v resnici samo… obrnjen hladilnik?

Točno tako! To je bil moj “aha!” trenutek. Strmel sem v svojo staro, brnečo škatlo v kuhinji in naenkrat mi je postalo vse jasno.

Kaj dela hladilnik? Iz notranjosti (kjer hranite mleko) črpa toploto in jo prenaša ven. Kam? Na tisto črno, rebrasto mrežo na zadnji strani, ki je ponavadi vroča. Hladilnik hladi notranjost tako, da greje vašo kuhinjo.

Zdaj pa si zamislite, da bi hladilnik obrnili. Postavili bi “notranjost” (hladilni del) na vrt, “zadnjo stran” (vročo mrežo) pa v vašo dnevno sobo. Kaj bi se zgodilo? Naprava bi črpala tisto malo toplote iz zunanjega zraka (in ga s tem še bolj ohladila) ter to toploto oddajala v vašo dnevno sobo.

In voila.

Pravkar ste izumili toplotno črpalko. Princip je popolnoma enak, le da je toplotna črpalka seveda veliko bolj zmogljiva, optimizirana in sposobna delovati pri precej nižjih zunanjih temperaturah.

Katera je tista “čarobna” tekočina v ceveh?

Srce celotnega procesa ni motor, ampak posebna tekočina, ki se pretaka po zaprtem sistemu cevi. Imenujemo jo hladilno sredstvo ali hladivo.

To ni navadna voda. Gre za posebej zasnovano kemično spojino, katere ključna lastnost je izjemno nizek vreliščni prag. Ta tekočina lahko vre in se spreminja v plin (paro) pri temperaturah globoko pod ničlo. In prav ta sposobnost prehajanja iz tekočega v plinasto stanje in nazaj je tisto, kar omogoča prenos toplote.

Ko tekočina vre in izhlapeva, nase veže ogromno energije (toplote) iz okolice. Ko pa se plin ohladi in kondenzira nazaj v tekočino, to isto energijo sprosti v okolico.

Pomislite na potenje. Ko vam je vroče, se potite. Znoj (tekočina) na vaši koži izhlapeva (postaja plin) in za ta proces potrebuje energijo. To energijo vzame iz vaše kože. Rezultat? Vaša koža se ohladi. Hladivo v toplotni črpalki počne natanko to – le da “znoji” zunanjo enoto, da bi “ohladilo” zunanji zrak in s tem pobralo njegovo energijo.

Kako se ta tekočina obnaša? (4 ključni koraki delovanja)

Celoten cikel delovanja toplotne črpalke je eleganten ples štirih komponent. Poglejmo si jih korak za korakom v načinu ogrevanja:

1. Uparjalnik (Zunanja enota)

Vse se začne v zunanji enoti, ki jo vidite na vrtu ali pritrjeno na fasado. Hladno, tekoče hladivo pod nizkim pritiskom priteče v uparjalnik. Ventilator v tej enoti piha zunanji zrak (pa naj bo +10 °C ali -10 °C) čez lamele uparjalnika.

Ker ima hladivo izjemno nizko vrelišče (npr. -20 °C), je zunanji zrak vedno toplejši od njega. Toplota iz zraka zato preide na hladivo, ki posledično zavre in se spremeni v plin (paro). Zdaj imamo hladen plin pod nizkim pritiskom, ki pa je vase “posrkal” energijo iz zunanjega sveta.

2. Kompresor (Srce sistema)

Ta hladen plin zdaj potuje do kompresorja. To je daleč najpomembnejši del in tisti, ki porabi večino električne energije. Kompresor naredi natanko to, kar pove njegovo ime: plin stisne.

Kaj se zgodi, ko stisnete plin? Spomnite se fizike iz osnovne šole (ali pa napihovanja kolesa s tlačilko – kako postane tlačilka vroča?). Ko se plinu močno poveča pritisk, se mu tudi dramatično poveča temperatura.

In to je vsa umetnost. Iz hladnega plina (-10 °C) kompresor ustvari vroč plin pod visokim pritiskom (recimo 80 °C).

3. Kondenzator (Notranja enota)

Ta zdaj zelo vroč in stisnjen plin potuje v notranjost vaše hiše, do notranje enote. Ta enota je v bistvu izmenjevalec toplote. Če imate sistem zrak-voda, ta vroči plin segreva vodo v vašem sistemu (talno gretje, radiatorji). Če imate sistem zrak-zrak, ventilator piha sobni zrak čez ta vroč izmenjevalec in v prostor vpihuje topel zrak.

Ker je plin (80 °C) veliko bolj vroč od vode v vašem radiatorju (npr. 40 °C), toplota preide iz plina v vodo. S tem, ko plin oddaja toploto, se ohlaja in se začne kondenzirati – nazaj v tekoče stanje.

Vaša hiša je ogreta.

4. Ekspanzijski ventil (Ponastavitev)

Imamo torej toplo tekočino pod visokim pritiskom. Preden jo lahko pošljemo nazaj v zunanjo enoto, da ponovno “pobere” toploto, moramo narediti še en korak. Tekočino spustimo čez ekspanzijski ventil.

To je v bistvu majhna šoba, ki drastično zmanjša pritisk. Ko pritisk pade, pade tudi temperatura. (Spet fizika – obratno kot pri kompresorju). Iz tople tekočine dobimo spet zelo mrzlo tekočino pod nizkim pritiskom.

In ta mrzla tekočina je zdaj pripravljena, da gre nazaj v uparjalnik (korak 1) in ponovi celoten cikel.

Ta cikel se ponavlja znova in znova, nenehno “črpa” toploto od zunaj in jo “odlaga” v vaši hiši.

Kaj pa se dogaja pozimi, ko zunanja enota zamrzne?

Prvo zimo, ko sem imel svojo toplotno črpalko, sem bil kot otrok, ki opazuje mravljišče. Stal sem pri oknu s skodelico kave in gledal, kako se je pri -5 °C na zunanji enoti počasi nabiral led. “No, pa smo tam,” sem si mislil. “Zdaj bo pa nehala delati.” Enota je postajala vse bolj bela in videti je bilo, kot da se duši.

A potem se je zgodilo nekaj zanimivega.

Kar naenkrat je črpalka utihnila. Za hip je bilo vse tiho. Nato sem zaslišal rahel “psss” in iz enote se je začelo kaditi. Ne dim, ampak para. Led se je pred mojimi očmi topil in v curkih odtekal. Po kakšnih petih minutah je bila enota spet čista, za trenutek je še stala, nato pa je spet zabrnela in nadaljevala z delom.

To, kar sem videl, je bil popolnoma avtomatski in normalen cikel odtaljevanja (defrost).

Ko črpalka črpa toploto iz vlažnega zraka, ki je blizu ledišča, ta vlaga zamrzne na lamelah uparjalnika. Sčasoma led zamaši pretok zraka in učinkovitost pade. Pametna elektronika v črpalki to zazna. Takrat za kratek čas obrne proces – za tistih 5 minut začne delovati v načinu hlajenja. Pošlje malo vročega plina v zunanjo enoto, da od znotraj hitro stopi led. Pri tem porabi nekaj malega že pridobljene toplote, a je to nujno potrebno za nadaljnje učinkovito delovanje.

Zakaj vsi govorijo o tem “COP”? Je to res tako pomembno?

Če boste kdaj prebirali brošure, boste povsod naleteli na tri čarobne črke: C-O-P.

COP je okrajšava za “Coefficient of Performance” ali po naše “grelno število”. In da, to je verjetno najpomembnejša številka pri toplotni črpalki.

Pove nam, kako učinkovita je naprava.

Povedano preprosto, COP nam pove razmerje med tem, koliko toplotne energije dobimo ven, in tem, koliko električne energije smo vložili.

• Električni radiator ima COP 1. Za 1 kW elektrike dobite 1 kW toplote. 100% učinkovito, a drago.
• Sodobna toplotna črpalka zrak-voda ima lahko pri zunanji temperaturi 7 °C in ogrevalni vodi 35 °C (idealno za talno gretje) COP enak 5.

To pomeni, da za 1 kW vložene električne energije (ki jo porabi kompresor) prejmete kar 5 kW toplotne energije v vaš dom.

Počakajte. 500% učinkovitost? To zveni kot kršitev zakonov fizike.

Ampak ni. Spomnite se: črpalka toplote ne ustvarja. Elektriko (tisti 1 kW) porabi samo za pogon kompresorja, torej za premikanje toplote. Tiste dodatne 4 kW toplote je zastonj vzela iz zunanjega zraka.

Seveda COP ni konstanten. Nižja kot je zunanja temperatura (težje je črpati toploto) in višja kot je temperatura vode, ki jo želimo (npr. za stare radiatorje rabimo 60 °C), nižji bo COP. Zato v katalogih vedno iščite oznako SCOP (Seasonal COP) – to je povprečno grelno število, izračunano čez celotno ogrevalno sezono, in je precej bolj realističen podatek o letni učinkovitosti.

Ali toplotna črpalka deluje tudi za hlajenje poleti?

Seveda! In to je eden najbolj elegantnih delov te tehnologije.

Kako ohladi hišo? Preprosto. Proces, ki sem ga opisal zgoraj v štirih korakih, se popolnoma obrne.

• Uparjalnik (zdaj notranja enota): Notranja enota postane uparjalnik. Hladivo v njej izhlapeva in iz sobnega zraka pobira toploto. Ventilator piha čez mrzle lamele in v prostor vrača prijetno hladen zrak.
• Kondenzator (zdaj zunanja enota): Kompresor stisne plin, ki je pobral toploto iz hiše. Ta vroč plin potuje v zunanjo enoto, kjer kondenzira in vso odvečno toploto iz vaše hiše oddaja v zunanji zrak.

V bistvu je toplotna črpalka poleti… klima. Oziroma bolje rečeno, klima je toplotna črpalka, ki deluje samo v eno smer. Večina modernih toplotnih črpalk pa je reverzibilnih in služijo kot popolna rešitev za celoletno udobje.

Katere vrste toplotnih črpalk poznamo? (In katera je prava zame?)

Vir toplote je ključen. Od kod bo vaša naprava črpala tisto “zastonj” energijo? Glede na to ločimo tri glavne tipe.

Zrak-voda: Najbolj priljubljena izbira?

To je daleč najbolj pogost in priljubljen sistem v Sloveniji, sploh pri prenovah. Tudi sam imam takšnega.

• Kako deluje: Zunanja enota črpa toploto iz zraka (tudi pozimi). Notranja enota to toploto prenese na vodo, ki nato kroži po vašem obstoječem sistemu – bodisi po talnem gretju bodisi po radiatorjih. Hkrati ogreva tudi sanitarno vodo v bojlerju.
• Prednosti: Relativno enostavna in hitra montaža, saj ne zahteva vrtanja ali zemeljskih del. Cena je nižja kot pri geotermalnih. Sodobne inverterske naprave delujejo učinkovito tudi do -20 °C ali -25 °C.
• Slabosti: Učinkovitost (COP) ji pada skupaj z zunanjo temperaturo. V res hudem mrazu si bo morda morala pomagati z vgrajenimi električnimi grelci. Zunanja enota proizvaja nekaj hrupa (čeprav so moderne res tihe).

Zrak-zrak: Je to samo “fensi” klima?

Lahko bi rekli tudi tako, ampak je precej več.

• Kako deluje: Zunanja enota črpa toploto iz zraka. Notranja enota (ali več notranjih enot) pa to toploto neposredno vpihuje v prostor kot topel zrak.
• Prednosti: Ponavadi najcenejša in najenostavnejša za montažo. Odlična rešitev za manjše hiše, stanovanja ali vikende. Zelo hiter odzivni čas – prostor se segreje v nekaj minutah. In seveda, poleti odlično hladi.
• Slabosti: Ne more ogrevati sanitarne vode. Nekaterim ljudem občutek pihanega zraka ni prijeten (lahko izsuši zrak). Toplota se težje enakomerno porazdeli po kompleksnih prostorih.

Zemlja-voda (Geotermalna): Najboljša, a tudi najdražja?

To je “premium” izbira. Vir toplote je zemlja.

• Kako deluje: Toploto črpa iz zemlje, ki ima skozi celo leto zelo konstantno temperaturo (na globini nekaj metrov je vedno okoli 8-12 °C). To lahko stori na dva načina:
  1. Horizontalni kolektor: Po vrtu plitvo pod površjem (1-2m globoko) položite dolge zanke cevi. Zahteva veliko površino vrta.
  2. Vertikalna sonda: Vrtanje ene ali več globokih vrtin (tudi 100-150m globoko), v katere se spustijo cevi.
• Prednosti: Vrhunec učinkovitosti. Ker je vir (zemlja) vedno topel, je COP izjemno visok in stabilen skozi celo leto. Brez zunanje enote, torej brez hrupa in brez ciklov odtaljevanja. Izjemno dolga življenjska doba.
• Slabosti: Visoka začetna investicija, predvsem zaradi dragih zemeljskih del (vrtanje ali izkop). Montaža je kompleksen gradbeni poseg.

Voda-voda: Imate potok na vrtu?

Redkejša, a izjemno učinkovita. Vir toplote je voda.

• Kako deluje: Črpa toploto iz podtalnice, reke, jezera ali celo bližnjega morja. Voda iz vira se prečrpa do toplotne črpalke, ji odda toploto in se nato ohlajena vrne nazaj.
• Prednosti: Še bolj učinkovita kot geotermalna, saj je voda ponavadi še stabilnejši vir.
• Slabosti: Potrebujete ustrezen in izdaten vodni vir na parceli. Zahteva precej birokracije (vodna dovoljenja). Obstaja nevarnost okvar zaradi mineralov in nečistoč v vodi.

Na kaj moram biti pozoren, preden se odločim za nakup?

Toplotna črpalka ni klimatska naprava, ki jo kupite v trgovini, pripeljete domov in vklopite v vtičnico. Je kompleksen sistem, katerega delovanje je odvisno od celotne hiše. Preden se zaletite v nakup, razmislite o teh točkah.

• Izolacija, izolacija, izolacija! Ne morem dovolj poudariti. Toplotna črpalka v slabo izolirani hiši je kot bi poskušali ogreti bazen brez dna. Najprej poskrbite za dobro izolacijo podstrešja, fasade in kvalitetna okna. Vsak evro, vložen v izolacijo, se vam bo povrnil pri izbiri manjše in cenejše toplotne črpalke ter nižjih stroških.
• Kakšen je vaš obstoječi ogrevalni sistem? Imate talno gretje ali radiatorje? Talno gretje je idealen partner za toplotno črpalko, saj deluje na nizkih temperaturah (30-40 °C), kjer je COP najvišji. Imate stare, litoželezne radiatorje? Ti so bili zasnovani za vročo vodo (70 °C+). Morda boste potrebovali visokotemperaturno toplotno črpalko ali pa bo ceneje zamenjati nekaj radiatorjev z večjimi.
• Natančen izračun moči. Ne kupujte na pamet ali “na uč”. Prešibka črpalka bo v mrazu preveč uporabljala električne grelce (drago!). Premočna črpalka pa bo imela kratek življenjski cikel, ker se bo nenehno vklapljala in izklapljala (t.i. “taktiranje”). Zahtevajte natančen izračun toplotnih izgub vaše stavbe, ki ga mora opraviti strokovnjak.
• Lokacija zunanje enote. Kam jo boste postavili? Potrebuje prostor za nemoten pretok zraka. Ne je postavljati pod okno spalnice, čeprav so tihe, ni treba, da vas ponoči moti. Pomislite tudi na sosede.

Kakšne so realne prednosti in slabosti? Bodimo iskreni.

Nobena tehnologija ni popolna. Po treh letih uporabe lahko povsem iskreno povem, kaj me navdušuje in kaj me je na začetku skrbelo.

Zakaj jo boste vzljubili (Prednosti)

• Resnično nizki obratovalni stroški. Moje položnice so neprepoznavne v primerjavi s kurilnim oljem. Prihranek je, odkrito rečeno, ogromen.
• Udobje “vse-v-enem”. Ena naprava, ki jo nastavim in pozabim. Pozimi greje, poleti hladi, skozi celo leto pripravlja toplo sanitarno vodo. Brez pepela, brez dima, brez naročanja olja.
• Okoljski vidik. Vem, da uporablja elektriko, ampak ker jo uporablja tako učinkovito (COP 4+), je moj ogljični odtis dramatično manjši, kot če bi karkoli kuril. Če imate na strehi še sončno elektrarno, je zgodba sploh popolna.
• Varnost in čistoča. Brez nevarnosti uhajanja plina, brez možnosti eksplozije, brez saj in prahu v kurilnici.
• Subvencije Eko sklada. Država močno spodbuja prehod na obnovljive vire, zato so subvencije lahko zelo visoke in močno znižajo začetno investicijo.

Kaj vas bo morda motilo (Slabosti)

• Visoka začetna investicija. To je dejstvo. Tudi z upoštevano subvencijo je začetni strošek precej višji od nove plinske peči. Na to je treba gledati kot na dolgoročno naložbo, ki se povrne skozi prihranke.
• Hrup zunanje enote. Zame osebno to ni težava. Moja je tišja od pomivalnega stroja. Vendar pa obstajajo cenejši modeli, ki so lahko glasnejši. Dobro premislite o lokaciji.
• Odvisnost od elektrike. Če zmanjka elektrike, ni ogrevanja. Enako kot pri plinski peči (ki rabi elektriko za črpalke) ali peči na pelete (ki rabi elektriko za doziranje). Rešitev? Za tistih nekaj ur mrka na leto se pač malo bolj oblečemo.
• Zahteva strokovnjaka. Montaža ni nekaj za “naredi sam” mojstre. Nujno potrebujete usposobljenega in certificiranega monterja, ki bo znal sistem pravilno dimenzionirati in zagnati.

Je toplotna črpalka res “zelena” rešitev?

To je pomembno vprašanje. Odgovor je odločen “da”, ampak z majhno zvezdico.

Toplotna črpalka sama po sebi ne proizvaja nobenih emisij na lokaciji. Ne kadi se iz dimnika, ne spušča CO2. V tem pogledu je neskončno boljša od kurjenja olja, plina ali drv.

“Zvezdica” je seveda v tem, od kod pride elektrika, ki jo poganja. Če prihaja iz termoelektrarne na premog, je njen skupni ogljični odtis slabši. A k sreči se energetska mešanica v Sloveniji in Evropi hitro spreminja v prid obnovljivih virov (sonce, voda, veter).

In tudi če je elektrika “umazana”, je toplotna črpalka zaradi svojega visokega COP (4 ali 5) še vedno bistveno boljša rešitev. S 1 kW “umazane” elektrike premakne 5 kW toplote. Plinska peč s 1 kW “čistejšega” plina ustvari manj kot 1 kW toplote. Računica je jasna. Kot pojasnjujejo tudi na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo Univerze v Ljubljani, gre za ključno tehnologijo za doseganje energetske učinkovitosti.

Toplotna črpalka je torej orodje, ki postaja vse bolj “zeleno”, kot postaja “zelena” naša proizvodnja elektrike.

Moja končna sodba: Je bila odločitev prava?

Po treh letih, ko gledam nazaj na svoj začetni skepticizem, se lahko samo nasmehnem.

Je bila odločitev prava? Absolutno.

Položnice so, kot rečeno, neprepoznavne. Udobje v hiši je konstantno, brez nihanj. Zvok zunanje enote je postal zgolj pomirjujoč “beli šum”, ki mi sporoča, da sistem deluje in da je v hiši prijetno toplo. Tisti skeptik v meni, ki je vihal nos nad “magično škatlo”, je že zdavnaj utihnil. Zdaj samo še uživa v prijetni toploti in se sprašuje, zakaj, za vraga, tega ni storil že pet let prej.

Upam, da ta dolg zapis ni bil preveč tehničen. Želel sem vam predati tisto “aha!” izkušnjo, ki sem jo doživel sam. Razumevanje naenkrat ni več raketna znanost, ampak logičen in eleganten odgovor na zelo staro vprašanje: kako ostati na toplem, ne da bi pri tem porabili celo premoženje.

Pogosta vprašanja – Kako Deluje Toplotna Črpalka