Tehnologija

UVOD - OPĆENITO O DIZALICAMA TOPLINE

Dizalice topline su uređaji koji se koriste se za grijanje, hlađenje, pripremu potrošne tople vode te u sustavima klimatizacije u području zgradarstva i industrijskih procesa. Najveća prednost korištenja dizalica topline jest činjenica da u ukupnoj izmijenjenoj toplini jedan manji dio otpada na uloženu energiju, a veći dio na obnovljivu energiju iz okoliša.

Osim naziva dizalice topline, kolokvijalno se još koriste termini kao što su toplinske crpke ili toplinske pumpe (izravni prijevodi iz engleskog jezika Heat pump ili njemačkog jezika Warmepumpe) koji nisu u potpunosti u skladu s hrvatskim stručnim nazivljem.

Posljednjih godina dizalice topline bilježe progresivan rast broja instaliranih jedinica u sustavima grijanja i hlađenja. Europsko udruženje za dizalice topline (EHPA) navodi godišnji porast od 12 % (Tablica 1).

Tablica 1. Broj instaliranih dizalica topline u zemljama EU-21 (izvor: EHPA Market Report 2018)

PRINCIP RADA DIZALICE TOPLINE

Postoje različiti principi rada dizalica topline, ali u primjeni su najčešće kompresijske i apsorpcijske dizalice topline. Shematski prikaz kompresijske dizalice topline prikazan je na slici 1.

Dizalica topline omogućuje izmjenu topline između dvaju toplinskih spremnika i to tako da se toplina prenosi sa spremnika niže temperature te predaje spremniku više temperature. Kako bi takav ljevokretni proces bio moguć, potrebno je uložiti dodatnu energiju. U većini slučajeva uložena energija je električna energija za pogon kompresora.

Slika 1. Shematski prikaz kompresijske dizalice topline s izvorom i ponorom topline

Osnovne komponente kompresijske dizalice topline su isparivač, kompresor, kondenzator i prigušni element te radna tvar kao prijenosnik energije. Tijekom kružnog procesa radna tvar mijenja agregatna i toplinska stanja kako bi omogućila izmjenu topline s toplinskim izvorom i toplinskim ponorom. Četiri su različite promjene stanje radne tvari kružnog procesa: kompresija 1-2, kondenzacija 2-3, prigušenje 3-4 i isparavanje 4-1.

UČINKOVITOST DIZALICE TOPLINE

Nazivna vrijednost učinkovitosti dizalice topline prema normi HRN EN 14511 (engl. Coefficient of performance - COP ili faktor grijanja) definirana je kao omjer učinka grijanja i električne snage za pogon kompresora i pomoćnih komponenti u stacionarnom stanju:

Nazivna vrijednost učinkovitosti u režimu hlađenja (engl. Energy Efficiency of Ratio - EER) definirana je kao omjer rashladnog učinka i električne snage za pogon kompresora i pomoćnih komponenti:

Prosječni nominalni faktor grijanja, ovisno o temperaturama toplinskog izvora i ponora, najčešće doseže vrijednosti od 3 do 5. To npr. znači da za 1 kW snage kompresora, snaga grijanja na kondenzatoru može biti i nekoliko puta veća, odnosno 3 do 5 kW.

Za energetsko vrednovanje sustava relevantnija je sezonska učinkovitost dizalice topline (Sesonal Performance Factor – SPF). RES direktiva 28/2009 svrstava dizalice topline u obnovljive izvore energije prema iznosu sezonske učinkovitosti sustava. Sezonski faktor grijanja eh,a (SPF) dizalice topline računa se pomoću sljedećeg izraza:

Vrijednosti sezonske učinkovitosti dizalice topline u režimu grijanja dosežu vrijednosti od 3 do 4. Primjenom u industriji sezonska učinkovitost dizalica topline može dosezati vrijednosti od 5 do 6.

RAZLIČITI TIPOVI IZVEDBE DIZALICA TOPLINE

Svojstva toplinskog spremnika uvelike utječu na rad dizalice topline, a to su prije svega kapacitet toplinskog izvora, promjenjivost temperature tijekom godine te investicijski i pogonski troškovi korištenja pojedinog oblika toplinskog spremnika. Najčešća podjela toplinskih izvora je na okolišni zrak, tlo, vodu i otpadnu toplinu.

Okolišni zrak najveći je i najpristupačniji toplinski spremnik. Njegovo iskorištavanje ne zahtjeva velike troškove za priključenje već samo dostupan i siguran prostor u koji se može ugraditi vanjska jedinica. Vanjska jedinica predstavlja izvor buke zbog ugrađenih ventilatora i kompresora što je nužno uzeti obzir prilikom odabira mjesta ugradnje. Najveći nedostatak zraka je velika varijabilnost temperature kroz godinu što utječe na kapacitet i učinkovitost dizalice topline. Iz tog razloga se dizalice topline ovog tipa ne dimenzioniraju za vršno ogrjevno opterećenje već se sustavi izvode u kombinaciji s dodatnim izvorom topline (najčešće električnim grijačem). Dodatno, u zimskim mjesecima je moguća pojava inja i leda na cijevima isparivača uslijed vlage u zraku što dodatno narušava učinkovitost uređaja. Međutim, bez obzira na sve navedene nedostatke, konstrukcija uređaja se svakim danom usavršava, učinkovitost je sve viša, te dizalice topline zrak-voda imaju najveći rast broja instaliranih jedinica u praksi.

Slika 2. Kvalitativan prikaz dizalice topline zrak-voda za grijanje i hlađenje obiteljske kuće

Tlo je nakon zraka najrasprostranjeniji toplinski spremnik, ali za iskorištavanje tla potrebni su veći investicijski troškovi vezani uz izvedbu izmjenjivača u tlu. Glavna prednost tla je njegova toplinska inercija, odnosno značajno manje oscilacije temperature toplinskog spremnika kroz godinu u odnosu na zrak. Na dubinama većim od 2 metra sezonska amplituda temperature je manja od 10 °C, a porastom dubine ispod 10-20 metara iščezava vremenska promjenjivost temperature tla. Izmjena topline s tlo uvjetovana je toplinskim svojstvima tla i izvedbi izmjenjivača u tlu.

Ovisno o vrsti izmjenjivača u tlu, sustavi se mogu podijeliti na horizontalnu izvedbu i vertikalnu izvedbu. U oba slučaja riječ je o posrednim sustavima kod kojih kroz izmjenjivač topline u tlu struji posredni prijenosnik energije (mješavine vode sa sredstvom za snižavanje ledišta vode) te izmjenjuje toplinu s tlom i predaje ju dizalici topline na isparivaču ili kondenzatoru, ovisno radi li sustav u režimu grijanja ili hlađenja.

Horizontalna izvedba izmjenjivača zahtjeva niže investicijske troškove u odnosu na vertikalnu izvedbu, ali zahtjeva veliku slobodnu površinu za ugradnju (otprilike dvostruko veću od grijane površine). Cijevi od polietilena se polažu na dubini od 1 do 3 metra pri čemu geometrija kolektorskog polja može biti raznolika: horizontali kolektor, spiralna izvedba izmjenjivača, košarasti izmjenjivač. Ukupna duljina jedne izmjenjivačke sekcije iznosi do 100 metara, a potrebno se pridržavati preporuka proizvođača cijevi o međusobnom razmaku pojedinih petlji u horizontalnoj i vertikalnoj ravnini. Ovisno o svojstvima tla, učinak izmjenjivača u tlu se kreće u rasponu od 15 do 35 W/m2.

Slika 3. Kvalitativan prikaz dizalice topline tlo voda, horizontalna i košarasta izvedba izmjenjivača u tlu

Vertikalna izvedba bušotinskog izmjenjivača topline podrazumijeva izvedbu bušotine promjera 80 do 200 mm i dubine 50-200 metara. Unutar bušotine se ugrađuju polietilenske cijevi u obliku U cijevi ili cijevi u cijevi (koaksijalni izmjenjivač) te se nakon ugradnje cementiraju s ispunom odgovarajućih toplinskih i mehaničkih svojstava. Potrebni bušački radovi su znatno složeniji te su investicijski troškovi osjetno viši u odnosu na horizontalnu izvedbu. Ovisno o svojstvima tla i vremenu rada sustava očekivani prinos po metru dubine toplinske sonde iznosi od 20 do 85 W/m. Za manje sustave (do 30 kW) dimenzioniranje sustava provodi se prema dostupnim tablicama prinosa ovisno o vrsti tla na lokaciji dok je za veće sustave potrebno provoditi mjerenje toplinskog odziva na ispitnoj bušotini tla kako bi se utvrdila efektivna toplinska svojstva na promatranoj lokaciji.

Slika 4. Kvalitativan prikaz dizalice topline tlo voda, vertikalna izvedba izmjenjivača u tlu

Voda kao toplinski spremnik uključuje površinske vode (jezera, rijeke, mora) i podzemne vode. Sustavi s tlom i podzemnim vodama u literaturi se grupiraju u kategoriju geotermalnih dizalica topline s podjelom na izravne i neizravne sustave. Osnovna prednost vode je njena manja temperaturna promjenjivost kroz godinu, što je više izraženo za zahvat vode na većoj dubini, te dobar prijelaz topline između kapljevine i stjenke izmjenjivača. Najveći nedostaci korištenja vode su njena dostupnost, bilo zbog fizičkih ili pravnih ograničenja, i sastav vode koji može pogodovati nastanku korozije i mikrobiološkom onečišćenju cijevnih i izmjenjivačkih površina (ugradnja međuizmjenjivača topline). Za crpljenje podzemne vode potrebna su dva bunara, crpni i ponorni, sa što većim razmakom među njima. Crpni bunar treba davati u svim vremenima pogona dovoljnu količinu vode, odnosno izdašnost crpnog bunara je najvažnija za projektiranje ove dizalice topline. Potopljena crpka ugrađuje se obično na dubini 25 do 30 m (ovisno o dubini vodonosnika) kako bi se smanjili pogonski troškovi pumpe te se ispod pumpe ostavlja slobodna visina bunara koja omogućuje nakupljanje pijeska i nečistoća. Pri dimenzioniranju sustava protok pumpe za vodu proračunava se na temperaturnu razliku vode na isparivaču od 3 do 5°C.

Slika 2. Kvalitativan prikaz dizalice topline podzemna voda - voda

RADNE TVARI U DIZALICAMA TOPLINE

U posljednjih desetak godina donesen je niz administrativnih mjera koje su usmjerile primjenu i istraživanja radnih tvari u rashladnoj i klimatizacijskoj tehnici i dizalicama topline. Nova europska Uredba 517/2014 (F-gas regulativa), koja mijenja postojeću Uredbu br. 842/2006, o fluoriranim stakleničkim plinovima donosi brojne promjene, a najvažnije se odnose na postupno povlačenje i napuštanje primjene radnih tvari s visokom vrijednošću GWP broja. Od 2020. godine zabranjuje se primjena fluoriranih radne tvari s GWP brojem većim od 2500 u rashladnim i klimatizacijskim uređajima, te dizalicama topline čije punjenje prelazi 40 tona CO2 ekvivalenta.

Navedena Uredba indirektno promovira primjenu održivih tehnologija i održivih prirodnih radnih tvari rashladnih sustava. Amonijak je uvijek bio i ostao prvi izbor u industrijskom hlađenju dok ugljični dioksid sve više zauzima svoje mjesto u komercijalnom hlađenju (primjer supermarketa) i dizalicama topline. Ugljikovodik R600a već se duži niz godina primjenjuje u malim i najmanjim rashladnim uređajima. Propan R290 našao je svoju primjenu u rashladnicima kapljevine i dizalicama topline.

Vezano za dizalice topline najveći broj postojećih komercijalnih dizalica topline koriste radnu tvar R410A. U posljednje vrijeme radna tvar R32 također zauzima svoje mjesto na tržištu.