ENERGETIKA: Izmjenjivači (dizalice) topline

Naslovna slika preuzeta sa stranice HAUSBAU

UVOD

Dizalice topline su uređaji koji koriste termodinamičke principe izmjene energije između izvora i cirkulirajućeg medija, i u konačnici griju ili hlade prostore. Izvor zbog svoje velike količine služi kao neiscrpan spremnik stalne temperature.

Glavna prednost dizalica topline je njihova učinkovitost jer proizvode i preko 3 puta više energije nego što je utroše. Taj se odnos naziva faktor učinka i označava sa COP (Coefficient Of Performance), a predstavlja odnos dobivene energije naspram uložene. Prema tome, COP 4 bi označavao uređaj koji uz 1kW potrošene električne energije proizvodi 4kW toplinske energije za grijanje ili hlađenje. Razlika od 3kW je besplatno dobivena iz obnovljivih izvora (zemlje, vode ili zraka).

Kako za svoj pogon koriste električnu energiju, dizalice topline se često kombiniraju s fotonaponskim solarnim kolektorima, te tako mogu postati potpuno neovisan sistem za grijanje/hlađenje na čistu, obnovljivu i besplatnu energiju.

IZVOR ENERGIJE

Potencijalna energija zemlje, vode i zraka je u biti karakteristika pojedinog medija da zbog svoje velike količine služi kao neiscrpan spremnik stalne temperature.

Zemljana kora već na malim dubinama ima gotovo nepromjenjivu temperaturu, bez obzira na temperaturu zraka iznad. Tako već na dubini od 2m temperatura zemlje varira između 7 i 13°C, a temperatura podzemnih voda je od 8-12°C i ovisi o dubini sa koje se voda crpi (svi podaci za Hrvatsku). Na isti je način kao izvor stalne temperature moguće koristiti i riječnu, jezersku ili morsku vodu, premda su ti primjeri rjeđi zbog zahtjeva za povoljnom lokacijom (blizinom vode). Tehnički i ekonomski najpristupačniji način korištenja potencijalne energije je iz zraka. Razlog je dostupnost vanjskog zraka u svim krajevima, na svim dijelovima zemljišta i etažama.

PRINCIP RADA

Dizalice topline koriste zatvoreni ciklus u kojem se manipulacijom radnog medija prenosi toplinska energija s izvora na prenosni medij (kod grijanja) i obrnuto (kod hlađenja). Radni medij je tvar koja ima jako nisko vrelište, brzo se zagrijava i isparava već pri niskim temperaturama.

Grijanje

Kod grijanja se u dizalici topline odvija tzv. Carnotov fizikalni proces koji se sastoji od četiri osnovne faze:

Faza 1 – Dizalica topline uzima toplinu od izvora (zemlja, voda ili zrak) i prenosi je na tekući radni medij niske temperature. Radni medij se zagrijava i prelazi iz tekućeg u plinovito stanje. Zbog toga se mjesto gdje se to dešava zove isparivač.
Faza 2 – Plinoviti radni medij se dovodi u električni kompresor gdje se stješnjuje, čime mu se dodatno povećava temperatura.
Faza 3 – Plinoviti radni medij visoke temperature se zatim dovodi u kondenzator gdje prenosi toplinu na prenosni medij (vodu ili zrak).
Faza 4 – Na kraju se radni medij propušta kroz ekspanzijski ventil gdje mu se naglo povećava volumen, a smanjuje tlak i temperatura. Time se radni medij pothlađuje i ukapljuje (prelazi nazad u tekuće stanje), i spreman je za novi ciklus.

Rezultat procesa je zagrijani prijenosni medij (voda ili zrak) koji se koristi za grijanje prostorija i potrošne tople vode.

Hlađenje

U ciklusu hlađenja se koriste iste faze kao i kod grijanja ali u suprotnom smjeru, a postupak je principijelno jednak onom u običnom hladnjaku ili klima uređaju. Veliku učinkovitost ovdje pokazuju sistemi koji za izvor energije koriste zemlju ili vodu, jer ti mediji imaju stalnu i relativno nisku temperaturu. Tada nema potrebe za dodatno hlađenje radnog medija električnom energijom, već se koristi isključivo besplatna i obnovljiva energija izvora. Rezultat je ohlađeni prenosni medij (voda ili zrak) koji se koristi za hlađenje prostorija.

...PRIMJENA

Dizalice topline u suvremenoj izvedbi su gotov industrijski proizvod koji se može kombinirati s drugim sistemima (solarnim toplovodnim sistemima, fotonaponskim kolektorima, konvencionalnim grijanjem i dr.).

Sistemi grijanja/hlađenja prostora s dizalicama topline su niskotemperaturni sistemi. To znači da je voda u sistemu grijanja na nižoj temperaturi (oko 40°C) od konvencionalnog načina (oko 80°C). Da bi niskotemperaturni sistemi bili učinkoviti potrebna je puno veća površina grijačih tijela, pa se najčešće izvode kao podna grijanja. Moguća je i izvedba zidnih i stropnih sistema grijanja, ali oni imaju više spornih nego kvalitetnih karakteristika. Drugi uvjet za optimalno korištenje dizalica topline je dobar energetski razred zgrade, jer je u suprotnom potrebno njihovo predimenzioniranje, pa se gubi ekonomska isplativost.

Dizalice topline u kombinaciji s podnim grijanjem i ventilokonvektorskim hlađenjem trenutno predstavljaju optimalno rješenje za energetsku ravnotežu prosječne zgrade.