Toplotne črpalke
Toplotna črpalka deluje na enostaven način, ki ga pri hladilnikih uporabljamo že dolgo. Tekoče snovi, ki se hitro uparijo sprejemajo toplotno energijo iz okolice in jo med utekočinjanjem (kondenzacijo) oddajajo na želenem mestu (Carnotov krožni proces). Toplotna črpalka deluje nasprotno kot hladilnik: od okolice sprejema toplotno energijo in jo oddaja v ogrevanih prostorih, pri čemer izkorišča naravni toplotni zbiralnik okolja. Kot energetski viri se lahko uporabljajo talna in površinska voda, zemeljska toplota, sončna energija in zunanji zrak. Sistem sestavljajo štiri enote: uparjalnik, kompresor, kondenzator in dušilnik.
Toplotna energija se prenaša s hladilnim sredstvom. Hladilno sredstvo v uparjalniku sprejema toplotno energijo in izpareva. Para se v kompresorju stisne (komprimira), zaradi česar se močno ogreje. Ta vroča para prenaša toplotno energijo v kondenzatorju na grelno vodo in se utekočinja. V dušilniku se hladilno sredstvo razširi (tlak se zniža na začetnega, od tam gre v uparjalnik in krožni proces se ponovi.
Najučinkovitejše je izkoriščanje talne vode. V globini 7m je namreč vse leto stalna temperatura 10°C. Talno vodo črpajo iz črpalnega vodnjaka in jo po uporabi ohlajeno približno za 4°C vračajo v zemljo preko ponikalnega vodnjaka. Tovrstne toplotne črpalke so učinkovite za ogrevanje skozi vse leto. Zemeljska toplota prehaja v sistem plastičnih cevi, položenih 1,5m globoko v tla, skozi katerega se pretaka hladilno sredstvo. V tej globini je temperatura tal 6-10°C. Za vsak kvadratni meter ogrevane stanovanjske površine sta potrebna približno 2,5m cevi. V ugodnih razmerah taka naprava lahko zadostuje za ogrevanje stanovanjske hiše.
S toplotno črpalko odvzemamo toploto okoliškemu zraku, vodi ali zemlji in z njo segrevamo vodo do temperature 55° C ali več. Za pogon črpalke je potrebno vložiti od 20-30% električne energije, ostalo energijo pa pridobimo iz okolice. Razmerje med vloženo električno energijo in pridobljeno toplotno energijo imenujemo grelno število. Večje grelno število pomeni večji prihranek.
Za ogrevanje s toplotnimi črpalkami so najprimernejši nizko temperaturni sistemi talno, stensko ali konvektorsko ogrevanje. Za zagotovitev optimalnega bivalnega ugodja pa je pomembna tudi ustrezna izoliranost objekta.
Kako deluje toplotna črpalka?
Med delovanjem toplotne črpalke, se nekaj toplotne energije pretvori v neko drugo obliko energije, preden se pojavi kot toplotna energija na sprejemniku toplote. Toplotna črpalka uporablja mehansko delo ali kateri drug vir termodinamičnega dela, da doseže zastavljen prenos toplotne energije iz vira k sprejemniku toplote. V klasičnem smislu termodinamike, toplotna črpalka dejansko ne dvigne temperaturo toplote kar pomeni, da ne more skočiti z nižjih temperatur na višje temperature. Ker pa je učinek naprave pri gibanju toplotne energije enak kakor, da toplota teče (čeprav v napačno oziroma nasprotno smer glede na temperaturne razlike), so “toplotno črpalko” poimenovali po analogiji.
Toplotne črpalke delujejo po principih enostavnih fizikalnih zakonov. Toplota, ki je energija, prehaja iz telesa oziroma medija, ki ima višjo temperaturo na telo oziroma na medij, ki ima nižjo temperaturo.
Kako je mogoče da se lahko grejemo z zrakom ali vodo, ki je hladnejša od našega bivalnega prostora?
To je mogoče zaradi fizikalne lastnosti plinov, ki se jim zviša temperatura če jih stiskamo in niža če se plini razširjajo. Toplotna črpalka torej odvzema toploto zraku, vodi ali zemlji in z pomočjo električne energije segreje sanitarno vodo do temperature 55 ºC.
Toplotna črpalka je sestavljena iz kompresorja, ki plin stiska in ga ogreva, ekspanzijskega ventila, kjer se plin razširja in ohlaja, ter dveh toplotnih izmenjevalcev.
Toplotno črpalko lahko uporabljamo tudi za hlajenje manjših kleti ali shramb.
Vrste toplotnih črpalk
Toplotna črpalka lahko pridobiva toploto iz zraka, vode ali zemlje. Odločimo se za tisti vir, ki nam je na razpolago in ki nam daje optimalno količino energije. Z energetskega stališča je najbolj zanimiva uporaba podtalnice če je leta na voljo v zadostni količini in kvaliteti. Povprečna letna temperatura podtalnice je konstantno +10º C. To nam omogoča da dosežemo grelna števila preko 5 in s tem najbolj učinkovito izrabo energije.
V primeru da podtalnica ni na voljo, imamo pa dovolj veliko površino zemlje ob objektu se lahko odločimo za uporabo horizontalnega zemeljskega kolektorja ali vertikalne geosonde. S tem sistemom dosegamo grelna števila okrog 4 kar je še vedno zelo ugodno.Tretja možnost pa je uporaba okoliškega zraka kot vira toplote, kadar prej omenjene možnosti niso izvedljive. S tem sistemom dosegamo grelna števila okrog 3.
Toplotna črpalka voda voda
Toplotna črpalka voda voda je primerna za ogrevanje stanovanjskih in poslovnih objektov ter za ogrevanje sanitarne vode. Kot vir toplote se uporablja podtalnica. Postopek pridobivanja toplote poteka tako , da s pomočjo potopne ali kakšne druge črpalke prečrpavamo vodo iz vrtine skozi uparjalnik toplotne črpalke. V uparjalniku podtalna voda odda toploto in se ohlajena za cca. 3 do 4° C vrača nazaj v zemljo. Za vračanje vode izdelamo ponorno vrtino ali plitvejšo ponikovalnico.
S toplotno črpalko voda voda dosegamo visok izkoristek, oziroma visoka grelna števila konstantno, preko celega leta. Z relativno visoko temperaturo toplotnega vira je razmerje med skupno pridobljeno energijo in vloženo električno energijo najvišje. Vsi ogrevalni sistemi voda voda nudijo zelo široko področje uporabe ogrevanja in ohlajevanja, skupaj s pripravo sanitarne vode. Sistem toplotne črpalke voda-voda zagotavlja največ energije po najnižji ceni.
Za pridobivanje toplote iz podtalnice potrebujemo dva vodna zajetja ali studenca. Iz enega zajetja, podtalnico črpamo in jo, preko toplotne črpalke, vodimo do drugega vodnjaka (ponorja), kjer jo ponovno vračamo pod površino zemlje.
Sisteme s toplotno črpalko običajno izvedemo tako, da lahko z njimi hkrati ogrevamo in hladimo objekt. To je z energetskega, ekološkega in tudi ekonomskega vidika najugodnejša rešitev.
V principu je toplotna črpalka podobna kompresorski hladilni napravi in ima tudi enake sestavne elemente: kompresor, kondenzator, dušilni ventil in uparjalnik Razlika je v tem, da hladilna naprava z uparjanjem hladilnega sredstva odvaja toploto iz prostora, to pomeni, da znižuje temperaturo, medtem, ko toplotna črpalka, s kondenzacijo delovnega sredstva, dovaja toploto v prostor. Pri tem izkoriščamo pojav, da se tekočine pri visokem tlaku uparjajo pri višji temperaturi, kot pa je temperatura uparjanja pri nižjem tlaku.
Toplotna črpalka zemlja voda
Toplotne črpalke zemlja voda izkoriščajo toplotno energijo ki je shranjena v kamninah oziroma v zemlji. V zemlji je uskladiščena velika količina sončne energije, ki jo lahko s pomočjo toplotne črpalke uporabimo za ogrevanje hiše ali sanitarne vode. Količina sončne energije, ki jo lahko odvzamemo zemlji je odvisna od sestave tal, od moči toplotne črpalke in načina izkoriščanja tega vira. Za odvzem toplote lahko uporabimo horizontalni zemeljski kolektor ali vertikalna geosonda. Odvzem toplote se izvaja s pomočjo vode, ki ji je dodano sredstvo proti zmrzovanju. Voda kroži v zaprtem cevnem sistemu, položenim na globini od 110 – 130 cm pri uporabi horizontalnega kolektorja ali pa so cevne sonde vstavljene v vrtine globine od 60 – 140 m. Krožeča voda odda toploto toplotni črpalki, ki jo s pomočjo dodane električne energije pretvori na višji temperaturni nivo (do 55° C), vrača pa se ohlajena za cca. 4° C.
Geotermalna energija
Geotermalna energija ima številne prednosti pred tradicionalnimi viri energije, ki temeljijo na fosilnih gorivih. Na voljo je namreč štiriindvajset ur na dan in ni pod vplivom sezonskih sprememb, vremena in podnebnih razmer. V mnogih državah po svetu se geotermalna energija že uporablja tako za proizvodnjo električne energije ali pa se dovaja neposredno v omrežja daljinskega ogrevanja. Zlasti v regijah z geološko ugodnimi pogoji (npr. regijah t.i. Pacifiškega ognjenega obroča ter regije z višjo vulkansko aktivnostjo in temperaturo prek 200 °C), geotermalna energija predstavlja trdno osnovo za okolju prijazno, stroškovno učinkovito in trajnostno proizvodnjo energije. Z uporabo geotermalne energije se tako zmanjšuje uporaba fosilnih goriv, zaradi tega se zmanjšujejo tudi emisije toplogrednih plinov.
Geotermalna energija je zanesljiva, ker ni odvisna od vremenskih vplivov, kot so na primer solarni sistemi, ki ne zmorejo delati ponoči in so tudi podnevi odvisni od vremenskih pogojev. Energija se lahko iz geotermalnih virov proizvaja 24 ur na dan. Raba te vrste energije je okolju prijazna, obratovalni stroški so nizki, izkoristki visoki.
Različne tehnologije in aplikacije tehnologij
Odvisno od globine vrtanja, obstajata dve glavni možnosti geotermalne energije; globoka geotermalna energija in plitva ali skoraj površinska geotermalna energija. Natančne opredelitve ni, ampak minimalna globina 400 metrov (meja postavljena v nemškem združenju inženirjev (VDI), smernica 4640) je običajno sprejeta kot ločnica za globoko geotermalno energijo. Globoka geotermalna energija se lahko uporablja tako za proizvodnjo električne energije v elektrarnah kot tudi za dovajanje toplote v večja ogrevalna omrežja za industrijsko proizvodnjo ali za ogrevanje stavb. Ena od prednosti te vrste oskrbe z energijo v primerjavi z drugimi obnovljivimi viri energije je, da globoka geotermalna energija ni podvržena sezonskim ali dnevnim temperaturnim fluktuacijam, zaradi česar je stalno na voljo.
Globoka geotermalna energija je nadalje razdeljena na hidrotermalne in petrotermalne geotermalne energije ter globoke geosonde. Hidro geotermalna energija uporablja vročo vodo, ki se črpa neposredno iz podzemnih rezervoarjev, ki se nahajajo na velikih globinah. Vodonosna plast kamnin (“vodonosnik”) bi morala imeti zelo veliko vertikalno in lateralno distribucijo za zagotovitev dolgoročne produktivnosti vrtine. Odvisno od pretoka in temperature termalne vode, se hidrogeotermalna energija lahko uporablja za generiranje toplote in/ali električne energije, za slednjo mora temperatura vode presegati 100 °C. Vroča voda poganja parne turbine, lahko pa se uporabi tudi za druge toplotne odjemalce, kot so gospodinjstva ali pa industrijski obrati. Ohlajena termalna voda se po koriščenju toplotne energije vrača v kamnino skozi sekundarno vrtino (“reinjection well / reinjicirno vrtino“).
Uporaba globokih toplotnih rezervoarjev z malo ali nič vodnimi viri se imenuje petrotermalna geotermalna energija. Suhi sloji kamnin (kristalne in gosto sedimentne kamnine) na globini 3-6 kilometrov, z visokimi temperaturami (nad 150 °C) lahko služijo kot zbiralniki. Ti so dostopni preko dveh ali več vrtin. Hidravlični in kemično stimulacijski procesi (Napredni geotermalni sistemi, EGS) se uporabljajo za izdelavo razpok v tleh. Hladna voda se nato črpa pod visokim pritiskom navzdol po vrtini v skalo, kjer se segreje in se na površino vrne po drugi vrtini. Ta vroča voda nato segreva delovno tekočino z nizkim vreliščem (tako imenovano Kalina cycle in Organic Rankine Cycle, ORC), ki proizvaja paro za turbine. Toplota se lahko napaja tudi v omrežja za daljinsko ogrevanje s pomočjo toplotnega izmenjevalca.
Geosonde - geotermalne vrtnine
Globoka geotermalna sonda je zaprt sistem za pridobivanje geotermalne energije. Sestavljena je iz ene vrtine in sicer v globini več kot 400 metrov do več tisoč metrov. Tako imenovane dvocevne sonde se vstavijo v vrtino do globine 4000 metrov. Voda kroži skozi te sonde v zaprtem krogu. Toplota iz vode, segrete na globini, se izloči na površini in prenese v tokokrog toplotne črpalke. Pridobljena energija se uporablja kot procesna toplota v industriji, komercialno uporabo pri višjih temperaturah in kmetijsko uporabo pri nižjih temperaturah. Ker večinski del stroškov za globoke geotermalne sonde – kot za vse ostale globoke geotermalne projekte – zajema sam strošek vrtine, je ekonomsko najbolj optimalno, če se v ta namen lahko uporabijo obstoječe vrtine. Vsekakor pa je potrebno poudariti, da majhna površina toplotnega izmenjevalnika sonde hkrati tudi pomeni, da proizvodnja električne energije ni ekonomična tudi pri visokih temperaturah.
Plitka geotermalna sonda izkorišča toplotno energijo iz zgornjih plasti zemlje (do 400 metrov) in podtalnice. Ta energija nastaja pod vplivom toplote, ki jo oddaja sonce in dovoda toplotne energije iz notranjosti zemlje na površino. Primerna je za ogrevanje in hlajenje stavb ter za ogrevanje vode. V zgornjih zemeljskih plasteh, do globine približno 20 metrov ter odvisno od geoloških pogojev, do največ 40 metrov, so temperature odvisne od sezonskih nihanj. Na globini okoli 20 metrov, prevlada ravnotežje med zunanjo in notranjo temperaturo zemlje. Na tej globini podnebna nihanja niso več zaznavna, temperatura pa je konstantno nekje v višini povprečne letne temperature na tej lokaciji. V Sloveniji so temperature na globini 10 – 20 m povprečno nekje med 8-12 °C, z globino pa se temperatura povečuje v povprečju za okoli 3 °C na vsakih 100 metrov globine in doseže temperaturo od 20 – 25 °C na globini 400 metrov. Toplota, ki izhaja iz tal pa je seveda odvisna tudi od lastnosti tal in kamnin.
Za izkoriščanje geotermalne energije se uporabljajo različni sistemi, kot so toplotne črpalke v kombinaciji z energetskimi piloti, geotermalni toplotni zbiralci, geotermalne toplotne sonde in druge talno-kontatne enote. Če je sistem optimalno nastavljen, lahko toplotna črpalka izboljša notranjo klimo in znatno zmanjša stroške energije potrebne tako za ogrevanje kot hlajenje prostorov. Talne toplotne črpalke zvišajo prevladujočo temperaturo tal na temperaturo, ki je zaželjena v notranjih prostorih objekta, s pridobivanjem toplote iz tal v cirkulatornem procesu.
Toplotne črpalke lahko delujejo tudi obratno, za zagotavljanje potrebnih hladilnih kapacitet. Kot vir toplote lahko uporabijo tudi okoliški zrak, vendar je temperatura tega, ko je potreba po ogrevanju največja, tudi najnižja, kar znatno znižuje učinek toplotne črpalke. Za delovanje toplotne črpalke je potrebna zunanja energija kar lahko, odvisno od zunanjih pogojev, predstavljaja 25 do 50 odstotkov donosa skupne energije, ki se uporablja za toploto. Razpoložljivi sistemi se med seboj razlikujejo po vrsti pogonske enerhije, ki jo potrebujejo za obratovanje: kompresijske toplotne črpalke potrebujejo mehanski pogon, medtem ko absorpcijske toplotne črpalke uporabljajo energijo iz samega vira toplote. Slednje je mogoče upravljati tudi z energijo plina, nafte, energijo odpadkov in sončne toplote, z visokim razmerjem učinkovitosti v zvezi z uporabo primarne energije.
Energetski piloti zahtevajo globoke betonske pilote, membranske stene ali druge podzemne statične betonske komponente, ki so opremljene s plastičnimi cevmi, skozi katere kot transportni medij teče voda in tako izkorišča geotermalno grelno ali hladilno energijo. Geotermalna toplota ogreva mrzlo vodo betonskih pilotov, topla voda pa skozi sistem toplotnih črpalk oddaja potrebno toplotno energijo za ogrevanje stavb. Isti sistem se lahko uporablja tudi za hlajenje v poletnih mesecih.
Geotermalni toplotni zbiralniki so nameščeni vodoravno v globini od 80 do 160 cm, z operativnimi temperaturami, ki so močno pod vplivom prevladujočih površinskih vremenskih pogojev. Zahtevajo več prostora kot energetski piloti ali zemeljske geosonde (glej spodaj), za enodružinski dom je potrebna površina približno 200-250 m2. Prenosni medij toplote kroži skozi sistem cevi toplotnega zbiralnika in prenaša toploto tal do toplotne črpalke.
Zemeljske geosonde so sistem, ki se najpogosteje uporablja v srednji in severni Evropi. Nameščene so na globini 50 do 250 metrov, zahtevajo malo prostora in uporabljajo najbolj konstanten vir toplotne energije. Sonde so običajno nameščene kot vertikalne vrtine, v katere so vstavljene plastične cevi (HDPE). Medij za prenos toplote kroži skozi sistem cevi, absorbira toploto iz okoliške zemlje in jo prenaša do toplotne črpalke. Ta metoda je učinkovita v sistemih različnih velikosti, od manjših bivalnih enot, do celotnih stanovanjskih sosesk, pisarniških kompleksov in infrastrukturnih objektov, ter zagotavlja tako ogrevanje kot tudi hlajenje.
