Vrhunski kvalitet za topao i prijatan život

Toplotne pumpe su uređaji koji rade na termodinamičkom principu podizanja toplote , to jest dovode energiju s niže temperature na višu uz dodatnu energiju (rad) i pomoću kružnog procesa prikladnog medija. Za svoj rad toplotne pumpe zahtevaju dva spremišta toplote:

toplotni izvor (spremište niže temperature): prostor ili medij kome se uzima toplota, najčešće neposredna okolina: okolni vazduh, tlo, površinske ili podzemne vode, otpadna toplota itd.
toplotni ponor (spremište više temperature): prostor ili medij kome se predaje toplota, npr. prostorija, grejni medij sistema grejanja, topla voda itd.

S tim u vezi, za podizanje s jedne temperature na drugu potrebni su dodatna, pogonska energija koja je funkcija temperaturne razlike izvora i ponora i određene razlika temperatura dva spremišta odnosno izvora.

Na istom načelu, na primer, rade rashladni uređaji (hladnjaci, split klima-uređaji i sl). Osnovna razlika između njih i toplotnih pumpi jeste u cilju koji želi da se postigne. Dok je kod rashladnih uređaja cilj hlađenje, odnosno uzimanje toplote iz nekog prostora ili medija (toplotnog izvora), kod toplotnih pumpi je cilj grejanje, odnosno predavanje toplote nekom prostoru ili mediju (toplotnom ponoru). Na primer, kod rashladnih uređaja toplotni izvor može biti prostorija, vazduh u kanalu klima-komore, unutrašnjost i namirnice u hladnjaku, a ponor okolina (spoljašnji vazduh), dok je kod toplotnih pumpi toplotni izvor tlo, okolni vazduh ili jezerska voda, a toplotni ponor grejni medij sistema grejanja.

Toplotne pumpe se po pravilu koriste za dobijanje toplotne energije za sisteme grejanja stanova, porodičnih kuća, stambenih ili poslovnih zgrada pa i manjih naselja (npr. u Švedskoj), kao osnovni ili dodatni izvor toplote. Pri tome se toplotni stepeni kapaciteti kreću od nekoliko kW pa do više MW. Osnovna zamisao njihove primene temelji se na korišćejnu dela toplote iz neposredne okoline čime se zamenjuje jedan deo potrošnje dodatne, pogonske energije (npr. toplotna pumpa s električnim kompresorom ima mnogo manju potrošnju električne energije od električnog kotla iste snage).

Nekoliko osnovnih pretpostavki koje trebaju da budu ispunjene za primenu toplotnih pumpi, a i svih drugih uređaja koji rade na načelu podizanja toplote:
     dovoljno visoka i konstantna temperatura toplotnog izvora duže vreme (npr. celu sezonu grejanja)
     mala udaljenost toplotnog izvora i ponora
     toplotni ponor umerene temperature (npr. u slučaju grejanja najprikladniji su niskotemperaturni sistemi)
     velik broj sati upotrebe tokom godine (veća isplativost)
     visoke cene drugih izvora energije (čime se postižu veće uštede).

Te pretpostavke su više ili manje ispunjene u nekoliko glavnih područja primene.
 

S obzirom na izvor dodatne energije, toplotne pumpe se mogu podeliti na:

     kompresione toplotne pumpe, kod kojih se strujanje radnog fluida ostvaruje delovanjem mehaničke energije pomoću kompresora ili pumpe pogonjene električnim, dizel ili plinskim motorom
     difuziono-apsorpcijske toplotne pumpe, kod kojih se strujanje radnog fluida ostvaruje delovanjem toplotne energije nastale sagorevanjem prikladnog goriva ili električnim grejačem.

Konstrukcija i kružni proces radnog fluida kod kompresionih toplotnih pumpi po svemu je jednak procesu kod rashladnih uređaja. U procesu učestvuje samo jedan radni fluid (npr. freoni, amonijak, izobutan i sl.) koji u isparivaču preuzima toplotu iz toplotnog izvora (spremišta, izvora niže temperature), dovodi se u kompresor u kojem joj se povećavaju pritisak i temperatura te se zatim uvodi u kondenzator u kojem predaje toplotnu toplotnom ponoru (spremištu više temperature), npr. vodi u sistemu grejanja. Nakon toga radni fluid ulazi u ekspanzioni ventil i potom ponovno u isparivač gde proces počinje ispočetka.

Za razliku od toga, u kružnom procesu difuziono-apsorpcijskih toplotnih pumpi učestvuju čak tri radnog fluida. Osnovni radni fluid pri tome je amonijak koji u tečnom stanju ulazi u isparivač ispunjen helijumom koji kao inertan gas s njim ne reaguje, već samo služi kao pomoćni medij za izjednačavanje pritiska. Zahvaljujući manjem parcijalnom pritisku, amonijak u helijum isparava pri čemu uzima toplotu iz neposredne okoline. Gasovita smesa amonijaka i helijuma preko izmjenjivača toplote dostrujava u apsorber u kojem se nalazi smesa amonijaka (u malom udelu) i vode koja apsorbuje gasoviti amonijak.

Pri tome se oslobađa toplota, a preostalihelijum se vraća natrag, preko izmjenjivača toplote u isparivač. Smesa amonijaka i vode (u većem udelu) prolazi kroz rektifikator i ulazi u generator, gde se pomoću odgovarajućeg grejača (npr. plinskog plamenika) smesi dovodi toplota. Zahvaljujući nižoj temperaturi ispravanja, amonijak isparava i u rektifikatoru se odvaja iz smese, koja se potom s manjim udelom amonijaka vraća u apsorber. Gasoviti amonijak struji u kondenzator u kojem se kondezuje i odaje preostalu toplotu, a zatim kondezovan struji prema isparivaču gde proces počinje ispočetka. Radni fluidi u procesu ne struje pogonjeni mehaničkom energijom iz pumpe ili kompresora, već pod uticajem toplote. Uz to, velika prednost je rad bez buke, vibracija i potrebe za stalnim održavanjem.

Toplotni izvori, odnosno spremišta niže temperature za primenu kod toplotnih pumpi se s obzirom na poreklo i postojanost temperatura mogu podeliti u tri osnovne grupe:

     1. prirodni izvori s uglavnom promenjivim temperaturama:
       - okolni vazduh
     2. prirodni izvori s konstantnim temperaturama:
       - površinske vode (veći vodotoci i jezera), mora i okeani
       - podzemne vode
       - tlo
     3. Veštački izvori:
       - korišćeni vazduh iz prostorija ili industrijskih procesa
       - otpadne vode.

Na raspoloživost prirodnih toplotnih izvora uglavnom se ne može uticati, to jest njihove količine su neograničene, ali je kod nekih od njih temperatura tokom godine značajno promjenjiva, a kod nekih se pak menja u vrlo malom rasponu. Za razliku od njih, na raspoloživost (količinsku, vremensku) i temperaturu veštačkih izvora se po pravilu može uticati.

Od odabira toplotnog izvora zavisi konstrukcija i način rada toplotne pumpe.

Toplotne pumpe kao toplotni izvor mogu da koriste površinske slojeve tla čija je temperatura konstantna tokom godine. Njihova toplota najvećim delom potiče od dozračene Sunčeve energije, a tek manjim delom od toplotnog toka iz dubina Zemlje. Temperatura tla, a time i temperatura prikladnog radnog medija unutar cevi izmjenjivača toplote zavise o d spoljne temperature, ali su u kraćim razdobljima (tokom dana ili nedelje) gotovo konstantne. Kao radni medij se pri tome najčešće koristi smesa etilenglikola ili propilenglikola i vode čija temperatura u uslovima punog opterećenja (neprekidan rad tokom više hladnih zimskih dana) ne bi smela da padne ispod -5 °C. Za korišćenje toplote tla postavlja se odgovarajući izmjenjivač toplote kojim se radni medij dovodi do isparivača toplotne pumpe, a s obzirom na način polaganja cevi, takve toplotne pumpe se mogu podeliti u dve osnovne grupe:

     toplotne pumpe s vodoravnim izmenjivačem, kao kolektorsko polje cevi
     toplotne pumpe s vertikalnim izmenjivačem, kao toplotne sonde.

Vodoravni izmenjivači ili kolektorska polja se koriste kada su na raspolaganju veće količine zemljišta ispod kojeg se mogu polagati cevi i na kojima se mogu izvoditi radovi (npr. u ruralnim područjima). Procjenjuje se kako je za porodičnu kuću potrebno oko 500 m2 zemljišta, a vredi pravilo kako potrebna površina zemljišta (kolektorskog polja) mora biti veća ili jednaka dvostrukoj površini prostorija koje treba grejati.

Cevi izmenjivača se izrađuju od cevi od polimernih materijala (PE, PP i sl.) i polažu se na dubinu od 1,2 do 1,5 m (ispod granice smrzavanja), paralelno, na udaljenosti od 0,3 do 0,7 m, pri čemu orijentaciono treba znati kako za svaki m2 prostorija koje treba grejati treba postaviti između 1,5 i 2 m cevi. Količina toplote koja se tako može dobiti zavisi od mnogih činjenica, a među najvažnijima su osunčanost zemljišta i specifični toplotni kapacitet tla, pri čemu se kao najbolje pokazuje glineno tlo. Prosečni godišnji toplotni učinak takvog sistema iznosi od 20 do 40 W/m2 kolektorskog polja. Kako se po pravilu ne mogu postići temperature radnog medija sistema grejanja (vode) na izlasku iz kondenzatora više od 50 °C, takve se toplotne pumpe koriste samo za niskotemperaturne sisteme grejanja (npr. podno grejanje).

Vertikalni izmenjivači ili toplotne sonde su naročito prikladni, pa i neophodni, u gusto naseljenim područjima gde jednostavno nema raspoloživog zemljišta. Sonde se polažu na dubine od 30 do 60, a najviše do 100 m, pri čemu je najčešći materijal izrade polietilen koji garantuje dobru izmenu toplote i jednostavno rukovanje, a otporan je prema uslovima unutar zemlje (vlaga, pritisak, mikroorganizmi). U zemlju se najčešće polažu četiri sonde, jedna do druge, u dve osnovne konstrukcije:
 
     kao dvostruka U cev, pri čemu kroz jedan krak ulazi ohlađeni radni medij, a kroz drugi se u toplotnu pumpu vraćazagrejan
     kao koaksijalne cevi, pri čemu je unutrašnja od PE i kroz nju struji hladni radni medij, dok je spoljna metalna i kroz nju prema toplotnoj pumpi struji zagrejani medij.

Zavisno od uslova u tlu, može da se ostvari prosečni učinak od 50 do 100 W/m što zavisi od dubine tla, a kada u tlu ima (toplih) podzemnih voda, moguće su i veće vrednosti.

Osim toplote tla, kao toplotni izvor za toplotne pumpe se može koristiti i toplota podzemnih voda, pri čemu je sistem po svojoj konstrukciji vrlo sličan geotermalnim toplanama. Osnovni preduslov takvog rešenja je raspoloživost podzemnih voda u većim količinama. Pri tome su takođe potrebne dve bušotine (bunari) na udaljenosti najmanje 15 m. Iz jedne od njih se crpi podzemna voda prosečne temperature 10 °C i uvodi u isparivač toplotne pumpe u kojem se hladi predavajući toplotu radnoj mašini te se potom, kroz drugu bušotinu, ohlađena vraća natrag u podzemlje. Pri tome se treba obratiti velika pažnja na kvalitet i sastav podzemne vode i tla jer razne nečistoće mogu uzrokovati smetnje i začepljenje cevovoda. Isparivač toplotne pumpe takođe treba izvesti od korozijski postojanih materijala (npr. nerđajućih čelika).

Osim s dve bušotine, sistem se može izvesti samo s jednom, dok se ohlađena voda ispušta u površinske vode ili u kanalizaciju,ali takvo rešenje zbog ekoloških i geoloških (održavanje potrebnog pritiska u dubini) nije uvek prihvatljivo.
 
Toplotne pumpe kao toplotni izvor mogu da koriste površinske vode (veće reke, prirodna ili veštačka jezera) ili morsku vodu, a takođe i toplu otpadnu vodu iz raznih procesa.

Načelo rada i konstrukcija sistema koji koriste površinske ili morsku vodu pri tome su slični kao kod toplotnih pumpi za korišćenje toplote tla s vodoravnim izmenjivačem. Kolektorsko polje se polaže na dno vodotoka, jezera ili mora, gde temperature nikada ne padaju ispod +4 °C. Sistem se najčešće izvodi kao otvoreni, pri čemu se na određenoj dubini, koja zavisi od prosečne temperature vode, odnosno od godišnjeg doba, uzima voda koja potom struji kroz cevi izmenjivača i ulazi u izmenjivač toplote - isparivač toplotne pumpe u kojem se hladi i ispušta natrag u more, jezero ili reku.

Kod primjene toplote otpadne vode, treba postaviti odgovarajući izmjenjivač toplote kroz koji struji prikladni radni medij u zatvorenom krugu. Pri tome treba voditi računa o vremenskoj i količinskoj raspoloživosti otpadnih voda. Pri primeni toplotnih pumpi koje koriste vodu iz vodotokova ili jezera treba voditi računa o tome da na izlazu iz isparivača ne sme da dođe do smrzavanja. Kao i u slučaju primene podzemnih voda, smetnje mogu uzrokovati razne nečistoće iz vode pa su potrebni filtri i sl.

Toplotne pumpe koje kao izvor toplote koriste okolni vazduh po svojoj konstrukciji su gotovo jednake malim klima-uređajima, pri čemu se takođe izvode kao kompaktne jedinice ili u odvojenoj (split) izvedbi. Uz to se može koristiti i korišćeni vazduh odveden iz prostorija sistemom ventilacije i/ili klimatizacije velikih poslovnih zgrada ili iz raznih industrijskih procesa. Izvor toplote takođe može biti i  iz velikih rashladnih sistema i sl.

Sistemi koji koriste vazduh ne zahtevaju dodatni radni medij, a kako bi se pospešila izmena toplote konvekcijom između vazduha i isparivačkih površina, isparivač redovno ima ugrađen ventilator. Kako toplotni učinak zavisi o d spoljašnje temperature koja se značajno menja čak i tokom kraćih razdoblja (dana), nužna je odgovarajuća regulacija učinka. Pri tome treba voditi računa o tome da pri spoljašnjim temperaturama nižim od +5 °C može doći do smrzavanja isparivačkih površina čime se smanjuje prelaz toplote. Ipak, savremene konstrukcije toplotnih pumpi omogućavaju korišćenje toplote spoljašnjeg vazduha čak do temperatura -20 °C, dok temperatura vazduha koji se dovodi u prostoriju može biti i do 28 °C.

Takve toplotne pumpe su danas najčešće u primeni, jer redovno čine sastavni deo savremenih malih split klima-uređaja koji tada, osim za hlađenje prostorija leti, služe i za grejanje prostorija zimi. Ipak, "prave" toplotne pumpe mogu da rade i pri temperaturama nižim od +5 °C, što kod split sistema po pravilu predstavlja granicu primene.