Već dugo vremena se pripremam da iskustva i računice napišem, međutim toliko je opširno da nikako nisam siguran da će sve ovo moći da se spakuje jedan blog. Ono što me je natjeralo da ovo napišem jeste što sve češće čujem da se ljudi griju na struju.
Šta je toplotna pumpa i kako ona funkcioniše?
Princip rada toplotne pumpe (u daljem tekstu TP) je ovdje detaljno objašnjen.
2. zakon termodinamike: Clausius-ova formulacija: Ne postoji termodinamički proces koji bi se sastojao jedino u izdvajanju izvjesne količine toplote iz hladnijeg rezervoara i predavanju iste količine toplote toplijem rezervoaru. - Sava Milošević - Statistička fizika 1. dio
Mnogima je ovaj zakon intuitivno jasan, pa sama toplotna pumpa im se čini nemogućom, međutim dilemu 2. zakona termodinamike otklanja kompresor. Kompresor je glavni dio svake toplotne pumpe i služi da uz uloženi rad prenosi toplotu iz hladnijeg rezervoara u topliji i ujedno je kompresor jedina komponenta koja troši struju. Za kompresor se vezuje i glavna karakteristika TP a to je koeficijent efikasnosti - COP (eng. Coefficient of Performance), odnos uložene i dobijene energije. Većina grejnih tjela ima COP < 1, dok se kod TP COP kreće od 2 - 6 (eksperimentalne verzije idu i do 7, teorija predviđa i veće) Šta ova karakteristika znači? Ako je COP=4, to znači da za 1kWh struje koju potroši kompresor dobijete 4kWh toplote? Odakle onda 3kWh dolaze? 3kWh dolaze iz hladnijeg rezervoara toplote koje ćemo dalje zvati izvor toplote.
Izvori toplote
Ako se za trenutak zapitate šta su to rezervoari toplote, neće vam sigurno pasti na pamet da ih imate svugdje oko sebe. Čak i ako je napolju jako hladno, to je jedan ogroman izvor toplote. Vazduh, voda, zemlja … To su ogromni rezervoari toplote u zavisnosti koji izvor koristite TP se djele na vazduh - vazduh, vazduh - voda, voda - voda, zemlja - vazduh, zemlja - voda. Druga stavka iz naziva predstavlja šta će TP grijati. Svaki od navedenih izvora ima prednosti i mane koje će ovdje biti nabrojane.
Vazduh
Vazduh je najjeftiniji način realizacije, međutim glavno ograničenje je loša efikasnost na temperaturama ispod 0°C. Normalno radi do -5°C, dok se ispod te temperature COP pada na 1 i vaša TP radi kao grijač. Međutim, ako živite u podneblju gdje prosječna januarska temperatura ne pada ispod 0 stepeni, TP možete koristiti danju, račun će vam biti malo veći u Januaru, ali što se tiče cijene ugradnje i održavanja TP na vazduh su najjeftinije. Glavni neprijatelj TP koje koriste vazduh je prašina, te zahtjeva redovno čišćenje izmjenjivača. Prednosti: jeftine, lako se ugrađuju, moguće ih koristiti i u zgradama. Mane: najniži COP od svih TP 2,2 - 4
Voda
Kada se kaže toplotna pumpa, obično se misli na TP voda - voda, jer su se pokazale kao najbolje u smislu cijena/kvalitet, gdje koristi vodu kao izvor toplote, a najčešče je to podzemna voda, mada može biti i izvorska ili voda iz rijeke ili jezera. COP ovih pumpi je 3-7, u zavisnosti da li koriste radijatorsko ili podno grijanje. Ove TP su skuplje za realizaciju od TP koje koriste vazduh ali im COP ne zavaisi mnogo od spoljnjih faktora te se jako brzo uložena infrastruktura isplati. Najčešće se kao izvor toplote koristi bunar, jer je temperatura podzemnih voda prilično ujednačena tokom cijele godine. Najveći problem je kvalitet i čistoća vode.
Potrebna količina vode - primjer TP 10kW - COP 5. Ova TP koristi kompresor od 2kW, dok ostatak od 8kW se crpi iz podzemne vode.
Q = mcΔT
m = masa vode 1kg = 1l c - specifični toplotni kapacitet vode = 4182 J/kg°C ΔT - razlika temperatura Q = 8kWh = 28.800.000J = 28.8MJ (mega Džula). Iako je Džul osnovna jedinica za energiju, u energetici se obično koristi Wh (vat-čas) 1Wh=3600J m= 28800000/4182 = 6890/ΔT kg°C
Ako je izvor 8°C i hladimo ga 2°C, ΔT=6°C - m=1150kg ili 1150l. Odave se vidi da izdašnost bunara mora biti preko 1000l/h. Većina toplotnih pumpi ima u svojim specifikacijama potrebnu količinu vode, ali ta količina se obično računa na ΔT=4°C
U ravničarskim predjelima temperatura podzemne vode je 12-16°C, bunar koji sam ja koristio spada u planinske i bio je jako plitak 1,5m, pa je temperatura vode u januaru 2020 pala na 3°C, te sam tada prešao na potok. Potok je bio upotrebljeiv do 4,5°C, međutim nosio je sa sobom sitni pijesak te je bilo potrebno čistiti filter i nekoliko puta dnevno. Pravio sam i seperatore, poslužio je svrsi do kraja sezone, nakon toga sam prešao na izvor.
Glavni problem ovih TP je čistoća vode koja zaprlja isparivač toplotne pumpe. Na našim prostorima isparivač je potrebno očistiti bar jednom godišnje i obavezan je prvostepeni filter ispred pumpe.
Zemlja (Gorund source)
Ovo su najbolje, ali najskuplje toplotne pumpe. To su toplotne pumpe koje koriste toplotu zemlje, tako što se cijevi postave u zemlju. Najčešće se koriste na mjestima gdje nema podzemnih voda ili ukoliko se pripremaju građevinski radovi pa se dio terena nasipa zemljom. Moguće je postaviti cijevi vertikalno ili horizontalno. Temperatura zemlje na 1m dubine je oko 4-5°C, pošto je sistem zatvoren obično se koristi glikol čija je tačka mržnjenja -20°C, pa TP nema ograničenje kao voda-voda. Svaka toplotna pumpa voda-voda može da radi i kao zemlja voda i obratno. U Evropi i Americi čine najzastupljeniji tip TP, jer nakon ugradnje ne zahtjevaju nikakvo održavanje. Investiciono su najskuplje ali na duži period se isplate. Postoji nekoliko klipova na YouTube gdje ljudi pokazuju kako ugrađuju cijevi u zemlju. Kod nas ne postoje da se kupe namjenske cijevi, ali mogu da se koriste obične plastične cijevi ili Al-pex ako se koriste vertikalne bušotine. Kalkulacija kaže da je potrebno zhavatiti površinu tri puta veću od one koju grijete, odnosno ako ste ugradili podno grijanje sa 500m cijevi, potrbeno je 1,5km cijevi postaviti u zemlju. Razmak između cijevi treba da bude 1m ili površina oko 30x30m.
Ostali izvori toplote
- rijeke
- jezera
- kanalizacije
- dimnjaci
Postoji nekoliko zanimljivih primjera ljudi koji žive blizu jezera, gdje su napravili zatvoreni sistem toplotne pumpe. Cijevi su napunjene glikolom su potopili u jezero. Bilo bi zanimljivo da neko isproba ovdje. Vidio sam i jedan primjer gdje je napravljen izmjenjivač od bakarnih cijevi potopljen u rijeku.