Kako radi toplotna pumpa i zašto je to energija budućnosti?

Većina članaka na ovu temu je uglavnom tehničke prirode, što prosječnom korisniku bez znanja termodinamike stvara konfuziju i pomisao da je to zapravo ipak nemoguće ili neisplativo i da je to još smo jedna dobro upakovana marketinška priča.

Ovaj članak biće pokušaj da se na jednostavan način uz pomoć poznatih primjera razjasne sve nejasnoće oko njenog funkcionisanja i kroz primjere uvede u tehnički dio funkcionisanja toplotne pumpe.

Da li Vam se ikada desilo da vam pukne upaljač ili da li ste ikada prisustvovali sipanju plina u automobil ili ste možda probali da napunite upaljač plinom? Šta ste se dešava sa plinom koji dođe u u dodir sa vazduhom, vjerovatno je svima jasno da je plin “ispario”, da ste primjetili da se na mjestu “isparenja” pojavila neka bjelina koja je izuzetno hladna. To je prirodni fenomen koji je uglavnom svima poznat promjena agregatnog stanja (stručno: fazna promjena) i koji je odgovoran za mnoge procese u prirodi, a da se o njemu ne razmišlja mnogo niti se u školi obraća pažnja o njemu, te su ti procesi većini ljudi stvar koja se jednostavno dešava, bez razmišljanja o fizici tih procesa. Obzirom da se sve to desi izuzetno brzo, sama fizika se “ne osjeti”. 

• 1. ključna stvar kod procesa promjena faze (ili agregatnog stanja) da se promjenom faza primi (apsorbuje) ili oslobađa energija. Primjer: Stavite vodu na šporet da proključa i mjerite temperaturu. Temperatura vode raste sve do trenutka dok voda ne proključa (nekih 100°C), iako je ringla mnogo toplija temperatura ključale vode se ne mijenja i ostaje na nekih 100°C. Drugi primjer ostavite vodu napolju kada je jako hladno. Voda spušta temperaturu sve do trenutka kada počinje da se pojavljuje prvi led (0°C) i ostaje na 0°C sve dok se i poslednja kapljica vode ne zaledi. Kada dođe do promjene agregatnog stanja, supstanca prestaje da mijenja teperaturu, ona i dalje apsorbuje ili otpušta toplotu sve dok se potpuno ne završi promjena stanja. U prvom primjeru voda je apsorbovala energiju (toplotu) od šporeta, dok je u drugom primjeru predavala toplotu okolini. Ta toplota se stručno naziva latentna toplota i označava energiju koju neka supstanca apsorbuje ili preda tokom faznog prelaza između agregatnih stanja.

Latentna toplota je odgovorna za stvaranje jakih zimskih vjetrova. Kada temperatura vazduha naglo poraste, dolazi do topljenja snijega i leda na planinama, led apsorbuje toplotu iz vazduha tako što hladi vazduh svojoj okolini da bi se otopio (latentna toplota) i dolazi do naglog hlađenja vazduha na površini, hladan vazduh počinje da klizi niz padine planina i tako se stvaraju jaki vjetrovi.

Promjena faza se se koristi za kalibraciju (baždaranje) uređaja za mjerenje temperature. Prilikom promjena faza temeperatura supstance stagnira sve dok se promjena ne završi. Uzmete destilovanu vodu stavite je u zamrzivač uronite termometar u nju kada voda počne da ledi, voda prestaje da se hladi i imate tačno 0°C sve dok se i poslednja kap ne zaledi, ako termometar pokazuje drugačije znate koliko je pogriješio.

• 2. ključna stvar za promjenu faza su uslovi da se to desi. Potreban je određen pritisak (niži ili viši) da bi došlo do promjena faza. Zato je u primjeru ključanja vode naznačeno “nekih 100°C” jer tačka ključanja vode zavisi od atmosferskog pritiska.

Sada možemo da se vratimo našem upaljaču i da vidimo šta se tu desilo. Prilikom pucanja upaljača pritisak se promjenio i dobili smo uslove da plin ispari - promjeni fazu. Pošto su se ti uslovi desili naglo, plinu je bila potrebna određena količina latentne toplote za promjenu faze, tu toplotu je preuzeo od okolnog vazduha, tako što je snizio temperaturu vazduha u svojoj okolini. Pošto u vazduhu postoji vlage (vode u gasovitom stanju), voda koja se našla u vazduhu niže temperature je zaledila. Upravo je to bjelina koja se pojavila.

Eksperiment: Sipate so u drobljeni led - ledeno kupatilo.

Sada zamislimo da imamo zatvorenu cijev u kojoj nam se nalazi plin i da pomoću nekih ventila možemo da mijenjamo uslove (pritisak) plina u toj cijevi. Zamislimo da nam se jedan dio cijevi nalazi napolju a jedan unutar kuće (slika ispod). Sav plin se nalazi u kući (pozicija 1) u tečnom stanju kompresovan (viši pritsak), dok je u spoljnja cijev prazna (pozicija 3) niži pritisak. Otvorimo ventil 2 ka napolju i puštamo plin koji će da krene iz polja višeg pritiska ka polju nižeg pritiska i posmatramo šta se dešava. Zbog nižeg pritiska plin počinje da isparava u spoljnoj cijevi, za šta mu je potrebna latentna toplota isparenja i plin će tu toplotu nadoknaditi iz okolnog vazduha. Kada je sav plin ispario na ventilu na ulazu u kuću (pozicija 4) podižemo pritisak, time se plin zagrijava i prelazi ponovo u tečno stanje. Plin sada ima “viška” onu latentnu toplotu i predaje je okolini. Sada se zagrejani tečni plin našao u cijevi koja se nalazi u prostoriji čime plin zagrijeva prostoriju. Cijeli proces možemo, ponavljati iznova i iznova u krug, puštamo plin da ispari u spoljašnjoj cijevi, zatim ga sabijamo da se vrati u tečno stanje u unutrašnjoj cijevi. Automatizujemo li taj proces da se neprestano ponavlja dobijamo sistem koji upumpava toplotu spolja unutra, odnosno dobili smo toplotnu pumpu. Naravno, ne postoji ventil koji podiže pritisak, već se za to koristi kompresor, a sam plin nije pogodan kao medij za takav proces zbog svojih karakteristika pa ćemo ga zamijeniti freonom ili ugljen-dioksidom (nekada se za to koristio amonijak). Ako spoljnu cijev ukopamo u zemlju ili uronimo u vodu, mi ćemo pumpati toplotu iz zemlje ili vode u naš dom. Sva energija koja će nam biti potrebna jeste energija za sabijanje plina (freona), na taj način sa malo uložene električne energije prenosimo toplotu spolja ka unutra (stručno: iz hladnijeg rezervoara u topliji rezevoar).

Zamišljena mašina objašnjava princip rada toplotne pumpe i nalazi se u svakom frižideru, zamrzivaču, rashladnom uređaju, klimi u automobilu… Osnovne komponente koje čine toplotnu pumpu su izmjenjivači toplote (1 i 3) ili isparivač 1 i kondenzator 3, zamišljeni ventili su ekspanzioni ventil 2 i kompresor 4.

Glavna karakteristika toplotne pumpe je COP (eng. coefficient of prefformance) koeficijent: označava koliko je pumpa proizvela energije u odnosu na utrošenu (misli se na onu koju plćamo).

Ako je pumpa proizvela 4kWh toplote, a za to vrijeme potrošila 1kWh struje, kako je to moguće? Moguće je tako što je 3kWh uzela s polja. Tu zapravo i nastaje glavna zabuna jer se ovih 3kWh besplantne energije obično zanemari pa se čini da pumpa iz ničega pravi dodatnu toplotu. 3kWh (spolja) + 1kWh (kompresor utrošio struje) = 4kWh dobijene toplote (Nije narušen zakon doržanja energije). U ovom slučaju COP je 4kWh/1kWh = 4. Plaćamo 1kWh struje dobijemo 4kWh toplote, dok kod klasičnih grijača platimo 1kWh dobijemo 1kWh. Ovo je osnovna prednost toplotne pumpe jer zapravo plaćamo 4 puta manje. Ovdje možete pogledati tabelu uporednog prikaza cijena energenata.

ps. Da li možemo ohladiti prostoriju ako iznosimo led iz frižidera?

Nekoliko istorijskih činjenica1

• 1748. William Cullen demonstrira vještačko hlađenje.
• 1834. Jacob Perkins pravi praktičan frižider sa dietil eterom.
• 1852. Lord Kelvin opisuje teoriju u osnovi toplotnih pumpi.
• 1855–1857. Peter von Rittinger razvija i gradi prvu toplotnu pumpu.
• 1928. Aurel Stodola gradi toplotnu pumpu zatvorenog kruga (izvor vode iz Ženevskog jezera) koja do danas osigurava grijanje gradske skupštine u Ženevi.
• 1945. John Sumner, gradski inženjer elektrotehnike u Norwichu, postavlja eksperimentalni sistem toplotne pumpe sa izvorom vode kojim se napaja centralnim grijanjem, koristeći susjednu rijeku za grijanje novih upravnih zgrada Vijeća. Koeficijent sezonske efikasnosti 3,42. Prosječna toplotna isporuka je 147 kW, a maksimalna snaga 234 kW.
• 1948. Robert C. Webber zaslužan je za razvoj i izgradnju prve toplotne pumpe koja kao izvor koristi toplotu iz zemlje.
• 1951. Prva velika instalacija - Kraljevska dvorana festivala u Londonu otvorena je gradskom reverzibilnom toplotnom pumpom na izvor vode, koju napaja Temza, kako za zimsko grijanje, tako i za ljetno hlađenje.

Ograničenja

Trebalo je da prođe preko 50 godina da zamišljena mašina koju je 1928. konstruisao Auerl Stodola počne masovno da se koristi za proizvodnju toplotne energije. Tu je bilo nekoliko ograničenja, što u svijetu, što na samoj toplotnoj pumpi koja su morala da sačekaju:

• Cijena energenata iz fosilnih goriva je bila jako niska
• Eksploatacija šuma je imala nizak nivo iskorištenosti te je otpad mogao da se iskoristi jedino kao ogrev
• Razvoj nuklearnih elektrana obezbjeđivao je jeftinu električnu energiju
• Elektrifikacija i stabilnost isporuke električne energije
• Građevinski standardi i materijali
• Ograničene minimalna i maksimalna temperatura
• Visoka cijena niskotemperaturnih grijanja (maksimalna izlazna temperatura većine toplotnih pumpi je oko 60°C te se nisu mogle adaptirati na postojeća parna grijanja)
• Mehaničko upravljanje
• Ugradnja i servisiranje

Šta se mijenja da toplotna pumpa postaje energent budućnosti?

• Ogromna ekspanzija upotrebe fosilnih goriva donijela je velike ekološke probleme. Pored CO2 kao uzročnika efekta staklene bašte, sve više se govori o uticaju ostalih produkta sagorijevanja fosilnih goriva na zdravlje ljudi kao što su SO2. To je dovelo do velikih pritisaka da se ti izvori promjene, unaprede… Naše termoelektrane još čekaju proces desumporizacije koji će uskoro biti neminovan, što ća za posljedicu imati povećanje cijene električne energije.
• Snabdjevanje plinom se pokazalo kao nesigurno, cijene manipulativne, održavanje skupo pa je grijanje na plin postalo jedno od skupljih energenata.
• Nuklearna energija, kao na izgled jako jeftina i neograničena, uspostavila se jako skupom. Nakon Černobiljske katastrofe, svijest o upotrebi nuklearne energije se promjenila i otvorila pitanja koja su se rijetko postavljala a morala su da se rješavaju: bezbjednost, nuklearni otpad itd. Sve je to dovelo do smanjenja izgradnje novih nuklearki i drastičnog poskupljenja cijena struje proizvedenih u istim. Smanjena su ulaganja u fisione rektore koji su trebali da proizvode čistu energiju, eksperimenti su se suočili sa ozbiljnim problemima te se prvi ozbiljni rezultati ne očekuju prije 2045 godine.
• Iskorištenost drvnih proizvoda sve je veća, cijena rada veća, šuma je sve manje, što za posledicu ima neminovan rast cijena drvnog ogreva.
• Izuzetno niske temperature bile su glavna prepreka za pumpe koje kako izvor koriste vazduh. Na isparivaču su se stvarale velike količine leda koje su otežavale rad, te su klime uglavnom korištene za hlađenje. Poslednjih par decenija zimske temperature su porasle, prosječna januarska temperatura sada ne pada ispod 0°C na većem dijelu Balkana niže n.m.v. U klime su ugrađeni inverteri koji na kratko vrijeme obrnu proces grijanja, gdje zagriju spoljnju jedinicu i otope led, te je ova vrsta grajanja postala sve zastupljenija, proizvođači garantuju rad i do -30°C.

• Energetski neefikasni objekti su zamijenjeni novim stilovima gradnje gdje se toplotni gubici sve više eliminišu, građevinarski i zakonski propisi su sve stroži, a izolacioni materijali sve dostupniji, td. i sam rast cijena energenata podstiče pojedince da izoluju svoje objekte i razmišljaju u tom smijeru.
• Ugradnja podnog grijanja je postala jeftinija od radijatorskog grijanja čime su niskotemperaturna grijanja počela preuzimati primat, što otvara vrata za još veću upotrebu toplotnih pumpi. Toplotne pumpe u niskotemperaturnim sistemima grijanja dostižu efikasnost COP i do 7,21 čime ta vrsta grijanja postaje daleko najjeftinija. U niskotemperaturnom sistemu grijanja freon mnogo kraće vremena provodi u kompresoru a više vremena u isparivaču, čime se uzima više toplote iz besplatnog izvora a manje struje troši.
• Razvoj računara omogućio je mnogo više operacija i upravljanja, čime se povećala efikasnost, a i komfor. Većina današnjih pumpi je opremljena, sa nekoliko režima rada podesivih po vremen, daljinsko upravljanje.
• Temperaturna ograničenja toplotne pumpe naziva se: bivalentna temperatura, to su donja i gornja granica rada toplotnih pumpi (-20°C izbor, +60°C grejno tijelo), koje su vezane za karakteristike medija koji pumpa koristi. Pumpe novije generacije su bivalentne pumpe, sadrže upravljačku jedinicu za dodatni izvor koji će biti uključen automatski kada se dostigne bivalentna temperatura. Dodatni izvor mogu biti: električni grijači, plinski kotlovi, peći na pelet …
• Toplotne pumpe mogu u sebi da sadrže dodatni izvor toplote ili da koriste dva izvora - hibridne toplotne pumpe. Hibridne toplotne pumpe - uključuju dodatni izvor u kada se dostigne bivalentna temperatura ili koriste toplotu iz pogodnijeg izvora temerature. Postoje eksperimenti koji toplotu ljetnjem periodu upumpavaju u zemlju da bi se ona koristila zimi i prvi rezultati su obećavajući.
• Iako rat cijene struje poskupljuje grijanje pomoću toplotne pumpe, svjetski trend rasta cijena energenata je 6% godišnje, što će ovo grijanje još dugu činiti najjeftinijim.
• I dalje najveći problem predstavlja ugradnja i servisiranje. Ugradnja zahtjeva detaljne proračune i stručno osoblje, a servisiranje lokalnog majstora na dohvat ruke.

Zaključak

Ipak, povećana ekološka svijest povećala je interesovanje i povjerenje za obnovljivim izvorima i izvorima čiste energije gdje su glavno mjesto zauzele solarna energija i toplotne pumpe. Razvijene zemlje odavno subvencionišu ugradnju energetski efikasnih sistema i daju povlašćene cijene struje korisnicima toplotnih pumpi. Uz toplotne pumpe se ugrađuju i akumulatori (spremnici) toplote koji mogu da se pune pri nižim cijena struje, a računari toplotnih pumpi odavno imaju prekidače koje mogu da kontrolišu elektrodistribucije da bi mogle upaliti pumpe u periodima nižih opterećenja i puniti akumulatore toplote. Sve veći trend zagađenja vazduha podstiče nas da ipak malo razmislimo kako bar kao pojedinci da smanjimo emisiju štetnih gasova, a za države ostaje da se nadamo da će prepoznati zelenu energiju kao granu budućnosti ili će ih bar oni svjesniji natjerati da o tome misle. Na zapadu gdje je budućnost već stigla, toplotne pumpe se uveliko koriste, dok kod nas tek predstoji era toplotnih pumpi.

Misho Petković, fizičar

1 Wikipedia Heat pump 2 Inografika preuzeta sa reri.org.rs