-
TOPLOTNE PUMPE
Princip rada toplotne pumpe je vrlo jednostavan. On se ogleda u
koridenju toplotne energije naeg okruenja. Toplotna pumpa koristi
energiju vazduha, vode, podzemnih voda da bi vrila hlaenje ili
grejanje vaeg objekta.
Ime toplotne pumpe je izvedeno od rei toplota i pumpa koje u
svom originalnom znaenju
predstavljaju premetanje toplotne energije sa jednog prostora na
drugi.
U reimu hlaenja toplotna pumpa hladi vodu koja cirkulie kroz
cevi unutar objekta a sakupljenu
toplotnu energiju izbacuje u spoljanji prostor.
Toplotna pumpa je ureaj koji, po definiciji apsorbuje toplotnu
energiju sa jedne lokacije (spoljni
izvori energije) i premeta je na drugu lokaciju (objekat koji se
greje ili hladi). Za vedinu kudnih i
komercijalnih primena, dva najbitnija reima rada su hlaenje i
grejanje.
Toplotna pumpa radi na priblino istom principu kao i kudni
rashladni aparati (npr. friider i klima).
Razlika je samo u smeru u kome se vri predavanje toplotne
energije. Zadatak ureaja je da automatski
dri temperaturu u odgovarajudem opsegu, u objektu tokom godine,
svejedno da li to bilo hlaenje (leti)
ili grejanje (zimi). Principijelno, nema razlike u procesu rada
ureaja prilikom grejanja ili hlaenja
objekta.
Koristi jedan od osnovnih zakona termodinamike da energija se
nemoe ni stvoriti ni unititi ved samo
da promeni svoj oblik i svoje mesto postojanja. Toplotne pumpe
NE proizvode energiju samostalno.
Sama toplotna pumpa nede imati nikakvog dejstva ukoliko nije
prikljuena na izvor energije tipa zemlje,
vode ili vazduha. Toplotna pumpa de doprineti njenom najboljem i
najjevtinijem iskoridenju.
Naziv toplotne pumpe je relativno nova fraza za vedinu ljudi u
poslovima grejanja i hlaenja i kao
takva prvi put se uvodi na trite osamdesetih godina prolog veka.
Ipak, toplotna pumpa je samo drugi
nain za redi rashladni ureaj sa kojima se stalno sredemo tipa
kudnih friidera, klima ureaja, rashladnih
vitrina i mnogih drugih. Ovi ureaji mogu punim pravom da se
nazovu toplotnim pumpama jer rade na
principu uzimanja toplote na jednom mestu i premetanja na drugo.
Ipak, dobili su naziv rashladni
ureaji po svojoj primarnoj funkciji hlaenja. Primer nam je
friider koji hladi hranu tako to oslobaa
toplotu na svojoj zadnjoj strani (reetke). Mnogi su primetili
toplotnu energiju koja se tu oslobaa i
verovatno se pitali kako mogu da je iskoriste. U reimu grejanja
one hlade vodu ili vazduh u spoljanjem
prostoru i tako sakupljenu toplotnu energiju prenose u unutranji
prostor koji grejemo. Nadamo se da
smo vam sa ovih par reenica pribliili nain rada i misteriju oko
proizvodnje toplotne energije ni iz
ega.
Ureaj koji koristi princip rada toplotnih pumpi je prvi put
prikazan 1834. godine. Jacob Perkins,
ameriki inenjer, dizajnirao je ureaj koji proizvodi kocke leda i
to je bila pretea modernih isparivakih
sistema. 1926. godine General Eletric je napravio sistem rada
toplotne pumpe na osnovu kojih
funkcioniu i dananji moderni ureaji. Svima je poznato da naftni
lobi jo uvek dri svoje pozicije, pa je
to jo jedan razlog zato ova zelena tehnologija nije doivela
ekspanziju u nivou koji opravdano
zasluuje.
-
Grejanje i hlaenje koridenjem toplotnih pumpi predstavljaju
primarni pravac u svetu i evropskoj uniji
skokom cena energenata u poslednjih par godina. Naime, evropska
unija je napravila normative u kojima
se kae da svi objekti izgraeni posle 2015-te godine moraju da
imaju energetski efikasan sistem
grejanja i hlaenja koji se pored slinih mahom zasniva na
geotermalnoj energiji (toplotnim pumpama).
Sistem grejanja toplotnim pumpama sastoji se od izvora toplotne
energije, same toplotne pumpe i
sistema za distribuiranje i uvanje toplotne energije.
1.
Toplotna energija koja se uzima iz okoline (obino, temperature
se kredu u intervalu +7C do +14C)
ulazi u ispariva pumpe. U cevi se nalazi gas R407c koji preuzima
tu energiju. Ovaj gas zadrava svoje
stanje ak i na temperaturama ispod nule.
2.
Gas zatim ulazi u kompresor i podie se na vii pritisak to dovodi
do znaajnog povedanja njegove
temperature (uglavnom +90-95C, mada moe i vie).
3. Unutar zatvorenog sistema izmenjiva toplote vri predavanje
toplote gasa na sistem za grejanje.
4.
Zahvaljujudi predaji toplotne energije gas se vrada na prvobitnu
temperaturu koji se zatim dovodi do
ekspanzionog suda i ventila, ime se pritisak vrada u poetno
stanje. Potom se gas vrada u ispariva
gde proces poinje ponovo.
Energija vazduha
Za razliku od koridenja energije zemlje i podzemne vode vazduh
je sklon velikim godinjim oscilacijama.
Vazduh kao energent se koristi na jako velikim objektima (gde
nema dovoljne koliine podzemne vode
niti dovoljno velike povrine za zemljane sonde ili kolektore)
ili na objektima koji nemaju nikakvu okolnu
povrinu.Projektovanje sistema koji kao energent koristi vazduh
je neto komplikovaniji zbog
oscilacija kapaciteta toplotne pumpe.
Problem
Toplotne pumpe koje kao energent koriste vazduh:
1. smanjuju kapacitet padom spoljne temperature u reimu grejanja
i
2. smanjuju kapacitet povedanjem spoljne temperature u reimu
hlaenja.
Kapacitet pumpe u mnogome zavisi i od vlage spoljnog vazduha (u
reimu grejanja).
-
Reenje:
Uzedemo za primer objekat kome je potrebno 12,2kW energije na
-15C spoljnje temperature.
Proraunom dobijamo:
1. Na 0C objekat ima potrebu za 7kW a pumpa daje 16,9kW
2. Na -5C objekat ima potrebu za 9kW a pumpa daje 15,0kW
3. Na -15C objekat ima potrebu za 12,2kW a pumpa daje 12,1kW
Grafiki to izgleda ovako:
Ova toplotna pumpa dakle odgovara potrebama objekta za grejanjem
do temperature -15C.
Postavlja se logino pitanje - da li vriti projektovanje za
temperature nie od -15C?
Odgovor je ne. Dovoljno je staviti elektrine grejae za
predgrevanje spoljanjeg vazduha da bi omogudili
pumpi da zadovoljava temperature i do -25C. Stavljanje
elektrinih grejaa smanjuje efikasnost toplotne
pumpe, ali gledajudi grafik potrebne energije za Ni (slika
ispod) vidimo da Ni ima proseno samo oko 6
sati godinje temperatura ispod -15C.
-
Efikasnost: Toplotna pumpa koja kao energent koristi vazduh je
manje efikasna od toplotnih pumpi koje koriste energiju zemlje i
energiju vode. Ipak, ona je i dalje efikasnija od svih ostalih
sistema klimatizacije.
Tipovi kolektora
Sistemi zemlja-voda koriste energiju iz energetskog potencijala
zemlje putem sondi visoko energetskog
potencijala.
Prema izgledu prostora gde de se vriti postavljanje kolektora
bira se jedan od naina postavljanja sondi:
1. vodoravno kolektorsko polje sa serijski povezanim cevima
2. vodoravno kolektorsko polje sa paralelno povezanim cevima
3. kanalski kolektor (u jarku)
-
4. spiralni kolektor (Slinky izvoenje)
5. spiralni kolektor (Svec izvoenje)
6. vertikalne sonde
7. korpa kolektori
-
Sastav tla
Prema sastavu tla i prema procenjenoj godinjoj koliini rada
toplotne pumpe dimenzionie se povrina i
dubina (1,5-2m) kolektora tj dubina sondi.
Napomena: Tabela je data na osnovu proraunatog (prema sastavu
tla) specifinog odavanja toplote tla
30W/kvm za 1800 sati rada pumpe godinje. Tabela varira od
objekta do objekta.
Prema nainu razmene energije biraju se dva sistema: glikol voda
(standardno rasprostranjeno reenje
manjeg uinka) i
Direktna ekspanzija:
Gas R407C se direktno alje preko sonde u zemlju i tako razmenom
energije preuzima toplotu ili
hladnodu zemlje u zavisnosti od reima rada (grejanje ili
hlaenje). Iz jedne vertikalne sonde duine 35-
37m crpi se 3,5-4,5kW energije u zavisnosti od sastava tla.
Svaku sondu kontrolie toplotna pumpa uz
pogon iz njenog kompresora gde se energija crpi iz najizdanije
sonde to je automatski regulisano
sklopom toplotne pumpe.
Ovim jedinstvenim sistemom na naem tritu dobijamo sledede
pogodnosti:
25% je efikasniji od sonde punjene glikol vodom, jer je
izbegnuta naknadna primopredaja energije
usled ega se javljaju toplotni gubici.
ovaj sistem je povoljniji u startnoj investiciji od sondi
punjenih glikol vodom.
-
Energija vode
Kada se govori o vodi kao toplotnom izvoru za toplotne pumpe,
misli se na toplotnu energiju povrinskih (potoka, reka, kanala,
jezera, mora), podzemnih ili otpadnih voda. Ona potie od suneve
energije ili raznih procesa (u sluaju podzemnih voda). Osnovni
znaaj vode kao toplotnog izvora je srazmerno konstantna temperatura
cele godine.
Voda se iz jedne buotine (usisne), vodene povrine ili
vodotoka
crpi, a kroz drugu (utisnu ili povratnu) vrada u podzemne
slojeve,
vodenu povrinu ili vodotok.
Takoe u sluaju povrinskih voda, sistem moe biti izveden kao
kod energije zemlje gde se na dno (jezera, reke, mora)
postavljaju kolektori. Kod sistema toplotnih
pumpi koje eksploatiu vodu dobija se veoma visok koeficijent
energetske efikasnosti. U Srbiji
temperatura podzemne vode u toku cele godine se krede u rasponu
od +10C do +15C to ovaj sistem
ine dodatno pogodnim za eksploataciju u naim krajevima.
Toplotna pumpa ne menja fizike, hemijske i bakterioloke
karakteristike podzemnih voda! Zimi toplotna pumpa uzima energiju
iz podzemne vode (temperatura vode utisnog bunara je za 4-6 stepeni
nia od temperature vode usisnom bunaru), a leti daje energiju
podzemnoj vodi (temperatura vode utisnog bunara je za 4-6 stepeni
via od temperature vode usisnog bunara). Godinji energetski bilans
toplotne pumpe prema podzemnim vodama je jednak nuli (koliko uzme
zimi, toliko vrati leti).
Podzemne vode kao izvor energije (karakteristike)
1. minimalne temperaturne oscilacije tokom godine.
2. moe se koristiti kako za grejanje i hlaenje objekta, tako i
za pripremanje tople vode u objektu
(bojleri, zagrevanje bazenske vode i tako dalje)
3. sistem omogudava pasivno hladjenje objekta (free-cooling)