Pravilen izračun vložene toplotne moči je izjemno pomemben korak pri vzpostavitvi ogrevanja s toplotno črpalko. Le pravilno dimenzionirana toplotna črpalka bo poskrbela za zadostno ogrevanje in ustvarjala visoke prihranke. V tej podrobni analizi bomo preverili, zakaj je pravilen izračun moči toplotne črpalke tako pomemben, kateri faktorji vplivajo nanj in kakšne so posledice neustrezno dimenzionirane črpalke.
Zakaj je izračun prave moči toplotne črpalke ključen?
Neustrezno dimenzionirana toplotna črpalka lahko vodi v visoke stroške in neučinkovito delovanje. Nepravilno dimenzionirana toplotna črpalka ne bo delovala učinkovito in vas lahko na koncu stane več, kot če bi izbrali optimalno moč enote. Poleg tega vaš dom ne bo ustrezno ogrevan in ohlajen, saj se lahko zgodi, da temperatura ne bo konstantna in se bo po prostorih razlikovala. Še bolj pomembno pa je, da neustrezna moč toplotne črpalke škoduje celotnemu sistemu, saj nepravilno dimenzionirane toplotne črpalke potrebujejo pogostejše vzdrževanje in se hitreje pokvarijo.
Posledice premalo dimenzionirane toplotne črpalke
- Nezadostno ogrevanje: Premalo dimenzionirana toplotna črpalka ne bo zagotovila zadostnega ogrevanja prostorov. Zato sicer še ne boste ostali na hladnem, vendar se bo črpalka za pridobivanje dodatne moči za ogrevanje zanašala na dodatne elektro grelce, ki pa lahko mesečni račun za elektriko znatno povišajo.
- Nenehno delovanje: Če bo moč toplotne črpalke premajhna, bo poskušala nenehno delovati, da bi zadostila vašim željam po toploti.
Posledice predimenzionirane toplotne črpalke
Verjeli ali ne, tudi "preveč zmogljiva" toplotna črpalka ima negativen vpliv tako na učinkovitost kot tudi na udobje v prostoru. Za seboj lahko pusti večplastne posledice:
- Nizka učinkovitost: Predimenzionirana toplotna črpalka bo delovala na nizkih zmogljivostih, kar bo zmanjšalo njeno učinkovitost in povečalo stroške uporabe. Posledično nam ponovno grozi višji račun za elektriko.
- Pogosti vklopi in izklopi naprave (taktiranje): Predimenzionirana toplotna črpalka bo hitro dosegala želene temperature, zato bo imela krajše delovne cikle. Pogosti vklopi in izklopi lahko povzročijo večjo obrabo komponent in skrajšajo življenjsko dobo toplotne črpalke. Če enota deluje s kratkimi cikli, lahko zaradi prevelike obremenitve in obrabe pride do okvare motorja ventilatorja.
- Nihanje temperature: Pogosti vklopi in izklopi zaradi hitrega doseganja želene temperature lahko povzročijo nihanje temperature in povzročajo neudobje v prostoru.
- Povečana obraba sistema: Prevelika toplotna črpalka lahko povzroči dodatno obrabo njenih komponent, kar privede do pogostejših popravil in servisov ter povečanih stroškov vzdrževanja sistema.
- Visoki začetni stroški: Predimenzionirana toplotna črpalka je tudi investicijsko dražja, saj je večja od tiste, ki bi bila optimalna za vaše potrebe. Višji začetni stroški in višji stroški uporabe pa podaljšajo čas povrnitve naložbe.
The importance of correct heat pump sizing
Dejavniki, ki vplivajo na izračun moči toplotne črpalke
Moč toplotne črpalke v osnovi izračunamo glede na toplotne izgube stavbe, je pa tukaj še nekaj dejavnikov, ki jih je pri izračunu toplotne moči potrebno upoštevati. Pri določanju potrebne moči toplotne črpalke je osrednji dejavnik ogrevalna obremenitev, ki se meri v kilovatih na kvadratni meter objekta na letni ravni. Ta obremenitev predstavlja potrebno moč, ki jo mora črpalka zagotoviti za učinkovito ogrevanje doma.
1. Kvadratura ogrevane površine
Potrebno je določiti velikost prostora, ki ga želite ogrevati. To vključuje površino vseh prostorov, ki jih želite ogrevati s toplotno črpalko. Večja kot je kvadratura prostora, zmogljivejša mora biti toplotna črpalka.
2. Izolacija objekta
Kako dobro je izoliran vaš prostor? Novogradnje in dobro izolirani objekti potrebujejo manj zmogljivo toplotno črpalko, saj je izguba toplote manjša. Primerna rešitev za ogrevanje takšnih prostorov so nizkotemperaturne toplotne črpalke, ki jih lahko priklopimo na talno gretje, nizkotemperaturne radiatorje, stensko ali stropno ogrevanje ter jih uporabimo za ogrevanje sanitarne vode z vgrajenim grelnikom sanitarne vode.
Za visokotemperaturne ogrevalne sisteme z radiatorji in slabo izolirane objekte so idealne visokotemperaturne toplotne črpalke, ki so zmogljivejše in zahtevajo večjo moč. Investicija v ogrevalni sistem toplotne črpalke v objekt s 5 ali manj cm izolacije ter okni, ki netesnijo, ni smiselna, četudi v objekt vgradimo toplotno črpalko, ki dosega do 65°C predtoka ogrevalne vode v radiatorjih. Investicija pa je več kot upravičena, če jo vgradimo v objekt, ki ima vsaj 8 cm toplotne izolacije in min. 10 cm izolacije strehe. Hkrati priporočamo vsaj dvoslojno zasteklitev oken. Takšen objekt ima toplotne izgube cca. 65 W/m2, investicija pa se lahko povrne že v 5 letih.
3. Podnebni pogoji
Kakšne so povprečne temperature v vašem kraju? Tudi podnebne razmere vaše lokacije so eden izmed dejavnikov, ki vplivajo na določitev moči toplotne črpalke. Hladnejša podnebja zahtevajo večjo moč za doseganje želenih temperatur. Toplotne črpalke Orca z zunanjo enoto Mitsubishi Electric pokažejo svojo pravo moč ravno takrat, ko se temperature spustijo nizko pod ledišče, vse do -28 °C. Zahvaljujoč inovativni zasnovi naprave ogrevajo do -15 °C celo brez izgube toplotne moči, torej na 100 %. Zato brez skrbi - toplotna črpalka je prava rešitev za ugodno ogrevanje v še tako zimskih razmerah.
4. Toplotne izgube
Poleg dobre ali slabe izolacije so tukaj še drugi dejavniki, ki vplivajo na večje ali manjše toplotne izgube. Vsa okna in vrata, njihova kakovost ter skupna površina odprtin v hiši prav tako vplivajo na izbiro moči toplotne črpalke.
5. Število stanovalcev in navade
Ste zmrzljivi in imate radi višjo temperaturo svojega doma? Potem boste potrebovali zmogljivejšo toplotno črpalko, ki bo kos ohranjanju določene temperature v domu. Upoštevanje preference glede želene temperature v prostoru je prav tako pomemben dejavnik za izračun moči toplotne črpalke. Prav tako bo potrebna večja moč toplotne črpalke, če je večje število članov v gospodinjstvu.
6. Ogrevanje sanitarne vode
Toplotna črpalka lahko z vgrajenim grelnikom sanitarne vode poskrbi tudi za nemoteno ogrevanje sanitarne vode. Nemotena oskrba s toplo vodo je vsekakor mogoča s toplotno črpalko, vendar je v tem primeru potrebno zagotoviti dodatno moč naprave. Nekateri modeli toplotnih črpalk imajo rezervoar za toplo vodo integriran v notranjo enoto, medtem ko drugi omogočajo ogrevanje sanitarne vode v ločenem bojlerju.
Povprečna moč toplotnih črpalk
Toplotne črpalke so na voljo v različnih močeh, ki segajo od 4 kW do 25 kW. V povprečno izoliranih stavbah se običajno vgrajuje toplotne črpalke moči od 6 do 12 kW, medtem ko je za novo zgrajene nizkoenergijske in pasivne hiše potrebna naprava z močjo okrog 3 kW.
Za nizkoenergijske novogradnje s površino 100 m2, ki uporabljajo talno gretje in zagotavljajo ogrevanje ter toplo vodo za štiričlansko družino, je običajno priporočljiva toplotna črpalka moči 6 kW. Najbolj prodajane so črpalke z močjo 11 kW za starejše hiše, ki so bile obnovljene, in 6 kW za novogradnje z nizko porabo energije. Pomembno je poudariti, da je izračun moči toplotne črpalke odvisen od specifičnih okoliščin.
Delovanje toplotne črpalke: premikanje namesto ustvarjanja toplote
Toplotna črpalka toplote ne ustvarja, ampak jo premika. To je ključna razlika med njo in, recimo, pečjo na olje ali električnim radiatorjem. Deluje na enakem principu kot vaš hladilnik. Kaj dela hladilnik? Iz notranjosti (kjer hranite mleko) črpa toploto in jo prenaša ven, na tisto črno, rebrasto mrežo na zadnji strani, ki je ponavadi vroča. Če bi hladilnik obrnili, bi postavili "notranjost" (hladilni del) na vrt, "zadnjo stran" (vročo mrežo) pa v vašo dnevno sobo - in tako dobite toplotno črpalko.
Krožni proces delovanja
Srce celotnega procesa ni motor, ampak posebna tekočina (hladivo), ki se pretaka po zaprtem sistemu cevi. Gre za posebej zasnovano kemično spojino, katere ključna lastnost je izjemno nizek vreliščni prag. Ta tekočina lahko vre in se spreminja v plin (paro) pri temperaturah globoko pod ničlo. Ko tekočina vre in izhlapeva, nase veže ogromno energije (toplote) iz okolice. Celoten cikel delovanja toplotne črpalke je eleganten ples štirih komponent:
- Uparjalnik (Zunanja enota): Hladno, tekoče hladivo pod nizkim pritiskom priteče v uparjalnik v zunanji enoti. Ker ima hladivo izjemno nizko vrelišče (npr. -20 °C), je zunanji zrak vedno toplejši od njega. Toplota iz zraka zato preide na hladivo, ki posledično zavre in se spremeni v plin (paro).
- Kompresor (Srce sistema): Ta hladen plin zdaj potuje do kompresorja. To je daleč najpomembnejši del in tisti, ki porabi večino električne energije. Ko stisnemo plin, se mu dvigne temperatura.
- Kondenzator (Notranja enota): Ta zdaj zelo vroč in stisnjen plin potuje v notranjost hiše, do notranje enote. Ta enota je v bistvu izmenjevalec toplote. Če imate sistem zrak-voda, ta vroči plin segreva vodo v vašem sistemu (talno gretje, radiatorji). Ker je plin (npr. 80 °C) veliko bolj vroč od vode v vašem radiatorju (npr. 40 °C), toplota preide iz plina v vodo.
- Ekspanzijski ventil (Ponastavitev): Imamo torej toplo tekočino pod visokim pritiskom. Preden jo lahko pošljemo nazaj v zunanjo enoto, da ponovno "pobere" toploto, moramo z ekspanzijskim ventilom drastično zmanjšati pritisk. Ko pritisk pade, pade tudi temperatura.
Odtaljevanje zunanje enote
Ko črpalka črpa toploto iz vlažnega zraka, ki je blizu ledišča, ta vlaga zamrzne na lamelah uparjalnika. Sčasoma led zamaši pretok zraka in učinkovitost pade. Pametna elektronika v črpalki to zazna. Takrat za kratek čas obrne proces - za tistih 5 minut začne delovati v načinu hlajenja. Pošlje malo vročega plina v zunanjo enoto, da od znotraj hitro stopi led.
Merila učinkovitosti toplotnih črpalk
COP - Koeficient učinkovitosti
COP je okrajšava za "Coefficient of Performance" ali po naše "grelno število". Vrednost COP opisuje ogrevalno ali hladilno moč toplotne črpalke, deljeno z vloženo električno energijo. Ni najboljše merilo učinkovitosti, saj se testira le pri enem pogoju.
Primer: Električni radiator ima COP 1. Za 1 kW elektrike dobite 1 kW toplote. Toplotna črpalka z eno enoto vložene električne energije dovaja v ogrevalni sistem tri enote toplote. Toplotna črpalka toplote ne ustvarja, ampak elektriko porabi samo za pogon kompresorja, torej za premikanje toplote. COP ni konstanten; nižja kot je zunanja temperatura (težje je črpati toploto) in višja kot je temperatura vode, ki jo želimo (npr. za stare radiatorje rabimo 60 °C), nižji bo COP.
SCOP - Sezonski koeficient učinkovitosti
SCOP je podatek, ki ga v Evropi uporabljamo za merjenje povprečne učinkovitosti ogrevanja in je boljši pokazatelj kot COP. Pridobljena toplota in porabljena električna energija za določeno število obratovalnih ur pri vsaki temperaturi se seštejeta in razdelita, da se dobi povprečni COP za eno leto. SCOP upošteva tudi porabo energije za stanje pripravljenosti in ogrevanje ohišja motorja. Po današnjih Evropskih direktivah se uporablja SCOP, ki nam pove povprečno grelno število izmerjeno čez celotno grelno sezono po točno predpisanih standardih in izvedenih uradnih meritvah s strani pooblaščenih inštitucij.
EER - Razmerje energetske učinkovitosti
EER je merilo učinkovitosti hlajenja enote, ki se v Evropi uporablja bolj redko. Podatek se testira le pri enem pogoju, običajno pri zunanji temperaturi zraka 35 °C in notranji temperaturi povratnega zraka 26 °C in pri 50-% relativni vlažnosti, zato ga ni priporočljivo uporabljati za oceno letne porabe energije, če živite v Sloveniji, saj nimamo tako vročega podnebja.
SEER - Sezonsko razmerje energetske učinkovitosti
SEER se uporablja kot merilo učinkovitosti hlajenja toplotne črpalke. Proizvajalci izračunajo vrednost SEER tako, da jo preizkusijo pri različnih zunanjih temperaturah, ki predstavljajo hladilno sezono.
HSPF - Sezonski faktor učinkovitosti ogrevanja
HSPF se uporablja kot merilo učinkovitosti ogrevanja toplotnih črpalk. Gre za razmerje med toplotno močjo v ogrevalni sezoni, deljeno s številom vatnih ur električne energije, ki je bila porabljena za njeno proizvodnjo, pri čemer se upošteva dodatno električno ogrevanje.
Hlajenje s toplotno črpalko
Sodobne, tako imenovane reverzibilne toplotne črpalke imajo vgrajen sistem, ki zamenja vlogo uparjalnika in kondenzatorja, s tem pa se obrne proces delovanja toplotne črpalke. Za to je potrebnih le nekaj dodatnih ventilov in armatur. Pozimi toplotna črpalka prečrpava toploto iz okolice v notranjost, in sicer na višjo temperaturo, da lahko prostore ogrevamo pri višji temperaturi. Poleti se proces obrne. Zamenjata se vlogi dveh elementov, uparjalnika in kondenzatorja - kondenzator postane uparjalnik in uparjalnik postane kondenzator.
V tem primeru skozi uparjalnik, ki je zdaj v prostoru, kroži notranji zrak. Pri tem se ohladi, saj je oddal toploto hladivu, ki se v uparjalniku uparja. Kondenzator, prek katerega odvajamo toploto, je v tem primeru zunaj objekta. Toploto iz kondenzatorja moramo, če je le mogoče, izkoristiti, jo vrniti uporabniku v objektu. Tako dosežemo dvoje: prvič, ne segrevamo okolice, drugič pa pridobimo toploto, recimo za ogrevane sanitarne vode ali kaj podobnega, za kar bi sicer potrebovali dodatno energijo. Hladilno število je v tem primeru razmerje med hladilno toploto, ki jo črpalka izčrpava, in električno energijo, ki jo porablja.
Pri hlajenju prostorov poleti je priprava sanitarne (in tudi bazenske) tople vode brezplačna, saj poteka vzporedno s hlajenjem - črpalka namreč izkorišča odpadno toploto hlajenja.
Vrste hlajenja
- Mirno (pasivno) hlajenje: Poteka po cevnem razvodu v tleh, stenah ali stropu (ploskovno). Najbolj učinkovito in udobno je stropno hlajenje, saj se ohlajeni zrak spušča navzdol in se enakomerno porazdeli po prostoru. Temperatura hladilne vode mora biti vedno nad točko rosišča zraka, v nasprotnem na teh površinah nastaja kondenz. V posameznih prostorih je treba zato namestiti tipala temperature in vlage, ki posredujejo podatke elektronskemu krmilju, to pa omogoča doseganje želene temperature v prostorih z ustreznim uravnavanjem temperature hladilne vode. Pri pasivnem hlajenju kompresor toplotne črpalke ne deluje. Tisti, ki že uporabljajo toplotno črpalko, imajo izvor hladu za pasivno hlajenje že rešen (podtalnica, zemlja, zrak). V tem primeru voda samo kroži po hladilnih elementih (konvektorjih) in tako neposredno ohlaja prostore, kar zahteva minimalno porabo energije za pogon obtočne črpalke.
- Dinamično (aktivno) hlajenje: Je hlajenje z ventilatorskimi konvektorji, ki lahko pospešeno ohlajajo prostore. Za aktivno hlajenje je potrebna reverzibilna toplotna črpalka. Radiatorji niso primerni za hlajenje poleti, saj imajo premajhno površino.
The importance of correct heat pump sizing
Vrste toplotnih črpalk
Vir toplote je ključen. Od kod bo vaša naprava črpala tisto "zastonj" energijo?
1. Toplotne črpalke zrak-voda
To je daleč najbolj pogost in priljubljen sistem v Sloveniji, sploh pri prenovah. Zunanja enota črpa toploto iz zraka (tudi pozimi). Notranja enota to toploto prenese na vodo, ki nato kroži po vašem obstoječem sistemu - bodisi po talnem gretju bodisi po radiatorjih. Toplotne črpalke Aerogor Inverter AS zrak - voda sodijo med izredno učinkovite ogrevalne sisteme. Dandanes zrak - voda toplotne črpalke uporabljajo invertersko tehnologijo, kar pomeni, da se proizvodnja toplotne energije prilagaja potrebam hiše po toplotni energiji. S tem omogočajo nizke stroške ogrevanja in priprave sanitarne vode čez celo leto, dosegajo namreč visoke energijske razrede - A+++. Delujejo tudi pri zelo nizkih zunanjih temperaturah (do -25°C).
- Prednosti: Relativno enostavna in hitra montaža, saj ne zahteva vrtanja ali zemeljskih del. Cena je nižja kot pri geotermalnih.
- Slabosti: Učinkovitost (COP) ji pada skupaj z zunanjo temperaturo. V res hudem mrazu si bo morda morala pomagati z vgrajenimi električnimi grelci.
2. Toplotne črpalke zrak-zrak
Zunanja enota črpa toploto iz zraka. Sistem je odličen za manjše hiše, stanovanja ali vikende, saj se prostor segreje v nekaj minutah.
- Prednosti: Ponavadi najcenejša in najenostavnejša za montažo. Zelo hiter odzivni čas.
- Slabosti: Ne more ogrevati sanitarne vode. Nekaterim ljudem občutek pihanega zraka ni prijeten (lahko izsuši zrak).
3. Toplotne črpalke zemlja-voda (Geotermalne)
To je "premium" izbira. Toploto črpa iz zemlje, ki ima skozi celo leto zelo konstantno temperaturo (na globini nekaj metrov je vedno okoli 8-12 °C). Toplotne črpalke zemlja - voda dosegajo visoka grelna števila (COP med 4 in 5) in visoke grelne moči skozi celo ogrevalno sezono. Dosegajo zelo visoka letna grelna števila, ker zemljina akumulira skozi poletje veliko toplote, kar v jesenskih in zimskih mesecih ogrevalne sezone pomeni ugodno temperaturo vira zajema toplote, posledično pa visok COP.
- Horizontalni kolektor: Po vrtu plitvo pod površjem (1-2m globoko) položite dolge zanke cevi.
- Prednosti: Vrhunec učinkovitosti. Ker je vir (zemlja) vedno topel, je COP izjemno visok in stabilen skozi celo leto. Brez zunanje enote, torej brez hrupa in brez ciklov odtaljevanja.
- Slabosti: Visoka začetna investicija, predvsem zaradi dragih zemeljskih del (vrtanje ali izkop).
4. Toplotne črpalke voda-voda
Redkejša, a izjemno učinkovita. Črpa toploto iz podtalnice, reke, jezera ali celo bližnjega morja. Poleti lahko nizko temperaturo podtalnice (tudi zemlje) prestrezamo za pasivno hlajenje. Agregat toplotne črpalke ne deluje, edini porabnik je potopna črpalka, ki črpa podzemno vodo.
- Slabosti: Potrebujete ustrezen in izdaten vodni vir na parceli. Zahteva precej birokracije (vodna dovoljenja).
5. Absorpcijske toplotne črpalke
Za večje sisteme so primerne absorpcijske toplotne črpalke. Od kompresorskih se ločijo po tem, da imajo namesto mehanskega kompresorja tako imenovani toplotni kompresor, ki kot pogonsko energijo ne uporablja električne energije, ampak bioplin, fosilna goriva, sončno energijo, odvečno toploto in podobno. Absorpcijska toplotna črpalka je konstrukcijsko zahtevnejša od kompresorske, nabavna cena pa je precej višja od električno gnanega kompresorja. Ekonomski izračun kaže, da je naložba prevelika oziroma neupravičena za manjše sisteme, pri velikih sistemih z enim ali dvema megavatoma moči pa je absorpcijska črpalka cenejša od kompresorske. Primer je večji »absorpcijski« hladilnik v Velenju, ki deluje na odpadno toploto iz Termoelektrarne Šoštanj.
Svetovanje s strokovnjakom
Zelo pomembno je, da se pri izbiri toplotne črpalke posvetujete s strokovnjakom in izvedete pravilen izračun moči toplotne črpalke, ki bo prilagojen vašim specifičnim potrebam. Odgovor na vprašanje, kakšno moč toplotne črpalke potrebujem, ni enostaven. Na izbiro prave velikosti vpliva več dejavnikov, kot se vam morda zdi na prvi pogled. Le redki so tako pogumni, da se dimenzioniranja toplotne črpalke lotijo kar sami. Priporočamo, da tako pomembno odločitev zaupate strokovnjakom, ki vedo, kaj delajo. Ker je vsak dom edinstven, mora strokovnjak določiti optimalno moč toplotne črpalke za vaš objekt. Za optimalno moč naprave se zato posvetujte s strokovnjakom, ki bo zagotovil pravilno dimenzioniranost vaše nove toplotne črpalke, ki bo poleg brezskrbnega delovanja prinašala visoke prihranke. Prepustite izračun strokovnjakom, ki bodo na podlagi vaših specifičnih potreb poskrbeli za izbor prave toplotne črpalke in poskrbeli za optimalno delovanje naprave.