Tkalec Marko Dizalice topline I njihova ekonomska isplativost

Tkalec Marko Dizalice topline i njihova ekonomska isplativost

Sadržaj

1. Uvod 1

2. Osnove rada kompresijske dizalice topline 3

2.1. Princip rada dizalice topline 3

3. Načini rada dizalice topline 6

7

3.1. Monovalentni način rada 7

3.2. Bivalentno-paralelni način rada 7

3.3. Bivalentno-alternativni način rada 7

4. Osnovni dijelovi dizalice topline 8

4.1. Kompresori 9

4.2. Termo ekspanzijski ventil 10

4.3. Isparivač 11

4.4. Kondenzator 11

4.5. Rashladni mediji (plinovi) 11

5. Izvori topline za dizalice topline 11

5.1. Podzemni horizontalni toplinski kolektor 13

5.2. Podzemne toplinske sonde 15

5.3. Toplinske pumpe voda-voda 17

6. Sustavi predaje toplinske energije 19

7. Projektiranje i izvođenje dizalica topline ovisno o mjestu ugradnje 21

7.1. Troškovi ulaganja 22

7.2. Dimenzioniranje i odabir dizalica topline 23

7.3. Faktor dizalice 24

8. Ekonomska analiza 26

9. Zaključak 31

11. Sažetak.................................................................................................................................. 32

12. Ključne riječi..........................................................................................................................32

1. Uvod

Dizalica topline je svaki uređaj koji podiže toplinsku energiju s niže na višu energetsku razinu (temperaturu) uz privedeni vanjski rad s ciljem korištenja toplinske energije više razine. Mjereno brojem instaliranih jedinica u svijetu, dizalice topline povezane sa tlom kao obnovljivim spremnikom topline bilježe jedan od najbržih porasta u području primjene obnovljivih izvora energije. Prema normativima Europske unije, objekti izgrađeni poslije 2015. g. morat će imati energetski efikasan sistem grijanja i hlađenja koji se pored sličnih mahom zasniva na geotermalnoj energiji (toplinskim crpkama).
Korištenje principa toplinskih crpki je ekološki podobno jer izaziva nultu emisiju štetnih plinova. Jedino zagađenje koje može biti uključeno u ovaj proces je ono koje nastaje proizvodnjom električne energije u termoelektranama. Ukoliko se energija dobiva iz hidro ili energetski obnovljivih izvora onda je rad ovakvih sistema potpuno ekološki čist.
Instaliranjem grijanja i hlađenja zasnovanom na toplinskim crpkama dovodi do smanjenja opterećenja energetskih sistema, smanjenja potrošnje fosilnih goriva,smanjuju se energetski troškovi te se ne zagađuje životna sredina.
Primjena dizalica toplina:

• 
  Obiteljska domaćinstva;
  
• 
  Poslovni objekti;
  
• 
  Škole;
  
• 
  Vrtići;
  
• 
  Bolnice;
  
• 
  Športski centri;
  
• 
  Plastenici;
  
• 
  Staklenici.
  

Prednosti korištenja geotermalnih dizalica topline:

• 
  Ekonomičnost - smanjeni troškovi grijanja i hlađenja u stambenim i poslovnim objektima.
  
• 
  Trajnost - niski troškovi održavanja ako je sistem ugrađen na propisan način ne zahtijeva gotovo nikakvo održavanje.
  
• 
  Tihi rad - pogodna upotreba u domaćinstvu i u poslovnim prostorima s obzirom da kod ovakvih sustava nema dijelova koji proizvode buku.
  
• 
  Fleksibilnost - ovakvi sustavi mogu snabdijevati toplinskom energijom razne potrošače.
  
• 
  Prilagodba - koriste se i u toplim i u hladnim razdobljima. Zimi za grijanje, ljeti za hlađenje.
  
• 
  Ekologija - geotermalne dizalice topline gotovo ne zagađuju okolinu, te su važan čimbenik u smanjenju onečišćenja atmosfere.
  

2. Osnove rada kompresijske dizalice topline

Način rada je gotovo identičan načinu rada kućnog hladnjaka, a razlika je u tome što rashladni uređaj oduzima toplinu namirnicama i predaje je okolini dok toplinska pumpa uzima toplinu iz zraka, vode ili zemlje i dovodi je u prostor koji želimo zagrijati. Također, toplinska pumpa se sastoji od istih elemenata kao hladnjak, samo je redoslijed procesa drugačiji. Toplinska pumpa je sustav koji se bazira na lijevokretnom Carnotovom kružnom procesu koji toplinu u stroju pretvara u rad, pri čemu se koristi idealan plin, ovisno o željenim temperaturama

Carnotov ciklus je kružni proces kojeg je osmislio Nicolas Leonard Carnot 1824. godine, a kasnije proširio Paul Emile Clapeyron 1830-ih i 40-ih godina. Sustav koji radi po Carnotovom kružnom ciklusu je hipotetički Carnotov toplinski motor. Toplinski motor prenosi energiju iz toplijeg (ogrjevnog) spremnika u hladniji (rashladni) spremnik, te pritom dio te energije pretvara u mehanički rad.
Ciklus se također može obrnuti. Sustavu se može dovoditi rad izvana, te se on onda ponaša kao toplinska pumpa (dizalica topline). Carnotov ciklus je kružni proces s najvišim stupnjem korisnosti, odnosno najveći dio primljene energije pretvara u rad, te najveći dio rada iskorištava za dizanje topline.

2.1. Princip rada dizalice topline

Slika 1. Princip rada dizalice topline po fazama rada
Opis slike 1:

1. 
   Iz kompresora izlazi komprimirani plin koji ima maksimalnu temperaturu od 67° C.
   

2. 
   Zagrijani plin ulazi u izmjenjivač u kojem predaje toplinu vodi koja zagrijava prostoriju. Nakon izlaska iz izmjenjivača temperatura plina spustila se na 34° C, jer je izmjenjivač predao temperaturu vodi.
   

3. 
   Plin temperature 34° C prolazi kroz izmjenjivač plin – plin, te gubi temperaturu na 25° C jer je zagrijao hladni nestlačeni plin.
   

4. 
   Komprimirani plin dolazi u ekspanzijiski ventil u kojemu se tlak snižava na 4 bara, a temperatura na -3° C.
   

5. 
   Nestlačeni hladni plin dolazi u izmjenjivač i preuzima toplinu vode iz tla, te mu se povećava temperatura na 2,5° C.
   

6. 
   Plin dolazi u izmjenjivač plin – plin i preuzima toplinu od stlačenog toplog plina (6,5° C). Prelaskom kroz kompresor, plin se stlači na 14 bara te ponovo postiže maksimalnu temperaturu od 67° C. Ciklus se ponavlja.
   

Voda dolazi u izmjenjivač iz bušotine s temperaturom od 11° C – 12° C, te zagrijavanjem plina gubi toplinu do nekih 7° C – 8° C.

Voda se vraća u drugu bušotinu koja mora biti odmaknuta od prve bušotine minimalno 15 m, te je poželjno da bude nizvodno od prve bušotine da se ne miješa sa vodom više temperature koja će biti eksploatirana.

3. Načini rada dizalice topline

Prema izvedbi generatora topline poznati su sljedeći načini dizalice topline:

• 
  Monovalentni način rada;
  
• 
  Bivalentno - paralelni način rada;
  
• 
  Bivalentno - alternativni način rada.
  

3.1. Monovalentni način rada

Ovaj način rada dizalice topline podrazumijeva da cjelokupnu potrebu objekta za toplinom tijekom sezone grijanja pokriva isključivo dizalica topline. Učinak dizalica topline se projektira prema vanjskoj projektnoj temperaturi zraka. Dizalice topline povezane s tlom rade kao monovalentni sustavi. Jedna od prednosti monovalentnog načina rada je i manje zauzimanje prostora, odnosno nema potrebe za plinskom instalacijom, dimnjakom ili spremnikom loživog ulja.

3.2. Bivalentno-paralelni način rada

Pri ovom načinu rada je do određene vrijednosti vanjske temperature zrak jedini izvor topline. Daljnjim padom vanjske temperature zraka (npr. -3° C ili niže) uključuje se paralelno još jedan toplinski izvor (npr. plinski bojler). Priključenje drugog toplinskog izvora regulacija vodi prema vanjskoj temperaturi zraka i potrebnom učinku grijanja. Prednost takvog načina rada je mogućnost zadržavanja postojećeg kotla, te veća sigurnost opskrbe zgrade toplinom jer tada postoje dva izvora topline i dva energenta.

3.3. Bivalentno-alternativni način rada

Ovakav način rada dizalice topline znači da u određenom trenutku u sezoni grijanja (bivalentnoj točki), dodatni izvor topline preuzima pokrivanje cjelokupnih potreba zgrade za toplinom, dok se dizalica topline isključuje. Bivalentna točka odgovara nekoj vrijednosti niske vanjske temperature zraka. Ovaj način sustava grijanja koristi se za zgrade s radijatorima kao ogrjevnim tijelima, temperaturnog režima 90/70° C. Do određene vrijednosti vanjske temperature zraka, dizalica topline je jedini izvor topline, koja ovisno o karakteristici grijanja odgovara temperaturi polaznog voda maks. 55°C. Daljnjim padom vanjske temperature zraka uključuje se drugi izvor topline i on je dalje jedini u radu (npr. plinski bojler). Točka prekretanja izbora sustava grijanja u ovom primjeru iznosi -1°C.
Djelomični bivalentno-usporedni način rada dizalice topline znači da se u određenom trenutku u sezoni grijanja (točki uključivanja), uključuje dodatni izvor topline koji zajedno sa dizalicom topline služi za pokrivanje potreba zgrade toplinom, a zatim se ona (u točki isključivanja) isključuje pa dodatni izvor topline pokriva cjelokupne potrebe za toplinom. Točke uključivanja i isključivanja određene su okolinom i temperaturom ogrjevnog medija, te vremenom jeftinije tarife električne energije.

Da bi njihova primjena bila učinkovita, trebaju ispuniti nekoliko osnovnih uvjeta:

• 
  raspoloživost toplinskog izvora zadovoljavajuće temperature kroz cijelu sezonu grijanja;
  
• 
  što manju udaljenost između toplinskog izvora i mjesta predaje topline;
  
• 
  mjesta predaje topline trebaju imati umjerenu temperaturnu razinu (niskotemperaturni sustav grijanja);
  
• 
  veliki broj sati uporabe tijekom godine – radi veće isplativosti;
  
• 
  visoke cijene drugih izvora energije (ostvarenje veće uštede).
  

4. Osnovni dijelovi dizalice topline

Slika 2: Osnovni dijelovi dizalice topline
Osnovni dijelovi toplinske pumpe su:

• 
  Kompresor;
  
• 
  Termo ekspanzijski ventil;
  
• 
  Isparivač;
  
• 
  Kondenzator;
  
• 
  Rashladni medij (plinovi).
  

4.1. Kompresori

Kompresori su strojevi koji imaju ulogu tlačenja rashladnog medija, podizanja njegove temperature i tlaka dovođenjem rada.

Podjela prema području primjene, odnosno temperature:

• 
  kompresori za niske tlakove isparavanja (za smrzavanje isparavanja temperatura ispod -30° C );
  

• 
  kompresori za srednje tlakove isparavanja (za hlađenje temperatura isparavanja približno -10° C);
  
• 
  kompresori za visoke tlakove isparavanja (za klimatizaciju temperatura isparavanja veću od 0° C).
  

Podjela prema dosegljivom tlaku:

• 
  vakumske sisaljke;
  
• 
  kompresori niskog tlaka (do 10 bar);
  
• 
  kompresori srednjeg tlaka (do 100 bar);
  
• 
  kompresori visokog tlaka (do 500 bar);
  
• 
  superkompresori (do 3000 bar).
  

Toplinske pumpe najčešće koriste kompresore niskog odnosno srednjeg tlaka do 20 bara.

4.2. Termo ekspanzijski ventil

Termo ekspanzijski ventil je regulator protoka rashladnog medija kroz sistem. Nalazi se između kondenzatora i isparivača. U njega ulazi rashladni medij iz kondenzatora na višem tlaku i većoj temperaturi. Kada plin izađe iz ventila u cijev većeg poprečnog presjeka, dobivamo niži tlak rashladnog medija.
Ekspanzijskim ventilom možemo regulirati rad kompresora regulirajući površinu poprečnog presjeka kod protoka. Njegovu otvorenost, odnosno zatvorenost, regulira sonda koja se nalazi prislonjena na usisnu cijev kroz koju rashladni medij nakon predavanja topline ulazi u kompresor. Unutar sonde se nalazi medij (obično tekućina sa visokim koeficijentom termičkog rastezanja) koji se širi povećanjem temperature rashladnog medija, te se time smanjuje protok i dobiva se niža temperatura rashladnog medija. U obrnutom slučaju kada je rashladni medij na nižoj temperaturi, ventil se otvara i dobiva se nešto viša temperatura rashladnog medija.
Regulacijom otvorenosti ventila dobiva se optimalan rad kompresora i optimalna temperatura rashladnog medija kada je iskoristivost najpovoljnija.

Manji sustavi ne koriste termo-ekspanzijske ventile već cijevi manjeg promjera (kapilare), od cijevi unutar sustava kroz koje putuje rashladni medij. Kapilare djeluju na istom principu, samo je kod njih površina poprečnog presjeka protoka plina konstantna.

4.3. Isparivač

Isparivač je izmjenjivač topline građen kao sustav cijevi namotanih u zavojnicu površinom u koje ulazi rashladni medij na nižoj temperaturi i preuzima toplinu iz tla, vode ili zraka. Dakle nama su tlo, voda ili zrak mediji koji svoju energiju predaju toplinskoj pumpi. Isparivač je funkcijski građen kao i kondenzator.

4.4. Kondenzator

Kondenzator je izmjenjivač topline napravljen kao sustav cijevi u zavojnicu gdje rashladni medij predaje toplinu. Kod toplinskih pumpi kondenzator svoju toplinu predaje vodi koja se pri tome zagrijava i pomoću vodene pumpe cirkulira kroz izmjenjivač topline u prostoru kojim grijemo npr. radijator. Kod hlađenja on ima obrnutu ulogu gdje on odvodi toplinu.

4.5. Rashladni mediji (plinovi)

Rashladni mediji (plinovi), kao rashladni medij moraju se koristiti isključivo plinovi sa svojstvima da na određenoj temperaturi, ovisno o tlaku, mogu biti u svim agregatnim stanjima. Rashladni medij ne smije reagirati niti s jednim sastavom unutar sistema, gustoća bi mu trebala biti što veća, mogu biti hermetički zatvoren unutar sustava, najčešće u nehrđajućim bakrenim cijevima, mora biti neeksplozivan, tako da u slučaju ispuštanja ne bi došlo do eksplozije.
Mora biti neotrovan i po mogućnosti što manje štetan za okoliš. Rashladni medij se miješa sa mazivim uljem kojem rashladni medij mora osigurati kontinuirano putovanje kroz čitav sustav. Ulje ne smije mijenjati svojstva.

5. Izvori topline za dizalice topline

Na izvor topline se postavlja niz zahtjeva među kojima su najvažniji sljedeći:

• 
  toplinski izvor treba osigurati potrebnu količinu topline u svako doba dana i na što višoj temperaturi;
  
• 
  troškovi za priključenje toplinskog izvora na dizalicu topline trebaju biti što manji;
  
• 
  energija za transport topline od izvora do isparivača dizalice topline treba biti što manja.
  

Izvore topline za dizalice topline dijelimo na:

• 
  dizalice topline povezane s tlom:
  
  • 
    tlo kao izvor topline
    
  • 
    voda kao izvor topline
    
• 
  okolišni zrak kao izvor topline.
  

Slika 3: Toplinski izvori za dizalice topline

Površinski i podzemni dijelovi zemlje apsorbiraju toplinsku energiju koja najvećim dijelom dolazi od sunčeve energije koja je do tla došla zračenjem ili izmjenom topline s padalinama. Zemlja je dobar akumulacijski spremnik, s obzirom da su temperature unutar zemlje tijekom čitave godine u rasponu od 7°C do 13°C, pa ta činjenica omogućava iskorištavanje te energije tijekom cijele godine.

Temperatura zemlje kroz dubinu po mjesecima kroz godinu prikazana je na slici 4. Geološkim i termodinamičkim ispitivanjima dokazano je da se temperatura do oko 10 m dubine tla tijekom godine mijenja dok je na većim dubinama razmjerno stalna.
Slika 4: Temperatura zemlje po dubini kroz odabrane mjesece
Za iskorištavanje topline tla koriste se dizalice topline tlo – voda. Za izmjenu topline koriste se izmjenjivači topline koji se ukopavaju u tlo, a oni mogu biti podzemni toplinski kolektori ili podzemne toplinske sonde. Za posredni medij koriste se rasoline ili glikolne smjese koje imaju nisko ledište pa onemogućavaju smrzavanje u cijevima i smanjivanje padova tlaka pri polasku kroz cijevi. Posredni medij preuzima toplinu tla te je predaje radnoj tvari na isparivaču dizalice topline.

5.1. Podzemni horizontalni toplinski kolektor

Podzemni toplinski kolektori služe za izmjenu topline posrednog medija i površinskih slojeva tla, do dubine od 2 metra, kod primjene dizalica topline tlo – voda. Osnovne izvedbe takvih izmjenjivača topline su horizontalna kolektorska polja (koja mogu imati serijski ili paralelno povezane cijevi), kanalni (kompaktni ili kolektori u jarku), te spiralni kolektori. Načini izvođenja zemljanih kolektora prikazani su na slici 5.

Slika 5: Načini izvođenja zemljanih kolektorskih polja
Izmjenjivač topline se u tlo može položiti u obliku snopa vodoravnih cijevi na dubini od 1,2 m do 1,5 m, s međusobnim razmakom cijevi od 0,5 m do 1 m, ovisno o vrsti i sastavu tla.
Radi opasnosti od prevelikog pada tlaka, cijevi moramo razvoditi po sekcijama, pri čemu jedna sekcija ne smije biti dulja od 100 m, a sve sekcije trebaju biti približno jednake duljine čime postižemo identične padove tlaka, a time i podjednake protočne uvjete. Polazna vrijednost koju koristimo kod dimenzioniranja podzemnog toplinskog kolektora, rashladni je učinak isparivača na dizalici topline.
Pažnju trebamo obratiti na:

• 
  sastav tla jer o njemu ovisi toplinski kapacitet, mogućnost regeneracije tla, te izmjene topline - raspoloživost tla kao toplinskog izvora (da li ga možemo koristiti cijelu godinu ili samo dio godine);
  
• 
  način rada sustava grijanja s dizalicom topline (monovalentan ili bivalentan);
  
• 
  raspoloživu površinu zemljišta;
  
• 
  izvedbu, odnosno način polaganja kolektora;
  
• 
  duljinu i dimenziju (promjer) cijevi.
  

Cijevi kolektora moraju se polagati na dubini od 20 cm – 30 cm ispod razine smrzavanja tla, odnosno na područjima gdje se ne očekuje smrzavanje, najmanje na 80 cm dubine, jer u protivnom postoji opasnost od prevelikog utjecaja na biljni svijet.

U obzir treba uzeti moguće smrzavanje slojeva tla oko cijevi, što doduše ne utječe na izmjenu topline, no negativna posljedica može biti izdizanje tla iznad kolektora, pa samim time i smanjeni prijenos topline.
Nadalje, sve radove na polaganju kolektora trebalo bi izvoditi najmanje mjesec dana prije početka sezone grijanja, kako bi se tlo slegnulo, te tako omogućilo dobru izmjenu topline. Da se cijevi kolektora ne bi oštetile, kada izvedemo iskop, trebamo postaviti posteljicu od finog pijeska u koju polažemo cijevi, a cca. 30 cm iznad cijevi postavljamo traku za označavanje. Kolektorski sustav puni se smjesom vode i glikola u omjeru 70 % : 30 % uz pomoć crpke, pri čemu tlak punjenja iznosi 2 – 2,5 bara.

Način izvođenja i dijelovi koji se koriste pri izvođenju dizalice topline tlo-voda sa zemljanim kolektorom vidljivi su na slici 6.

Slika 6: Način izvođenja i dijelovi za izvođenje dizalice topline sa zemljanim kolektorom

5.2. Podzemne toplinske sonde

Podzemne toplinske sonde služe za izmjenu topline posrednog medija i dubokih slojeva tla kod primjene dizalica topline tlo – voda. To su okomiti izmjenjivači topline koji se koriste kada na raspolaganju nisu veće slobodne površine zemljišta. Dubina, promjer i broj bušotina u koje se ugrađuju cijevi izmjenjivača ovisit će o potrebama zgrade za grijanje ili hlađenje.
Za razliku od velikih zemljanih radova kod polaganja zemljanih kolektora, za postavljanje zemljanih sondi potrebno je samo nekoliko sati s modernim uređajima. S obzirom da je bušenja iznad 100 m treba tražiti odobrenje uprave za rudarstvo, najčešće se bušenja vrše samo do te dubine, te je za te dubine nadležno vodno gospodarstvo. Dubina i broj bušotina u koje se ugrađuju cijevi izmjenjivača, ovise o potrebama objekta za toplinom te o rashladnom učinku dizalice topline.
Najčešća izvedba podzemne toplinske sonde je dvostruka U – cijev od polietilena, kod koje kroz jedan krak ulazi ohlađeni posredni medij iz dizalice topline, a kroz drugi se vraća zagrijan. Kao posredni medij za podzemne sonde također se koristi smjesa vode i glikola u omjeru 70 % - 30 %. Sliku dizalice topline s podzemnom toplinskom sondom možemo vidjeti na slici 7.


Slika 7: Dizalica topline tlo voda sa podzemnom toplinskom sondom
Specifična toplina koju tlo daje podzemnoj sondi promjenjiva je vrijednost u rasponu od 25 - 100W/m dužnom, a veliki utjecaj na toplinsku vodljivost imaju sastav i kvaliteta tla, odnosno količina vlage i poroznost.
Nakon što smo izveli bušenje i umetnuli sondu, međuprostor je potrebno zapuniti prikladnom smjesom – bentonitom. U cilju olakšanog umetanja bentonita, sonda se puni vodom a glava sonde (najdonji dio) opterećuje se teretom.
Razmak između susjednih bušotina za sonde duljine do 50 m minimalno mora biti 5 m, a za dulje sonde minimalno 6 m.
Troškovi izvođenja jednog bušenja, što uključuje umetanje sonde, kreće se oko 50 €/m. Ako pretpostavimo da nam dužni metar sonde u prosjeku daje 50 W, sonda duljine 100 m kod koje dobijemo 5 Kw, košta oko 5000 €.

5.3. Toplinske pumpe voda-voda

Kada govorimo o vodi kao toplinskom izvoru za dizalice topline, mislimo na toplinsku energiju površinskih, podzemnih ili otpadnih voda. Glavna karakteristika vode je relativno stalna temperatura tokom cijele godine.
Takav sustav može biti izveden kao izravni, kada se podzemna voda (uz filtriranje) izravno dovodi do isparivača i neizravni, kada se ugrađuje dodatni izmjenjivač topline. S obzirom na pogonsko održavanje i sigurnost, prednost ima neizravna izvedba. Voda se tada iz jedne bušotine, vodene površine ili vodotoka crpi, a kroz drugu bušotinu vraća u podzemne slojeve.
Za instalaciju dizalice topline sistemom voda – voda potrebno je izvesti crpni (eksploatacijski) zdenac i njegov upojni parnjak u kojeg se vraća voda iz dizalice topline. Voda se u vodonosnik vraća s nepomijenjenim kemijsko – biološkim svojstvima, ali nešto toplija nego kada je uzeta iz vodonosnika. Sistem voda – voda je zatvoren sustav i ničim ne ugrožava vodonosnik. Važno je napomenuti da 1m³ vode može dati oko 4 – 5 kW toplinske ili rashladne energije. Shemu dizalice topline voda - voda možemo vidjeti na slici 8.



Slika 8: Shematski prikaz rada dizalice topline voda-voda
U nekim vodonosnicima povećano je prisustvo mangana i željeza, te bi svakako radi pojave inkrustacije bilo potrebno ispitivanje uzoraka vode radi ispravnog izbora i održavanja cijevne konstrukcije i crpke.
Zbog relativno visoke i konstantne temperature razine vode kao toplinskog izvora, faktor grijanja dizalica topline voda – voda je velik. Dizalice topline koje koriste podzemne vode obično imaju veće toplinske učinke (8 – 40 kW) i veći faktor grijanja, pa možemo zaključiti da su sustavi dizalica toplina povezanih sa vodom najučinkovitiji i izuzetno su pogodni za pasivno hlađenje. Ne traže prevelika ulaganja, no određeno ograničenje može biti birokracija, odnosno dobivanje vodopravnih uvjeta za korištenje podzemnih voda. Također, ovaj sustav traži konstantno održavanje međuizmjenjivača (godišnja provjera i čišćenje).

6. Sustavi predaje toplinske energije

Toplinsku energiju koju smo dobili upotrebom dizalice topline možemo iskoristiti pomoću sustava za predaju topline. U sustav za predaju topline svrstavaju se radijatorsko grijanje, podno grijanje, stropno hlađenje te grijanje ili hlađenje ventilokonvektorima. Slike pojedinog sustava mogu se vidjeti na slikama 9,10,11.

Slika 9: Grijanje ventilokonvektorima


Slika 10: Radijatorsko grijanje



Slika 11: Podno grijanje

Sustavi predaje toplinske energije se razlikuju po načinu djelovanja pa tako i po cijeni. Okvirnu cijenu pojedinog sustava za predaju topline možemo saznati iz tablice 1.

Tablica 1: specifična cijena za pojedini sustava predaje toplinske energije

SUSTAV PREDAJE TOPLINSKE ENERGIJE	Specifična cijena [kn/m^2]
Radijatorsko grijanje	100-150
Podno grijanje	130-175
Stropno hlađenje	300
Grijanje/hlađenje ventilokonvektorima	150-220

7. Projektiranje i izvođenje dizalica topline ovisno o mjestu ugradnje

Prilikom projektiranja i izvođenja trebamo imati na umu gdje mislimo izvoditi dizalicu topline, tj. dali želimo izvoditi dizalicu topline u kontinentalnom dijelu ili u primorskom dijelu Hrvatske. Razlog tome je nejednaka sezona grijanja i hlađenja. U kontinentalnom djelu Hrvatske sezona grijanja traje duže zbog nižih temperatura dok u primorskom dijelu sezona grijanja traje kraće ali je potrebna duža sezona hlađenja zbog viših temperatura u ljeti. Učestalost pojava temperatura zraka za razdoblje grijanja i hlađenja u kontinentalnoj Hrvatskoj možemo vidjeti na slici 9 dok učestalost temperatura zraka za grijanja i hlađenja u primorskoj Hrvatskoj možemo vidjeti na slici 13.

Slika 12: Učestalost pojave temperature zraka za kontinentalnu Hrvatsku



Slika 13: Učestalost pojave temperature zraka za primorsku Hrvatsku

7.1. Troškovi ulaganja

Cijena dizalica toplina raste zavisno o učinku grijanja koju ona može proizvesti. Troškovi dizalice topline nisu fiksni, tj. ovise o mjestu ugradnje,vrsti te je cijena za svaki objekt specifična. Okvirnu cijenu prilikom kupnje možemo saznati iz grafa na slici 14.


Slika 14: Cijena dizalice topline u ovisnosti o učinku grijanja

7.2. Dimenzioniranje i odabir dizalica topline

Dimenzioniranje, projektiranje i izvođenje sustava u kojima se kao izvor toplinskog i rashladnog učinka koristi dizalica topline složeno je i zahtijeva znanja iz tehnike grijanja i hlađenja, građevinarstva, regulacije, te geologije i rudarstva kod izvođenja bušotina. Osnovna veličina na osnovu koje se dimenzioniraju i projektiraju sustavi koji koriste dizalice topline je toplinski učinak koji se određuje na osnovi potreba za toplinom za grijanje, odnosno toplinskih gubitaka ili toplinskog opterećenja zgrade.
Toplinsko opterećenje zgrade, odnosno prostorija u njoj određuje se postupkom propisanim normom HRN EN 12 831. Osnovni cilj takvog proračuna je određivanje toplinskih gubitaka koji se koriste pri određivanju toplinskog opterećenja zgrade. Pri proračunu projektnih toplinskih gubitaka zgrade promatraju se transmisijski toplinski gubitci (provođenje topline kroz plohe) i ventilacijski toplinski gubitci (strujanje zraka).
Pri dimenzioniranju i projektiranju ovakvih sustava potrebno je odabrati i toplinski izvor za dizalice topline. Pri tome se u obzir uzimaju razni čimbenici, ali

najvažniji od njih su svojstva toplinskog izvora (termodinamička svojstva, raspoloživost na mjestu ugradnje), početna ulaganja u iskorištavanje izvora (cijena opreme, složenost radova), te pogonski troškovi pri iskorištavanju nekog izvora.

Uz sve to treba uzeti u obzir i da li se radi o novogradnji ili postojećoj zgradi, te njezinoj potrebi za energijom cijele godine (grijanje i hlađenje). Poredak učestalosti primjene toplinskih izvora za dizalice topline u većini europskih zemalja je:

1. Okolni zrak;

2. Otpadni zrak;

3. Površinski slojevi tla;

4. Duboki slojevi tla;

5. Podzemne vode.

7.3. Faktor dizalice

Faktor dizalice ili COP (eng. coefficient of performance) predstavlja odnos toplinske energije koju proizvede dizalica topline u odnosu na električnu energiju koja je dovedena uređaju. Što je veći COP potrebno je manje električne energije da se stvori ista snaga toplinske energije te što je veći COP to je bolji uređaj. Za COP 3,0 potrebno je u dizalicu topline, uređaj dovesti 1 kW električne energije da se dobiju 3 kW toplinske energije. Učinkovitost dizalica topline nije jednaka za sve modele i proizvođače te treba odabirati uređaje klase A odnosno energetski učinkovite uređaje. Dizalice topline se ispituju prema normi BS EN 14511-2 i kroz standardne uvjete B0W50 (eng. brine, glikol pri 0°C i eng. water, voda pri 50° C) dodatni testovi su pri B0W35 (0° C / 35° C) i B5W35 (5° C / 35° C) te se testovima pri tim uvjetima dobiva COP ispitivane dizalice topline.

 

Slika 15: Faktor dizalice u odnosu na temperaturu toplinskog izvora [7]

Ukupna godišnja učinkovitost sustava (faktor sustava) predstavlja odnos toplinske energije koju je proizvela dizalica topline u odnosu na ukupnu električnu energiju koja je dovedena u sustav da bi se ostvarilo grijanje građevine, priprema sanitarne vode, dodatno dogrijavanje te rad crpki i automatske regulacije. Za faktor sustava od 3,0 potrebno je dovesti 1kW električne energije u sustav da se dobije 3kW toplinske energije na toplinskim panoramama: podnom grijanju, spremniku sanitarne vode. Da se ostvari ukupni faktor sustava od 3,0 potrebno je da je COP dizalice topline veći i na razini od oko 3,5 - 4,0 da se pokriju električne potrebe na pumpama i automatskoj regulaciji. Razlika temperature toplinskog izvora (zrak, zemlja, voda) mora biti što bliža temperaturi toplinskog ponora (podno grijanje, ventilokonvektori, radijatori, zrak). Nailazi se često na preporuke da se dizalica topline ne dimenzionira na maksimalno opterećenje već na 70 - 80% potrebne maksimalne toplinske snage te da bi dizalica topline tim odabirom mogla pokriti 85 - 95% dana grijanja. Pokazati će se da taj model odabira negativno djeluje na faktor sustava. Primjena električnog dogrijavanja će se zabraniti poslije 2015. godine jer električni grijači imaju najveću emisiju CO₂.

8. Ekonomska analiza

Primjer ekonomske analize grijanja i hlađenja obiteljske kuće u Zagrebu i Splitu

Obiteljska kuća u Zagrebu:

A=250 m², Q_gr=22500 kWh/god, q_qr=90 kWh (m² god) Φ_gr=12.5 kWh

Q_hl=6750 kWh/god, q_hl= 27 kWh (m² god) Φ_hl= 7 kWh

Tablica 2:Ekonomska analiza grijanja za obiteljsku kuću u Zagrebu




Slika 16: Pogonski troškovi grijanja za obiteljsku kuću u Zagrebu



Slika 17: Povrat ulaganja za investicijske i pogonske troškove za obiteljsku kuću u Zagrebu
Iz ekonomske analize za obiteljsku kuću u Zagrebu vidimo da je grijanje na plin i ulje najskuplje te je povrat ulaganja za investicijske i pogonske troškove beskonačan. Grijanje pomoću dizalice topline je jeftinije od grijanja na plin i ulje te je najefikasnija dizalica topline voda-voda koja bi se trebala isplatiti nakon 9 godina.
Obiteljska kuća u Splitu:
A=250 m², Q_gr=11500 kWh/god, q_qr=46 kWh (m² god) Φ_gr=8,5 kWh

Q_hl=13500 kWh/god, q_hl= 54 kWh (m² god) Φ_hl= 9 kWh

Tablica 3:Ekonomska analiza grijanja za obiteljsku kuću u Splitu

Slika 14: Pogonski troškovi grijanja za obiteljsku kuću u Splitu

Slika 18: Povrat ulaganja za investicijske i pogonske troškove za obiteljsku kuću u Splitu

9. Zaključak

Toplinske pumpe smatraju se jednim od najučinkovitijih uređaja za dobivanje toplinske energije, a osobito su česte u bogatijim zemljama s razvijenom visokom ekološkom svijesti. Važan poticaj u razvijenim zemljama je i uređeno zakonodavstvo, prije svega na području obnovljivih izvora energije, te državne potpore za obnovljive izvore energije. U Hrvatskoj takve potpore za dizalice topline još ne postoje, a niti zakonodavstvo nije uređeno na tom području.
Cijene sustava s toplinskim pumpama u Hrvatskoj su na žalost još uvijek jako visoke. Razloga ima više, a oni najizraženiji su: nedostatak državnih poticaja za primjenu obnovljivih izvora energije, relativno visoke cijene uređaja i radova koje su rezultat malog broja proizvođača toplinskih pumpi i educiranih izvođača radova.
Bez obzira na brojne poteškoće i nelogičnosti u sustavu, dizalice topline ipak i u Hrvatskoj doživljavaju sve veću ekspanziju. U razvijenim zemljama Europe obnovljivi izvori energije zauzimaju značajno mjesto u energetskoj politici.
Za očekivati je da će isto dogoditi i kod nas kod pridruživanja Hrvatske Europskoj uniji. Do tada, štednja energije i zaštita okoliša primjenom obnovljivih izvora energiji ostaje na razini razvijenosti naše savjesti i na našim financijskim mogućnostima. 10. Literatura

1. 
   Labudović, B. dipl.ing.: Osnove primjene dizalica topline, Zagreb, Energetika marketing d.o.o. 2009.
   

2. 
   Labudović, B. dipl.ing.: Obnovljivi izvori energije, Zagreb, Energetika marketing d.o.o. 2002.
   

3. 
   Ochsner, K., Curtis, R.: Geothermal heat pumps: A guide for planning and installing, Earthscan, 2007.
   

4. 
   Internet:
   

1. 
   http://hr.wikipedia.org/wiki/Toplinske_pumpe
   
2. 
   http://www.toplinskepumpe.com/2011/05/zracne-toplnske-pumpe/
   
3. 
   http://www.ecol.hr/toplinskecrpke3.html
   
4. 
   http://www.korak.com.hr/sos.php?id_sos=363
   
5. 
   www.fsb.unzg.hr/ctt/seminari/101109_dizalice_topline.pdf
   
6. 
   http://mcsolar.hr/toplinske-pumpe.php
   
7. 
   http://www.geomin.hr/strojevi.htm
   
8. 
   http://www.eko-puls.hr/Toplinske_pumpe.aspx#tp6
   
9. 
   www.geoservisas.hr/images/stories/GAS/prezentacija.ppt
   

11. Sažetak
U ovom završnom radu pisalo se o dizalici topline te o njezinoj ekonomskoj isplativosti. Dizalica topline je sustav koji podiže toplinsku energiju s niže na višu energetsku razinu. Primjenjuje se za grijanje obiteljskih domaćinstava, poslovnih objekata, škola, bolnica. Korištenje principa dizalica topline ekološki je podobno jer izaziva nultu emisiju štetnih plinova. Za izvor topline koristi geotermalne izvore, tj. okolišnji zrak, podzemne vodu ili toplinu zemlje te električnu energiju koju koristi za rad same dizalice topline. Za svaki uloženi 1 kWh električne energije,dizalice topline proizvede 3-5 kWh toplinske energije zavisno o vrsti dizalice topline. Toplinsku energiju koja se dobije upotrebom dizalice topline iskorištava se pomoću radijatorskog grijanja, podnoga grijanja ili korištenjem ventilokonvektora. Investicijski troškovi za dizalicu topline su nešto viši od sustava grijanja na plin ali su pogonski troškovi manji. Grijanje pomoću dizalice topline je jeftinije od grijanja na plin i ulje te je najefikasnija dizalica topline voda-voda koja koristi kao izvor toplinu podzemne vode.

12. Ključne riječi
Dizalica topline, faktor dizalice,ekonomska analiza,izvori topline za dizalicu topline