Toplotna črpalka “zrak-zrak”: princip delovanja, zgradba, izbira in izračuni

Želite v hiši urediti konvektorsko ogrevanje, kjer se za ogrevanje toplonosilca uporablja toplotna črpalka »zrak-zrak«, ki omogoča znaten prihranek pri stroških ogrevanja? Strinjate se, da je pridobiti popolno ogrevanje skupaj s toplo vodo skoraj brezplačno – zelo privlačna zadeva.

Ampak Vi ne veste, kako zgraditi tak sistem, da bi na alternativni način ogrevali prostore in pridobivali toplo vodo za gospodinjske potrebe?

Pomagali vam bomo razumeti to vprašanje – v članku je osvetljen princip delovanja in sestava črpalke. Energijo bo tak sistem porabil le za delovanje kompresorja, večji del toplote pa bo preprosto vzel z ulice iz atmosfere, za kar pri nas zaenkrat ne zahtevajo denarja.

Prav tako so obravnavane prednosti njegove vgradnje v sistem in bistvene pomanjkljivosti. Posebna pozornost je namenjena izbiri in izračunu črpalke.

Ljubiteljem vsega, kar naredijo sami, pa predlagamo, da takšno črpalko sestavi sami s pomočjo priročnih materialov. V pomoč prilagamo fotografske materiale in video priporočila o sestavi in delovanju toplotne zračne črpalke.

Značilnosti toplotne črpalke zrak-zrak

Vsaka toplotna črpalka sodi med opremo s področja alternativne energetike. Jema toplotno energijo zračnih mas na ulici, iz okoliškega prostora v prostoru, da z njo ogreva stanovanjske in nestanovanjske objekte.

Pri tem se ne uporabljajo nobene vrste gorljivega goriva.

Navzven je toplotna črpalka (TČ) zrak-zrak podobna inverterski klimatski napravi, split-sistemu iz zunanje in notranje enote.

Po načelu delovanja pa bolj spominja na hladilnik, le da deluje »obratno«. Toda v nasprotju z njima je ta toplotna črpalka sposobna tako ohlajati kot segrevati zračne mase v hiši.

Toplotna črpalka jemlje nizkopotencialno toplotno energijo iz atmosfere na ulici in z njo segreva sobni zrak do udobnih temperatur

Načelo delovanja in notranja sestava

V osnovi delovanja TČ zrak-zrak je preprost fizikalni pojav termodinamike – tekočina pri izparevanju hladi površino, s katere izhlapeva. Na primer, para nad skodelico vročega čaja prikazuje enak učinek.

Na tem principu deluje tudi običajen hladilnik. V njem so nameščene cevke, po katerih kroži hladilno sredstvo pod visokim tlakom. To sredstvo odvzema toploto iz notranjosti zamrzovalnega prostora, pri čemer se rahlo segreva.

Potem se zbrana toplota oddaja v zrak prostora preko toplotnega izmenjevalnika (rešetke na zadnji strani hladilnika).

Pozimi toplotna črpalka zrak-zrak ogreva zrak v prostoru, poleti pa ga lahko hladi.

Da pa se hladilno sredstvo nato ohladi na delovne temperature, se stisne v kompresorju. Poleg tega med delovnim ciklom freon v sistemu kompresor-kondenzator-uparjalnik nenehno prehaja iz plinastega v tekoče stanje in nazaj.

Zračna toplotna črpalka deluje popolnoma enako. Le da toploto jemlje z ulice, ne iz zaprtega zamrzovalnika. Tudi če je zunaj mraz, je v ozračju še vedno precej toplotne energije.

Za proizvodnjo toplote toplotna črpalka potrebuje samo energijo, ki se porabi za delovanje kompresorja. Na shemi je podrobno prikazan proces prenosa toplote.

Toplotna črpalka zrak-zrak je sestavljena iz naslednjih elementov:

• kompresorja;
• uparjalnika s ventilatorjem za prisilno prezračevanje;
• razširitvenega ventila;
• bakrenih cevk za prečrpavanje freona med ulico in hišo;
• kondenzatorja z ventilatorjem za dovajanje ogretega zraka v prostor.

Prvi trije elementi tvorijo zunanjo enoto, zadnji pa spada v notranji del toplotne črpalke. Toplotno izolirane bakrene cevke so namenjene neprekinjenemu premeščanju toplotnega nosilca med tema moduloma split-sistema.

Gibanje freona v toplotni črpalki poteka po zaprtem krogu, zaradi česar se nenehno stiska in širi.

Algoritem delovanja toplotne črpalke zrak-zrak je naslednji:

1. Zunanji zrak se s ventilatorjem vsesa v zunanjo enoto in se prepelje skozi rebra zunanjega uparjalnika. Freon, ki kroži po toplotnem izmenjevalniku, vsesa toplotno energijo, ki je v njem, pri tem pa preide v plinasto stanje.
2. Nato plin vstopi v kondenzator, kjer se stisne. Nato se po bakrenih cevkah prečrpa v notranjo enoto.
3. V kondenzatorju, ki je nameščen v hiši, plin preide nazaj v tekočino, pri čemer oddaja toploto zraku v prostoru.
4. Nato se odvečni tlak sprosti preko razširitvenega ventila in tekoči freon se ponovno pošlje v primarni uparjalnik.

Vrednost temperature freona, ki vstopa v zunanjo enoto, je vedno nižja od temperature okolice. Zato vedno jemlje toploto iz ozračja.

Vendar je raven 'ohlajanja' toplotnega nosilca v sistemu konstantna, zunanja temperatura pa nenehno niha. Zaradi tega toplotna črpalka ob močnih zmrzalih izgublja svojo učinkovitost.

Krogotok gibanja toplotnega nosilca toplotne črpalke zrak-zrak: 1. stisne ga kompresor, 2. kondenzira v toplotnem izmenjevalniku, pri čemer oddaja toploto, 3. v obliki tekočine vstopa v zunanji toplotni izmenjevalnik, 4. tam izhlapi, pri izhlapevanju zajame toplotno energijo zunanjega okolja, 5. se ponovno vrne v kondenzator.

Da bi povečali moč toplotne črpalke, so površine kondenzatorja in uparjalnika čim večje. Za nemoteno delovanje v zimskem obdobju pa je zunanji toplotni izmenjevalnik opremljen z lastnim sistemom za odtaljevanje.

Prednosti in slabosti zračne toplotne črpalke

Vsak tehnično zahteven sistem ima svoje prednosti in pomanjkljivosti. Reklamni prospekti so eno, v resnici pa lastniki toplotnih črpalk tvegajo, da se bodo soočili z določenimi težavami.

Naprave za ogrevanje/hlajenje tipa 'zrak-zrak' so ugodne iz več razlogov.

Med glavne prednosti uvrščamo:

• Vsestranskost. Sistemi omogočajo ogrevanje in hlajenje prostorov glede na namen prostora, potrebe in klimatsko sezono.
• Okolju prijaznost. Omogočajo popolno opustitev sežiganja zemeljskega plina, premoga, lesa ipd., ki onesnažujejo naravno okolje s produkti zgorevanja.
• Enostavnost montaže. Sestaviti sistem iz tovarniško izdelanih komponent ne bo težko. Toplotno črpalko je mogoče sami izdelati iz priročnih sredstev.
• Požarna varnost. Postopek pridobivanja toplote ni povezan z uporabo goriva. Tudi motnje v delovanju naprave ne morejo povzročiti vžiga.
• Gospodarnost. Privabljajo z visokim koeficientom prenosa toplote ob minimalnih stroških (za porabljen 1 kW električne energije oddajo 4–5 kW toplote). Poleg tega se hitro povrnejo.
• Cenovna dostopnost. Cena tovarniško izdelanih sistemov omogoča, da si lahko toplotno črpalko privošči skoraj vsak, ki si to želi. Ročno izdelana naprava bo skoraj brezplačna.
• Udobnost uporabe. Najbolj tehnično zahtevna naprava v sistemu – kompresor, s katerega vzdrževanjem se ni težko spopasti. Pri značilni obremenitvi toplotnih črpalk kompresorji redko odpovejo pred proizvajalčevo obljubljenim rokom.

Za ogrevanje ene sobe je dovolj namestiti split-sistem, tako da na fasado namestite zunanji modul, na notranjo steno pa konvektor. Za ogrevanje več prostorov bo treba urediti kanale za distribucijo segretega zraka.

Na vsak porabljen kilovat električne energije toplotna črpalka proizvede do pet kilovatov toplotne energije.

Vse upravljanje toplotne črpalke zrak-zrak poteka preko vgrajene avtomatike. Delovanju in nastavitvi tega sistema ne bo treba posvečati posebne pozornosti. Treba bo le redno čistiti zračne filtre in jih občasno zamenjati.

Med negativnimi stranmi toplotnih črpalk lahko omenimo:

• sicer nepomemben, a vendarle hrup;
• neposredno odvisnost učinkovitosti sistema od zunanje temperature;
• povečanje porabe elektrike ob ohladitvi na zunaj;
• stalno lebdeč prah v zraku zaradi neprekinjenega delovanja ventilatorja in konvekcije zraka v sobi;
• odvisnost od električnega napajanja (za neprekinjeno delovanje bo potreben generator).

Pri zunanjih temperaturah do –10 °C vse deluje odlično, toplote, odvzete zunaj, je povsem dovolj za ustvarjanje udobnih pogojev v hiši. Toda pri nadaljnjem ohlajanju učinkovitost črpalke strmo pade.

Če je vila zgrajena v območju s hladnim podnebjem in močnimi zmrzali pozimi, ne gre brez dodatnega kotla ali kamina.

V toplem podnebju zračna toplotna črpalka brez težav opravlja zastavljene naloge ogrevanja zasebne hiše, vendar pri močnih zmrzali dodaten vir toplote ne bo odveč.

Za vzpostavitev zračnega ogrevanja so takšni sistemi idealni. Minimalni stroški električne energije, napora pri montaži in težav pri vzdrževanju. Vendar z njimi ni mogoče ogreti vode. Za to bo treba dodatno namestiti bojler ali se priključiti na centralizirana omrežja.

Toplotne črpalke zrak-zrak so optimalen način ogrevanja stavb, zgrajenih iz lesa ali SIP. Pri takih stavbah so toplotne izgube nizke, moči zračne toplotne črpalke za njihovo ogrevanje zadostujejo v izobilju.

V poletnem obdobju lahko toplotno črpalko zrak-zrak uporabite za ogrevanje vode v bazenu

Bistvene razlike od klimatske naprave

Navzven je toplotna črpalka zrak-zrak podobna gospodinjski klimatski napravi. Vendar ima svoje značilne konstrukcijske lastnosti in tehnične specifikacije.

Prva naprava se uporablja kot glavni vir ogrevanja, ki deluje celoletno. Druga pa je bolj namenjena hlajenju zraka v poletni vročini.

Glavna funkcija toplotne črpalke je ogrevanje. Vendar pa številni modeli lahko tudi hladijo zrak v prostoru. Toda v tem načinu delovanja močno zaostajajo za klimatsko napravo glede energetske učinkovitosti. To je bolj skrajni primer njihove uporabe.

Po zunanjem videzu sta si klimatska naprava in zračna toplotna črpalka podobni, vendar imata popolnoma različno namembnost in obratovalne značilnosti.

Po drugi strani pa lahko tudi številne inverterske klimatske naprave ogrevajo zrak v prostorih. Vendar pri tem porabijo precej več električne energije kot toplotne črpalke. Vsaka naprava ima svoj namen.

Uporaba toplotne črpalke »zrak-zrak« je predvsem prehod na obnovljive vire energije.

Ti sistemi so ekonomsko ugodni, kljub velikim začetnim denarnim vložkom. Zmanjšanje plačil za ogrevanje povrne vse začetne stroške.

Izbira in izračuni toplotne črpalke

Toplotna črpalka zrak-zrak bo učinkovita le, če je pravilno izbrana. Potrebno je vnaprej izračunati njeno moč glede na kvadraturo hiše. Šele nato pa preveriti, kakšne so cene pri različnih proizvajalcih.

Pri izračunih se uporablja koeficient energetske učinkovitosti COP (razmerje moči toplotne črpalke in porabljene energije).

Pri idealnih pogojih ta pogosto dosega 4–5 točk, najsodobnejši modeli pa do 7–8. Vendar ob padcu zunanje temperature na -15–20 °C ta vrednost močno pade na le dve točki.

Optimalno produktivnost pri ogrevanju toplotna črpalka doseže pri zunanjih temperaturah -10…+10 °C, saj do ¾ toplotne energije vzame iz zunanjosti.

Pri izračunu zračnega ogrevanja je treba upoštevati:

• toplotno izolacijo in insolacijo prostorov;
• površino sob;
• število stanovalcev v hiši;
• splošne podnebne razmere območja, kjer stoji hiša.

Za večino hiš je na vsakih deset kvadratnih metrov potrebnih približno 0,7 kW moči toplotne črpalke. A vse je tu precej pogojno. Če so stropi višji od 2,7 m ali so stene in okna slabo izolirani, bo potrebno več toplote.

Proizvajalcev toplotnih črpalk zrak-zrak ni malo tako v Aziji kot v Evropi.

Dobre ocene imajo sistemi podjetij Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Carrier, Aertec, Panasonic in Toshiba. Skoraj vsi njihovi modeli so prilagojeni domačim pogojem delovanja in so se dobro izkazali.

Tudi ob nihanjih napetosti se ne pokvarijo in po ponovnem vklopu elektrike še naprej delujejo brezhibno.

Cena priljubljenih zračnih toplotnih črpalk se giblje med 900 in 4.500 €. Tu je veliko odvisno ne le od moči naprave, ampak tudi od dodatne funkcionalnosti in države izdelave.

Posamezni modeli so dopolnjeni z:

• filtri za čiščenje in razkuževanje zraka;
• rezervnimi grelniki;
• električnimi generatorji;
• GSM-moduli za upravljanje sistema;
• ionizatorji in ozonatorji.

Praksa kaže, da pri zmrzali pod -15 °C v prostorih, ki se ogrevajo samo z zračno toplotno črpalko, postane hladno. In brez dodatnega grelnika udobje v prostorih očitno ni zagotovljeno.

Vendar pa je v južnih regijah, kjer so takšne zmrzali redke, TP povsem učinkovita in upraviči porabljen denar z obrestmi zaradi prihranka energije.

Domača izdelava iz starega hladilnika

Sestaviti toplotno črpalko zrak-zrak iz posameznih kompresorjev in kondenzatorjev brez specializiranega inženirskega znanja je precej težko. Toda za majhno sobo ali rastlinjak lahko uporabite star hladilnik.

Najpreprostejšo zračno toplotno črpalko lahko izdelate iz hladilnika, tako da vanj z ulice napeljete zračni kanal in na zadnjo rešetko toplotnega izmenjevalnika namestite ventilator.

Za to je treba na sprednjih vratih hladilnika narediti dve luknji. Skozi prvo bo v zamrzovalnik vstopal zunanji zrak, skozi drugo, spodnjo, pa bo izstopal nazaj na ulico.

Pri tem bo med prehodom skozi notranjo komoro oddajal del toplote, ki jo vsebuje, freonu.

Prav tako lahko hladilni stroj preprosto vgradite v steno z odprtimi vrati navzven, toplotni izmenjevalnik pa zadaj v prostor. Vendar je treba upoštevati, da bo moč takega grelnika majhna in da porabi precej električne energije.

Zrak v prostoru se segreva od toplotnega izmenjevalnika na zadnji strani hladilnika. Vendar pa je takšna toplotna črpalka sposobna delovati le pri zunanjih temperaturah najmanj plus pet stopinj Celzija.

Ta gospodinjski aparat je namenjen izključno za uporabo v zaprtih prostorih.

V veliki vili bo treba sistem zračnega ogrevanja dopolniti z zračnimi kanali, ki enakomerno razporejajo topel zrak po vseh prostorih.

Montaža toplotne črpalke zrak-zrak je izjemno preprosta. Namestiti je treba zunanjo in notranjo enoto, nato pa ju med seboj povezati s krogotokom s toplotnim nosilcem.

Prvi del sistema se namesti na prostem: neposredno na fasadi, strehi ali v bližini stavbe. Drugi del je v hiši mogoče namestiti na strop ali steno.

Zunanjo enoto je priporočljivo namestiti nekaj metrov od vhoda v vilo in stran od oken, ne smemo pozabiti na hrup, ki ga povzroča ventilator.

Notranja enota pa se namesti tako, da se tok toplega zraka iz nje enakomerno širi po celotnem prostoru.

Če s toplotno črpalko zrak-zrak nameravate ogrevati hišo z več prostori na različnih nadstropjih, boste morali urediti sistem prezračevalnih kanalov s prisilnim vpihovanjem.

V tem primeru je bolje naročiti projekt pri kompetentnem inženirju, sicer moč toplotne črpalke morda ne bo zadostovala za vse prostore.

Električni števec in zaščitna naprava morata prenašati konične obremenitve, ki jih povzroča toplotna črpalka. Ob nenadnem ohladitvi zunaj začne kompresor porabljati večkrat več elektrike kot običajno.

Najbolje je, da za tovrstni zračni grelnik napeljete ločeno napajalno linijo iz razdelilne omarice.

Posebno pozornost je treba nameniti montaži cevi za freon. Že najmanjši ostružki v notranjosti lahko poškodujejo kompresorsko opremo.

Tukaj ne gre brez spretnosti spajkanja bakra. Polnjenje hladilnega sredstva je sploh vredno zaupati strokovnjaku, da se pozneje izognete težavam s puščanjem.

Navodila po korakih za izdelavo toplotne črpalke iz hladilnika so opisana v tem članku.

Zaključki in koristen video na to temo

Načelo delovanja toplotnega split-sistema «zrak-zrak»:

Zračna toplotna črpalka v ogrevalnem sistemu dvonadstropne hiše:

Inverterska klimatska naprava ali zračna toplotna črpalka – kaj je bolje?

Toplotne črpalke, ki delujejo po načelu «zrak-zrak», so visoko učinkovite naprave. So preproste za vzdrževanje, priročne za uporabo in ekonomične.

V prodaji je zdaj ogromen izbor tovrstnih sistemov, za vsako hišo lahko izberete ogrevalno napravo. Le pravilno morate izračunati njeno moč, potem bo učinkovito delovala dolga leta.

Kaj pa vi menite o učinkovitosti in smotrnosti uporabe toplotnih črpalk “zrak-zrak”? Delite svoje mnenje, pustite mnenja o uporabi naprav in postavljajte vprašanja. Obrazec za komentarje se nahaja spodaj.