Toplotna pumpa

Princip rada

Toplotna pumpa ili toplotna dizalica je mašina koja uz upotrebu mehaničkog rada prenosi toplotnu energiju iz okoline s nižom temperaturom do potrošača s višom temperaturom. Ovaj proces je obrnuti Karnotov ciklus toplotnih mašina poput parne mašine ili Stirlingovog motora.

Šema toka toplotne energije (s lijeva na desno): 1) Kondenzator, 2) Ventil za ekspanziju, 3) Isparavač, 4) Kompresor Tamnocrveno:Topli gas u gasovitom stanju pod visokim pritiskom Ružičato:Topli gas u tečnom stanju pod velikim pritiskom Plavo: Razhlađeni gas u tečnom stanju pod niskim pritiskom (nakon širenja) Svijetloplavo: Razhlađeni gas u gasovitom stanju pod niskim pritiskom

Historija

• Francuz Carnot je 1824. godine objasnio princip rada toplotne pumpe.
• Amerikanac Jacob Perkins je 1834. napravio prvu toplotnu pumpu odnosno kompresor koja je mogla hladiti.
• Lord Kelvin je 1852. dokazao da se kompresiona mašina može koristiti i za zagrijavanje.
• 1860 – 1870 koriste se kompresione mašine za proizvodnu leda kao i sladoleda. Upotreba se proširuje na cijelu prehrambenu industriju.
• Nakon Prvog svjetskog rata počinje masovna proizvodnja frižidera u SAD-a.
• 1919. godine se u Švicarskoj istražuje se mogućnost zagrijavanja kuća sa toplotnim pumpama.
• 1920. u SAD-a se proizvode klimatski uređaji koji su mogli i grijati. Tada je njihova potrošnja električne energije bila veća nego količina prozvedene toplote.
• 1929. tokom velike privredne krize poznate pod nazivom velika depresija pokušavaju se proizvesti rentabilnije toplotne pumpe.
• 1940. u SAD-a se proizvodi prva toplotna pumpa koja koristi toplotu iz zemljinog tla.

Sastav toplotne pumpe

Toplotna pumpa se sastoji od sljedećih dijelova:

• Kompresor
• Ventil za ekspanziju
• Gas odnosno fluid za prenos toplote,
• Isparavač
• Parni kondenzator

Rad toplotne pumpe

Gas naprimjer, propan koji u isparavaču prima toplotu okoline (voda, vazduh itd.) s kompresorom se sabija i prelazi u tečno stanje. U parnom kondenzatoru gas oslobađa toplotu, koja preko razmjenjivača ide na stranu potrošnje. Nakon što je gas izgubio dio toplotne energije, razhlađen se širi preko ventila. Tada se opet u gasovitom stanju vraća u isparavač. Ovaj ciklus se iznova ponavlja.

Izvori toplotne energije

Kao izvori toplotne energije se koriste:

• Vazduh odnosno atmosfera
• Sunčevi zraci
• Zemljino tlo
• Podzemne vode: bunari
• Površinske vode:more, jezera, rijeke
• Otpadne vode kao i otpadna toplota iz domaćinstava i industrije

Vrste toplotnih pumpi po medijumu

Toplotne pumpe se mogu razlikovati na osnovu toga koji se medijum (vazduh ili voda) primjenjuje kao izvor toplote. Isto tako različiti medijumi mogu prenositi toplotu do potrošača.

Vazduh-vazduh toplotne pumpe

Ova vrsta toplotnih pumpi koristi toplotu vanjskog vazduha koju preko razmjenjivača prenosi na vazduh objekta koji se grije. Ugradnja je moguća na balkonu, pa se mogu koristiti i u gusto naseljenim predjelima kao i visokom zgradama gdje transport vode za radijatore iziskuje više energije.

Vazduh-voda toplotne pumpe

Toplota vazduha se prenosi na cirkulacijski sistem napunjen vodom. Ovakav način prenosa toplotne energije zahtijeva upotrebu vodenog rezervoara. U zimskom periodu koeficijent efikasnosti je slabiji

Voda-voda toplotne pumpe

Toplota rijeka, jezera ili podzemnih voda prenosi se na cirkulacijski sistem napunjen vodom. Temperatura podzemnih voda iznosi čak i u zimskim mjesecima negdje oko 12 °C. U ovom slučaju nije potreban dodatni rezervoar.

Primjena u praksi

U praksi se toplotne pumpe najviše primjenjuju kod frižidera i zamrzivača. Kao izvor toplotne energije služe namirnice i pića, odnosno vazduh u frižideru a toplotna energija se oslobađa u okolinu, gdje se kompresor pogoni električnim motorom. Isto tako, ove pumpe mogu da se koriste i za zagrijavanje kuća ili zgrada. Toplotna energija se obično upotrebljava iz zemljinog tla, jer na dubini većoj od 10 metara ostaje toplota konstantna na 10 stepeni °C. Količina potrošene električne energije za pogon pumpe je niža od količine prozvedene toplote. Time se ovim pumpama može postići znatna ušteda energije za grijanje. Mjera za stepen korisnosti toplotnih pumpi se zove COE. Ona pokazuje odnos dobijene topotne energije i uložene energije za pogon pumpe. koeficijent efikasnosti odnosno faktor grijanja je recipročan Karnotovom ciklusu:

$={\frac {Tp}{Tp-Ti}}$

Tp= temperatura potrošača Ti=temperatura izvora

Stepen korisnosti pumpe je sve bolji što je manja razlika između temperature izvora i potrošača.

Primjer: Toplota tla iznosi Ti= 10 °C odnosno 283 Kelvina, za zagrijavanje jednog domaćinstva potrebna je temperatura radijatora oko Tp = 65 °C odnosno 338 Kelvina, a za podno grijanje bi bilo dovoljno i 35 °C.

$={\frac {Tp}{Tp-Ti}}$

$={\frac {338}{338-283}}={\frac {338}{55}}=6,1$

U ovom primjeru je moguće dobiti 6-puta više energije nego što je utrošeno za pogon toplotne pumpe. Međutim, u praksi je ovaj koeficijent niži, negdje oko 4, jer se i drugi faktori trebaju uzeti u obzir:

• Vrsta gasa koji se upotrebljava
• Period, odnosno godišnje doba u kojem se upotrebljava toplotna pumpa.
• Ukupno vrijeme upotrebe pumpe
• Postojanje rezervoara za čuvanje viška toplote, što je važno u zimskom periodu, jer se tada drastično smanjuje COE
• Prosječna godišnja razlika temperatura okoline i potrebne temperature na strani potrošača.

Proizvođači

Poznati proizvođači su:

• Stiebel Eltron
• Viessmann
• Vaillant
• Buderus

Literatura

• Althouse, A.D., Turnquist C.H., Bracciano A.F. Modern refrigiration and air conditioning. The Googheart-Willcox co.,inc., South Holland, Illinois1982
• Labudović, B. Obnovljivi izvori energije. Energetika marketing, Zagreb 2002.
• Žilić, D. 2001.Prilagodba rashladnih sustava novim tvarima. Ministarstvo zaštite okoliša i prostornog uređenja, Zagreb 2001.
• Recknagel-Sprenger-Schramek: Taschenenbuch für Heizung Klimatecnik. (njem.) ISBN 3-486-26214-9
• Thorsten Schröder: Wärmequellen für Wärmepumpen, Verlag Dortmunder Buch, 2013 (njem.) ISBN 978-3-9812130-7-2, ,

Vanjski linkovi

• Achmed A.W. Khammas, Blog o alternativnim izvorima energije (njem.)
• Dr. Rüdiger Paschotta, Leksikon o alternativnim i konvencionalnim izvorima energije (njem.)