UVOD

Uporaba toplotne èrpalke uporabniku stanovanjskega objekta predstavlja ne samo okolju prijazen naèin ogrevanja (ogrevanje prostorov in priprava tople vode) temveè predvsem energetsko uèinkovit in najpogostejše tudi cenejši naèin glede na sicer pogostejše uporabljana fosilna goriva.

Toplotne èrpalke so naprave, generatorji toplote, ki uporabljajo toploto okolice ter jo pretvarjajo v uporabno toploto za ogrevanje prostorov in segrevanje sanitarne vode. Toplota, ki jo iz okolice èrpajo toplotne èrpalke je v razliène snovi akumulirana sonèna energije, zato predstavlja obnovljiv vir energije. Toplotne èrpalke najpogostejše uporabljajo toploto zraka, toploto akumulirano v zemlji in kamnitih masivih, toploto podtalne in površinske vode, lahko pa tudi »odpadno« toploto.

DELOVANJE TOPLOTNIH ÈRPALK

Toplotne èrpalke snovem iz okolice odvzemajo toploto na nižjem temperaturnem nivoju ter jo oddajajo v ogrevalni sistem na višjem temperaturnem nivoju. Da je to mogoèe, je potrebno v takšen krožni proces dovesti dodatno pogonsko, najpogostejše elektrièno, energijo. Toplotna èrpalka potrebuje za prenos toplote delovni medij, ki s spremembo svojega agregatnega stanja prenaša toploto iz okolice v poljuben ogrevalni sistem. Kot delovno sredstvo se v toplotnih èrpalkah uporabljajo t.i. hladiva, ki nimajo škodljivih vplivov na okolje.

Slika 1 Delovanje toplotne èrpalke
(vir: Zbirka uèinkovita raba energije – Toplotne èrpalke, avtorja Karmen Rotnik in Miha Praznik, AURE)

Proces (slika 1) v kompresorski toplotni èrpalki poteka po zakljuèenem tokokrogu. Hladivo v uparjalniku (1) odvzame toploto okoliškemu mediju (5) in se upari. Uparjeno hladivo nato potuje skozi kompresor (2), kjer se mu zaradi vloženega mehanskega dela-kompresije zvišata tlak in temperatura. V kondenzatorju (3) uparjeno hladivo kondenzira in pri tem odda toploto mediju (6), ki ga ogreva. Utekoèinjeno in ohlajeno hladivo potuje skozi dušilni ventil (4), kjer ekspandira na nižji tlak ter od tu nazaj v uparjalnik. Ta krožni proces se ponavlja, dokler deluje toplotna èrpalka.

UPORABA TOPLOTNIH ÈRPALK

V stanovanjskih objektih streèujemo najpogostejše manjše sisteme s toplotno èrpalko, kjer omogoèa pripravo tople vode v doloèenem obdobju leta. Takšni sistemi so torej pri nas že dobro poznani, za uporabnika pa so zanimivi predvsem zaradi nizke investicije v sistem in krajše vraèilne dobe vloženih sredstev ter zaradi enostavne vgradnje, tako ob posodabljanju kotlovnice, kot tudi v primeru novogradnje.

Glede na izvedbo loèimo »kompaktne« toplotne èrpalke in toplotne èrpalke »loèeni« (split) izvedbi. Pri loèeni izvedbi so posamezni deli toplotne èrpalke lahko namešèeni na razlièni lokaciji. Najveèkrat je uparjalnik namešèen bližje viru toplote, medtem ko sta kondenzator in hranilnik toplote namešèena v kotlovnici.

Pogoj za uporabo toplotne èrpalke v stanovanjskem objektu v smislu ogrevanja pa predstavljajo relativno majhne toplotne izgube stavbe, ki pa ga veèina saniranih starejših stavb in novogradenj seveda popolnoma izpolnjuje. Objekt z zmanjšanimi toplotni izgubami lahko za ogrevanje uporablja ogrevalne sisteme (npr. talni, stenski in/ali radiatorski sistem), ki delujejo v nižjem temperaturnem obmoèju ter zaradi tega omogoèajo delovanje toplotne èrpalke s kar najveèjo uèinkovitostjo.

Slednjo vrednotimo z »grelnim številom«, ki predstavlja razmerje iz naprave pridobljene toplote ter vanjo vložene elektriène energije. Vrednosti se razlikujejo glede na vrsto sistema, predvsem zaradi razliène temperature vira okoliške toplote in potrebne temperature medija v ogrevalnem sistemu, in obsegajo podroèje vrednosti, ki se zaène nad 2 in poteka vse nad vrednost 4! Te vrednosti pa seveda vodijo k nižji ceni pridobljene toplote, glede na fosilna goriva, npr. ekstra lahko kurilno olje, kar bomo tudi prikazali.

EKONOMSKA UPRAVIÈENOST UPORABE TOPLOTNIH ÈRPALK

V nadaljevanju je s pomoèjo enostavne primerjalne analize prikazana smiselnost uporabe sistemov s toplotno èrpalko glede na najpogostejše uporabljan fosilni vir energije za ogrevanje. t.j. ekstra lahko kurilno olje.

V primerjavi so vkljuèeni trije, v zadnjem èasu najbolj aktualni sistemi s toplotno èrpalko, ki jih vedno pogosteje sreèujemo v Sloveniji. Kot obnovljivi vir energije uporabljajo toploto okoliškega zraka, toploto površinskih plasti zemlje ter toploto kamenin.

Toploto zraka iz okolice lahko sodobne naprave izkorišèajo z nekoliko zmanjšano energijsko uèinkovitostjo tudi do zelo nizkih temperatur, npr. –15°C, kar omogoèa uporabo praktièno povsod. V konici kurilne sezone zato lahko kot dodatni vir energije sistem vklopi elektrièni grelec. Le ta pa na nivoju letne porabe elektriène energije v toplotni èrpalki predstavlja le manjši delež, npr. 10%, ki niha glede na specifiène klimatske razmere v vsakem letu.

Ko za delovanje toplotne èrpalke uporabimo toploto zemlje, se poslužujemo nekoliko globje plasti, kjer nihanja temperature niso tako izrazita kot na sami površini. V zemljišèe posegamo le malo, saj zemeljski kolektor polagamo v strojno izkopan kanal. Potrebno površino doloèa intenzivnost odjema toplote, zaradi katere naj bi sistem deloval uravnoteženo ter brez vpliva na okolje.

V primeru uporabe toplote kamenin pa je potrebno zaprt kolektorski sistem vstaviti v izdelano vrtino, ki je dimenzionirana glede na moè naprave oziroma letno potrebo stavbe po toploti. Sam postopek je invesiticijsko zahtevnejši glede na primer prejšnjega sistema, vendar pa je delovanje takšne toplotne èrpalke še uèinkovitejše, kar posledièno vpliva na manjše obratovalne stroške. Zato je takšna varianta še posebej zanimiva za investitorje, ki predvidevajo veèjo porabo toplote.

Za primerjavo sistemom s toplotno èrpalko uporabimo sistem na fosilna goriva. Ker so pri nas najbolj pogosti sistemi s kotli na ekstra lahko kurilno olje je smiselna primerjava z sodobno, energijsko uèinkovito tehnologijo s tega podroèja. Le to predstavljajo sistemi za centralno ogrevanje stavb in akumulacijsko pripravo tople vode z nizkotemperaturnimi kotli.

Da lahko obe vrsti sistemov primerjamo, je potrebno analizirati primera, ko v novogradnjo prviè vgrajujemo nizkotemperaturni oljni kotel ter kadar je vgradnja te naprave posledica izvajanja sanacije kotlovnice v obstojeèem objektu. Èeprav ni razlike v samem delovanju kotlov v obeh primerih (uèinkovitost delovanja namreè ostaja ista), nastopa razlika v fazi investicije. V primeru sanacije sistema lahko ob novem kotlu uporabite obstojeè sistem za hranjenje goriva ter obstojeèe (po potrebi sanirane) dimnovodne naprave. Pri novogradnji pa je potrebno oba navedena sistema šele vgraditi, kar nastopa kot investicijska razlika glede na prejšnji primer sanacije.

Slika 2 Primerjalni prikaz investicije v izgradnjo sistemov s toplotno èrpalko glede na nizkotemperaturni kotel na kurilno olje

Diagram na sliki prikazuje okvirna razmerja investicij za primer vseh treh obravnavanih sistemov s toplotno èrpalko, pri èemer je kot izhodišèna investicija (100%) izbran sistem s kotlom na kurilno olje. Zaradi primerjave s saniranim in novovgrajenim sistemom na olje so vrednosti dvojne.

V primeru novogradnje je sistem s toplotno èrpalko dražji okvirno med 20 in 140%, v primerjalnem primeru sanacije pa med 60 in 220%. Iz oèitnega razmerja v prid sistemoma na fosilna goriva je torej možno zakljuèiti, da višja investicija v sisteme s toplotno èrpalko zlahka odvrne potencialnega investitorja, ki ni ustrezno seznanjen z dolgoroènejšimi finaènimi uèinki dolovanja sistemov. V nadaljevanju se namreè prav tako oèitno izkaže, da imajo sistemi z višjo zaèetno investicijo skoraj sorazmerno nižji obratovalni strošek.

Vseh pet obravnavanih primerov sistemov uporabljamo za ogrevanje stanovanjskega objekta in pripravo tople vode. Takšen tipièen objekt potrebuje letno približno 80% toplote za ogrevanje stavbe ter preostalih 20% za pripravo tople vode. Skupna letna vrednost naj znaša 20MWh.

Sistema s sodobnima kotloma na kurilno olje morata ob predpostavljenem letnem izkoristku delovanja (80%) za dosego navedenih 20 MWh koristne toplote z gorivom letno dovesti 25 MWh konène energije oziroma ekvivalentnih 2500 litrov kurilnega olja. Cena 1 MWh konène energije iz ekstra lahkega kurilnega olja znaša približno 8.500 SIT.

Trije sistemi s toplotnimi èrpalkami glede na specifiko delovanja, npr. razlièna grelna števila sistemov, razlièni deleži dodane elektriène energije v konici sezone, zahtevajo razlièno kolièino vložene elektriène energije. Privzamemo naslednje realne vrednosti: sistem na zunanji zrak 8.2 MWh, sistem z zemeljskim kolektorjem 7.1 MWh in sistem z vrtino 5.7 MWh. Ocenjujemo tudi, da sistem uporabi 2/3 elektriène energije v èasu visoke tarife, preostalo 1/3 pa v èasu cenejše nižje tarife. Takšna cena 1 MWh elektriène energije posledièno znaša približno 16.500 SIT.

Slika 3 Primerjalni prikaz letnega stroška za porabljeno gorivo oziroma elektrièno energijo za sisteme s toplotno èrpalko glede na nizkotemperaturni kotel na kurilno olje

Diagram na sliki prikazuje primerjavo letnih stroškov ogrevanja (produkt letne rabe energije in cene energije) treh sistemov s toplotno èrpalko glede na sistem s fosilnim gorivom. Preje omenjena višina letnih stroškov je tu oèitno sorazmerna z investicijo v sistem in kot takšna v primeru toplotnih èrpalk predstavlja med 40 in 60% znižanje glede na izhodišèno vrednost letnega stroška za gorivo!

Vprašanje, ki si ga je potrebno v nadaljevanju zastaviti pa je, v kakšnem obdobju delovanja nam sistem s toplotno èrpalko z letnimi prihranki stroškov za energijo povrne razliko v investiciji glede na »klasièen« sistem s fosilnim gorivom.

Slika 4 Primerjava skupnih stroškov petih sistemov v obratovanju za èasa življenjske dobe

Primerjalni diagram na zadnji sliki prikazuje narašèanje stroškov v èasu delovanja vseh petih obravnavanih sistemov. Na prièetku vsake linije stroškov se pojavi zaèetna investicija (v letu »0«), v vsakem izmed nadaljnjih 20 let obratovanja pa se skupnem strošku prišteje tudi letni strošek za porabljeno gorivo oziroma elektrièno energijo.

Sistem s toplotno èrpalko, ki uporablja okoliški zrak kot vir toplote, se na raèun letnega prihranka v obratovalnem strošku investicijsko povrne v atraktivnih 3 letih glede na novovgrajen sistem oziroma v 7 letu pri saniranem sistemu na kurilno olje. V preostanku življenjske dobe pa nam prinaša samo dobièek, razviden iz razlike na desni strani diagrama.

Sistem z zemeljskim kolektorjem se povrne v 5 oziroma 8 letih, kar je nekoliko veè kot v prejšnjem primeru in predstavlja približno tretjino življenjske dobe. Razvidno pa je tudi, da je prihranek na koncu življenjske dobe sistema pravzaprav enak kot pri prejšnjem sistemu.

Sistem z vrtino je zaradi višje investicije v obravnavanem primeru (relativno majhna letna potreba po toploti), vraèljiv nekoliko kasneje, šele v 13 oziroma 15 letu delovanja. Ker je v takšnem sistemu obratovanje najcenejše, investicija pa najveèja, kombinacija obojega nakazuje atraktivnost uporabe pri veèjih porabnikih toplote. Vraèilne dobe takšnega sistema so tedaj namreè bistveno krajše in konkurenène ostalima dvema primeroma!

ZAKLJUÈEK

Na koncu je potrebno poudariti, da se v praksi zaradi manjših ali veèjih realnih odstopanj parametrov, ki izhajajo iz specifike razliènih primerov, pojavljajo tudi nekoliko drugaène (absolutne) vrednosti glede na prej navedene. A ugotovljeno dejstvo, ki izhaja iz (relativnih) razmerij pa ostaja: v veèino toplotno saniranih stavb ter novogradenj bi ob pravoèasnem naèrtovanju nove kotlovnice, ali posodabljanju obstojeèe, lahko namesto sodobnega kotla na fosilna goriva uporabili toplotno èrpalko. Ker se možnosti za uporabo obnovljivega vira energije na razliènih lokacijah lahko bistveno razlikujejo, vam strokovnjak s tega podroèja lahko predvidi ustrezno rešitev z vidika stroškovno ugodnejšega obratovanja ob ekonomsko opravièljivi investiciji. Takšni argumenti pa so zanimivi za vsakega investitorja, ki razmišljajo dolgoroèno.

Brezplaèno svetovanje in informacije na temo uporabe obnovljivih virov energije ter ostalih ukrepov uèinkovitejše rabe energije lahko dobite v energetsko svetovalnih pisarnam mreže ENSVET, ki delujejo kar v 35 veèjih slovenskih mestih. Podatke o delovanju pisarn lahko dobite na spletnih straneh (www.gi-zrmk.si/ensvet.htm).

Energetsko svetovanje poteka tudi v Gradbenem centru Slovenije v Ljubljani (telefon 01 568 23 45), kjer lahko dobite tudi informacije o proizvodih posameznih stalnih ter obèasnih razstavljalcev sodobne ogrevalne tehnike, vkljuèno z napravami na obnovljive vire energije.