UVOD

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

Toplotne črpalke 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 črpajo toplotne črpalke je v različne snovi akumulirana sončna energije, zato predstavlja obnovljiv vir energije. Toplotne črpalke najpogostejše uporabljajo toploto zraka, toploto akumulirano v zemlji in kamnitih masivih, toploto podtalne in površinske vode, lahko pa tudi »odpadno« toploto.

DELOVANJE TOPLOTNIH ČRPALK

Toplotne črpalke snovem iz okolice odvzemajo toploto na nižjem temperaturnem nivoju ter jo oddajajo v ogrevalni sistem na višjem temperaturnem nivoju. Da je to mogoče, je potrebno v takšen krožni proces dovesti dodatno pogonsko, najpogostejše električno, energijo. Toplotna črpalka 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 črpalkah uporabljajo t.i. hladiva, ki nimajo škodljivih vplivov na okolje.

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

Proces (slika 1) v kompresorski toplotni črpalki poteka po zaključenem 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. Utekočinjeno 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 črpalka.

UPORABA TOPLOTNIH ČRPALK

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

Glede na izvedbo ločimo »kompaktne« toplotne črpalke in toplotne črpalke »ločeni« (split) izvedbi. Pri ločeni izvedbi so posamezni deli toplotne črpalke lahko nameščeni na različni lokaciji. Največkrat je uparjalnik nameščen bližje viru toplote, medtem ko sta kondenzator in hranilnik toplote nameščena v kotlovnici.

Pogoj za uporabo toplotne črpalke v stanovanjskem objektu v smislu ogrevanja pa predstavljajo relativno majhne toplotne izgube stavbe, ki pa ga večina 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 območju ter zaradi tega omogočajo delovanje toplotne črpalke s kar največjo učinkovitostjo.

Slednjo vrednotimo z »grelnim številom«, ki predstavlja razmerje iz naprave pridobljene toplote ter vanjo vložene električne energije. Vrednosti se razlikujejo glede na vrsto sistema, predvsem zaradi različne temperature vira okoliške toplote in potrebne temperature medija v ogrevalnem sistemu, in obsegajo področje vrednosti, ki se začne 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 UPRAVIČENOST UPORABE TOPLOTNIH ČRPALK

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

V primerjavi so vključeni trije, v zadnjem času najbolj aktualni sistemi s toplotno črpalko, ki jih vedno pogosteje srečujemo v Sloveniji. Kot obnovljivi vir energije uporabljajo toploto okoliškega zraka, toploto površinskih plasti zemlje ter toploto kamenin.

Toploto zraka iz okolice lahko sodobne naprave izkoriščajo z nekoliko zmanjšano energijsko učinkovitostjo tudi do zelo nizkih temperatur, npr. –15°C, kar omogoča uporabo praktično povsod. V konici kurilne sezone zato lahko kot dodatni vir energije sistem vklopi električni grelec. Le ta pa na nivoju letne porabe električne energije v toplotni črpalki predstavlja le manjši delež, npr. 10%, ki niha glede na specifične klimatske razmere v vsakem letu.

Ko za delovanje toplotne črpalke uporabimo toploto zemlje, se poslužujemo nekoliko globje plasti, kjer nihanja temperature niso tako izrazita kot na sami površini. V zemljišče posegamo le malo, saj zemeljski kolektor polagamo v strojno izkopan kanal. Potrebno površino določa 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 moč naprave oziroma letno potrebo stavbe po toploti. Sam postopek je invesiticijsko zahtevnejši glede na primer prejšnjega sistema, vendar pa je delovanje takšne toplotne črpalke še učinkovitejše, kar posledično vpliva na manjše obratovalne stroške. Zato je takšna varianta še posebej zanimiva za investitorje, ki predvidevajo večjo porabo toplote.

Za primerjavo sistemom s toplotno črpalko 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 učinkovito tehnologijo s tega področja. 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 prvič vgrajujemo nizkotemperaturni oljni kotel ter kadar je vgradnja te naprave posledica izvajanja sanacije kotlovnice v obstoječem objektu. Čeprav ni razlike v samem delovanju kotlov v obeh primerih (učinkovitost delovanja namreč ostaja ista), nastopa razlika v fazi investicije. V primeru sanacije sistema lahko ob novem kotlu uporabite obstoječ sistem za hranjenje goriva ter obstoječe (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 črpalko glede na nizkotemperaturni kotel na kurilno olje

Diagram na sliki prikazuje okvirna razmerja investicij za primer vseh treh obravnavanih sistemov s toplotno črpalko, pri čemer je kot izhodiščna 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 črpalko dražji okvirno med 20 in 140%, v primerjalnem primeru sanacije pa med 60 in 220%. Iz očitnega razmerja v prid sistemoma na fosilna goriva je torej možno zaključiti, da višja investicija v sisteme s toplotno črpalko zlahka odvrne potencialnega investitorja, ki ni ustrezno seznanjen z dolgoročnejšimi finačnimi učinki dolovanja sistemov. V nadaljevanju se namreč prav tako očitno izkaže, da imajo sistemi z višjo začetno investicijo skoraj sorazmerno nižji obratovalni strošek.

Vseh pet obravnavanih primerov sistemov uporabljamo za ogrevanje stanovanjskega objekta in pripravo tople vode. Takšen tipičen 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 končne energije oziroma ekvivalentnih 2500 litrov kurilnega olja. Cena 1 MWh končne energije iz ekstra lahkega kurilnega olja znaša približno 8.500 SIT.

Trije sistemi s toplotnimi črpalkami glede na specifiko delovanja, npr. različna grelna števila sistemov, različni deleži dodane električne energije v konici sezone, zahtevajo različno količino vložene električne 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 električne energije v času visoke tarife, preostalo 1/3 pa v času cenejše nižje tarife. Takšna cena 1 MWh električne energije posledično znaša približno 16.500 SIT.

Slika 3 Primerjalni prikaz letnega stroška za porabljeno gorivo oziroma električno energijo za sisteme s toplotno črpalko 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 črpalko glede na sistem s fosilnim gorivom. Preje omenjena višina letnih stroškov je tu očitno sorazmerna z investicijo v sistem in kot takšna v primeru toplotnih črpalk predstavlja med 40 in 60% znižanje glede na izhodiščno vrednost letnega stroška za gorivo!

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

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

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

Sistem s toplotno črpalko, ki uporablja okoliški zrak kot vir toplote, se na račun 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 dobiček, razviden iz razlike na desni strani diagrama.

Sistem z zemeljskim kolektorjem se povrne v 5 oziroma 8 letih, kar je nekoliko več 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), vračljiv nekoliko kasneje, šele v 13 oziroma 15 letu delovanja. Ker je v takšnem sistemu obratovanje najcenejše, investicija pa največja, kombinacija obojega nakazuje atraktivnost uporabe pri večjih porabnikih toplote. Vračilne dobe takšnega sistema so tedaj namreč bistveno krajše in konkurenčne ostalima dvema primeroma!

ZAKLJUČEK

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

Brezplačno svetovanje in informacije na temo uporabe obnovljivih virov energije ter ostalih ukrepov učinkovitejše rabe energije lahko dobite v energetsko svetovalnih pisarnam mreže ENSVET, ki delujejo kar v 35 večjih 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 občasnih razstavljalcev sodobne ogrevalne tehnike, vključno z napravami na obnovljive vire energije.