Toplotna pumpa – Sistem grejanja za komforniji život

U stručnoj literaturi nailazi se na dvostruku upotrebu naziva jednog te istog uređaja. Neupućeni će u najmanju ruku biti u nedoumici jesu li dizalica toplote i toplotna pumpa jedan te isti uređaj, ili su oni možda samo srodni, ali po nečemu različiti. Ovim se kratkim osvrtom nastoji rasvetliti to pitanje sa jezičkog i tehničkog, a donekle i sa istorijskog gledišta. Treba naglasiti da se sa iznesenim stavovima slaže većina stručnjaka sa područja termotehnike sa kojima je to pitanje raspravljano.

Sintagma toplotna pumpa je prevod, npr. engleskog izraza heat pump ili nemačkog izraza wärmepumpe. Takav naziv nezadovoljava ni smisleno ni stručno. Izraz toplotna pumpa u duhu srpskog jezika upućuje na pumpu koja radi pomoću toplote (kao npr. toplotna mašina, toplotna turbina itd.). Zbog toga, prihvati li se ta kombinacija reči, ispravno bi bilo reći pumpa toplote, jer taj uređaj toplotnu energiju sa niskog temperaturnog nivoa stvarno transportuje, a može se reći da je pumpa, a mnogo je bolje reći da je diže na viši temperaturni nivo, kako bi omogućio njenu upotrebu za grejanje. Naglasak je na pojmu dizanja jer pumpa, odnosno pumpanje suviše asocira na dobavu tečnosti, ne zadovoljava dobro traženu namenu. Osim toga, pojam pumpa toplote zvuči nezgrapno, verovatno, jer uvo na to nije naviknuto. Sve to upućuje na to da se treba poslužiti drugim rešenjem, a to je dizalica toplote.

Šta kaže struka? Pumpa je radna mašina ili uređaj za transport tečnosti kojima se savladava razlika pritisaka koja postoji između potisne i usisne strane. Pritisak na potisnoj strani je pri tome teoretski neograničen, ali je u praksi ograničen, ako ničim drugim, onda čvrstoćom materijala. Na usisnoj strani je pritisak itekako ograničen, jer ako postane niži od pritiska zasićenja za zadatu temperaturu tečnosti, dolazi do isparavanja i prekida dobave. To je, npr. razlog zašto pumpa za vodu ne može ni teoretski izvlačiti vodu iz dubine veće od 10 m.

Energija, toplota, specifični toplotni kapacitet, snaga i učin

Energija (E), rad (W) i toplota (Q) su veličine iste vrste i imaju istu jedinicu (J). Često se koriste njihove izvedene jedinice (kJ, MJ, GJ), a i jedinica kWh, odnosno izvedena jedinica MWh.

Energija (E) je fizička veličina kojom se opisuje unutrašnje međudelovanje i stanje čestice nekog tela i njegovo među- delovanje s drugim telima, odnosno sposobnost obavljanja rada. Energija ne može ni nastati ni nestati, već samo prelaziti iz jednog oblika u drugi, pa izrazi kao što su „proizvodnja“, „dodavanje“, „potrošnja“ ili „štednja“ energije u fizičkom smislu nisu ispravni. Rad (W) je izvedena fizička veličina jedinica proizvoda sile i puta na kojem ona deluje. Toplota (Q) je oblik energije koji se karakteriše prenosom između tela različitih temperatura. Specifični toplotni kapacitet (c) je fizička veličina koja pokazuje koliko toplote treba dovesti 1 kg mase neke materije kako bi joj se temperatura povećala za 1K. Za stišljive materije (gasove) koriste se dve vrste toplotnih kapaciteta: pri konstantnom pritisku (c_p), pri konstantnom volumenu (c_v). Toplota koja je dovedena nekom telu mase m, odnosno koja je od njega odvedena je:

Q = m•c•Δυ,

gde su:
Q – toplota razmenjena u procesu (zagrevanje ili hlađenje nekog tela), J
c – specifični toplotni kapacitet tela, J/(kgK)
Δυ – razlika temperature pre procesa zagrevanja ili hlađenja i nakon njega, °C

Snaga ili učin (P, Ф) je fizička veličina jednaka odnosu količine toplote, rada ili energije i vremena, a može se opisati kao obavljeni rad ili toplota razmenjena u određenom vremenu. Pri tom se izraz snaga najčešće koristi kada se govori o obavljanju mehaničkog ili električnog rada, a učin kod razmene toplote. Jedinica za snagu, odnosno učin je W, a veće jedinice su (kW, MW, GW).
Entalpija, entropija, eksergija i anergija

Entalpija (H) je fizička veličina koja je jednaka zbiru unutrašnje energije i rada utiskivanja ili istiskivanja mase materije nekog sistema, odnosno veličina stanja koja opisuje njegovu energiju (tzv. Gibsova definicija). U praktičnoj je primeni češća specifična entalpija (h), po masi materije. Jedinica za entalpiju u SI sistemu je J, a za specifičnu entalpiju J/kg. Veličina stanja materije koje se koriste u rashladnim sistemima (u šta se ubrajaju dizalice toplote), odnosno radnih materija u različitim agregatnim stanjima se prikazuju u dijagramu zavisnosti pritiska (zbog pojednostavljenja izraženog u logaritamskom merilu) i entalpija, odnosno u tzv. logp-h dijagramu. Za potrebe rashladne i tehnike dizalice toplote logp-h dijagram se ne koristi samo za očitavanje (specifične) entalpije pri određenoj vrednosti pritiska i temperature (odnosno obratno), već i za pojednostavljeni prikaz i proračun kružnih procesa.

Entropija (S) je fizička veličina koja je jednaka odnosu razmenjene toplote i temperature te predstavlja ocenu savršenosti pretvaranja toplote u mehanički rad (tzv. Clausiusova definicija). Ona je veličina stanja pomoću koje se toplota razmenjena u ravnotežnom procesu može povezati sa temperaturom posmatranog tela. U praktičnoj je primeni češće specifična entropija (s), po masi materije. Jedinica za entropiju u SI-sistemu je J/K, a za specifičnu entropiju J/kgK).

Eksergija (W_E) je veličina kojom se opisuje deo energije koja se neograničeno, potpuno kod reverzibilnih procesa može pretvarati u druge oblike i time omogućavati (tehnički) rad, odnosno sposobnost obavljanja tehničkog rada (tzv. Rantova definicija).

Anergija (W_A) je veličina kojom se opisuje deo energije potrebne za obavljanje termodinamičkih procesa koji se ne može pretvarati u tehnički rad, odnosno beskorisna ili izgubljena energija (tzv. Rantove definicije).

Osnove rada dizalica toplote

Kružni procesi

Kružni proces je sled promena u nekom sistemu nakon čijeg je završetka on ponovno u termodinamički istom početnom stanju, a taj se sled može ponavljati proizvoljan broj puta. Posledice kružnog procesa su promene u okolini posmatranog sistema, kao što su, npr. i obavljanje rada ili prenos toplote. Idealan kružni proces sastoji se od više povratnih potprocesa i u stvarnosti ne postoji, dok se realni kružni proces sastoji od više nepovratnih potprocesa (jer u stvarnim uslovima uvek dolazi do određenih gubitaka, npr. zbog trenja).

Zavisno od prikaza odvijanja promena na grafikonima i dijagramima, kružni procesi mogu biti desnokretni ili levokretni.

U prikazima desnokretnih kružnih procesa promene se odvijaju u smeru kretanja kazaljki na satu i njihov je cilj dobijanje rada između dva toplotna spremnika. Za prenos toplote od toplotnog spremnika na nižoj do toplotnog spremnika na višoj temperaturi treba dovesti kompenzacijsku energiju (u većini slučajeva to je mehanički rad kompresora). Primeri za levokretne kružne procese su rashladni uređaji, dizalice toplote i sl.

Kao referentan za ocenu svih kružnih procesa koristi se Carnotov proces. Radi se o idealnom (teorijskom) kružnom procesu koji u stvarnosti nije moguć.

Levokretni Carnotov proces se sastoji od četiri povratna potprocesa, slika 1

• izentropske kompresije
• izotermne kompresije (pri temperaturi rashladnog izvora)
• izentropske kompresije
• izotermne ekspanzije pri temperaturi ogrevnog rezervoara.

Kod takvog procesa radnom mediju dovodi se mehanički rad spolja kako bi se omogućilo da mu se pri nižoj temperaturi iz neposredne okoline (toplotnog spremnika na nižem temperaturnom nivou) dovodi toplota i da zatim pri višoj temperaturi predaje neposrednoj okolini (toplotnom spremniku na višem temperaturnom nivou). U principu, dizalica toplote je rashladno postrojenje koje uz utrošak rada „pumpa“ toplotu sa nižeg na viši temperaturni nivo. Razlikuju se dva režima rada toplotne pumpe: zimski i letnji.

U zimskom režimu rada okolina ima nižu temperaturu od neke prostorije ili procesa kojima u tim uslovima treba dovoditi toplotu. Toplota se uzima od okoline i uz utrošak rada predaje potrošačima, slika 2A.

Prema prvom zakonu termodinamike, predata toplota je jednaka:

Q_k = Q_i + W(1)

Tzv. koeficijent grejanja toplotne pumpe određuje se kao odnos predate toplote potrošaču i utrošenog rada

ε_g = Q_k/W(2)

Ovaj odnos se u praksi kreće od 1,5 do 10, što zavisi od temperaturnih nivoa okoline i potrošača. U letnjem režimu okolina ima višu temperaturu od neke prostorije ili procesa, te joj u tom slučaju treba odvoditi, slika 2B.

Promenom smera toka rashladnog sredstva ostvaruje se željeni efekat hlađenja. Učin toplotne pumpe sada se karakteriše koeficijentom hlađenja, koji je dat kao:

ε_h=Q_i/W(3)

Zbog manjih temperaturnih razlika u ovom periodu, u praksi koeficijent hlađenja ima veće vrednosti od koeficijenta grejanja.

Idealni ciklus dizalice toplote je, Carnotov ciklus, kojim se za date radne parametre ostvaruju najveće vrednosti koeficijenta grejanja i hlađenja. Za primer dati su sledeći režimi rada:

• zimski
  • temperatura prostorije t_p = 20°C → T_p = 293 K
  • temperatura okoline t_o = 0°C → T_o = 273 K
• letnji
  • temperature prostorije t_p = 26°C → T_p = 299K
  • temperatura okoline t_o = 32°C → To = 305 K

Izražavajući koeficijent grejanja (2) i koeficijent hlađenja (3) preko apsolutnih temperatura za dati primer njihove maksimalne brojne vrednosti su:

odnosno

Gornje brojne vrednosti, drugim rečima kažu da se:

• u zimskom periodu, trošeći 1 kW energije sposobne da vrši rad može se dobiti 14,65 kW toplotne energije,
• u letnjem periodu, trošeći 1 kW energije sposobne da vrši rad može se ostvariti rashladni efekat 49,8 kW.

Ovim postaju očite ogromne mogućnosti dizalice toplote, njena perspektiva u ublažavanju aktuelne energetske krize.

U letnjem režimu je potrebno zbog zdravlja stanara obezbediti optimalnu temperaturnu razliku spoljašnjeg i unutrašnjeg vazdua. U Evropi je ta razlika 6 °C (32°C-26°C), a u Americi 8°C (32°C-24°C). Veoma je opasno iz značajno rash- lađenog prostora izaći napolje, i to ako je to potrebno više puta.

Osnovne karakteristike dizalica toplote

Dizalica toplote je uređaj koji omogućava prenos (toplotne) energije iz sistema (toplotnog spremnika) nižeg temperaturnog nivoa u sistem (toplotni spremnik) višeg temperaturnog nivoa korišćenjem dodatne energije (rada) pomoću levokretnog kružnog procesa odgovarajućeg radnog fluida, slika 3.

Zahvaljujući toj osobini, dizalice toplote su veoma pogodne kao izvori toplotnog (i rashladnog) učina u sistemima grejanja i pripreme potrošne tople vode, ventilacije i klimatizacije. Treba naglasiti da je svaki rashladni uređaj, ujedno, dizalica toplote.

Toplotni spremnici različitih temperaturnih nivoa pri tom su:

• toplotni izvor: prostor ili medij nižeg temperaturnog nivoa od kojeg se toplota odvodi (najčešće je to neposredna okolina: tlo, površinske ili podzemne vode, okolni vazduh, otpadni, istrošeni ili zaprljani vazduh iz prostorija ili raznih procesa, odnosno prikladni posredni medij).
• toplotni ponor: prostor ili medij višeg temperaturnog nivoa kojem se toplota dovodi (najčešće su to vazduh u prostoriji, voda u sistemu grejanja, potrošna topla voda, odnosno prikladni zagrevni medij).

Toplotni izvori za dizalice toplote se, obzirom na poreklo i postojanost temperaturnog nivoa, mogu podeliti u tri osnovne grupe.

1. Prirodni sa najčešće promenljivim temperaturama:
• spoljni vazduh

2. Prirodni sa izrazito konstantnim temperaturama
• površinske vode (vodotoci i jezera), mora i okeani
• podzemne vode
• slojevi zemljišta
• sunčeva energija (solarni toplotni sistemi)

3. Veštački
• otpadni, istrošeni ili zaprljani vazduh iz prostorije ili industrijskih procesa (tzv. otpadna toplota)
• otpadne vode.

Kako su ti toplotni izvori više ili manje obnovljivi, dizalica toplote se ubraja u sisteme za iskorišćavanje obnovljivih izvora energije. Prema toplotnom izvoru, dizalice toplote se takođe dele u tri osnovne grupe:

• dizalice toplote tlo-voda: kao toplotni izvor koristi se slojevito tlo.
• dizalice toplote voda-voda: kao toplotni izvor se koriste podzemne, površinske ili otpadne vode.
• dizalice toplote vazduh-voda, vazduh-vazduh: kao toplotni izvor koriste okolni, istrošeni, otpadni ili zaprljani vazduh.

Prema izvoru dodatne energije za ostvarivanje kružnog procesa, dizalice toplote mogu biti:

• kompresorske, kod kojih se proces radne materije omogućava dovođenjem mehaničkog rada pomoću kompresora (najčešće u primeni).
• sorpcijske (apsorpcijske i adsorpcijske), kod kojih se proces radne materije omogućava dovođenjem toplotne energije.

Osnovna zamisao primene dizalice toplote kao izvora toplotnog (i rashladnog) učina u sistemima grejanja, priprema PTV-a, ventilacije i klimatizacije zasniva se na mogućnosti korišćenja dela besplatne i „neograničene“ toplote iz neposredne okoline, tj. toplotnih izvora kao što su zemljište, voda i vazduh.

Nekoliko je mogućnosti primene u stambenim, poslovnim i sličnim zgradama (hotelima, ugostiteljskim objektima itd.), kao:

• izvor toplotnog učina u sistemima grejanja ili pripreme PTV-a.
• izvor toplotnog i rashladnog učina u sistemu grejanja, ventilacije i klimatizacije.
• izvor toplotnog učina u sistemu grejanja i/ili pripreme PTV-a i kao izvor rashladnog učina u sistemu ventilacije i klimatizacije.

Dizalice toplote se mogu koristiti i u raznim proizvodnim pogonima i procesima, kao:

• izvor toplotnog učina u sistemu grejanja pogona, staklenika, za razne procese itd.
• izvor toplotnog i rashladnog učina u sistemu zagrevanja, odnosno hlađenja procesne vode.
• izvor toplotnog učina u sistemu za proizvodnju vodene pare.
• izvor toplotnog učina u sistemu za sušenje i odvlaživanje, u prehrambenoj, drvnoj i industriji papira i celuloze, skladištima).

Dizalice toplote se najčešće koriste kao izvori toplote u sistemima grejanja i/ili pripreme PTV-a porodičnih kuća, stambenih, javnih i raznih drugih zgrada, kao što su hoteli, ugostiteljski objekti, domovi, kampovi, kasarne itd.

Za njihovu efikasnu primenu treba ispuniti nekoliko osnovnih uslova:

• raspoloživost toplotnog izvora dovoljno visoke i ravnomerno konstantne temperature duže vreme (npr. cele sezone grejanja).
• mala udaljenost toplotnog izvora i ponora.
• umereni temperaturni nivo toplotnog ponora (npr. niskotemperaturni sistem grejanja).
• veliki broj sati upotrebe tokom godine (radi veće isplativosti).
• visoke cene drugih izvora energije (cene ostvaruju veće uštede)

U tabeli 1 su date najčešće mogućnosti za primenu dizalica toplote.

Kada se dizalice toplote koriste u sistemu grejanja, najčešće se radi o niskotemperaturnom toplovodnom grejanju. Pri tome su najpogodniji sistemi površinskog grejanja (podnog, zidnog i plafonskog), kao ogrevna tela mogu se koristiti i radijatori. Isti se moraju prilagoditi niskotemperaturnim pogonima. Postojeći sistemi grejanja bez većih zahvata i troškova, na primer, za zamenu ogrevnih tela i poboljšanje građevinsko-fizičkih karakteristika zgrada (toplotne izolacije) uglavnom se ne mogu prilagoditi za primenu dizalica toplote. Dizalice toplote se mogu koristiti i u toplovazdušnom sistemu grejanja, odnosno sistemu ventilacije, klimatizacije. Glavni razlog zašto temperatura toplotnog ponora dizalica toplote (ogrevnog medija sistema grejanja) treba biti što niža radi ostvarivanja većeg stepena (faktora) grejanja, odnosa toplotnog učina i pogonske električne snage. Što je temperatura polaznog voda ogrevnog medija niža, uz istu srednju temperaturu toplotnog izvora, stepen (faktor) grejanja je veći.

U tabeli 2 su date temperature kondenzacije u dizalici toplote i izlazne temperature ogrevnog medija za četiri najčešće namene.

Ako se dizalice toplote, osim za grejanje, koriste i za pripremu PTV-a, treba izbegavati istovremeni rad oba sistema. Rad izvesti tako da se naizmenično pokrivaju potrebe jednog i drugog sistema. Primenom dizalice toplote kao izvora toplote za sisteme grejanja moguće je smanjiti zaprljanje životne sredine u poređenju sa ostalim uobičajenim izvorima. Pogrešno je misliti da njihovom primenom nema nikakve emisije. Ne mogu se analizirati emisije koje nastaju pri njihovom radu već emisije koje nastaju kroz celi vek trajanja. Za njihov pogon je potrebna električna energija čija se proizvodnja smatra najvećim uzročnikom štetnih emisija u životnu sredinu. Teoretski i praktični stepeni grejanja i hlađenja se značajno razlikuju.

Autori teksta: Prof. dr D. Škobalj i Ž. Đokić, dipl. inž. maš.