V naši okolici so neizmerne količine zraka . Lahko bi rekli, da je ta količina “neizčrpna”.

Naj večjo težavo nam predstavljajo temperature zunanjega zraka, ki so precej nestabilne in so podvržene velikim nihanjem.

Poleti doseže zrak visoke temperature, drugo skrajnost pa nam predstavlja zimski mraz. To nas privede do dejstva, da so toplotne črpalke zrak-voda, ki kot toplotni vir uporabljajo okoliški zrak, namenjene predvsem za manjše moči.

V primeru monovalentnega delovanja imajo vgrajene tudi električne grelce. V primeru bivalentnega delovanja se v primeru hudega mraza dodatno vključi alternativni vir ogrevanja.

Proizvajalci ogrevalnih toplotnih črpalk zrak-voda navajajo, da so njihove toplotne črpalke izredno zmogljive tudi pri nizkih temperaturah, kar ne drži popolnoma.

V realnosti se izkaže, da dosežejo toplotne črpalke zrak-voda učinkovito delovanje pri temperaturah nad – 10 °C. Je pa res, da se v ogrevalnem obdobju pojavijo takšne razmere zelo poredko. Če predpostavimo, da vodo dogrevamo z grelcem z močjo 6 kW in je ogrevalnih ur okoli 250, ugotovimo, da za dogrevanje porabimo 1500 kWh, kar ni tako velik strošek (okoli 120 €).

V toplejših mesecih, ko ni potrebe po ogrevanju objektov, lahko zelo dobro izkoristimo topel zrak za ogrevanje sanitarne vode. V poletnih mesecih, ko zrak doseže tudi 30 °C in več, mora toplotna črpalka za 55 °C sanitarne vode premagati temperaturno razliko zgolj 25 K, medtem ko mora črpalka voda-voda premagati temperaturno razliko 45 K.

Zrak, ki je v vlogi toplotnega vira, s pomočjo ventilatorja vodimo skozi uparjalnik toplotne črpalke. S spreminjanjem števila vrtljajev ventilatorja lahko določimo pretok zraka in s tem odločilno vplivamo na učinek odvzema toplote na uparjalniku.

Pri vseh toplotnih črpalkah zrak-voda, ki za toplotni vir uporabljajo zrak okolice, je osnovna oblika dovoda zraka na uparjalnik z ventilatorjem izvedena s strani proizvajalca toplotne črpalke. S tem se izognemo projektiranju in preračunavanju toplotnega vira, kot je to potrebno pri toplotnih črpalkah voda-voda in zemlja-voda.

Dimenzionirati je potrebno le plinske povezave pri ločeni oziroma “split” izvedbi ali vodne povezave pri kompaktni izvedbi med zunanjo in notranjo enoto toplotne črpalke. V primeru, da želimo zrak zajemati ločeno od lokacije uparjalnika, je potrebno dimenzionirati tudi dovodne kanale za dovod zraka.

Moč toplotne črpalke in njena učinkovitost je močno povezana s temperaturo okoliškega zraka, ki ga uporabljamo kot toplotni vir. Z upadanjem temperature se toplotni črpalki znižuje tudi grelna moč in grelno število (COP).

Pri starejših izvedbah toplotnih črpalk je bilo pri nizkih temperaturah potrebno zagotoviti dodaten ogrevalni vir (peč na drva, olje, biomaso …). To pri novejših izvedbah ni več potrebno, predvsem za nizkoenergijske objekte z nizkotemperatumim načinom ogrevanja (talno ogrevanje).

Na sliki je predstavljen primer grafa za toplotno črpalko zrak-voda, ki prikazuje razmeije med vloženo električno energijo in pridobljeno grelno energijo pri različnih temperaturah vira toplote – zraka:

Pri toplotnih črpalkah zrak-voda se srečamo s pojavom sreženja. Do tega pride zaradi nizkih temperatur uparjanja hladiva v uparjalniku in posledično nizkih temperatur na uparjalniku.

Zaradi tega vlaga, ki se nabere na uparjalniku kot kondenz, zamrzne. Zaradi pojava sreženja naletimo na veliko težav, saj nam zapira pot skozi lamele uparjalnika in tako onemogoči normalen pretok zraka skozi uparjalnik. S tem nam ovira normalen proces delovanja toplotne črpalke, v skrajnem primeru nam ga celo popolnoma onemogoči.

Odmrznitev uparjalnika je seveda mogoča s procesom odtaljevanja z vročimi plini ali z električnimi grelci, a se zaradi tega zmanjša grelna moč in grelno število toplotne črpalke.

Pojav sreženja

Med procesom odtaljevanja z vročimi plini uparjalnik in kondenzator zamenjata vlogo, to pa nam omogoča štiripotni ventil, ki sistem obme. Kot vir toplote uporabimo prej segreto vodo v ogrevalnem sistemu, v vlogi porabnika toplote pa je uparjalnik.

Povprečne temperature okolice so vsako leto višje in tako imamo v kurilni sezoni vedno manj dni s temperaturami pod – 10 °C. Sodobne in kakovostne toplotne črpalke zrak-voda z nekoliko prilagojeno konstrukcijo (povečan uparjalnik, izboljšani kompresorji -temperatura delovanja) in učinkovitim sistemom odtaljevanja nam omogočajo monovalenten način ogrevanja skozi celotno kurilno sezono in tako ne potrebujemo dodatnega vira ogrevanja. Prav tako imajo skozi celotno kurilno sezono zadovoljivo vrednost grelnega števila, ki je v primerjavi z ostalimi toplotnimi črpalkami občutno nižje.

Na tržišču lahko najdemo veliko različnih tipov toplotnih črpalk zrak-voda.To nam omogoča raznoliko uporabo tovrstnih toplotnih črpalk. Najpogosteje vgrajene so toplotne črpalke zrak-voda, ki izkoriščajo okoliški zrak.

Delitev toplotnih črpalk zrak-voda:

  • Z ločeno ali “split” izvedbo:
    • uparjalnik se nahaja zunaj in je pred vremenskimi vplivi zaščiten v ohišju ter
    • potrebna izvedba freonske in elektro povezave med zunanjo in notranjo enoto.
  • S kompaktno zunanjo postavitvijo:
    • v celoti se nahaja zunaj stavbe,
    • pred vremenskimi vplivi je zaščitena v primernem ohišju in o vodna povezava z zalogovnikom je izvedena pod zemeljskim površjem.
  • S kompaktno notranjo postavitvijo:
    • v celoti se nahaja v notranjosti zgradbe in
    • povezava z zunanjim zrakom je izvedena s kanalskim sistemom za dovod in odvod zraka.
  • Za pripravo sanitarne vode:
    • podobna ostalim črpalkam zrak-voda
    • manjših moči
    • uporaba za gretje sanitarne vode.

Prednosti toplotnih črpalk zrak-voda:

  • nizki stroški investicije v primeijavi s sistemom voda-voda ali zemlja-voda, saj ni potrebe po gradnji primarnega sistema (zemeljske sonde, kolektorja ali vrtin),
  • enostavnejša in cenejša montaža in vzdrževanje (lažja dostopnost),
  • zasede malo prostora in
  • ni potrebno pridobiti nobenih dovoljenj za vgradnjo .

Slabosti toplotnih črpalk zrak-voda:

  • potreba po bivalentnem načinu delovanja:
    o električni grelec pri novogradnjah in
    o obstoječi konvencionalni vir ogrevanja pri obstoječih objektih,
  • izkoriščanje temperaturno nestabilnega vira energije in
  • nižji COP v primerjavi s toplotnimi črpalkami voda-voda in zemlja-voda.

Toplotne črpalke zrak-voda z ločeno izvedbo

Pri ločeni izvedbi toplotne črpalke zrak-voda imamo uparjalnik z ventilatorjem postavljen ločeno od ostalega dela toplotne črpalke, in sicer izven objekta.

Zaradi tega je sam agregat uparjalnika manjših dimenzij in ga lahko namestimo tudi v manjši prostor oziroma v kurilnico. Ker je uparjalnik ločen od ostalega dela toplotne črpalke ima manj omejitev glede dimenzij in se ga lahko pri načrtovanju lažje dimenzionira. Pri takšni izvedbi je potrebno biti pozoren na hrupnost zunanje enote, ki nastane zaradi ventilatorja in potovanja zračnih mas skozi uparjalnik.

Takšne toplotne črpalke so torej sestavljene iz dveh delov, in sicer iz zunanje in notranje enote, ki sta med seboj povezani s cevnim sistemom iz bakra, po katerem se pretaka hladivo in se imenuje freonska povezava.

Ta cevna povezava je izvedena z dvocevnim sistemom z različnimi preseki. Cevna povezava med zunanjo in notranjo enoto hladilnega kroga prenaša hladivo, ki je enkrat v plinastem (od uparjalnika do kompresorja) in drugič v kapljevinskem stanju (od kondenzatorja skozi ekspanzijski element do uparjalnika).

Plinske povezave je potrebno dobro izolirati in pritrditi. Pri takšni izvedbi toplotne črpalke smo omejeni z razdaljo in višinsko razliko med notranjo in zunanjo enoto. Večinoma so te povezave omejene na 15 m razdalje med notranjo in zunanjo enoto. V primeru, da je povezava daljša, je potrebno sistem dopolniti z dodatno količino plina, pridelamo pa tudi dodatne toplotne izgube na cevni povezavi.

Glavna prednost toplotne črpalke zrak-voda v ločeni izvedbi je fleksibilnost izbire kraja postavitve zunanje enote, to je uparjalnika in ventilatorja.

Ohišje zunanje enote mora biti izdelano tako, da je odporno na zunanje vremenske vplive. Odporno mora biti na vlago, vetrovne razmere, sončno sevanje, vročino, mraz …

Dodatno pozornost je potrebno posvetiti odvajanju kondenzata. Priporočljivo je, daje mesto vgradnje posuto s prodom, saj s tem omogočimo hitrejše odvajanje kondenzata.

Takšna toplotna črpalka ima tudi prednost pri inštalaciji v obstoječe objekte v primerih energetske prenove. Pogostokrat je skoraj nemogoče izvesti preboje za dovod in odvod zraka na obstoječih objektih za vgradnjo kompaktne črpalke zrak-voda z notranjo postavitvijo. Veliko enostavneje je izvesti preboje za izvedbo plinske povezave, saj so preseki cevi neprimerno manjši v primerjavi z vodilniki zraka. Največkrat se ti preboji izvedejo pod zemljo, saj se tudi sama plinska povezava izvede od 30 do okoli 40 cm pod zemljo.

Pri postavitvi zunanje enote je potrebno pozornost posvetiti tudi sami lokaciji, saj nam lahko že večja drevesa v neposredni bližini ali neposredna bližina objekta (manj kot 1 m od stene) ovira pretok zraka skozi uparjalnik.

Dodatna prednost toplotne črpalke zrak-voda z ločeno izvedbo se pokaže tudi pri sami elektroinštalaciji. Vse pomembne elektro komponente, kot so krmilnik, mehki zagon, kompresor se nahajajo v notranji enoti, znotraj objekta. S tem so zaščitene pred zunanjimi vplivi in so lahko dostopne tudi v slabših vremenskih pogojih. Za krmiljenje ventilatrja na zunanji enoti je potrebno izvesti elektroinštalacijo med notranjo in zunanjo
enoto.

Toplotne črpalke zrak-voda s kompaktno zunanjo postavitvijo

Zgradba toplotne črpalke zrak-voda s kompaktno zunanjo postavitvijo je podobna kot pri zrak-voda z notranjo postavitvijo, le daje v tem primeru agregat, ki je postavljen na prostem, zaščiten v ohišju, narejenem iz posebnih materialov, ki so odporni na vremenske vplive.

Toplotna črpalka je tako z ogrevanim objektom povezana le preko dveh vodnih povezav in napajalnim ter krmilnim vodom. Vodna povezava mora biti inštalirana dovolj globoko pod zemeljskim površjem in primemo izolirana, da se izognemo pomrznitvi v primeru nedelovanja.

Najprimernejša je predizolirana dvocevna povezava, ki je sicer neprimerno dražja, vendar preprosta za inštalacijo. Zaradi toplotnih izgub, ki nastanejo na vodnih povezavah, se je potrebno izogibati dolgim povezavam. Prav tako je potrebno preboj za vodno povezavo v steni po končani inštalaciji zatesniti in izolirati.

Pri postavitvi toplotne črpalke zrak-voda s kompaktno zunanjo postavitvijo, je potrebno zagotoviti vodoraven položaj in odvod kondenzata vsaj 40 cm globoko pod zemljo. To najlažje dosežemo s postavitvijo trdnih temeljev. Postavitev mora biti primerna za neomejen in dovolj velik pretok zraka skozi kondenzator.

Takšna črpalka se lahko postavi tudi na ravno streho, ki ustreza statičnim zahtevam. Vodna povezava mora biti v tem primeru izvedena z gibljivimi cevmi, saj se s tem izognemo neželenemu hrupu.

Za lažje in bolj udobno nadzorovanje in nastavljanje delovanja, se krmilno enoto namesti nekje v objektu.

Z zunanjo postavitvijo toplotne črpalke prihranimo prostor v hiši, moramo biti uvidevni do okolice, kar se tiče hrupnosti.

Pri vgradnji toplotne črpalke zrak-voda s kompaktno zunanjo postavitvijo moramo največ pozornosti nameniti:

  • neomejen pretok zraka (dotok in odtok),
  • postavitev nemoteča za ljudi (hrupnost) in
  • primeren odvod kondenzatorja.

Toplotne črpalke zrak-voda s kompaktno notranjo postavitvijo

Toplotna črpalka zrak-voda s kompaktno notranjo postavitvijo je v celoti postavljena v notranjosti zgradbe. S toplotnim virom (zrakom) je povezana preko kanalskih sistemov dovajanja in odvajanja zraka . Takšna oblika toplotnih črpalk se najpogosteje uporablja za sanitarne toplotne črpalke.

Takšen tip sanitarnih toplotnih črpalk je primeren za nizkoenergijske enodružinske hiše. S toplotno močjo je pogojen tudi minimalni pretok zraka. S pomočjo tega podatka se preračuna in dimenzionira kanalski sistem za dovod in odvod zraka.

Najprimernejše mesto vgradnje je v vogalu objekta, tako lahko preprosto zvrtamo odprtino za dovod zraka v eno steno, za odvod pa v drugo steno. S tem preprečimo mešanje toplega in ohlajenega zraka. V nasprotnem primem poslabšamo izkoristek toplotne črpalke in pospešimo proces sreženja, s čimer znižujemo grelno število COP, ki je pri toplotnih črpalkah zrak-voda že v izhodišču nekoliko slabše, kot pri ostalih toplotnih črpalkah.

Cevni sistem mora biti tudi primemo izoliran, saj s tem preprečimo nabiranje kondenzata in tudi zmanjšamo izgube.

Toplotne črpalke zrak-voda za pripravo tople sanitarne vode

Razvoj toplotnih črpalk zrak-voda je nakazal smernice tudi v sanitarni ogrevalni tehniki . Začetek razvoja oziroma uporabe toplotnih črpalk zrak-voda za pripravo tople sanitarne vode sega v osemdeseta leta prejšnjega stoletja.

Toplotne črpalke zrak-voda imajo podoben princip delovanja kot ogrevalne toplotne črpalke. Glavna razlika je v temperaturnem nivoju, ki je pri sanitarnih toplotnih črpalkah nekje med 45 in 60 °C, medtem ko je pri ogrevalnih okoli 35 °C. Razlika je tudi v moči, ki je pri sanitarnih toplotnih črpalkah znatno manjša.

Takšna toplotna črpalka je namenjena ločenem ogrevanju sanitarne vode od sistema ogrevanja. To prinaša veliko prednost v poletnih mesecih, ko ni potrebe po ogrevanju objekta in s tem nepotrebnega vklapljanja ogrevalnega vira objekta.

Ta sistem ogrevanja sanitarne vode je dobra alternativa ogrevanju vode s sončnimi kolektorji. Pri tem je potrebno omeniti, da smo v nekaterih mesecih oziroma vremenskih pogojih lahko omejeni z energijo sonca, električna energija za pogon kompresorja pa nam je na voljo neprenehoma.

Za stanovanjske objekte (hiše) je najboljša izbira sanitarna toplotna črpalka s talno postavitvijo v kletnih prostorih. S tem dobimo dvojni učinek – toplo sanitarno vodo in hladne kletne prostore.

V stanovanjih se uporabljajo manjše toplotne črpalke za pripravo tople sanitarne vode s stensko postavitvijo, ki se pritrdijo na eno izmed sten v kopalnici -podobno kot električni grelniki vode.

Agregat toplotne črpalke je nameščen na hranilnik vode, ki ima vgrajene dodatne izmenjevalce, da lahko nanj priključimo tudi druge vire ogrevanja sanitarne vode (peč, sončni kolektor). Sam agregat se bistveno ne razlikuje od ogrevalne toplotne črpalke zrak-voda, le komponente so nekoliko manjše

S pomočjo ventilatoija prenesemo topel zrak okolice na cevno-lamelni uparjalnik, kjer se ta toplota prenese na hladilno sredstvo. Kompresor hladilno sredstvo stisne, mu s tem zviša tlačni (15-20 barov) in temperaturni (65-80 °C) nivo. Tako pregreto hladilno sredstvo nato potuje skozi kondenzator v hranilniku vode, kjer odda toploto sanitarni vodi.

Saradi pojava sreženja, ki se pojavi pri temperaturah nižjih od 7°C, smo za širjenje območja delovanja v nižje temperature (- 10 °C) prisiljeni uporabiti funkcijo odtajanja (“defrost”). To opravimo s pomočjo štiripotnega ventila, ki nam sistem obme in tako postane uparjalnik kondenzator, kondenzator pa uparjalnik. Delovanje takšnih toplotnih črpalk je omejeno navzgor, in sicer zaradi višanja tlakov v sistemu. Zgornja meja delovanja je tako do okoli 40 °C. Pred visokimi tlaki so toplotne črpalke zaščitene s tlačnimi stikali, ki črpalko izključijo na določeno mejo.

Posebnost toplotnih črpalk zrak-voda za pripravo sanitarne vode je tudi antilegionelna funkcija, ki omogoča kratkotrajno segrevanje sanitarne vode na 65° C in s tem preprečitev nastajanja bakterij legionele v sistemu.