Toplotne pumpe – kako rade i zašto su toliko popularne u Evropi?

Dr Borivoj Stepanov sa Fakulteta tehničkih nauka u Novom Sadu nudi ključne odgovore kada su u pitanju prednosti toplotnih pumpi, ali i šta zahtevaju da bi radile kako treba.

Italija je bila vodeća u apsolutnim brojkama, jer je u ovoj zemlji tokom 2022. bilo ugrađeno preko pola miliona toplotnih pumpi, a kada je u pitanju njihov broj po glavi stanovnika, najuspešnije su zemlje Skandinavije – a posebno Norveška, u kojoj danas postoji jedna toplotna pumpa na svaka tri stanovnika (otprilike 60 odsto domaćinstava u Norveškoj ima toplotnu pumpu).

U Nemačkoj, tokom 2022. bilo je ugrađeno 236.000 novih toplotnih pumpi. Čini se da Nemačka zaostaje, ali tamo je problem grejanja rešen sa sistemima sa visokoefikasnim kondenzacionim kotlovima na gas i tečno gorivo. Kako je taj način grejanja u zavisnosti od uvoza goriva, čija je cena porasla, a prilikom sagorevanja ga prati emisija CO2, to rešenje se ispostavilo kao prelazno.

Sada je u Nemačkoj cilj da godišnje instalacije toplotnih pumpi dostignu brojku od pola miliona godišnje – a da ih 2030. bude šest miliona, u odnosu na sadašnjih 1,2 miliona.

Kako bi ispunila ovaj ambiciozni cilj, u Nemačkoj od sledeće godine neće više biti dozvoljeno da se ugrađuju kotlovi na gas i tečno gorivo.

U pitanju je veliki preokret u odnosu na vreme pre par godina. Strašna dešavanja u Ukrajini su prekinula veze između Zapada i Rusije, između ostalih i energetske, i u prvi plan se za zemlje Zapada pojavila potreba za energetskom nezavisnošću. Sa druge strane, klimatske promene forsiraju tranziciju ka izvorima energije čije korišćenje ne prati emisija CO2.

Ali zašto se baš toplotna pumpa nametnula kao rešenje za grejanje u energetskoj tranziciji?

Toplotna pumpa je nalik frižideru – osim što greje

Toplotna pumpa je veoma slična rashladnom uređaju, dakle frižideru, ili klimi koja hladi u stanu i u automobilu. Razlika je, naravno, u tome što toplotna pumpa greje.

Ona uzima toplotu iz okoline koja je na niskoj temperaturi, reda veličine od 0 do 20° C, što može biti iz vazduha, iz zemlje, iz podzemne vode, iz nekog otpadnog gasa ili tečnosti, pa čak i iz kanalizacije.

Bez toplotne pumpe, ova okolna toplota je neupotrebljiva, jer ne možemo da se zagrejemo vazduhom na 0°, pa ni na 10° C. Ali tu na scenu stupa rashladni fluid i razmenjivač toplote pod nazivom „isparivač”, u kojem rashladni fluid menja fazu iz tečne u gasovitu, i za tu promenu uzima toplotu okoline.

Bitna je temperatura pri kojoj se ova fazna promena odvija: ona mora da bude nešto niža od temperature izvora okolne toplote, da bi mogla da se prikupi toplota. Ta niska temperatura se postiže regulacijom pritiska u tzv. spoljašnjoj jedinici, a tu je naravno i ventilator koji potpomaže predaju toplote.

Kada je rashladni fluid u gasovitom obliku, on ulazi u kompresor gde se vrši njegova kompresija, odnosno zbijanje i porast i temperature i pritiska. Kroz bakarne izolovane cevi, komprimovani rashladni medijum ulazi u unutrašnju jedinicu koja se takođe sastoji iz razmenjivača, koji se zove kondenzator, i ventilatora.

Postignuta temperatura kompresijom treba da bude nešto viša od temperature vazduha sa kojim želimo da grejemo prostor, ako govorimo o vazduh/vazduh sistemima, ili treba da bude nešto viša od željene temperature vode koju isporučujemo grejnim telima u objektu, ako govorimo o vazduh/voda sistemima. Rashladni fluid, gas, u kondenzatoru se kondenzuje, njegov pritisak se obara prigušivanjem i vraćamo se na početak.

Toplotne pumpe za rad koriste struju – i „besplatnu” toplotu kojom smo prirodno okruženi

I na ovaj način smo iskoristili okolnu toplotu, koja je besplatna, potrošili nešto električne energije za pogon kompresora i dobili kao proizvod toplotu na višem temperaturskom nivou koja može da zagreje naše prostorije na zadovoljavajući način.

Glavna karakteristika rada toplotne pumpe je odnos između isporučene toplote i utrošene struje, što se u inostranoj literaturi naziva koeficijent učinka (COP, tj. coefficient of performance). Ova vrednost može da budu u rasponu od 3 do 5. Šta to znači?

Kada se grejete pomoću grejalice od 1 kWh struje, dobijete gotovo 1 kWh toplote. Ovo možda zvuči sasvim korektno – dokle god vam ne kažem da za 1 kWh struje treba oko 3 kWh hemijski uskladištene energije u uglju. Tu su zatim emisije CO2, pepela, pa sumpornih i azotnih oksida… Kod toplotnih pumpi ova kalkulacija je daleko bolja: od 1 kWh struje dobija se 3-5 kWh toplote, znači 3-5 puta bolje nego kada koristite grejalicu.

Toplotna pumpa je, drugim rečima, veliki energetski skok napred, i u efikasnosti i u smanjenju emisija gasova staklene bašte. Kako navode najnovija istraživanja, toplotne pumpe u Evropi već su smanjile emisije u Evropi toliko da „pokrivaju” celokupne emisije jedne zemlje kao što je Grčka.

A kako mi u Srbiji stojimo sa ugradnjom toplotnih pumpi?

Odgovor će vas iznenaditi – i ne tako loše.

Naime, radi rešavanja problema hlađenja leti, ugrađeni su brojni split klima uređaji, i retki su danas stanovi i kuće koji nemaju klimu. A ta popularno zvana klima je u stvari zimi – toplotna pumpa, i to tipa vazduh/vazduh. Tako da od jednog izvora grejanja mi u mnogim domovima imamo dva. Imamo rezervu.

Jeste da su ti uređaji malo naružili spoljašnjost objekata, i možete u sred leta da pokisnete, i nesumnjivo da je povećana potrošnja struje leti, i to baš onda kada naša Elektroprivreda planira redovna održavanja. Ali ovi uređaji su se već pokazali korisnim sa prvim hladnim danima, kada još grejna sezona kod korisnika daljinskog grejanja nije započela.

Na nemačkom postoji jedan izraz: eierlegende Wollmilchsau, u slobodnom prevodu svinja koja nese jaja, daje vunu, mleko i meso. Ovi naši klima uređaji, sa svojim mogućnostima i efikasnošću, nekako podsećaju na tu izmišljenu životinju.

Kako izvući najviše iz jedne toplotne pumpe

Recimo da smo se odlučili na taj korak – kao i milioni domaćinstava širom Evrope, odlučili smo da ugradimo ne gorepomenuti klima uređaj, već toplotnu pumpu tipa vazduh/voda. Kakve pogodnosti treba da očekujemo?

Da bi sistem bio efikasan, a samim tim i da bi računi za struju bili prihvatljivi, gubici toplote objekta trebaju da budu umereni, tako da bi se najveći spoljašnji minus mogao „pokriti” sa temperaturom vode na potisu od 55 °C.

Najveći spoljašnji minus je spoljna projektna temperatura, za tu temperaturu se sistem grejanja projektuje. Srećom ta temperatura se javlja retko, ali sistem mora da zagreje i u tom slučaju, i tih par dana. Na primer za Beograd je ta temperatura -12,1 °C, za Novi Sad je nešto niža (-14,8), a za na primer grad odakle je potekao naš dupli MVP iz NBA lige, Sombor, još je niža: -15,1 stepeni.

Temperatura vode u potisu od 55° C je značajno niža od temperature u tradicionalnom sistemu, gde iznosi 90 °C. To znači kada je ciča zima, onda tradicionalni sistem mora da isporuči vodu radijatorima temperature 90° C, a sistem sa toplotnom pumpom vodu od 55° C.

Razlika nije mala. Ako je u sistemu grejanja sa toplotnom pumpom u radijatoru voda maksimalno 55 °C, tada objekat koji ova voda greje mora biti doveden u „energetski red”, tj. da ima manje toplotne gubitke od npr. objekta čiji su zidovi bez toplotne izolacije, ili sa prodorima hladnog vazduha na svakom koraku. Drugim rečima, ako se ništa ne promeni u omotaču objekta, onda nam je ipak potreban klasičan sistem i gorepomenutih 90 °C ukoliko želimo da se zagrejemo.

Godišnji gubici toplote po kvadratu grejane površine ne bi trebalo da premašuju 150 kWh/m2. Ukoliko premašuju, onda oni treba prvo da se snize kroz primenu mera uštede energije.

Na primer, prvi korak mogu biti set zavesa i tzv. hvatač hladnoće (drought excluder). Drugi korak je da se stave zaptivke koje bi sprečile prodor hladnog vazduha kroz procepe oko prozora. Treći korak bi bilo postavljanje izolacije, sa spoljašnje ili unutrašnje strane. A finalni korak bi bila zamena prozora, naravno ako budžet tako nešto dozvoljava.

Toplotne pumpe su kompatibilne sa sistemima sa podnim grejanjem, ali postojanje radijatora nije samo po sebi prepreka. U slučaju da su radijatori prvobitno predimenzionisani postoji mogućnost da će raditi i sa nižom temperaturom potisne vode. Ukoliko se ispostavi da ne mogu da pokriju toplotne gubitke u novom aranžmanu, menjaju se ili se dodaju dodatna grejna tela.

Po pitanju koeficijenta učinka (COP) poželjno je da je ta vrednost preko 3,5 i to na godišnjem nivou, a ako je ta godišnja vrednost ispod 2,5 smatra se da je sistem neefikasan, a ako vrednost padne na vrednost blizu 1, onda je neka greška prilikom projektovanja napravljena, i treba odmah reklamirati.

Možda i najplastičniji prikaz rastuće popularnosti toplotnih pumpi je i jedan nedavni, naizgled neočekivani događaj u sferi energetike.

Naime, nemačka porodična firma „Viessmann”, koja 85 posto svog poslovanja bazira na toplotnim pumpama, i koja je prošle godine imala rekordni prihod od 4 milijarde evra, rešila je da svoj deo pod nazivom Klimatska rešenja (Climate Solutions) – proda. Kupac je američki gigant iz oblasti klimatizacije i rashladnih uređaja, kompanija Carrier, i to po ceni od čak 12 milijardi dolara.

Mada razlozi za ovaj korak nisu obelodanjeni, posebno s obzirom na rastuću popularnost toplotnih pumpi u Nemačkoj, jedna pretpostavka je da će se u budućnosti cene toplotnih pumpi vidno smanjiti, a sa njima i profiti, jer se očekuje velika konkurencija iz Azije. Drugim rečima, toplotne pumpe postaće drastično veće tržište, u kojem za „srednje” igrače neće biti mesta – a njihova ugradnja trebalo bi da postane sve jeftinija.

O autoru

Dr Borivoj Stepanov je profesor na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu. Predaje predmete Termoenergetika i transformacije energije, Kotlovska postrojenja, Toplotne turbomašine i Skladištenje energije. Svestan ozbiljnosti posledica  klimatskih promena i neophodnosti pravovremenog delovanja. Zabrinut u kom pravcu se svet razvija, gde profit uvek nekako pobedi opštu dobit, gde se čist vazduh i čista voda često uzimaju zdravo za gotovo. U svom istraživanju, posebnu pažnju posvećuje ključnim temama kao što su energetska tranzicija, povećanje energetske efikasnosti, istraživanje inovativnih rešenja u oblasti energetike, kao i aspektima bezbednosti u energetici.

Tekst preuzet sa portala Klima101.rs.