Princip djelovanja dizalica topline je primanje niže temperature, te podizanje te temperature na višu, korisniju razinu. Ukoliko toplina dolazi iz okoline (zrak) ili iz zemlje (zemljani kolektori, sonde), korištenje dizalica topline rezultira smanjenjem potrošnje fosilnih goriva te samim tim i smanjenjem emisija štetnih stakleničkih plinova.
Tlo kao izvor topline
Površinski i podzemni dijelovi zemlje apsorbiraju toplinsku energiju koja najvećim dijelom dolazi od Sunčeve energije koja je do tla došla zračenjem ili izmjenom topline s padalinama (slika 1). Zemlja je dobar akumulacijski spremnik, s obzirom da su temperature unutar zemlje tijekom čitave godine u rasponu od 7 do 13°C (na dubini 2m) (slika 2), pa ta činjenica omogućava iskorištavanje te energije tijekom cijele godine.
Toplinu tla možemo iskoristiti dizalicama topline tlo-voda (rasolina-voda). Za samu izmjenu topline koristimo se:
– horizontalno položenim zemljanim kolektorima ili
– vertikalno ukopanim zemljanim sondama.
Posredni medij (rasolina) preuzima toplinu od tla, te ju predaje radnoj tvari na isparivaču topline. Bitno je onemogućiti smrzavanje medija u cijevima (potrebno je sniziti točku ledišta).
Horizontalni zemljani kolektori
Na dubini od 1,2 do 1,5 m polažemo plastične cijevi od polietilena koje imaju dobra toplinska i fizikalna svojstva (koeficijent toplinske vodljivosti, otpornost na tlak, vlagu,…). Radi opasnosti od prevelikog pada tlaka, moramo cijevi razvoditi po sekcijama, pri čemu jedna sekcija ne smije biti dulja od 100 m, a sve sekcije trebaju biti približno jednake duljine čime postižemo identične padove tlaka, a time i podjednake protočne uvjete.
Osnovna shematska izvedba horizontalnog zemljanog kolektora vidljiva je na slici 3., te izvođenje na terenu takvog kolektora međutim postoji nekoliko izvedbi, koje primjenjujemo ovisno o terenu koji nam je na raspolaganju, kao npr. spiralni kolektor (izvedba “Slinky”).
Polazna vrijednost koju koristimo kod dimenzioniranja podzemnog toplinskog kolektora, rashladni je učin isparivača na dizalici topline. Pažnju trebamo obratiti na:
– sastav tla jer o njemu ovisi toplinski kapacitet, mogućnost regeneracije tla, te izmjena topline
– raspoloživost tla kao toplinskog izvora (da li ga možemo koristiti cijelu godinu ili samo dio godine)
– način rada sustava grijanja s dizalicom topline (monovalentan ili bivalentan)
– raspoloživu površinu zemljišta
– izvedbu, odnosno način polaganja kolektora
– duljinu i dimenziju (promjer) cijevi
Monovalentan rad dizalice topline je rad u kojem kao raspoloživi izvor za grijanje koristimo isključivo samo dizalicu topline. Za razliku od monovalentnog, bivalentan rad je kada uz dizalicu topline koristimo i neki drugi izvor (npr. kotao). Na temelju ulaznih podataka dimenzioniramo cijevni razvod te određujemo pogonske parametre kao npr. protok posrednog medija ili padove tlaka. Cijevi kolektora moraju se polagati na dubini od 20-30 cm ispod razine smrzavanja tla, odnosno na područjima gdje se ne očekuje smrzavanje, najmanje na 80 cm dubine, jer u protivnom postoji opasnost od prevelikog utjecaja na biljni svijet.
U obzir treba uzeti moguće smrzavanje slojeva tla oko cijevi, što doduše ne utječe na izmjenu topline, no negativna posljedica može biti izdizanje tla iznad kolektora, pa samim tim i smanjeni prijenos topline. Nadalje, sve radove na polaganju kolektora trebalo bi izvoditi najmanje mjesec dana prije početka sezone grijanja, kako bi se tlo slegnulo, te tako omogućilo dobru izmjenu topline. Da se cijevi kolektora ne bi oštetile, kada izvedemo iskop, trebamo postaviti posteljicu od finog pijeska u koju polažemo cijevi, a cca 30 cm iznad cijevi postavljamo traku za označavanje. Kolektorski sustav puni se smjesom vode i glikola u omjeru 70 : 30%, uz pomoć crpke, pri čemu tlak punjenja iznosi 2-2,5 bara.
Toplinske sonde za dubinsko bušenje
Za razliku od velikih zemljanih radova kod polaganja zemljanih kolektora, za postavljanje zemljanih sondi potrebno je samo nekoliko sati s modernim uređajima. Shematski prikaz postavljanja sonde – vidi sliku 6. Za izbor rasporeda sondi i dubine bušenja, najbolje bi bilo zatražiti usluge geologa te specijalnih tvrtki za bušenje, koje posjeduju stručna znanja i strojeve kako bi kvalitetno mogli odraditi posao za koji ih angažirate. S obzirom da za bušenja iznad 100m treba tražiti odobrenje uprave za rudarstvo, najčešće se bušenja vrše samo do te dubine, te je za te dubine nadležno vodno gospodarstvo.
Dubina i broj bušotina u koje se ugrađuju cijevi izmjenjivača, ovise o potrebama objekta za toplinom te o rashladnom učinu dizalice topline. Najčešća izvedba podzemne toplinske sonde je dvostruka U-cijev od polietilena, kod koje kroz jedan krak ulazi ohlađeni posredni medij iz dizalice topline, a kroz drugi se vraća zagrijan. Glava sonde vidljiva je na slici 7. Kao posredni medij za podzemne sonde također se koristi smjesa vode i glikola u omjeru 70 – 30%. Specifična toplina koju tlo daje podzemnoj sondi promjenljiva je vrijednost u rasponu od 25-100 W/m dužnom, a veliki utjecaj na toplinsku vodljivost imaju sastav i kvaliteta tla, odnosno količina vlage i poroznost.. Nakon što smo izveli bušenje i umetnuli sondu, međuprostor je potrebno zapuniti prikladnom smjesom – bentonitom. U cilju olakšanog umetanja bentonita, sonda se puni vodom, a glava sonde (najdonji dio) opterećuje se teretom. Razmak između susjednih bušotina za sonde duljine do 50 m minimalno mora biti 5 m, a za dulje sonde, minimalno 6 m. Troškovi izvođenja jednog bušenja, što uključuje umetanje sonde, kreće se oko 50 €/m. Ako pretpostavimo da nam dužni metar sonde u prosjeku odaje 50 W, sonda duljine 100 m kod koje dobijemo 5kW, košta oko 5000 €.
Izvor topline – voda
Dosadašnje dvije mogućnosti korištenja topline zemlje su zatvoreni sistemi kroz koje cirkulira smjesa vode i glikola. Ukoliko postoji mogućnost korištenja vode kao izvora topline, tada možemo imati:
– zatvoreni sistem na način da cijevni kolektor horizontalno položimo u površinsku vodu (potok, rijeku, kanal, jezero)
– otvoreni sistem pri kojem koristimo podzemnu vodu koju direktno uz pomoć crpke dovodimo do dizalice topline.
Osnovna značajka vode kao toplinskog izvora je približno konstantna temperatura cijele godine. U zimskim danima, podzemne vode zadržavaju konstantnu temperaturu od 7 do 12°C. Podzemnu vodu uzimamo u usisnom bunaru koji nam mora osigurati dovoljnu količinu vode na sat (podatak koji se može očitati na karakteristikama dizalice topline). Sustav može biti izveden kao izravni (koristimo dizalicu topline (voda-voda), kada podzemnu vodu, koju naravno moramo filtrirati, izravno dovodimo do isparivača dizalice topline, ili neizravni, kada u taj krug ugrađujemo dodatni izmjenjivač topline pri čemu štitimo samu dizalicu topline odnosno njen izmjenjivač od mogućih raznih onečišćenja koja se nalaze u vodi (koristimo uređaj rasolina-voda). Neizravnim sustavom gubimo nešto na iskoristivosti dizalice topline, jer dobijemo posredni medij (smjesu vode i glikola) nešto niže temperature od same podzemne vode, ali smo time trajno zaštitili sam uređaj.
Ohlađenu vodu odvodimo u upojni bunar, tj., vraćamo je u podzemlje. Razmak između bunara treba biti barem 15 m, s tim da treba obratiti pažnju na to da upojni bunar bude nizvodno u odnosu na usisni s obzirom na smjer kretanja podzemnih voda.
Izvor topline – zrak
Kod ove izvedbe, izdatak za eksploataciju je daleko najmanji, nema zemljanih radova, dubinskog bušenja za polaganje sondi niti bušenja bunara. Koristimo vanjski zrak, kojeg usisavamo kroz kanal, ohlađujemo u isparivaču dizaice topline i nakon toga ponovno predajemo okolišu. Suvremene dizalice topline zrak-voda mogu proizvesti toplinu grijanja do temperature vanjskog zraka od -20°C, s tim da električnim grijačima trebaju predgrijati zrak, tako da treba uzeti u obzir da faktor iskoristivosti dizalice topline značajno opada sa snižavanjem vanjske temperature. Osnovni problem zraka kao toplinskog izvora je činjenica da se razilaze vremena najviših vanjskih temperatura (ljeti) i najvećih potreba za toplinom za grijanje (zimi). Kod ovih dizalica topline potrebno je pažnju posvetiti problemu buke koja nastaje pri radu ventilatora kojima se zrak dovodi do isparivača. Osim vanjskog zraka, za toplinski izvor možemo koristiti i istrošeni, otpadni ili onečišćeni zrak iz prostorija čija je temperaturna razina puno viša od vanjskog (okolišnog) zraka. Dizalice topline koje koriste otpadni zrak kao izvor topline svoju primjenu najbolje pokazuju u objektima s vrlo malim potrebama za toplinom (pasivne kuće).
