U stalnom su porastu saznanja o štetnim posljedicama potrošnje i sagorijevanja fosilnih goriva. Staklenički plinovi, među kojima prednjači CO2, jedan su od razloga potrebe smanjenja dobivanja energije na dosadašnji način, te nastojanja da se udio u proizvodnji energije iz obnovljivih izvora ubrza. Pregovori o kontroli globalnog zagrijavanja održani su još u veljači 2005. godine u Kyotu, te na tragu tadašnjeg protokola, u prosincu prošle godine, nastavljeni su u Kopenhagenu na UN-ovoj konferenciji. Više od 15.000 sudionika iz 192 zemlje, nisu postigli dogovor koji bi bio ohrabrujući za daljnja svjetska nastojanja kontrole globalnog zagrijavanja. Sporazum je primljen na znanje bez odobrenja svih zemalja sudionica jer su neke zemlje bile nezadovoljne nepreciziranim rokovima i količinama smanjenja emisije štetnih plinova.
Dogovoreno je povećanje financiranja borbe protiv zagađenja na 30 milijardi dolara za iduće tri godine, te cilj od 100 milijardi dolara pomoći nerazvijenim zemljama za borbu protiv uzroka i posljedica globalnog zagrijavanja do 2020 godine. S obzirom da ne predviđa konkretne mjere, deklaracija ništa ne rješava po pitanju ozbiljnog problema, nego tek najavljuje mogućnost pomaka koji će se eventualno dogoditi na nekim sljedećim konferencijama. Evidentno je, kako su prioriteti pojedinih zemalja zainteresiranih prvenstveno za “vlastito dvorište”, doveli konferenciju u slijepu ulicu, a planet nam se i dalje zagrijava.
Prema podacima iz 1998. godine iz fosilnih goriva proizvedeno je oko 80% ukupne energije, pri čemu 35% otpada na naftu, 23% na ugljen i 21% na prirodni plin. Udio energije dobiven iz obnovljivih izvora energije bio je 14%, a od toga samo 2% potječe iz “novih” obnovljivih izvora energije, u koje spada i geotermalna energija.
Osim problema globalnog zagrijavanja, s druge strane, fosilna goriva su neobnovljivi izvori energije. Osim što je njihov utjecaj vrlo štetan, ima ih sve manje, te je vidljivo da se obnovljivi izvori moraju početi bolje iskorištavati, te da ne treba postojati bojazan za energiju bez fosilnih goriva.
Vrhunac ere potrošnje nafte i zemnog plina prema izvještaju World Energy Councila već je prošao. Predviđa se da će do 2050. godine obnovljivi izvori energije u najvećoj mjeri zamijeniti ugljen.
Razvoj obnovljivih izvora energije važaj je iz više razloga:
– već spomenuto smanjenje emisije ugljičnog dioksida – CO2 u atmosferu
– povećanjem udjela obnovljivih izvora energije povećavamo energetsku održivost te smanjujemo ovisnost o uvozu energetskih sirovina i električne energije
– za pretpostaviti je da će obnovljivi izvori energije postati ekonomski konkurentni dosadašnjim izvorima energije
Kako koristiti obnovljive izvore energije
Po pitanju obnovljivih izvora energije na raspolaganju nam je energija vjetra, vode, sunca te geotermalna energija. Osnovni problem prihvaćanja novih tehnologija je početna cijena instalacija novih postrojenja. Ona u prvih nekoliko godina diže cijenu dobivene energije koja je osjetno veća od cijene sadašnje dostupne energije, međutim duljom eksploatacijom, cijena po jedinici energije se kontinuirano smanjuje, tako da gledano kroz dulji period, osim smanjenja zagađenja, dolazimo i do ekonomski isplative energije.
Dizalice topline (geotermalne toplinske pumpe) jedan su od načina korištenja obnovljivih izvora energije za grijanje (hlađenje) s najvećim rastom u posljednjih 10 godina. Po definiciji, dizalice topline su uređaji koji radni medij s niže temperaturne razine uz pomoć dodatne energije povisuju na višu temperaturnu razinu te na taj način iskorištavaju toplinu sadržanu u radnom mediju. Njihova glavna prednost je u tome što koriste uobičajene temperature tla i podzemnih voda (između 5 i 30°C) koje su nam dostupne gotovo na svakom mjestu.
Prednosti korištenja geotermalnih dizalica topline:
– ekonomičnost
smanjeni troškovi grijanja i hlađenja u stambenim i poslovnim objektima
– trajnost
– niski troškovi održavanja
ako je sistem ugrađen na propisan način ne zahtijeva gotovo nikakvo održavanje
– tihi rad
pogodna upotreba u domaćinstvu i u poslovnim prostorima s obzirom da kod ovakvih sustava nema dijelova koji proizvode buku
– fleksibilnost
ovakvi sustavi mogu snabdijevati toplinskom energijom razne potrošače
– prilagodba
koriste se i u toplim i u hladnim razdobljima. Zimi za grijanje, a ljeti za hlađenje
– ekologija
geotermalne dizalice topline gotovo ne zagađuju okolinu, te su važan čimbenik u smanjenju onečišćenja atmosfere
Iz tablice 1, po podacima iz 2004. godine vidljiv je pregled upotrebe dizalica topline po pojedinim državama:
tablica 1: vodeće države u upotrebi dizalica topline (podatak iz 2004. godine)
Malo povijesti
Da netko ne bi pomislio kako su dizalice topline umotvorina novog doba, potrebno je istaknuti činjenicu da povijest suvremenih dizalica topline započinje 1834. godine, kad je Jacob Perkins, koristeći se teorijskim načelima Carnotova ciklusa, patentirao prvi parni kompresorski rashladni uređaj. Prvi opis termodinamičkog ciklusa za “pumpanje” topline s niže na višu temperaturnu razinu objavio je William Thompson (Lord Kelvin) 1852., a Peter von Ritinger je 1856./57. u Austriji izradio prvu praktično upotrebljivu dizalicu topline kapaciteta 14 kW, korištenu u industrijske svrhe. Godine 1940. tvrtka “Westingouse” proizvela je prvu agregatnu dizalicu topline namijenjenu za grijanje i hlađenje prostora s instaliranom snagom od 770 W, što je bila prethodnica današnjih sobnih klimatizacijskih uređaja. Do razvoja dizalica topline u Europi dolazi oko 1930. godine, u čemu prednjači Švicarska. Prva velika “europska” dizalica topline postavljena je 1938. godine za vijećnicu u Zürichu, u neposrednoj blizini jezera. Snaga joj je 190 kW, radi s rashladnom tvari R12 i jezerskom vodom kao toplinskim izvorom.
Do 1950. godine dizalicama se topline uglavnom koristi za grijanje kuća, tek neznatno u industrijske svrhe. Između 1950. i 1954. godine pojavljuju se mnoga odlična rješenja, koja zadovoljavaju sve strože tehničke i ekonomske zahtjeve. Oko 1950. godine u Velikoj Britaniji izrađene su dizalice topline s akumulatorom topline i antifrizom u cijevima, kojima je zemlja toplinski izvor. Imale su koeficijent grijanja veći od 3, i to pri najnepovoljnijim vremenskim uvjetima. U Švedskoj, Francuskoj i Njemačkoj u razdoblju od 1960. do 1970. godine nastaje nagla potražnja za dizalicama topline koje se kao toplinskim izvorom koriste zrakom.
Prva je dizalica topline na ovim prostorima instalirana 1963. godine u Herceg Novom za zagrijavanje staklenika. Rashladna tvar je bila metilklorid, a toplinski izvor zemlja. Iako je dobro radila, ubrzo je zamijenjena grijačima na u to vrijeme jeftinoj nafti.
Sedamdesete godine mogu se držati vremenom kad se i u našoj zemlji sve više razmišlja o uporabi dizalica topline za grijanje zgrada. Radi se više prototipova i ugrađuju se modeli stranih proizvođača. Godine 1979. u splitskoj je luci ugrađena prva domaća dizalica topline koju je proizveo splitski “Termofriz” za grijanje pomorsko-putničkoga terminala. Koristila se morskom vodom kao toplinskim izvorom; imala je toplinski učinak od 700 kW, s temperaturom vode za grijanje 45/40 0C i rashladnim učinkom od 650 kW (12/7 oC).
Osnove
Kao što smo već spomenuli dizalica topline je uređaj koji radni medij s niže temperaturne razine uz pomoć dodatne energije povisuje na višu energetsku razinu.
S obzirom na porijeklo i postojanost temperaturne razine, toplinski izvori za dizalice topline mogu se podijeliti u skupine:
- prirodni kod kojih je temperatura uglavnom promjenjiva – okolni zrak
- prirodni s konstantnim temperaturama: površinske vode (vodotoci, mora), podzemne vode, Sunčeva energija
- umjetni – otpadne vode te otpadni i istrošeni zrak iz prostorija ili industrijskih procesa.
Nadalje, s obzirom na toplinski izvor, dizalice topline možemo također podijeliti u tri osnovne skupine:
– dizalice topline tlo-voda (rasolina-voda) koje kao toplinski izvor koriste slojeve tla
– dizalice topline voda-voda: kao toplinski izvor koriste podzemne, površinske ili otpadne vode
– dizalice topline zrak-voda i zrak-zrak: kao toplinski izvor koriste okolni, istrošeni, otpadni ili onečišćeni zrak.
Dizalice topline najčešće se koriste kao izvori topline u sustavima grijanja i/ili pripreme potrošne tople vode obiteljskih kuća, stambenih i javnih zgrada. Da bi njihova primjena bila učinkovita, trebaju ispuniti nekoliko osnovnih uvjeta:
– raspoloživost toplinskog izvora zadovoljavajuće temperature kroz cijelu sezonu grijanja
– što manju udaljenost između toplinskog izvora i mjesta predaje topline
– mjesta predaje topline trebaju imati umjerenu temperaturnu razinu (niskotemperaturni sustav grijanja)
– veliki broj sati uporabe tijekom godine – radi veće isplativosti
– visoke cijene drugih izvora energije (ostvarenje veće uštede)
Ukoliko dizalicu topline koristimo u sustavu grijanja, u najvećem broju slučajeva riječ je o niskotemperaturnom toplovodnom grijanju, kod čega su najprikladniji sustavi površinskog grijanja (podnog, zidnog i stropnog). Ako želimo za ogrjevna tijela koristiti radijatore, moramo ih prilagoditi niskotemperaturnom pogonu, kako bi temperatura polaznog voda ogrjevnog medija bila niža, ćime povećavamo faktor grijanja uz istu srednju temperaturu toplinskog izvora.
Tablica 2.2 Osnovne značajke pojedinih izvedbi dizalica topline
Kompresijske dizalice topline
U ovisnosti od izvedbe dizalice topline, ovisi način na koji će doći do podizanja temperature radnog medija. S obzirom da su u današnje vrijeme kompresorske dizalice topline najviše usavršene, najviše se i koriste. Za povišenje energetske razine radne tvari koriste mehanički rad kompresora. Sastoje se od sljedećih osnovnih dijelova:
– isparivača
– kompresora
– kondenzatora
– ekspanzijskog ventila
Svi dijelovi se nalaze u zajedničkom kućištu kao jedna cjelina, te ih je potrebno samo spojiti na dovod radnog medija, razvod ogrjevnog medija, električnu mrežu te sustav automatske regulacije.
Isparivač
Tekući radni medij na primarnoj strani nalazi se na nižem tlaku prilikom primanja topline iz okoliša. Temperatura okoline viša je od temperature isparavanja radnog medija pri tlaku na kojem se nalazi radni medij u isparivaču tako da radni medij potpuno isparava i pri tom uzima toplinu iz okoline. Rashladni učin isparivača ovisi o ukupnoj površini za izmjenu topline, koeficijentu prolaza topline izmjenjivača i razlici temperature radnog medija koji isparava. U cilju što manje i kompaktnije dimenzije cijelog uređaja (dizalice topline), na izvedbu isparivača treba također postaviti zahtjev što manjih dimenzija.
Kompresor
Kompresor usisava radni medij iz isparivača, podiže mu temperaturu i tlak na vrijednost na kojoj se omogućava njezina kondenzacija na temperaturi koja je viša od temperature ogrjevnog medija. Rashladni učin kompresora mora biti jednak rashladnom učinu isparivača, te mora omogućiti komprimiranje cjelokupne radne tvari iz isparivača.
Ovisno o načinu na koji se izvodi stlačivanje, postoji nekoliko osnovnih izvedbi kompresora:
– klipni kompresori
– vijčani kompresori
– spiralni kompresori
– turbokompresori
Kod spiralnog kompresora komprimiranje radnog medija odvija se pomoću dvije arhimedove spirale. Zbog visoke preciznosti izrade nisu potrebni brtveni elementi na vrhovima spirala, a zahvaljujući uljnom filmu osigurana je uzajamna plinska nepropusnost pojedinih sadržanih volumnih elemenata. U usporedbi s klasičnim klipnim kompresorima, postiže se smanjenje buke, tako da nastala buka odgovara približno šumovima koje stvara hladnjak istog učinka.
Kondenzator
Nakon prolaska kroz kompresor, radni medij odlazi na sekundarnu stranu (sustav grijanja) u kondenzator koji je oplakivan ogrjevnim medijem. Temperatura ogrjevne vode je niža od temperature kondenzacije radnog medija tako da radni medij kondenzira i ponovno se ukapljuje. Pri tom se toplina koju je radni medij primio na isparivaču i dodatno dovedena energija na kompresoru predaju ogrjevnoj vodi.
S obzirom na ogrjevni medij koji se koristi, postoje dvije izvedbe kondenzatora dizalice topline:
– vodom hlađeni, kada se kao ogrjevni medij koristi voda (za sustave toplovodnog grijanja i pripreme potrošne tople vode)
– zrakom hlađeni, kada se kao ogrjevni medij koristi zrak (za sustave toplozračnog grijanja, ventilacije i klimatizacije).
Ekspanzijski ventil
Radni medij se preko ekspanzijskog ventila vraća u isparivač. U ekspanzijskom ventilu radni medij ekspandira s višeg tlaka kondenzatora na niži tlak isparivača i ohlađuje se, te je time zatvoren ciklus.
Faktor grijanja ili koeficijent učinka osnovni je pokazatelj učinkovitosti rada dizalice topline. Jednak je omjeru predane toplinske energije nekom prostoru ili mediju i utrošene električne energije kojom se u njoj ostvaruje proces.
