Načrtovanje sistema ogrevanja in hlajenja s toplotno črpalko


Opisan bo zelo udoben in ugoden način ogrevanja in hlajenja varčne pasivne hiše s ceneno toplotno črpalko zemlja/voda. Sistem je podoben kompaktnim napravam, pri čemer omogoča vse ključne elemente, kar večina kompaktnih naprav ne, pri tem pa je modularen in bistveno cenejši. V kombinaciji s talnim ogrevanjem ter kontroliranim prezračevanjem z rekuperacijo omogoča ogrevanje in hlajenje hiše preko talnega ogrevanja, poleg tega pa še ogrevanje in hlajenja preko zraka, torej toplozračno ogrevanje in hlajenje hiše. Seveda omogoča tudi kombinacijo obeh načinov distribucije toplotne energije.

Ta sistem bo vgrajen v naši hiši, ki sicer za ogrevanje potrebuje zelo malo energije, potrebe po topli vodi pa v 65% pokriva s pomočjo sončnih kolektorjev. Neposredno ogrevanje sanitarne vode in hiše z elektriko tako ne stane bistveno več kot 150 Eur letno. Kljub temu bo uporaba toplotne črpalkie poleg nižjih stroškov, ki bodo sedaj v rangu do 50 Eur letno, prinesla še nekatere druge prednosti, ki bodo naštete v nadaljevanju.

V primerjavi z ogrevanjem s pomočjo oljnega radiatorja je talno ogrevanje prijetnejše, s pripiranjem ventilov posameznih vej talnega ogrevanja pa lahko nekoliko reguliramo, kakšne bodo temperature v posameznih prostorih. Tudi nastavitev gretja, da se izognemo nenehnemu vklapljanju, je pri uporabi oljnega radiatorja nekakšna umetnost, ki zahteva nekaj spretnosti. Prav tako je oljni radiator v prostoru tujek, ki hodi nekoliko na poto. Pomembna prednost toplotne črpalke pa je tudi, da lahko njeno delovanje obrnemo in jo tako v poletnem času uporabimo za hlajenje. Vsa hladilna moč toplotne črpalke bo poleti usmerjena v ohlajevanje vstopnega zraka, saj ga na tak način razvlažimo in znižamo relativno vlažnost v notranjih prostorih. Previsoka vlaga v poletnem času namreč močno zmanjšuje udobje bivanja, saj našemu telesu onemogoča, da bi se hladil po naravni poti, torej s potenjem.

Pasivna hiša sicer ne potrebuje dodatnega aktivnega hlajenja in lahko brez klime zagotavlja temperature v okolici 24°C tudi v konici poletja, vendar pa je nujno, da hišo v nočnem času, ko je hladneje, zračimo s prepihom skozi okna. V določenih primerih, npr. če živimo v hrupnem okolju, hiše na tak način ne moremo hladiti. Odprta okna tudi močno povečajo možnosti vloma, pazljivi pa moramo biti tudi na možne nočne nevihte. V predelih, kjer je veliko mrčesa oz. komarjev je nujna uporaba komarnikov.

S pomočjo aktivnega hlajenja lahko dosežemo tudi precej nižjo stopnjo vlažnosti zraka ter tudi nižjo in bolj udobno notranjo temperaturo. Če je hiša dobro izolirana, poleg tega pa se steklene površine lahko senčijo, ima malo izgub ne samo v zimskem, ampak tudi v poletnem času. V takšnih hišah je zato tudi aktivno hlajenje zanemarljiv strošek.

Toplotna črpalka

Toplotna črpalka zemlja/voda je v primerjavi z inverterskimi toplotnimi črpalkami zrak/voda zelo enostavna in se praktično ne razlikuje od toplotnih črpalk, uporabljenih v hladilnikih. Iz tega razloga je ni težko izdelati zelo robustno, z življenjsko dobo več deset let. Zaradi enostavnosti je lahko tudi cenovno zelo ugodna, posebej v pasivnih in zelo varčnih hišah, kjer lahko zadostuje že 100 do 200 m zemeljskega kolektorja. Taka dolžina kolektorja namreč predstavlja zelo majhen strošek, poleg tega pa ne potrebujemo veliko prostora. Uporaba v manj varčnih hišah je nekoliko kompleksnejša in dražja, saj potrebujemo več vej zemeljskega kolektorja, dodaten notranji zalogovnik, dodatne črpalke ter kompleksnejšo avtomatiko. Poleg tega je pri že obstoječih hišah razkopavanje urejene okolice zelo odbijajoče, zato se precej bolj pogosto uporablja sicer precej kompleksnejša in delikatna inverterska toplotna črpalka zrak/voda, ki sicer nudi manjše izkoristke. Ker so serije teh zadnjih toplotnih črpalk precej večje, je njihova cena kljub kompleksnosti precej nizka in primerljiva s toplotnimi črpalkami zemlja/voda. V prihodnosti, ko bo zelo varčnih hiš vedno več, pa se lahko cena toplotnih črpalk zemlja/voda spusti precej pod ceno toplotnih črpalk zrak/voda, pri čemer bo življenjska doba zaradi enostavnosti tehnologije daljša.

V času gradnje je bila v zemljo zakopana colska alkaten cev za vodo dolžine približno 90 m, ki bo služila kot zemeljski kolektor, kjer bo toplotna črpalka zemlja/voda odjemala toploto. Ker je to zelo kratek kolektor, iz njega toplotna črpalka ne more odjemati velike moči, odvisno od zemljine, vendar maksimalno nekje 4kW. Seveda zaradi varnosti in slabšega izkoristka ni dobro odjemati maksimalne moči 4kW, na trgu pa manjših toplotnih črpalk zemlja/voda zaenkrat ni možno dobiti.

Zakopavanje zemeljskega kolektorja v ilovnato zemljo.
Zakopavanje cevi zemeljskega kolektorja globoko v ilovnato zemljo, pod nivo podtalnice.

Cevi zemeljskega kolektorja na zgornji sliki pravzaprav niso namenjene toplotni črpalki, ampak predgrevanju zraka. Identični kolektor za toplotno črpalko je bil vgrajen 1 m višje nad tem kolektorjem. Priporočljiva globina za vgradnjo kolektorja, ki ga uporablja toplotna črpalka je 1.5 m do 2 m, da lahko v poletnem času toplotna energija preko padavin prodre do kolektorja. Ta omejitev pa ne velja za varčne pasivne hiše, kjer zemeljski kolektor uporabljamo precej krajši čas, še posebej, če se s toplotno črpalko tudi hladimo. Kljub temu je nižja globina primernejša zaradi cene izkopa.

Glede na izračune, pa tudi izkušnje z bivanjem v zadnjih dveh letih, za ogrevanje hiše tudi v konici zime, ko temperature ponoči padejo pod -15°C, zadostuje v nočnem času 8 ur priklopljen 1.2 kW oljni radiatorček. Za ogrevanje hiše bi tako popolnoma zadostovala tudi toplotna črpalka 1 kW, vendar pa je potrebno za ogrevanje sanitarne vode nekoliko več moči, da imamo toplo vodo hitreje na voljo. Glede na to sem izbral toplotno črpalko moči 2.2 kW, ki je bila izdelana po naročilu. Ohišje črpalke je bilo izdelano iz lesa, saj na trgu zaenkrat tudi ni tako majhnih ohišij. 

Toplotna črpalka zemlja/voda brez ohišja
2 kW toplotna črpalka brez ohišja. Zmajček spodaj je za občutek o velikosti toplotne črpalke.

Toplotna črpalka je izjemno majhna, brez ohišja pa ima dimenzije 28*38*45 cm. Na vsaki strani nekaj cm vzame ohišje in izolacija iz gostejše kamene volne. Črpalka je sicer že brez ohišja zelo tiha.

Z možnostjo hlajenja je bila cena nekaj manj kot 1400 Eur, brez hlajenja pa 250 Eur ceneje.  

Toplotni črpalki prav tako manjka avtomatika za regulacijo, ki pa je za pasivne hiše lahko precej enostavna, saj je gibanje temperature v pasivnih hišah, posebej masivnih, zelo pohlevno. Ugodno je tudi, če ogrevanje poteka predvsem v času cenejšega toka, torej ponoči in med vikendi.

Nekateri poleg toplotne črpalke priporočajo tudi hranilnik toplote oz. vodni zalogovnik, da se toplotni črpalki nebi bilo potrebno prepogosto vklapljati, vendar pa je ta razen za sanitarno vodo večinoma odveč, če bomo uporabljali talno gretje v betonskem estrihu, posebej, če gre za zelo varčno oz. pasivno hišo, ki ima ogrevalne naprave zelo majhnih moči. Betonski estrih lahko namreč akumulira zelo veliko energije. V našem primeru je talno gretje na površini 50 m2, estrih pa ima povprečno debelino vsaj 6 cm. Torej se preko talnega gretja ogreva vsaj 3 m3 estriha, ki pa pri segretju za 1°C shrani približno 1.5 kWh (to je ekvivalentno 1500 l zalogovniku vode). Na primer, da toplotna črpalka neprekinjeno ogreva hišo 4 ure, se bo tako estrih ogrel maksimalno za 6°C, tudi če pri tem ostalemu delu hiše ne bo oddal nič energije. V praksi bi to pomenilo, da bi se segrel iz 22 na 28°C, dejansko pa nekoliko manj, saj med tem estrih stalno oddaja toploto v prostor.

Hlajenje hiše

Hlajenje hiše bi bilo lahko izvedeno preko cevi talnega gretja, kot je to narejeno v večini primerov, vendar pa je ta način hlajenja lahko nevaren zaradi kondenzacije, poleg tega pa na vlažnejših lokacijah ne zagotavlja ugodne klime, saj zraka ne razvlažuje. Če hladimo s pomočjo cevi talnega ali stenskega gretja, se bo že tako visoka relativna vlaga poleti v hiši še povečala in bomo potrebovali še nižjo temperaturo za enako ugodje, poleg tega pa lahko vlaga tudi kondenzira na površinah, če hladimo preveč intenzivno. Prav tako bo pri hlajenju estriha hladen zrak ostajal pri tleh, zgoraj pa bo še vedno vroče. Ker zelo varčne hiše ne potrebujejo zelo intenzivnega hlajenja, ta efekt verjetno ni tako izrazit.

Tako je bolje, če lahko hladilno moč iz toplotne črpalke uporabimo predvsem za hlajenje vstopnega zraka iz rekuperatorja, morebiten preostanek pa, da nebi zmrznil toplotni prenosnik, pošljemo naprej v cevi talnega gretja. Ker je toplotna črpalka moči le 2kW, se bo praktično vsa hladilna moč lahko porabila za hlajenje zraka. Cilj je, da se zrak pri tem čim bolj razvlaži, zato se ga bo ohlajalo do temperature 5°C, morebiten preostanek pa se bo pošiljal v cevi talnega gretja.

Za rekuperatorjem je tako potrebno namestiti dodaten vodni toplotni prenosnik, ki ga je za razvojne namene prijazno dalo na uporabo podjetje Klivent. Preko toplotnega prenosnika se bo s pomočjo hladne vode iz toplotne črpalke ohlajeval zrak. V višku poletja bo hlajenje delovala le nekaj ur na dan, in sicer v času najvišjih temperatur, ko bo vstopni zrak temperature nad 30°C najprej potoval skozi rekuperator, kjer se bo s pomočjo notranjega izrabljenega zraka ohladil na približno 25°C, nato pa skozi vodni prenosnik toplote, kjer se bo nadalje ohladil do 5°C. Za pretok zraka 150 m3/h je tako potrebnih 1050 W + približno 600 W (latentna energija zaradi razvlaževanja zraka) hladilne moči. Vsako uro pa se bo iz zunanjega zraka izločilo približno liter vode.

Problem pri takšnem načinu hlajenja bi lahko predstavljal kondenz okrog prezračevalnih cevi, ki vodijo zrak v hišo, saj bo temperatura cevi zaradi mrzlega zraka zelo nizka in kondenz neizbežen. Iz tega razloga je potrebno te cevi dobro izolirati. V mojem primeru so cevi razpeljane po betonski plošči, zato tam ni možnosti za kondenzacijo, izolirati pa moram samo del do betonske plošče. Prezračevalne cevi v betonski plošči pa imajo tako še eno prednost, in sicer to, da se bo mrzel zrak, ki bo potoval po cevi v betonski plošči ogrel ter osušil ter pri tem shladil medetažno ploščo. V prostor vpihan zrak bo tako že prijetno ogret in osušen in ne bo mogoče čutiti nadležnega mrzlega pihanja, prav tako pa se bo ohladila razgreta betonska plošča, ki tako ne bo sevala toliko toplote. Takšno udobje pa zagotavljajo le redki klimatski sistemi.

Regulacija

Regulacija hlajenja in ogrevanja bo izvedena s pomočjo krmilnika, ki se sedaj uporablja za vklapljanje črpalke za predgrevanje zraka pred vstopom v rekuperator. 

Cilji pri regulaciji ogrevanja so naslednji. Ogrevanje naj poteka le v času cenejšega toka, ki med delavniki nastopi ob 22.00. Takrat bi se najprej ogrela sanitarna voda na 46°C, preostali čas pa bi se lahko ogrevala hiša. Čas ogrevanja hiše bi se določil glede na povprečno zunanjo in notranjo temperaturo zadnjih 24 ur (krmiljenje) ter glede na odstopanje od želene temperature od dejanske (regulacija). Tako bi se zgladila razna nihanja na račun počasne odzivnosti talnega ogrevanja ter sončnih in notranjih dobitkov, ki imajo samo kratek čas trajanja. Morebiten manjko v konici zime bi se lahko nadomestil med vikendi, ko je električni tok cenejši skozi celoten dan. Da bi majhen 80 litrski zalogovnik za sanitarno vodo pokril potrebe naše družine, bi se ga ob 17.00 popoldne segrelo na maksimalno temperaturo 46°.

24 urno glajenje temperature je za pasivne hiše smiselno, saj se v takšnih hišah temperatura zelo počasi spreminja, razen v primeru velikih sončnih dobitkov, kjer vsi sistemi ogrevanja in regulacije odpovedo, saj so izgube hiše bistveno manjše od sončnih energijskih pritokov. 

Krmilnik Cybro
Krmilnik Cybro, ki je namenjen regulaciji raznih naprav, kot so npr. sončni kolektorji, toplotna črpalka, predgrevanje zraka in čistilna naprava, poleg tega pa tudi spremljanju različnih temperatur in drugih parametrov.

Hlajenje bi potekalo podobno. Ko bi notranja temperatura presegla npr. 24.5°C, bi pri nastopu zunanje temperature nad 30°C vklopil hlajenje, pri čemer bi bil čas trajanja odvisen od povprečne dnevne in povprečne notranje temperature zadnjih 24 ur. Padec temperature se zaradi visoke akumulacije hiše praktično nebi poznal, le zrak bi se nekoliko razvlažil.

 

 

Sodelavci, ki so mi pomagali pri razvoju sistema za ogrevanje in klimatizacijo:
Prezračevanje Klivent

  

IMP obtočne črpalke

  

 

Zadnjič dopolnjeno: 27.avg.2014

Nazaj na prejšno stran

Komentarji

Posted by TimmyVense on
Hi HI
Leave a Reply



(Your email will not be publicly displayed.)


Captcha Code

Click the image to see another captcha.