Toplotna črpalka za ogrevanje

Toplotna črpalka je sistem s katerim lahko uporabnik ogreva prostore, sanitarno vodo ali pa prostore hladi (npr. poleti). Toplotna črpalka deluje tako, da črpa toploto iz vode, zemlje ali zraka, odvisno od vrste toplotne črpalke, in jo v krožnem procesu dvigne na višjo temperaturo ter prenesejo na drug medij (zrak ali voda) v sistemu. Te črpalke delujejo na podlagi soodvisnosti med temperaturo, tlakom in volumnom plina oz. hladiva, ki se nahaja v zaprtem hladilnem tokokrogu v črpalki sami. S pomočjo toplote črpane iz primarnega vira toplote se plin oz. hladilo v zaprtem hladilnem tokokrogu v črpalki uparja ali utekočinja (zmanjševanje tlaka tega plina pomeni znižanje temperature, povečanje tlaka pa zvišanje temperature). Proces delovanja vsebuje tri tokokroge, in sicer prvotni vir, pri čemer gre lahko za zrak, vodo ali zemljo, iz katerega črpalka zajema oz. črpa toploto, hladilni krog, ki se odvija v črpalki sami in tokokrog, ki zajema uporabnikov ogrevalni sistem. Ogrevalni sistem je lahko radiatorsko gretje, talno gretje ali grelnik sanitarne vode. Če gre za ogrevanje prostorov potem črpalke črpajo toplotno energijo iz prvotnega vira v ogrevalni sistem, če gre za gretje sanitarne vode pa se toplota prenese na vodo v grelniku za sanitarno vodo.

Poznamo toplotne črpalke zrak-voda, kjer je primarni vir toplote zunanji zrak, zunanji zrak pa je primarni vir toplote tudi pri toplotni črpalki zrak-zrak. Toplotne črpalke voda-voda, kot primarni vir toplote uporabljajo temperaturo podtalne vode. Toplotne črpalke zemlja-voda kot primarni vir toplote izrabljajo toploto kamnin oz. zemlje. Poznamo pa še hibridne toplotne črpalke.

Gre za toplotne črpalke, pri katerih so v eni napravi združene lastnosti različnih toplotnih črpalk. Gre za toplotne črpalke, ki največkrat združujejo možnost zemlja-voda in zrak-voda in lahko glede na potrebo izkoriščajo toplotno energijo okoliškega zraka ali toplotno energijo pridobljeno iz zemlje. Preklapljanje med primarnim virom toplote se izvede glede na trenutno cenovno najbolj ugodno možnost oz. glede na dostopnost posameznega primarnega toplotnega vira. Na primer: črpalka lahko kot primarni vir izkorišča toploto zemlje, a lahko zaradi izboljšanja vremenskega stanja in toplote zraka preklopi na način delovanja, pri katerem kot primarni vir toplote izkorišča okoliški zrak. Na ta način sistem toplotne črpalke doseže največjo učinkovitost in ima najmanjše izgube v delovnem procesu.

Toplotna črpalka zrak-voda deluje tako, da zunanja enota črpalke, ki je postavljena na uporabnikovem vrtu ali dvorišču črpa toploto iz zraka in jo prenaša na hladilno sredstvo oz. plin, ki kroži po sklenjenem krogotoku v sami toplotni črpalki. Toplota se potem na podlagi tlaka, ki se zmanjšuje ali povečuje,  v hladilni tekočini prenaša naprej v notranjo enoto toplotne črpalke, ki s to toploto ogreva uporabnikov dom ali sanitarno vodo. Slabost tovrstnih črpalk je sorazmerno kratka življenjska doba in omejitve pri delovanju pri nizkih temperaturah zunanjega zraka. Čeprav najsodobnejše toplotne črpalke zrak-voda omogočajo delovanje tudi pri zunanji temp. zraka do - 25 °C, se moramo zavedati, da mora taka črpalka pod mejo -5 °C delovati skupaj s sekundarnim virom ogrevanja, da pokrije vse toplotne potrebe objekta.

Te toplotne črpalke kot primarni vir toplote uporabljajo toploto skladiščeno v kamninah oz. zemlji. Tam se namreč skladišči precejšnja količina sončne energije. Količina te skladiščene toplotne energije, ki jo lahko s pomočjo toplotne črpalke uporabimo za ogrevanje prostorov ali sanitarne vode, je odvisna od sestave tal, moči toplotne črpalke in načina izkoriščanja skladiščene energije. Toplotna energija iz tal se prestreza s pomočjo sistema cevi, ki so položene na globini 120 - 130 cm, kar imenujemo horizontalni kolektor, ali pa s pomočjo geosonde, pri kateri so cevi pod površino vstavljene vertikalno. Površina cevnega sistema pod površino more biti dvakrat večja od površine ogrevanega prostora. Voda, ki kroži po teh ceveh in prevzema toploto shranjeno v zemlji oddaja to toplotno energijo črpalki, ker se s pomočjo el. energije ta voda še dodatno segreje in potem ogreva uporabnikove prostore ali sanitarno vodo.

Toplotna črpalka voda-voda kot primarni vir toplote izkorišča temperaturo oz. toploto, ki jo oddaja podtalnica. velika prednost te toplotne črpalke je konstantni nivo toplote, ki ga oddaja primarni vir, saj ima podtalnica zaradi globine na kateri se najpogosteje nahaja precej stalno temperaturo, ki ni odvisna od temperature zraka ali količine Sončevega sevanja, ki ga prejme Zemljino površje. Za delovanje takšne črpalke sta potrebni dve vrtini - ena po kateri se podtalnica črpa in druga, po kateri se vrača. V vrtini po kateri črpamo podtalnico mora biti vstavljena potopna črpalka, ki omogoča samo črpanje. Problem pri delovanju lahko nastane, če je nivo podtalnice prenizek za delovanje potopne črpalke, zato so te toplotne črpalke primerne le za območja s stalnim in visokim nivojem podtalne vode. prav tako je za postavitev takšne črpalke potrebno dovoljenje ARSO in kemična analiza vode.

Te črpalke spadajo med najsodobnejše oblike ogrevanja s pomočjo toplotnih črpalk. Delujejo lahko tudi pri zunanjih temperaturah zraka med -20 °C in -25°C. Ogrevanje deluje na principu premikanja hladila, ki se nahaja v zaprtem krogotoku v črpalki. Med kroženjem ta plin spreminja svoje agregatno stanje pri čemer se sprošča energija, ki jo črpalka pretvori v toplotno energijo. S to vrsto toplotne črpalke lahko prostore tudi hladimo. Ogrevamo ali hladimo tuljave, ki se nahajajo v bivalnih prostorih, propelerji, ki so nameščeni ob njih pa poskrbijo za kroženje segretega ali ohlajenega zraka po prostoru. Zunanji zrak, ki ga zajema zunanja enota toplotne črpalke pa omogoča hlajenje ali segrevanje plina oz. hladila v zunanji enoti črpalke.