Kako deluje toplotna črpalka z radiatorji?

Visoka učinkovitost, nemoteno delovanje po svoji naravi Toplotna črpalka je s svojimi okolju prijaznimi lastnostmi, manjšo porabo energije in ugodnimi državnimi subvencijami odlična rešitev za ogrevanje (in hlajenje, če gre za reverzibilno toplotno črpalko).

Druga pomembna prednost je, da je toplotna črpalka združljiva s številnimi hišnimi distribucijskimi sistemi, zlasti z radiatorji, tako starimi (visokotemperaturnimi) kot novimi (nizkotemperaturnimi), čeprav se učinkovitost pri vsaki konfiguraciji močno razlikuje.

V tem članku obravnavamo kombinirano rešitev toplotna črpalka + radiator: kako deluje, merila za izbiro radiatorjev, velikost in alternative.

Toplotna črpalka z radiatorji: kako deluje?

Kombinacija toplotne črpalke in radiatorja je ogrevalni sistem, ki uporablja načelo termodinamike za prenos toplote iz enega medija v drugega. Radiatorji imajo v tem sistemu osrednjo vlogo, saj toploto, ki jo proizvede toplotna črpalka, razdelijo v različne prostore v stavbi.

Preden si ogledamo radiatorje, si oglejmo delovanje toplotne črpalke na splošno. Toplotna črpalka absorbira toploto iz zunanjega okolja (zraka, vode ali zemlje, odvisno od vrste toplotne črpalke) in jo prenaša v notranje okolje, običajno v stavbo ali dom. Termodinamični cikel toplotne črpalke je razdeljen na štiri glavne stopnje:

1. Izhlapevanje V uparjalniku kroži hladilno sredstvo z nizko temperaturo in nizkim tlakom, ki absorbira toploto iz zunanjega okolja. Ta absorpcija energije povzroči izhlapevanje tekočine, ki se iz tekočine spremeni v plin;
2. Kompresija Hladilni plin se nato usmeri proti kompresorju, kjer se zaradi kompresije dodatno segreje;
3. Kondenzacija Segret plin pod visokim tlakom nato prehaja skozi kondenzator, kjer odda toploto vodi v ogrevalnem krogu. Zaradi prenosa toplote plin kondenzira in se vrne v tekoče stanje;
4. Sprostitev Tekočina gre skozi ekspanzijski ventil, ki zniža tlak in temperaturo ter jo pripravi na naslednji cikel izhlapevanja.

Proizvedena toplota se lahko v notranjosti razporedi po različnih kanalih: talno ogrevanje, ventilatorske tuljave, kanalski sistemi, stensko ogrevanje, sevalni stropi in radiatorji. Prav ta zadnja konfiguracija nas zanima. 

Ko hladilni plin kondenzira in odda svojo toploto v kondenzatorju, segreje vodni krog. Ta vroča voda nato kroži po radiatorjih. Ker ima voda višjo temperaturo kot okoliški zrak, prenaša svojo toploto na zrak, ki se segreje in nato razprši po prostoru. Kaj pa regulacija?

V tem ogrevalnem sistemu je vsak radiator opremljen s termostatskim ventilom, ki omogoča individualno nastavitev temperature v vsakem prostoru z uravnavanjem količine vroče vode, ki kroži skozi radiator, v skladu z navodili uporabnika. Glavni termostat, ki je običajno nameščen v glavnem prostoru hiše, pošlje signal toplotni črpalki, ko temperatura v prostoru pade pod nastavljeno temperaturo. Toplotna črpalka se nato vklopi in proizvaja toploto, ki se distribuira po radiatorjih.

Ko temperatura v prostoru doseže ali preseže nastavljeno temperaturo, termostat pošlje signal za izklop toplotne črpalke. Voda v radiatorjih se nato postopoma ohlaja, temperatura v prostoru pa se zniža. Ta samodejna regulacija temperature zagotavlja stalno toplotno udobje, hkrati pa optimizira porabo energije.

Kakšno vrsto radiatorja naj uporabim s toplotno črpalko?

Vsi radiatorji niso združljivi s toplotno črpalko. Gre za vprašanje delovne temperature. Toplotne črpalke so učinkovitejše, če delujejo pri nizkih temperaturah, običajno pod 55 °C, in sicer iz dveh razlogov: 

• Termodinamični cikelki pravi, da je za prenos toplote s hladnega območja na toplejše potrebno več energije. Večja kot je temperaturna razlika med virom toplote (npr. zunanjim zrakom) in mestom, kamor se toplota prenaša (npr. ogrevanje vode), več energije je potrebne za prenos. Če mora toplotna črpalka proizvajati vodo pri zelo visoki temperaturi, je temperaturna razlika večja, zato je potrebna večja energija in se zato zmanjša COP toplotne črpalke;
• Kompresija hladilnega sredstva Višja kot je temperatura vode, ki jo je treba segreti, bolj je treba hladilno sredstvo stisniti, kar pomeni večjo porabo energije.

Skratka, če želite povečati učinkovitost svojega ogrevalnega sistema, raje uporabljajte nizkotemperaturne radiatorje. Toda raziščimo obe možnosti: nizkotemperaturne in visokotemperaturne.

Nizkotemperaturni radiatorji

Nizkotemperaturni radiatorji so primerni za ogrevalne sisteme, ki proizvajajo nizkotemperaturno vodo, kot so toplotne črpalke. Na splošno so večji od standardnih radiatorjev, saj morajo nizko temperaturo vode nadomestiti z večjo grelno površino.

Drugačna je tudi njihova zasnova, saj so izdelane iz materialov z visoko toplotno prevodnostjo (zlasti iz aluminija), kar omogoča boljše širjenje toplote. Običajno so oblikovane tako, da spodbujajo naravno konvekcijo zraka.

Nizkotemperaturni radiatorji so daleč najbolj energetsko učinkovita možnost za ogrevalni sistem toplotna črpalka + radiatorji.

Visokotemperaturni radiatorji

Starejše hiše so bile pogosto opremljene z visokotemperaturnimi ogrevalnimi sistemi, ki so jih poganjali plinski ali oljni kotli z visokotemperaturnimi radiatorji. V teh hišah lahko prehod na toplotno črpalko v okviru projekta prenove predstavlja težavo, saj so radiatorji manj primerni za uporabo toplotne črpalke.

Druga ponavljajoča se težava Starejše hiše so po današnjih standardih pogosto slabo izolirane. Zato se toplota, ki jo proizvede toplotna črpalka, hitro izgubi, oprema pa mora delati več, da doseže želeno temperaturo, kar povečuje porabo energije in zmanjšuje učinkovitost sistema.

Če nameravate namestiti toplotno črpalko v staro hišo, se morate odločiti za eno ali več naslednjih možnosti: 

• Izboljšanje toplotne izolacije vašega doma za zmanjšanje količine toplote, potrebne za vzdrževanje prijetne temperature v prostoru, in zagotavljanje učinkovitosti vsakega ogrevalnega sistema;
• Vzdrževanje visokotemperaturnih radiatorjev če so v dobrem stanju in dovolj veliki. Vendar pa je potrebna podrobna študija, da se ugotovi, ali je ta možnost ekonomsko upravičena; 
• Zamenjava visokotemperaturnih radiatorjev z nizkotemperaturnimi radiatorji ali sistemom talnega ogrevanja. Ti sistemi so bolj združljivi s toplotnimi črpalkami in vam lahko pomagajo povečati učinkovitost vašega ogrevalnega sistema;
• Namestitev visokotemperaturne toplotne črpalke ki lahko proizvaja vodo z dovolj visoko temperaturo za oskrbo starih radiatorjev z visoko temperaturo. Slaba stran je, da so ti modeli dražji in manj učinkoviti od nizkotemperaturnih modelov.

Če nameravate ohraniti visokotemperaturne radiatorje, boste morali poleg izolacijskih del očistiti obstoječi ogrevalni sistem ali odstraniti vodni kamen, da odstranite delce, rjo, vodni kamen itd. Morda boste morali dodati radiatorje, da povečate ogrevalno površino in izboljšate porazdelitev toplote. Morda boste morali dodati radiatorje, da povečate ogrevalno površino in izboljšate porazdelitev toplote. 

Določanje velikosti radiatorjev v sistemu toplotna črpalka + radiatorji

Učinkovitost sistema je v veliki meri odvisna od velikosti radiatorjev. Proizvajalci imajo pogosto zelo podrobne tabele velikosti in ponujajo modele po meri, ki ustrezajo vsem konfiguracijam. Pred prodajo vam mora monter kot del projektne dokumentacije predložiti popolno tabelo in diagram za določanje velikosti.

Velikost radiatorjev v sistemu toplotna črpalka + radiatorji je odvisna od dveh glavnih dejavnikov. Prvi je potrebna toplotna močTo je odvisno od velikosti ogrevanega prostora in potreb po ogrevanju v stanovanju (glejte primer spodaj).

Potem je tu še temperaturni režim toplotne črpalke. Nižja kot je nastavitev temperature (npr. 50/40), večja je površina radiatorja in s tem večja je velikost radiatorja, kot je pojasnjeno zgoraj. Dejansko toplotna črpalka pogosto zagotavlja temperaturo 50/40 ali 45/35, ki je nižja od temperature kotla na fosilna goriva (plin ali olje), ki običajno zagotavlja 80/60. Starejši radiatorji, ki so primerni za višje temperature, imajo pogosto premajhno površino za toplotno črpalko. 

V tem primeru imate dve možnosti: izboljšajte izolacijo svojega doma, da zmanjšate količino potrebne toplote in s tem tudi potrebne energije, ali pa zamenjajte visokotemperaturne radiatorje z nizkotemperaturnimi, kar je še vedno najpogostejša možnost. V tem primeru boste morali za odstranitev starega radiatorja odšteti 150 EUR, za nakup in vgradnjo novega pa od 950 do 2 000 EUR.

Konkreten primer določanja velikosti radiatorjev

Vzemimo primer hiše s površino 100 m² v zmernem podnebju. Potrebna toplotna moč se običajno ocenjuje v vatih na kvadratni meter (W/m²). V povprečju se ocenjuje, da je za ustrezno ogrevanje hiše pozimi potrebnih od 70 do 100 W/m², odvisno od izolacije in izpostavljenosti. Za naš primer vzemimo srednjo vrednost 85 W/m².

Za hišo s površino 100 m² je torej potrebna toplotna moč : 100 m² * 85 W/m² = 8500 W ali 8,5 kW. Za ustrezno ogrevanje hiše bi torej potrebovali napravo, ki lahko proizvede 8,5 kilovata toplotne moči.

To je poenostavljena ocena, saj je dejanska potrebna toplotna moč odvisna od izolacije hiše, števila in vrste oken, orientacije hiše, lokalnega podnebja itd. Natančno oceno toplotnih potreb vaše hiše lahko opravi le usposobljen strokovnjak.

Če k temu dodamo še temperaturni režim toplotne črpalke, mora biti velikost radiatorjev dovolj velika, da lahko to količino toplote razdelijo pri nižji temperaturi. Na primer, pri temperaturnem režimu 50/40 bi radiatorji za distribucijo 8,5 kW toplote potrebovali skupno površino približno 10 do 20 m², odvisno od modela in vrste radiatorja.

Talno ogrevanje, privlačna alternativa radiatorjem

V nasprotju z radiatorji, ki oddajajo toploto v eni točki, sistemi talnega ogrevanja oddajajo toploto enakomerno po celotnem prostoru, saj so v tla prostora vgrajeni krogi za toplo vodo. 

V praksi to pomeni, da toplotna črpalka ogreva vodo in jo pošilja v te tokokroge v tleh. Vroča voda nato kroži po ceveh, s čimer se toplota enakomerno in prijetneje porazdeli po prostoru. Temperatura vode v sistemih talnega ogrevanja je na splošno nižja od tiste, ki se uporablja za radiatorje, pogosto okoli 30-40 °C, kar je idealno za učinkovitost toplotne črpalke.

Prednosti in slabosti talnega ogrevanja kot alternative radiatorjem so povzete v spodnji preglednici.

Prednosti	Slabosti
Večje udobjeToplota se enakomerno porazdeli po celotnem prostoru, tako da se izognete prevročim ali prehladnim območjem.	Reakcijski časPri talnem ogrevanju je potrebno več časa za dvigovanje in spuščanje temperature, zato ga je težje prilagoditi.
EstetikaBrez vidnih radiatorjev imate več svobode pri oblikovanju notranjosti.	Visoki stroški namestitve Stroški vgradnje talnega ogrevanja so višji od stroškov vgradnje radiatorskega sistema, zlasti v primeru prenove.
Energetska učinkovitost Zaradi nizkega temperaturnega režima (približno 30-40 °C) sistemi talnega ogrevanja omogočajo učinkovitejše delovanje toplotne črpalke.	Večja obnovitvena delaNamestitev talnega ogrevanja v hiši, ki se prenavlja, lahko vključuje obsežna dela: rušenje obstoječega poda, polaganje novega betonskega estriha itd.
Boljša kakovost zraka V nasprotju z radiatorji sistemi talnega ogrevanja ne krožijo s prahom, kar lahko izboljša kakovost zraka v prostoru.	nezdružljivost z nekaterimi talnimi oblogamiVse talne obloge niso združljive s talnim gretjem. Masivni parket se lahko na primer pod vplivom toplote deformira.

Toplotne črpalke z radiatorji: za zaključek

Pri namestitvi toplotne črpalke z radiatorji je treba skrbno razmisliti o učinkovitosti in optimalnem delovanju sistema. Ne glede na to, ali se odločite za nizkotemperaturne radiatorje, visokotemperaturne radiatorje (za starejše hiše) ali celo talno ogrevanje, je treba skrbno analizirati združljivost teh možnosti s toplotno črpalko in zahteve vašega doma. 

Upoštevati morate vrsto in stanje obstoječih radiatorjev, izolacijo vašega doma in vrsto toplotne črpalke, o kateri razmišljate. Le usposobljen strokovnjak vas bo lahko vodil skozi ta postopek, tako da boste lahko sprejeli premišljeno odločitev in kar najbolje izkoristili svojo naložbo, ne da bi pri tem ogrozili toplotno udobje svojega doma.