Šta su toplotne pumpe, i zašto im naglo skače popularnost širom Evrope?

U Evropi je u toku pravi bum u popularnosti toplotnih pumpi. 

Od oko 20 miliona toplotnih pumpi, koliko se procjenjuje da ih je danas instalirano širom kontinenta, 3 miliona je ugrađeno samo 2022. godine, u odnosu na 2,1 milion ugrađenih godinu ranije. 

Italija je bila vodeća u apsolutnim brojkama, jer je u ovoj zemlji tokom 2022. bilo ugrađeno preko pola miliona toplotnih pumpi, a kada je u pitanju njihov broj po glavi stanovnika, najuspješnije su zemlje Skandinavije – a posebno Norveška, u kojoj danas postoji jedna toplotna pumpa na svaka tri stanovnika (otprilike 60 odsto domaćinstava u Norveškoj ima toplotnu pumpu).

U Njemačkoj, tokom 2022. bilo je ugrađeno 236.000 novih toplotnih pumpi. Čini se da Njemačka zaostaje, ali tamo je problem grijanja riješen sa sistemima sa visokoefikasnim kondenzacionim kotlovima na gas i tečno gorivo. Kako je taj način grijanja u zavisnosti od uvoza goriva, čija je cijena porasla, a prilikom sagorijevanja ga prati emisija CO₂, to rješenje se ispostavilo kao prelazno. 

Sada je u Njemačkoj cilj da godišnje instalacije toplotnih pumpi dostignu brojku od pola miliona godišnje – a da ih 2030. bude šest miliona, u odnosu na sadašnjih 1,2 miliona.

Kako bi ispunila ovaj ambiciozni cilj, u Njemačkoj od sljedeće godine neće više biti dozvoljeno da se ugrađuju kotlovi na gas i tečno gorivo.  

U pitanju je veliki preokret u odnosu na vrijeme pre par godina. Strašna dešavanja u Ukrajini su prekinula veze između Zapada i Rusije, između ostalih i energetske, i u prvi plan se za zemlje Zapada pojavila potreba za energetskom nezavisnošću. Sa druge strane, klimatske promjene forsiraju tranziciju ka izvorima energije čije korišćenje ne prati emisija CO₂.

Ali zašto se baš toplotna pumpa nametnula kao rješenje za grijanje u energetskoj tranziciji?

Toplotna pumpa je nalik frižideru – osim što grije

Toplotna pumpa je veoma slična rashladnom uređaju, dakle frižideru, ili klimi koja hladi u stanu i u automobilu. Razlika je, naravno, u tome što toplotna pumpa grije. 

Ona uzima toplotu iz okoline koja je na niskoj temperaturi, reda veličine od 0 do 20° C, što može biti iz vazduha, iz zemlje, iz podzemne vode, iz nekog otpadnog gasa ili tečnosti, pa čak i iz kanalizacije. 

Bez toplotne pumpe, ova okolna toplota je neupotrebljiva, jer ne možemo da se zagrijemo vazduhom na 0°, pa ni na 10° C. Ali tu na scenu stupa rashladni fluid i razmjenjivač toplote pod nazivom „isparivač”, u kojem rashladni fluid mijenja fazu iz tečne u gasovitu, i za tu promjenu uzima toplotu okoline. 

Toplotne pumpe daju 3-5 puta više toplote po utrošenoj struji nego grijalice

Bitna je temperatura pri kojoj se ova fazna promjena odvija: ona mora da bude nešto niža od temperature izvora okolne toplote, da bi mogla da se prikupi toplota. Ta niska temperatura se postiže regulacijom pritiska u tzv. spoljašnjoj jedinici, a tu je naravno i ventilator koji potpomaže predaju toplote. 

Kada je rashladni fluid u gasovitom obliku, on ulazi u kompresor gdje se vrši njegova kompresija, odnosno zbijanje i porast i temperature i pritiska. Kroz bakarne izolovane cevi, komprimovani rashladni medijum ulazi u unutrašnju jedinicu koja se takođe sastoji iz razmjenjivača, koji se zove kondenzator, i ventilatora. 

Postignuta temperatura kompresijom treba da bude nešto viša od temperature vazduha sa kojim želimo da grijemo prostor, ako govorimo o vazduh/vazduh sistemima, ili treba da bude nešto viša od željene temperature vode koju isporučujemo grejnim tijelima u objektu, ako govorimo o vazduh/voda sistemima. Rashladni fluid, gas, u kondenzatoru se kondenzuje, njegov pritisak se obara prigušivanjem i vraćamo se na početak. 

Toplotne pumpe za rad koriste struju – i „besplatnu” toplotu kojom smo prirodno okruženi

I na ovaj način smo iskoristili okolnu toplotu, koja je besplatna, potrošili nešto električne energije za pogon kompresora i dobili kao proizvod toplotu na višem temperaturskom nivou koja može da zagrije naše prostorije na zadovoljavajući način. 

Glavna karakteristika rada toplotne pumpe je odnos između isporučene toplote i utrošene struje, što se u inostranoj literaturi naziva koeficijent učinka (COP, tj. coefficient of performance). Ova vrijednost može da budu u rasponu od 3 do 5. Šta to znači? 

Kada se grijete pomoću grijalice od 1 kWh struje, dobijete gotovo 1 kWh toplote. Ovo možda zvuči sasvim korektno – dokle god vam ne kažem da za 1 kWh struje treba oko 3 kWh hemijski uskladištene energije u uglju. Tu su zatim emisije CO₂, pepela, pa sumpornih i azotnih oksida… Kod toplotnih pumpi ova kalkulacija je daleko bolja: od 1 kWh struje dobija se 3-5 kWh toplote, znači 3-5 puta bolje nego kada koristite grijalicu. 

Toplotna pumpa je, drugim riječima, veliki energetski skok naprijed, i u efikasnosti i u smanjenju emisija gasova staklene bašte. Kako navode najnovija istraživanja, toplotne pumpe u Evropi već su smanjile emisije u Evropi toliko da „pokrivaju” cjelokupne emisije jedne zemlje kao što je Grčka.

A kako mi u Srbiji stojimo sa ugradnjom toplotnih pumpi?

Odgovor će vas iznenaditi – i ne tako loše. 

Naime, radi rješavanja problema hlađenja ljeti, ugrađeni su brojni split klima uređaji, i rijetki su danas stanovi i kuće koji nemaju klimu. A ta popularno zvana klima je u stvari zimi – toplotna pumpa, i to tipa vazduh/vazduh. Tako da od jednog izvora grijanja mi u mnogim domovima imamo dva. Imamo rezervu.

Jeste da su ti uređaji malo naružili spoljašnjost objekata, i možete u sred ljeta da pokisnete, i nesumnjivo da je povećana potrošnja struje ljeti, i to baš onda kada naša Elektroprivreda planira redovna održavanja. Ali ovi uređaji su se već pokazali korisnim sa prvim hladnim danima, kada još grejna sezona kod korisnika daljinskog grijanja nije započela.

Na njemačkom postoji jedan izraz: eierlegende Wollmilchsau, u slobodnom prevodu svinja koja nosi jaja, daje vunu, mlijeko i meso. Ovi naši klima uređaji, sa svojim mogućnostima i efikasnošću, nekako podsjećaju na tu izmišljenu životinju.      

Kako izvući najviše iz jedne toplotne pumpe

Recimo da smo se odlučili na taj korak – kao i milioni domaćinstava širom Evrope, odlučili smo da ugradimo ne gore pomenuti klima uređaj, već toplotnu pumpu tipa vazduh/voda. Kakve pogodnosti treba da očekujemo?

Da bi sistem bio efikasan, a samim tim i da bi računi za struju bili prihvatljivi, gubici toplote objekta trebaju da budu umjereni, tako da bi se najveći spoljašnji minus mogao „pokriti” sa temperaturom vode na potisu od 55 °C. 

Najveći spoljašnji minus je spoljna projektna temperatura, za tu temperaturu se sistem grijanja projektuje. Srećom ta temperatura se javlja rijetko, ali sistem mora da zagrije i u tom slučaju, i tih par dana. Na primjer za Beograd je ta temperatura -12,1 °C, za Novi Sad je nešto niža (-14,8), a za na primjer grad odakle je potekao naš dupli MVP iz NBA lige, Sombor, još je niža: -15,1 stepeni. 

Temperatura vode u potisu od 55° C je značajno niža od temperature u tradicionalnom sistemu, gdje iznosi 90 °C. To znači kada je ciča zima, onda tradicionalni sistem mora da isporuči vodu radijatorima temperature 90° C, a sistem sa toplotnom pumpom vodu od 55° C. 

Ugradnja toplotnih pumpi trebalo bi da postane sve jeftinija

Razlika nije mala. Ako je u sistemu grijanja sa toplotnom pumpom u radijatoru voda maksimalno 55 °C, tada objekat koji ova voda grije mora biti doveden u „energetski red”, tj. da ima manje toplotne gubitke od npr. objekta čiji su zidovi bez toplotne izolacije, ili sa prodorima hladnog vazduha na svakom koraku. Drugim riječima, ako se ništa ne promijeni u omotaču objekta, onda nam je ipak potreban klasičan sistem i gore pomenutih 90 °C ukoliko želimo da se zagrijemo. 

Godišnji gubici toplote po kvadratu grijane površine ne bi trebalo da premašuju 150 kWh/m². Ukoliko premašuju, onda oni treba prvo da se snize kroz primjenu mjera uštede energije. 

Na primjer, prvi korak mogu biti set zavjesa i tzv. hvatač hladnoće (drought excluder). Drugi korak je da se stave zaptivke koje bi spriječile prodor hladnog vazduha kroz procjepe oko prozora. Treći korak bi bilo postavljanje izolacije, sa spoljašnje ili unutrašnje strane. A finalni korak bi bila zamjena prozora, naravno ako budžet tako nešto dozvoljava. 

Toplotne pumpe su kompatibilne sa sistemima sa podnim grijanjem, ali postojanje radijatora nije samo po sebi prepreka. U slučaju da su radijatori prvobitno predimenzionisani postoji mogućnost da će raditi i sa nižom temperaturom potisne vode. Ukoliko se ispostavi da ne mogu da pokriju toplotne gubitke u novom aranžmanu, mijenjaju se ili se dodaju dodatna grejna tijela. 

Po pitanju koeficijenta učinka (COP) poželjno je da je ta vrijednost preko 3,5 i to na godišnjem nivou, a ako je ta godišnja vrijednost ispod 2,5 smatra se da je sistem neefikasan, a ako vrijednost padne na vrijednost blizu 1, onda je neka greška prilikom projektovanja napravljena, i treba odmah reklamirati.

Možda i najplastičniji prikaz rastuće popularnosti toplotnih pumpi je i jedan nedavni, naizgled neočekivani događaj u sferi energetike.

Naime, njemačka porodična firma „Viessmann”, koja 85 posto svog poslovanja bazira na toplotnim pumpama, i koja je prošle godine imala rekordni prihod od 4 milijarde evra, riješila je da svoj dio pod nazivom Klimatska rješenja (Climate Solutions) – proda. Kupac je američki gigant iz oblasti klimatizacije i rashladnih uređaja, kompanija Carrier, i to po cijeni od čak 12 milijardi dolara. 

Mada razlozi za ovaj korak nisu objelodanjeni, posebno s obzirom na rastuću popularnost toplotnih pumpi u Njemačkoj, jedna pretpostavka je da će se u budućnosti cijene toplotnih pumpi vidno smanjiti, a sa njima i profiti, jer se očekuje velika konkurencija iz Azije. Drugim riječima, toplotne pumpe postaće drastično veće tržište, u kojem za „srednje” igrače neće biti mjesta – a njihova ugradnja trebalo bi da postane sve jeftinija.

O autoru

Dr Borivoj Stepanov je profesor na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu. Predaje predmete Termoenergetika i transformacije energije, Kotlovska postrojenja, Toplotne turbomašine i Skladištenje energije. Svjestan ozbiljnosti posljedica  klimatskih promjena i neophodnosti pravovremenog djelovanja. Zabrinut u kom pravcu se svijet razvija, gdje profit uvijek nekako pobijedi opštu dobit, gdje se čist vazduh i čista voda često uzimaju zdravo za gotovo. U svom istraživanju, posebnu pažnju posvećuje ključnim temama kao što su energetska tranzicija, povećanje energetske efikasnosti, istraživanje inovativnih rješenja u oblasti energetike, kao i aspektima bezbjednosti u energetici.

Izvor: Klima101