U jednačini energetske efikasnosti razlikujemo tri promenljive, a to su cena inicijalnog ulaganja, cena energenta i efikasnost samog sistema, a najbolji odnos ova tri faktora poseduju toplotne pumpe. Međutim, iako se radi o izuzetno efikasnom rešenju, termin "toplotna pumpa" obuhvata nekoliko vrlo različitih načina grejanja, od obične inverter klime do velikih geotermalnih sistema. Istražimo zato koji su sistemi trenutno dostupni na tržištu, koje se toplotne pumpe preporučuju u kojim situacijama i na šta treba obratiti pažnju kada kupujete toplotnu pumpu.  

Toplotne pumpe su grejna tela koja preuzimaju energiju iz jedne, i prebacuju je u drugu sredinu, čime greju ili hlade dom. Iako je ovaj princip rada već dugo prisutan kod klima uređaja ili frižidera, savremena industrija proizvodi uređaje koji koriste principe termodinamike sve efikasnije i efiasnije, sa toplotnim pumpama kao krunom ovog procesa. 

U poređenju sa klasičnim grejnim telima, toplotne pumpe ne proizvode toplotu, već je samo prenose, za šta koriste električnu energiju. Tokom prebacivanja energije, nema sagorevanje energenata ili proizvodnje viška toplote i drugih tipova gubljenja energije. Toplotne pumpe tako koriste energiju iz vazduha, podzemnih voda ili tla, zbog čega važe i za ekološki prihvatljive, jer troše daleko manje struje od uređajaja koji pretvaraju električnu energiju direktno u toplotu. 

Iako tokom procesa koriste električnu energiju, njihova energetska efikasnost je izuzetno visoka, što znači da sa 1kW struje, toplotne pumpe proizvode i 3-4 kW, pa čak i preko 5 kW toplotne energije.

Princip rada toplotne pumpe

Princip rada toplotne pumpe objasnićemo na pumpi vazduh-vazduh, koja se na tržištu ulgavnom nudi u obliku visoko efikasne inverter klime. Toplotne pumpe rade po principu rada koji se naziva reverzibilni rashladni ciklus, koji neki još nazivaju i “obrnuti frižider”. Osnovni delovi pumpe su isparivač, kompresor, kondenzator, i ekspanzioni ventil, a kroz ove elemente kruži rashladni medijum, neki od gasova sličnih freonu, koji ima sposobnost isparivanja na niskim, i kondenzacije pri visokim temperaturama i pritiscima.

Da bi zagrejala prostor, toplotna pumpa uzima toplotu iz spoljašnje sredine, koja može da bude vazduh, zemlja ili podzemna voda. Ona je sposobna da uzme male količine toplote čak i pri izuzetno niskim spoljašnjim temperaturama, a ta energija odlazi u isparivač pumpe, odnosno spoljašnju jedinicu. Kroz sistem cevi prolazi rashladni medijum, koji preuzima tu toplotu i prelazi iz tečnog u gasovito stanje. Dalje gas odlazi u kompresor, u kojem rastu pritisak i temperatura.

Ovaj gas, koji sada nosi visoku temperaturu i pritisak, prolazi preko unutrašnje jedinice za grejanje (kondenzator), i prenosi toplotu sistemu centralnog grejanja, odnosno vodi ili vazduhu koji dalje kruži i greje dom. Kada preda energiju, freon gubi temperaturu i prelazi u tečno stanje. On dalje prolazi kroz ekspanzioni ventil, koji mu smanjuje i pritisak, i tako se vraća nazad u isparivač kako bi proces počeo ponovo.

Za hlađenje doma, ovaj proces je obrnut, odnosno kondenzator je tada u spoljašnjoj jedinici, dok je isparivač u unutrašnjoj jedinici. Toplota se iz doma izbacuje napolje, čak i kada je napolju takođe veoma toplo, a što je napolju toplije to će proces biti manje efikasan, iako je i dalje moguć, kao što je moguće koristiti spoljni vazduh za grejanje i kada je napolju hladno.

Unutrašnje i spoljašnje jedinice

Kao što smo napomenuli, toplotne pumpe prenose energiju iz jedne sredine u drugu, a u zavisnosti od toga koje su to sredine, postoje i različiti tipovi toplotnih pumpi. Kada je reč o najčešćem tipu, vazduh-vazduh pumpama, osnovna podela jeste na monoblok, split sisterme i multi-split sisteme.

Monoblok sistemi kombinuju isparivač i kondenzator u jednu jedinicu koja se postavlja napolju, dok su kod split sistema oni odvojeni u jednu spoljašnju i jednu unutrašnju jedinicu, kao kod kućnog klima uređaja. Multi-split toplotne pumpe poseduju jednu jaku spošaljnju jedinicu i više unutrašnjih jedinica, kako bi temperatura mogla posebno da se podešava u svakoj prostoriji. 

Prednost monoblok sistema kao što je Hisense AHZ-080HCDS1 je nešto povoljnija cena i lakša instalacija, ali ona može da bude nešto manje efikasna  pri nižim temperaturama, jer se ceo proces razmene energije obavlja napolju. Multi-split sistemi su nešto skuplji, jer kupujete posebno spoljašnju i unutrašnju jedinicu, i teži za instalaciju, ali važe za efikasnije. Odvajanjem dva sistema, spoljašnja jedinica je manja, pa samim tim i manje bučna.

Tipovi toplotnih pumpi

Kada je reč o spoljašnjim sredinama, toplotne pumpe mogu da preuzmu energiju iz vazduha, zemlje i vode, dok se ona u unutršanjoj sredini, odnosno u domu, predaje vodi kroz sistem cevi i radijatora ili vazduhu kroz sistem klima uređaja. Neke kombinacije spoljašnje i unutrašnje sredine su česte, kao vazduh-vazduh, a neke su moguće samo teoretski. Takođe, u praksi zemlja može biti samo izvor energije, ne i odredište. 

Četiri tipa toplotnih pumi su danas učestale:

Vazduh-vazduh: Danas najučestaliji tip pumpi, koji može individualno da se instalira u svakom domu.

Vazduh-voda: Drugi najučetaliji tip, veoma sličan vazduh-vazduh sistemu, pri čemu se toplota predaje sistemu radijatora umesto spoljnim jediniama tipa klima uređaja ili fancoil-a.

Zemlja-voda: Izuzetno efikasna opcija. Geotermalne pumpe mogu da greju veliki broj stanova, i obično se ne instaliraju za manje objekte, već jedna geotremalna pumpa greje jednu ili više zgrada. 

Voda-voda: Opcija slična zemlja-voda pumpi, koristi se u situacijama kada ispod zgrada na relativno maloj dubini teku podzemne vode konstantne temperature. 

Pored ova četiri učestala tipa, postoje i hibridne pumpe, međutim ovaj izraz ima dvojako značenje, jer može podrazumevati pumpe koje menjaju izvor toplote u zavisnosti od doba godine, na primer vazduh tokom toplijih meseci i podzemne vode tokom hladnijih, ili mogu podrazumevati pumpe koje kombinuju obnovljive i neobnovljive izvore, koristeći neko gorivo kao rezervu, npr. gas. Još jedna vrsta hibrida je kombinacija solarnih ploča koje stvaraju struju i toplotne pumpe, obično vazduh-vazduh. Tada sunce daje energiju za rad pumpe, tako da sistem radi doslovno bez ikakavog troška. 

Toplotne pume koje koriste vazduh

Kao što smo pomenuli, Vazduh-vazduh su toplotne pumpe koje preuzimaju energiju iz spoljašnjeg vazduha, greju ga i putem fan-coil uređaja unose u dom. Najčešće je reč o veoma jednostavnim sistemima koji mogu da se koriste podjednako za grejanje i hlađenje, ali uglavnom nisu previše pogodne za grejanje većeg prostora, osim u HVAC sistemima, koji su kompeksniji i koriste se često za veće komercijalne objekte. Pored toga, ove pumpe ne mogu da zagreju i sanitarnu vodu u domu.

Toplotne pumpe vazduh-voda su jedne od najpovoljnijih i lakih za instalaciju, zbog čega su i jedne od najpopularnijih na domaćem tržištu. Ove pumpe preuzimaju toplotu iz spoljašnjeg vazduha, i predaju energiju vodi koja kruži kroz sistem radijatora, podnog grejanja ili sanitarija. Kao takve, one su veoma pogodne za nešto veće domove, u kojima mogu da zagreju svu vodu koja kruži kroz sisteme za grejanje. Kao neki od njihovih nedostataka se ističe činjenica da ove pumpe mogu da budu manje efikasne pri izuzetno niskim temperaturama, posebno kod loše izolovanih prostora.

Geotermalne toplotne pumpe

Topotne pumpe zemlja-voda funkcionišu tako što se u zemlju ukopaju cevi koje izvlače energiju iz zemljišta i predaju je sistemu radijatora sa vodom. Ove pumpe su skuplje, pre svega zbog komplikovanije instalacije. Naime, pre same instalacije je neophodan niz kalkulacija i preračuna kako bi se utvrdila idealna dubina za postavljanje cevi, npr. 70 metara da bi se došlo do sloja u kome je konstantna temperatura od 15°C. Na nekim lokacijama temperature mogu biti i više ili je moguće dubljim kopanjem doći do slojeva sa višim temperaturama i dasu su geotermalne pumpe izuzetno efikasne. 

Toplotne pumpe voda-voda koriste uglavnom podzemne vode. Slično zemlji, podzemne vode imaju konstantnu temperaturu tokom cele godine, i to temperaturu koja je oko 15°C, zbog čega su pogodne da leti hlade a zimi greju. Ovaj tip pumpi je tehnički jednostavniji i predstavlja manju investiciju u odnosu na geotermalnu pumpu, međutim podrazumeva postojanje podzemnih voda na željenom mestu. U Srbiji na oko 20% lokacija je kopanjem moguće doći do podzemnih voda. 

Hibridne toplotne pumpe

Kao što smo pomenuli, izraz "hibridna toplotna pumpa" može imati više značenja, ali obično se misli na pumpu koja kao dopunu koristi neku vrstu goriva (gasne kotlove, kotlove na pelet, drva i slično). Reč je o pametnim sistemima, koji uz pomoć naprednih senzora i tehnologija određuju trenutne uslove, a zatim uključuju jedan od dva sistema, odnosno koji će po proračunima pružiti najbolje rezultate uz što manje potrošenih energenata.

Ovakve toplotne pumpe su skuplje i koriste više energenata, ali kombinacijom jednog od dva sistema grejanja se postiže znatno veći komfor u grejanju, odnosno najbolji rezultati u pruženim uslovima. To je posebno pogodno kada pumpe usled nepovoljnih spoljašnjih uslova troše nešto više energije za grejanje.

Koliko su efikasne toplotne pumpe?

Kada se spomenu toplotne pumpe, prva asocijacija jeste visoka energetska efikasnost. Rezultat visoke efikasnosti toplotnih pumpi dolazi upravo iz činjenice da one koriste medijum koji već ima temperaturu približnu onoj koju želimo da postignemo u unutrašnjosti. Zbog toga one troše i 3-5 puta manje energije u odnosu na klasična grejna tela, kao što su grejalice ili peći. Poređenja radi, inverter klima poseduje COP koeficijent efikasnosti oko 3.5, a vazduh-vazduh pumpa oko 5.5. COP vrednost 5 označava da toplotna pumpa potroši 1 kW električne energije da bi proizvela 3 kW toplotne energije. To je glavna razlika između ova dva srodna uređaja, jer su oni tehnički gotovo istovetni, ali toplotna pumpa je veća i složenija, zbog čega postiže veću efikasnost. 

Na osnovu ovog koeficijenta, toplotne pumpe imaju svoj energetski rejting, koji se kod grejnih tela kreće od G do A+++. Primera radi, Hisense toplotne pumpe iz Hi-Therma split serije su svrstane u najviši energetski rang od A+++ što znači da su veoma efikasne, odnosno troše znatno manje struje za proizvodnju većih količina toplote.

Efikasnost pri različitim temperaturama

Ipak, imajte na umu da se COP koeficijenti računaju pri različitim spoljašnjim temperaturama, odnosno uslovima. Razlikama u spoljašnjoj temperaturi su najpodložnije pumpe koje energiju crpe iz vazduha. Iako su moderne tehnologije protiv smrzavanja dovele do toga da nove pumpe mogu da rade i pri spoljašnjim temperaturama od -25°C, njihova efikasnost je tada znatno manja. Tako COP sa preko 5 na srednjim temperaturama pada na ispod 2 kada je temperatura oko -10°C. Ipak, i tada su pumpe znatno efikasnije od pojedinih tela kao što su klasične on-off klime ili grejalice.

Zbog toga se pri određivanju efikasnosti često koristi i sezonski COP, odnosno SCOP, koji pokazuje koliko je pumpa efikasna u postizanju temperature vode od 35 ili 55 stepeni. Naravno, SCOP u postizanju 35 stepeni je znatno viši, i iznosi oko 5, što ih i svrstava u A+++ klasu, dok efikasnost opada pri grejanju od 55 stepeni, kada se svrstavaju u A++ rang.

Međutim, ovakve varijacije efikasnosti su karakteristične za pumpe koje koriste energiju vazduha, pre svega zbog sezonskih razlika u temperaturi. Sa druge strane, geotermalne pumpe koje koriste energiju podzemnih voda ili zemljišta pružaju znatno konstantnije rezultate, posebno ukoliko se dobro izrađena priprema i ugradnja sistema.

Ugradnja toplotnih pumpi

Najbolja praksa je planiranje sistema grejanja pre same izgradnje objekta, pre svega jer može veoma lako da se isplanira postavljanje radijatora ili split sistema, podno grejanje i slično. Toplotne pumpe mogu da se priključe i na već postojeći sistem grejanja, odnosno radijatore, ali bi pre ugradnje trebalo da vodite računa. Toplotne pumpe su najčešće niskotemperaturni sistemi koji u odnosu na kotlove na čvrsto gorivo, odnosno postižu niže temperature. Kotlovi sa druge strane proizvode znatno veće temperature, zbog čega su potrebni i radijatori koji zahtevaju veće količine veoma vruće vode da bi postigli idealne rezultate. Kada se priključi na visokotemperaturni sistem, pumpa će trošiti više energije kako bi postigla zadatu temperaturu vode, zbog čega se smanjuje njena efikasnost, a pritom i rezultati grejanja.

Zbog toga se za toplotne pumpe preporučuju takozvani niskotemperaturni radijatori. Efikasnost pumpe je i do 3,5% viša kada je temperatura grejanja vode niža za 1 stepen, pa se ugradnjom ovakvih sistema može umnogome povećati energetska efikasnost pumpi. Sa druge strane, danas postoje i napredne pumpe koje mogu da rade i sa visokotemperaturnim sistema i starijim radijatorima, uz zadržanu energetsku efikasnost.

Kompleksnost ugradnje pumpi

Uopšteno, toplotne pumpe vazduh-voda su najednostavnije za ugradnju, posebno ako su to monoblock sistemi, i kao što smo napomenuli, one mogu da se povežu i na već postojeće sisteme radijatora. Što je sistem jednostavniji za ugradnju, to su i sami troškovi ugradnje znatno niži. To je i jedan od razloga zbog kojeg brojni korisnici biraju upravo ove pumpe, iako njihova efikasnost tokom sezone varira.

Sa druge strane, ugradnje geotermalnih pumpi voda-voda ili zemljište-voda mogu da budu veoma ozbiljni zahvati. Oni zahtevaju ispitivanje zemljišta i vode, kalkulacije idealne dubine u odnosu na željene rezultate, kao i sam proces ukopavanja cevi ili kopanje bunara i drugih arteških izvora vode. Što su cevi dublje ukopane, one su manje otporne na razlike u promenama površisnkih temperatura, ali to su i zahvati složeniji, a često su potrebne i specijalne mašine, što dodatno utiče na troškove.

Toplotne pumpe i solarni paneli

Velika prednost toplotnih pumpi jeste i činjenica da mogu da se povežu sa sloarnim panelima, bilo da su to paneli za grejanje sanitarne vode ili proizvodnju električne energije. U oba slučaja, efikasnost pumpe se povećava, odnosno smanjuju se troškovi, a rezultat je jedan evoma ekoliški prihvatljiv sistem grejanja koji hladi i greje, bez skoro ikakvih troškova, sem troškova održavanja. 

Kada se pumpa poveže sa panelima za grejanje sanitarne vode, ona automatski troši manje energije za zagrevanje iste, zbog čega i raste njena efikasnost. Sa druge strane, kada se poveže na sistem za proizvodnju energije, proizvedena energija se automatski troši za grejanje, pa su i sami troškovi niži, što je opet dobro rešenje po krajnje korisnike, pa se ovakva praksa i preporučuje.

Da li se ugradnja toplotne pumpe isplati?

Efikasnost toplotnih pumpi zavisi od brojnih faktora, kao što su veličina i izolacija prostora, tip toplotne pumpe, pomoćni, odnosno hibridni sistemi, temepraturne razlike i klimatsko podneblje. Zbog svih ovih faktora, toplotna pumpa može da bude manje ili više efikasna, ali se ističe da ona čak i pri nepovoljnim uslovima može da ima COP koeficijent od oko 2, što znači da će se vremenom svakako isplatiti. Sama početna investicija ulaganja u toplotne pumpe može da bude nešto viša, posebno kada se ugrađuju geotermalne pumpe. Ugradnja toplotne pumpe za stan od oko 70 kvadrata je okvirno oko 12.000 evra, uključujući montažu i opremu, dok za veće kuće od oko 200 kvadrata ta investicija može da premaši i 30.000 evra. Zbog toga se mnogi pitaju za koliko se ugradnja toplotne pumpe isplati.

Do konkretnih kalkulacija o otplaćivanju investicije se dolazi veoma teško, pre svega jer su uslovi u svakom podneblju drugačiji, a pritom postoje i veoma različiti tipovi pumpi. Prema mišljenju stručnjaka, čak i one pumpe koje rade u manje efikasnim uslovima, mogu da se isplate u periodu od 10-15 godina. To su uglavnom veoma nepovoljni uslovi uz lošu energetsku efikasnost doma u kojima se ostvaruju tek primetni rezultati. Ipak, noviji, visokoefikasni sistemi koji se još kombinuju i sa solarnim panelima, u dobro izolovanim kućama i stanovima mogu da se isplate i za svega 7-8 godina.

Prednosti toplotnih pumpi

Toplotne pumpe su sve popularnije na domaćem tržištu najviše zato što su osmišljene tako da imaju znatno više prednosti nego nedostataka. Iako smo neke od njih već spomenuli u tekstu, lista prednosti toplotnih pumpi je duga i podrazumeva:

Energetski efikasne: toplotne pumpe proizvode i do 5 puta više toplote u odnosu na potrošenu energiju;

Ekološki prihvatljive: toplotne pumpe su ekološki prihvatljiv način grejanja jer koriste obnovljive izvore energije i prihvatljive resurse kao što je freon, a pritom nema sagorevanja i nusprodukta koji zagađuju okolinu;

Višenamenska upotreba: toplotne pumpe mogu da greju ili hlade dom, greju sanitarnu vodu ili se priključe na podno grejanje;

Mogu da zagreju različite prostore: na tržištu danas postoje različiti tipovi i pumpe različite snage, tako da one mogu da zagreju manje stanove ili prizemne kuće, ali i kuće od 200 i više kvadrata pa čak i stambene i komercijalne zgrade;

Komfor u grejanju: osim što su ekološki čist, toplotne pumpe su i čist vid grejanja u smislu svakodnevnog rada i održavanja. Nema gareži od sagorevanja, pepela, skladištenje ogreva. Toplota koju pumpe proizvode je konstantna, odnosno nema neprijatno toplih ili hladnih radijatora;

Kontrola troškova: toplotne pumpe korisnicima daju veoma detaljan uvid u potrošnju energije tako da bez problema možete da planirate i kontrolišete troškove;

Lako korišćenje i podešavanje: toplotnim pumpama se upravlja veoma lako, uglavnom putem digitalnog displeja na unutrašnjoj jedinici. Uz pomoć modernijih modela kao što su pumpe iz Hisense HiTherma serije,  korisnici mogu da podese različite temperaturne zone, ili izaberu željenu temperaturu u čak sedam različitih soba;

Kombinovanje sistema: toplotne pumpe mogu da se povežu na već postojeći sistem radijatora (ukoliko pumpa može da proizvede zadovoljavajuću toplotu), mogu da se kombinuju sa solarnim panelima, ili čak i sa drugim grejnim telima kako bi se stvorili hibridni grejni sistemi, i tako kombinovale sve dobre strane oba sistema grejanja;

Povezivanje na Smart Home sisteme: gotovo sve nove toplotne pumpe danas mogu da se povežu na pametne kućne sisteme, kojima se veoma lako upravlja uz pomoć pametnih telefona;

Dugoročno isplativa investicija: iako kupovina i ugradnja pumpe može da bude inicijalno visoka investicija, ona se uštedom energije vremenom isplati. Vreme za otplatu pumpe zavisi od brojnih faktora kao što su tip pumpe, veličina i izolacija prostora, klimatski uslovi i slično, ali kod pravilno izvedenih sistema, ona može da se isplati za 7-8 godine, dok će u najgorem slučajevima za to biti potrebno 10-15 godina.

Predrasude o toplotnim pumpama

Toplotne pumpe su za brojne domaće korisnike i dalje novo grejno telo koje prate brojne predrasude koje su vezane za njihov rad. Na prvom mestu, brojni vlasnici smatraju da toplotne pumpe nisu pogodne za starije i loše izolovane kuće. Starija gradnja uglavnom podrazumeva lošu izolaciju, staru stolariju ili stare sisteme radijatora, zbog čega brojni ljudi u startu odustaju od instalacije.

Iako je ovo delimično tačno, iskustva su pokazala da toplotne pumpe mogu da se ugrade i kod starijih objekata, a nova rešenja im omogućavaju da se priključe i na visokotemperaturne radijatore. Ipak, treba voditi računa o efikasnosti i isplativosti sistema. Što više pumpa koristi električnu energiju za proizvodnju toplote, ona je manje efikasna pa samim tim se i isplativost dovodi u pitanje, zbog čega je najbolje da pre odluke konsultujete stručnjake koji će detaljnije razmotirti postojeće uslove.

Još jedna od čestih predrasuda jeste da toplotne pumpe ne mogu da rade pri izuzetno niskim spoljašnjim temperaturama od -10 ili -20 stepeni. Slično klima uređajima, danas su razvijena brojna tehnološka rešenja, koja omogućavaju pumpama da rade i sa 100% efikasnosti i pri spoljašnjim temperaturama od -20. Činjenica je da će tada pumpe biti nešto manje efikasne, ali split sistemi mogu bez problema da greju i pri nižim temperaturama.