Toplotne črpalke koristijo obnovljive vire energije okolja, akumulirano sončno energijo, ki je shranjena v zraku, zemlji, kamninah, podtalnici, površinskih vodah. Kjerkoli v naši okolici je eden od brezplačnih obnovljivih virov energije, ki ga s toplotno črpalko in s pomočjo električne energije ali katerega drugega pogonskega sredstva pretvorijo v toploto, ki jo nato uporabimo za ogrevanje prostorov, sanitarne vode, bazenske vode ali celo za hlajenje.

Pridobljena toplota je pri toplotni črpalki rezultat termodinamičnega procesa in ne izgorevanja goriva, kot pri klasičnih ogrevalnih sistemih. Toplotne črpalke snovem iz okolice odvzemajo toploto na nižjem temperaturnem nivoju in jo oddajajo v ogrevalni sistem na višjem temperaturnem nivoju. Da pa je to mogoče, je potrebno v takšen krožni proces dovesti dodatno pogonsko energijo. Glede na izvedbo pogonske energije poznamo dve vrsti toplotnih črpalk, kompresorske toplotne črpalke in absorpcijske toplotne črpalke.

Kompresorska toplotna črpalka je sestavljena iz uparjalnika, ki odvzema toploto okoliškemu mediju (zrak, zemlja voda), v njem se pri nizki temperaturi uplini delovni medij (hladivo), ki nato potuje skozi kompresor, kjer se mu zaradi vloženega mehanskega dela (kompresije) zviša tlak in temperaturni nivo. Vroče pare v kondenzatorju kondenzirajo pri višji temperaturi in pri tem oddajo kondenzacijsko toploto ogrevanemu mediju, ki ga ogreva. Utekočinjeno in ohlajeno hladivo potuje skozi dušni ventil (ekspanzijski ventil), kjer ekspandira na nižji tlak ter od tu nazaj v uparjalnik. Ta krožni proces se ponavlja, dokler deluje toplotna črpalka. Toplotna črpalka potrebuje za prenos toplote delovni medij, ki s spremembo svojega agregatnega stanja prenaša toploto iz okolice v ogrevalni sistem. Kot delovni medij se v toplotnih črpalkah uporablja hladivo, to so snovi, ki se uparijo že pri nižjih temperaturah npr. 0°- 35°C. Pri uporabi novih tehničnih rešitev je zelo pomembna tudi zaščita okolja, zato se kot delovni medij (hladivo) največ uporablja brezfreonsko hladivo R410A.

Poznamo tri osnovne izvedbe toplotnih črpalk glede na medij (okolico), ki ga hladimo in medij, ki ga ogrevamo. Tako poznamo sisteme toplotnih črpalk zrak/voda, voda/voda, zemlja/voda. Pri označevanju tipa toplotnih črpalk je na prvem mestu naveden medij, ki ga toplotna črpalka ohlaja, na drugem mestu pa medij, ki ga črpalka segreva. Toplotne črpalke zrak/zrak pa so v bistvu vse vrste klimatskih naprav, ki ohlajajo in vzdržujejo temperaturo v določenem prostoru in toploto predajajo na zrak v sosednjem prostoru ali okolico. Za ogrevanje zgradb pa potrebujemo poleg zadostne količine toplote tudi zadosten temperaturni nivo grelnega medija. Najprimernejše je ploskovno ogrevanje, kjer zadostuje režim 40/30 °C. V tem primeru lahko namesto klasičnega kotla kot generator toplote uporabimo toplotne črpalke. Čim manjša je temperatura predtoka, tem boljši je izkoristek toplotne črpalke. Glede oblike poznamo dve izvedbi toplotnih črpalk. V kompaktni izvedbi sta toplotna črpalka in hranilnik toplote (vode) v enem sklopu. V primeru, da je toplotna črpalka ločena od hranilnika vode, imenujemo takšno izvedbo split ali ločena izvedba.

Glede na način obratovanja toplotne črpalke v ogrevalnem sistemu ločimo dva različna obratovalna režima. Monovalentno obratovanje imenujemo, kadar toplotna črpalka deluje samostojno v sistemu ogrevanja in pokriva celotne toplotne potrebe zgradbe skozi vso ogrevalno sezono. Kadar je toplotna črpalka za ogrevanje objekta in potrebo tople sanitarne vode instalirana dodatno h kotlu centralne kurjave, imenujemo tak način obratovanja bivalenten. Dejansko pa ločimo tri načine bivalentnega obratovanja v kombinaciji s toplovodnim kotlom in sicer: bivalentno alternativno, bivalentno vzporedno in bivalentno delno vzporedno. Tako lahko s pomočjo regulacije izbiramo poljubno obratovanje pri določenih zunanjih temperaturah. Pri bivalentnem vzporednem obratovanju pa imamo dva neodvisna generatorja toplote, ki se v primeru izpada enega nadomeščata. Vsa toplota, pridobljena iz okolice, je brezplačna. Da jo iz nizkotemperaturnega nivoja dvignemo na visokotemperaturni nivo, je potrebno vložiti nekaj dela. Tako je za delovanje toplotne črpalke potrebna pogonska energija za pogon agregata, oziroma kompresorja. Razmerje med potrebno pogonsko energijo (v večini primerov elektriko) in brezplačno energijo (pridobljeno iz okolice) je običajno 1 proti 3 in pri najnovejših črpalkah celo do 1 proti 5 in več. To pomeni, da za 3 kWh pridobljene toplotne energije potrebujemo 1 kWh pogonske energije, 2 kWh pa pridobimo iz okolice brezplačno. Razmerje med pridobljeno toplotno energijo in vloženim delom imenujemo grelno število. Njegova vrednost je odvisna od vrste toplotne črpalke in vira okoliške toplote. Sodobne toplotne črpalke dosegajo letna grelna števila v povprečju 2,5 do 3 in tudi več.

V uporabi so tudi tako imenovane absorpcijske toplotne črpalke, ki pa se od kompresorskih ločijo po tem, da imajo namesto mehanskega kompresorja tako imenovani toplotni kompresor, ki kot pogonsko energijo izkorišča različne energijske vire na primer bioplin, fosilna goriva in podobno. Imenujemo jih tudi plinske toplotne črpalke.  

Viri toplote 

Pri načrtovanju za vgradnjo toplotne črpalke je ključnega pomena vir toplote. Grelno število toplotne črpalke je namreč odvisno od temperature, pri kateri črpamo toploto. Pri tem pa je še potrebno upoštevati temperaturni režim ogrevanja, letne energetske potrebe objekta, zahtevan odstotek kritja energetskih potreb objekta s toplotno črpalko in če je toplotna črpalka predvidena za novogradnjo ali obstoječi objekt. Med najpogostejše vire sodijo zunanji zrak, odpadni zrak prezračevalnih sistemov, površinske vode, podtalnica, zemlja ter energetske vrtine. 

Zrak 

Toplota zunanjega zraka je neizčrpen vir, ki je povsod na voljo, katerega izdatnost je največja v poletnem času. Upoštevati je potrebno, da se moč toplotne črpalke kljub razvojnim dosežkom z upadanjem temperature zunanjega zraka znižuje, ko naš ogrevalni sistem potrebuje največ dovedene toplote. Kljub temu je zunanji zrak zanimiv za gospodarno izkoriščanje do temperature nekje nad 0°C. Pri nižjih temperaturah nastopajo težave zaradi kondenziranja vlage na zunanjih uparjalnikih, ki zamrzne v plast sreža. Nastali srež prepreči pretok zraka skozi uparjalnik in s tem dotok novega zraka, zato je delovni proces toplotne črpalke v takem primeru moten ali pa v določenih primerih nemogoč. Odmrznitev z vročimi parami ali električnim grelcem je rešitev, vendar se učinkovitost toplotne črpalke zaradi tega zniža. Zato zunanji zrak najpogosteje uporabljamo kot toplotni vir pri toplotnih črpalkah, ki obratujejo v bivalentnem sistemu. Delujejo lahko do temperature – 7°C, zato jih moramo v ogrevalnih sistemih vgraditi skupaj s klasičnim kotlom. Nove, patentirane rešitve so probleme v zvezi nizkih zunanjih temperatur dejansko odpravile in tako so se na tržišču pojavile toplotne črpalke, ki izkoriščajo toploto zunanjega zraka celo do – 20°C. Ali je torej mogoče ogrevati z mrazom? V zunanjem zraku je vedno nekaj vlage. Pri ohladitvi se vlaga izloči, pri nizkih temperaturah pa celo zamrzne. V obeh primerih se lahko izkoristi toplota, ki se sprošča pri spremembi agregatnega stanja vlage v zraku. Količina toplotne energije, ki se sprošča pri izločanju vlage iz zraka ali nastajanju ivja, je zelo velika. Sproščeno toploto izkorišča toplotna črpalka. Izkoriščanje toplote zunanjega zraka je idealno posebno v objektih brez radiatorskega ogrevanja, torej pri ogrevanju z električno energijo. Poleg črpalk, ki izkoriščajo toploto zunanjega zraka, lahko koristimo tudi toploto notranjega zraka. Primerna mesta so npr. v kleti, kjer izkoriščamo toploto zraka in jih na ta način tudi hladimo. Za intenzivnejši prenos toplote v uparjalniku je potreben prisilen pretok zraka, zato so toplotne črpalke opremljene z ventilatorjem, ki poveča šumnost delovanja toplotne črpalke. Klimatske naprave je možno uporabiti tudi kot toplotne črpalke, vendar klimatske naprave omogočajo običajno delovanje samo do temperature zunanjega zraka + 5°C ob nižjem grelnem številu. Toplotna črpalko pa lahko s preklopom v reverzibilno delovanje uporabimo za hlajenje objekta. Izkoriščanje toplote prezračevalnih sistemov je primerno na objektih, ki imajo urejeno prisilno prezračevanje preko zračnih kanalov. Ker je v takih objektih poraba energije za ogrevanje svežega zraka do približno 45 % skupne letne rabe za ogrevanje, je z izrabo odpadne toplote prezračevanja mogoče doseči znatne prihranke. Odvisno od količine zraka in velikosti objekta je mogoče odpadno toploto uporabiti za ogrevanje vstopnega svežega zraka, za ogrevanje sanitarne vode in ogrevanje objekta. 

Podtalna voda 

Toplota podtalnice je za izkoriščanje s toplotno črpalko zelo ugoden energetski vir. Njena prednost je sorazmerno konstanten temperaturni nivo na približno 6°C do 10°C. Sistemi s podtalnico so odprti sistemi, zato je najnižja temperatura vode, ki jo še lahko uporabljamo, +3°C, praviloma pa je izkoriščanje gospodarno, če njena temperatura ni nižja od 6°C. Pri nas v glavnem uporabljamo podtalnico s temperaturo 8 do 12 °C. Pri tem sistemu talno vodo s pomočjo potopne črpalke vodimo skozi uparjalnik. Uparjalnik hladi talno vodo, kar pomeni, da ji odvzame toploto. Tako pridobljena toplota v uparjalniku prestopi na delovni medij, oziroma hladilno sredstvo. S pomočjo električne energije, ki jo potrebujemo za pogon kompresorja, stisnemo hladilno sredstvo na višji tlačni in temperaturni nivo. V kondenzatorju prenese hladilno sredstvo toploto na greto vodo. Da lahko koristimo podtalnico, je potrebno zgraditi dva vodnjaka, in sicer enega za črpanje in enega po katerem vračamo vodo nazaj pod površje. Pred uporabo podtalnice je potrebno preveriti, kakšna sta pretok in temperatura vode, na osnovi česar določimo toplotno moč vira. Talna voda mora imeti pretok vsaj 2 m³/h. To je lahko na globini 5 metrov ali več. V vrtino potisnemo cev, v katero vgradimo potopno črpalko, ki jo povežemo s toplotno črpalko. Med obratovanjem nam potopna črpalka potiska vodo v toplotno črpalko, ki odvzame toplotno energijo vodi in jo ohlajeno za 5 °C spusti po drugi, nekaj metrov oddaljeni vrtini, nazaj v podtalnico. Pomembna je tudi globina, na kateri je razpoložljiva voda, kajti cena vrtine z globino močno narašča. S kemično analizo je potrebno preveriti sestavo vode. Agresivna voda namreč zahteva posebne izmenjevalce toplote, kar še dodatno podraži investicijo. Preveriti je potrebno tudi smer, v katero teče podtalnica. Ponorni vodnjak mora biti na razdalji od 15 do 20 m za sesalnim, gledano v smeri toka vode. Podtalnica je torej zaradi relativno visoke temperature idealen vir toplote, saj z njo dosegamo visoka grelna števila. Problem je pomanjkanja čiste pitne vode, s katerim se v razvitem svetu vse pogosteje soočamo. Zato je pred izvedbo sistema potrebno od pristojnih upravnih organov pridobiti dovoljenje za uporabo in izkoriščanje voda.

Toplota površinskih voda  

Sončno toploto preko površine absorbirajo tudi jezera, reke, morje, ki tako delujejo kot naravni hranilniki toplote. Površinska voda pa kot toplotni vir ni tako zanimiva za izkoriščanje, saj se njena temperatura spreminja v odvisnosti od temperature okoliškega zraka. Ogrevanje s toploto površinskih voda ne predstavlja velikega posega, seveda pa mora biti izpolnjen pogoj, da je v bližini na razpolago primerna površinska voda. Voda se v jezerih, počasi tekočih rekah in morjih preko pomladi in poletja ogreva, pozimi pa počasi ohlaja in je na določenih globinah dokaj konstantna. Uporablja se zaprt sistem odvzema toplote. Kolektor položimo na dno vodnega zajetja, jezera ali druge vodne površine in ga moramo pritrditi z utežmi, njegovo dolžino pa prilagodimo energetskim potrebam objekta. Sistem je zasnovan na kroženju nestrupenega sredstva, ki ga z obtočno črpalko vodimo od kolektorja, v katerem se za nekaj stopinj ogreje, do toplotne črpalke, ki mu toploto odvzame. Sistem obratuje tudi, ko se temperatura vode približuje ničli. 

Zemlja in kamniti masivi  

Zemlja shranjuje sončno toploto vse leto. Toplota, akumulirana v zemlji in kamnitih masivih, predstavlja zanesljiv vir toplote, katerega prednost je njegova konstantna vrednost razpoložljive toplote. Sloji zemlje imajo namreč na globini 15 m skoraj konstantno temperaturi približno + 15°C. Količina toplote, ki jo lahko odvzamemo, je odvisna od številnih dejavnikov. Najboljša so vlažna ilovnata tla, nekaj manj peščena. Akumulacijska sposobnost zemlje je največja v zelo vlažnih tleh z velikim deležem mineralnih snovi in z malo porami. Pri izvedbi je potreben večji poseg v zemljišče. Odvzem toplote zemlje se izvede tako, da se v izkopani kanal položi cevni kolektor zaprtega sistema, ki predstavlja uparjalnik in ga je potrebno položiti v eni ali več plasteh. Cevi so lahko položene v obliko spirale, vzporedno ali na druge načine. V ceveh kroži delovno sredstvo, ki ga zemlja ogreje za nekaj stopinj. Sistem je potrebno izvesti tako, da izkoriščanje toplote ne vpliva na floro. Pred izvedbo je potrebno preveriti nivo podtalnice, velikost zemljišča ter urbanistično ureditev prostora. Če je prisotna podtalnica, je treba cevi položiti nad njenim nivojem. Površina zemlje za vgradnjo cevi naj ne po prekrita (asfaltirana) ali zasenčena. Nad cevmi ne sadimo rastlin z globokimi koreninami, energijo v tleh pa bodo obnovile padavine in sončno sevanje.

Pri nas manj razširjen način je izkoriščanje toplote, akumulirane v kamnitih masivih. Značilnost teh sistemov je črpanje toplote iz globine kamnin. Potrebne so sorazmerno globoke energetske vrtine, v katere dovajamo vodo ali kakšen drug prenosni medij. V notranjosti kamnin se voda segreje ter se po vzporedni vrtini segreta vrača na površje. Ta vir toplote je zanesljiv, vendar je investicijsko zahtevnejši, predvsem zaradi izvedbe vrtin. Globina in premer ene ali več energetskih vrtin sta odvisni od potrebe objekta po ogrevanju in moči vgrajene toplotne črpalke. 

Sončna energija – imenovana tudi solarna 

Sončna energija je tista, ki omogoča izkoriščanje vseh teh navedenih virov razen odpadne toplote. Vsi zgoraj navedeni viri se ogrevajo s sončno energijo. Neposredna uporaba sončne energije kot toplotnega vira pa je v sistemih z veliko absorpcijo sončne energije, na primer: sončne strehe, betonske ograje, posebni absorberji, vkopani v tla. V njih se celo leto segreva medij – običajno je to slana voda, ki je odporna proti zmrzali. Ta odda toploto preko posebnega prenosnika toplote uparjevalniku toplotne črpalke. Zaradi visoke cene se te naprave uporabljajo zelo malo, sončna energija se bolj učinkovito izkorišča z direktnimi solarnimi sistemi, kot so sončni kolektorji. 

Hlajenje s toploto 

S toplotnimi črpalkami lahko prostore tudi hladimo. Med aktivnim hlajenjem črpalka deluje reverzibilno, pri čemer sta ogrevalni in hladilni sistem zajeta v eni napravi, kar je iz energijskega vidika zagotovo najprimernejša rešitev. Med hlajenjem je kompresor vključen, kar pomeni porabo določene energije. Nasprotno pri pasivnem hlajenju kompresor ne deluje, saj sta zemeljski izmenjevalec ali podtalnica vedno hladnejša od zunanjega zraka, zato lahko prostore hladimo samo z delovanjem obtočne črpalke. Ohlajeno vodo vodimo skozi cevi v steni, stropu ali v tleh, pri čemer ne sme temperatura hladnih površin nikoli pasti pod točko rosišča, saj se bo v takem primeru začela zračna vlaga izločati in bo navlažila podhlajene površine. 

Izbor toplotne črpalke 

Izbor toplotne črpalke je odvisen od energetskih potreb objekta, razpoložljivega vira toplote ter od odločitve, kolikšen odstotek letnih energetskih potreb objekta naj bi pokrila toplotna črpalka. Iz tega razloga izberemo pri zahtevnih objektih toplotno črpalko moči 40 do 60% maksimalne moči ogrevanja, ki pa vseeno pokrije relativni visok odstotek letne rabe energije za ogrevanje. Toplotna črpalka z močjo enako maksimalni potrebni moči objekta, pride v poštev le pri energetsko varčnih objektih. Pri sistemu s toplotno črpalko, ki ne pokrije vseh energetskih potreb objekta, je potrebno zagotoviti dodatno ogrevanje, ki se naj vklopi samodejno, ko toplotna črpalka ne zmore več vzdrževati zahtevane temperature. Toplotna črpalka in dodatni vir tako delujeta istočasno. Ko je nastavljena temperatura dosežena, se dodatni vir izklopi in toplotna črpalka nadaljuje ogrevanje sama. Zraven tehničnih zahtev pa je potrebno preveriti tudi kakšna je električna priključna moč in prostor, ki ga imamo na razpolago za postavitev toplotne črpalke in hranilnika toplote.

To so pravzaprav osnovni napotki za izbor toplotne črpalke. Za optimalno dimenzioniranje toplotne črpalke je treba narediti natančen izračun toplotnih izgub zgradbe, določiti hladilno moč in potrebe po topli sanitarni vodi. Izbrati je potrebno primeren ogrevalni sistem, režim in način obratovanja toplotne črpalke, ter določiti najprimernejši vir toplote. Tako lahko v obmorskih krajih za monovalentno obratovanje uporabimo zrak, v osrednji Sloveniji, kjer so projektne temperature –16°C in nižje, pa moramo za monovalenten način obratovanja toplotne črpalke predvideti drugi vir. Optimalni režim ogrevalnega sistema je 40/35 stopinj Celzija ali celo nižji, maksimum naj ne bi presegel 50/40 stopinj Celzija. Posebne izvedbe toplotnih črpalk obratujejo z visokim grelnim številom tudi v temperaturnih režimih, pri katerih znaša temperatura dvižnega voda do 65 stopinj Celzija. Seveda potrebujemo za kakovostno izvedbo ogrevalnega sistema in vgradnjo toplotne črpalke ustrezno izdelano tehnično dokumentacijo, za obratovanje in vzdrževanje pa ustrezna navodila. 

Grelno število 

Razmerje med pridobljeno toplotno energijo in vloženo energijo imenujemo grelno število. Njegova vrednost zavisi od vrste toplotne črpalke in vira okoliške toplote in v povprečju znaša 2,5 do 4,5 in tudi več. Grelno število je odvisno je od temperature vira toplote katerega izkoriščamo, ter od temperature medija, s katerim ogrevamo objekt. Grelno število je tem višje, če ima vir toplote sorazmerno visoko temperaturo, ter če je temperatura ogrevalnega medija nizka. Temperatura ogrevanja se med letom spreminja, prav tako temperatura vira toplote. Za oceno gospodarnosti delovanja toplotne črpalke se zato v praksi rabi letno ogrevalno število. Realno energetsko sliko nam zato da le letno grelno število, ki upošteva razmerje med toplotnimi potrebami in vloženo energijo preko celega leta, vključno s potrebno energijo za dodatno ogrevanje (v primeru, če toplotna črpalka ne pokrije vseh toplotnih potreb 100 %). Vrednost letnega grelnega števila je odvisna od vrste toplotne črpalke in vira okoliške toplote ter v povprečju znaša 2,5-3 in tudi več. 

Regulacija ogrevanja s sistemom ogrevanja na toplotno črpalko 

Regulacijo ogrevanja in hlajenja uravnava elektronski regulator, ki na osnovi izmerjene zunanje temperature in želene, oziroma nastavljene sobne temperature v vsakem trenutku dovaja toliko toplote, kolikor je zgradba potrebuje za nadomeščanje toplotnih izgub. Moderni mikroprocesorski termostat namestimo v bivali prostor, preko katerega nadzirate in določate temperaturo ogrevanja in sanitarne vode, ter časovno delovanje toplotne črpalke. To lahko nastavljate ročno ali prepustite avtomatiki. Lahko pa s toplotno črpalko upravljate tudi preko računalnika, telefona ali mobilnega telefona. 

Ekonomija in okolje 

Sistemi s toplotnimi črpalkami so običajno izvedeni tako, da omogočajo ogrevanje in hlajenje objektov, kar je iz energetskega, ekološkega in investicijskega vidika najugodnejša rešitev. Naložba v toplotne črpalke je ekonomsko posebej zanimiva pri večjih objektih, kot so trgovine, športni objekti, hoteli, ki so vsi veliki potrošniki energije. Uporaba toplotnih črpalk pomeni poleg direktnega prihranka za uporabnika tudi širšo družbeno korist. Investicije v toplotne črpalke ne prinašajo le visokih energetskih prihrankov, temveč tudi občutno znižanje onesnaževanja ozračja z žveplom, ogljikovim dioksidom, dušikovimi oksidi in sajami.