Toplotne črpalke so danes eden stebrov sodobne energetske učinkovitosti in razogljičenja področja ogrevanja. Njihov razvoj se razteza skozi desetletja, od skromnih začetkov v obliki industrijskih hladilnih sistemov do visoko učinkovitih, pametno krmiljenih naprav, ki danes krojijo prihodnost ogrevanja (in hlajenja). Evolucija je prinesla naprave, ki ne le zmanjšujejo ogljični odtis, ampak tudi optimizirajo stroške in dvigajo udobje bivanja.
Zgodovina razvoja toplotnih črpalk ima več kot stoletje in pol dolgo brado. Pravzaprav je zanimivo to, da je njihov razvoj v začetku povezan s hladilniki in ne ogrevalnimi sistemi. Princip toplotne črpalke še zdaleč ni nov, saj temelji na termodinamičnem zakonu, da se toplota spontano prenaša iz toplejšega na hladnejše telo, kar je leta 1852 prvič formaliziral William Thomson (poznan tudi kot Lord Kelvin). Vendar pa toplotna črpalka ta proces obrne in s pomočjo energije prisilno črpa toploto iz hladnejšega v toplejše okolje.
Pionirski začetki, osredotočeni na hlajenje
Kot rečeno je bila sredina 19. stoletja odskočna deska za termodinamični zakon. Prve aplikacije tega principa pa so bile osredotočene na hlajenje. Najbolj znan primer je izum hladilnika. Prvi poskusi uporabe toplote, pridobljene pri hlajenju, za ogrevanje, so bili tedaj še globoko v začetni fazi.
Širitev uporabe toplotnih črpalk, predvsem v vlogi ogrevalnih sistemov, je sledila pozneje, sredi 20. stoletja. Po drugi svetovni vojni so se toplotne črpalke začele uveljavljati sprva v poslovnih in nato v stanovanjskih objektih, zlasti v ZDA. Prvi sistemi so bili večinoma sistemi voda-voda, ki so črpali toploto iz podtalnice. Njihova učinkovitost (t. i. COP) je bila še razmeroma nizka, danes pa je ravno obratno – sistemi toplotnih črpalk voda-voda veljajo za najbolj učinkovite na trgu.
Manko nafte kot »gorivo« nadaljnjega razvoja
Naftne krize v sedemdesetih (in osemdesetih) letih prejšnjega stoletja so spodbudile nujno iskanje energetsko učinkovitejših rešitev. S tem se je pospešil tudi razvoj toplotnih črpalk, ki se je usmeril v rešitve tipa zrak-voda, ki so lažje za namestitev in ne zahtevajo geološkega vrtanja. In tako je ostalo vse do današnjih dni, ko imajo toplotne črpalke zrak-voda prevladujoči tržni delež.
Z izboljšavami v zasnovi kompresorjev, za kar je zaslužna zlasti tehnologija inverterjev, novimi hladilnimi sredstvi in pametnim upravljanjem pa je tudi učinkovitost močno narasla. Toplotne črpalke so postale standard za novogradnje in ključen element energetske prenove starejših objektov.
Evolucija učinkovitosti: inverter in COP
Omenili smo že, da je ključno prelomnico v razvoju novodobnih toplotnih črpalk prinesla uvedba inverterske tehnologije. Klasične toplotne črpalke delujejo po principu vklopi/izklopi, kar pomeni, da delujejo bodisi s polno močjo bodisi so izklopljene. Inverter pa omogoča modulirano delovanje – stalno prilagajanje moči glede na dejansko potrebo po toploti.
To pa bistveno izboljša samo učinkovitost pa tudi zanesljivost delovanja (manj izklopov botruje manjšemu številu okvar). Eden ključnih podatkov pri toplotni črpalki je vrednost COP, gre za koeficient učinkovitosti oziroma razmerje med oddano toplotno in vloženo električno energijo. Sodobne toplotne črpalke tipično dosegajo COP med 3 in 5, kar pomeni, da za posamezno enoto vložene energije proizvedejo 3 do 5 enot toplotne energije. Za kupce toplotnih črpalk je zelo pomemben podatek tudi vrednost SCOP. V tem primeru gre za sezonski koeficient učinkovitosti, ki prikazuje povprečno učinkovitost črpalke skozi celotno ogrevalno sezono, kar je realnejši pokazatelj njenih zmogljivosti in učinkovitosti.
Okolju prijaznejše
Visoka učinkovitost toplotnih črpalk gre zadnja leta z roko v roki z okoljsko ozaveščenostjo. Najsodobnejše toplotne črpalke uporabljajo okolju prijazno hladilno sredstvo (R290), znano tudi kot propan. Propan je naravno hladilno sredstvo, ki bistveno zmanjšuje okoljski odtis sistema, hkrati pa omogoča doseganje višjih izstopnih temperatur vode (kar do 75 °C, starejše generacije so zmogle le do 55 ali 60 °C), obenem pa se lahko pohvali še z izjemno nizkim potencialom globalnega segrevanja (GWP). Oboje je ključno za zamenjavo starih kotlov v obstoječih objektih z radiatorji, situacija, ki je v preteklosti predstavljala največji izziv za toplotne črpalke. Danes pa največ toplotnih črpalk v Evropi najdemo prav v skandinavskih državah.
Na obzorju je že nov trend. Kombiniranje toplotnih črpalk z drugimi viri energije. Sodobni sistemi omogočajo enostavno integracijo s fotovoltaičnimi sistemi (sončnimi celicami), kar maksimizira uporabo lastne, zelene električne energije in omogoča t. i. pametno shranjevanje energije (shranjevanje viška proizvedene energije v obliki toplote v hranilnikih).
Vrhunec tehnologije: toplotne črpalke Samsung
Danes toplotne črpalke proizvajajo številna podjetja, med katerimi prednjačijo ponudniki iz Azije, ki so pogosto tudi pionirji v integraciji naprednih digitalnih tehnologij in inženiringa v ogrevalne sisteme. Sodobne toplotne črpalke, kakršna je Samsung EHS Mono R290 (mimogrede, kratica EHS pomeni Eco Heating System), prinašajo pomenljive inovacije. Najboljša med njimi je vsekakor primernost za delovanje v ekstremnih pogojih. Samsung sistemi so zasnovani za učinkovito delovanje tudi pri zelo nizkih zunanjih temperaturah (kar do –25 °C), pri čemer ohranjajo visok COP, kar zagotavlja ogrevanje tudi v najhladnejših zimskih mesecih.
Sodobne toplotne črpalke krasita tudi pametno upravljanje in povezljivost, ki omogoča integracijo s sistemi pametnega doma. Samsung, denimo, uporablja umetno inteligenco za učenje vzorcev ogrevanja in življenjskih navad uporabnikov. Sistem samodejno prilagaja delovanje črpalke za doseganje optimalne temperature ob minimalni porabi energije. Tu je še povezljivost prek aplikacije SmartThings. Uporabniki lahko črpalko upravljajo in nadzirajo na daljavo prek mobilne aplikacije, ki jim omogoča ne le spreminjanje temperature, ampak tudi spremljanje porabe energije in integracijo z drugimi pametnimi napravami v domu.
»V primerjavi s preteklimi generacijami toplotnih črpalk je jasno, da današnje rešitve ponujajo zanesljivost in tehnološko naprednost. Lahko rečemo, da imamo tehnologijo prihodnosti, ki že danes spreminja svet s kompaktno zasnovo (vgradnja je mogoča tudi na balkon), izjemno nizko ravnjo hrupa, visoko učinkovitostjo in estetsko dovršenim videzom. Čeprav smo dosegli pomemben napredek, je pred nami še dolga pot do popolne okoljske trajnosti in razogljičenja sistemov ogrevanja in hlajenja. Prav zato še naprej razvijamo izdelke z analizo potreb uporabnikov ter ustvarjamo inovacije, ki prinašajo večjo varnost, udobje in okoljsko trajnost,« je poudaril Ivan Šiško, produktni vodja področja klimatskih naprav v podjetju Samsung.
Tihe in zanesljive
Današnje toplotne črpalke so bistveno tišje kot pred leti. Proizvajalce namreč še kako zanima t. i. akustična optimizacija, saj se število toplotnih črpalk v urbanih okoljih množi, z njimi pa tudi hrup. Samsung je celo posebej optimiziral zasnovo ventilatorjev in ohišja za zmanjšanje hrupa, kar omogoča namestitev tudi v gosto poseljenih urbanih območjih, ne da bi motile sosede. Poleg tega je estetski vidik postal pomemben, zato so enote zasnovane s poudarkom na minimalističnem dizajnu, ki se bolje zlije z zunanjostjo stavbe.
V prihodnje nepogrešljive
Toplotne črpalke so prehodile dolgo pot. Od »tehnične zanimivosti« so se razvile v nepogrešljiv element sodobnega trajnostnega gradbeništva. Tehnologije, kot so R290 in inteligentno integrirano upravljanje, ne le izboljšujejo učinkovitost ogrevanja in zmanjšujejo stroške, ampak tudi potrjujejo, da je prihodnost ogrevanja tesno povezana z digitalizacijo in ekološko odgovornostjo. Izbira toplotne črpalke danes ni več le odločitev o ogrevanju, temveč strateška odločitev za energetsko neodvisnost in trajnost.
