Delovanje toplotnih črpalk je odvisno od več faktorjev. Razen finančnega vložka je potrebno ugotoviti ali je dovolj virov za izkoriščanje toplotne energije v okolici in obstoječe meje delovne sposobnosti izbrane črpalke.
Glede na to, da je investicija v več kot dva ogrevalna vira ekonomsko vprašljiva, je smotrno izbrati toplotno črpalko, ki zmore sama pokriti vse potrebe po ogrevanju. Posledično mora biti toplotna črpalka v čim večji meri projektirana tako, da samostojno pokrije vse potrebe.
Glede na način obratovanja toplotne črpalke v ogrevalnem sistemu ločimo dva različna obratovalna režima.
Monovalentno obratovanje toplotne črpalke
Dejstvo je, da ogrevalna moč toplotnih črpalk, ki izkoriščajo zunanji zrak, pada skupaj s padanjem zunanje temperature. Zato toplotne črpalke zrak/voda v večini primerov niso primerne za monovalentno ogrevanje. Izjema so območja s toplejšimi zimami, kjer ni pretirano nizkih zunanjih temperatur ali pa toplotne črpake z vgrajenimi električnimi grelci. Vendar v tem primeru že govorimo o bivalentnem režimu.
Definicija
Monovalentno obratovanje pomeni, da toplotna samostojno pokriva celotne vse toplotne potrebe objekta preko celotne ogrevalne sezone.
Popolnoma samostojno (monovalentno) delovanje omogočajo predvsem toplotne črpalke, ki izkoriščajo naslednja dva vira:
– podtalnica (voda) in
– zemlja (kolektorji, geosonde).
Temperatura obeh virov (med 8 in 12 °C) je tekom celega leta skoraj enaka, zato toplotne črpalke lahko obratujejo popolnoma samostojno. Relativno visoka temperatura obeh virov omogoča posledični tudi višje izkoristek – COP pri zemlji je tako nad 4,0 pri vodi pa celo več kot 5,0.
Začetne investicije v toplotne črpalke voda/voda in zemlja/voda so tako mogoče na začetku res višje, vendar se razlika v višjo investicijo relativno kmalu povrne zaradi boljših izkoristkov. Ker zmorejo samostojno ogrevati objekt tudi ni stroška dodatnega vira ogrevanja.
Sama moč toplotne črpalke se mora izbrati na podlagi ustreznih izračunov (gradbena fizika, strojni projekt ipd.). Izračun toplotnih izgub je glede na priporočila stroke izdelan na osnovi projektne zunanje temperature (-5, -13, -16, … °C – odvisno od same lokacije objekta).
Ekonomski izračuni kažejo, da investicija v več kot dva ogrevalna vira ni upravičena. Večina današnjih novogradenj ima predvideno eno režim za ogrevanje (TČ, kotel, peč) in kamin. Na slednjega pristajajo predvsem skeptiki, ki se bojijo daljšega izpada električne energije. Priročen pa je tudi v hladnejših dnevih v prehodnih obdobjih, ko ni smotrno poganjati celotnega ogrevalnega sistema (centralne). Zato je zelo pomembno, da je toplotna črpalka projektirana na način, da sama zmore pokriti čim več potreb po ogrevanju. Dodatna izvedba peči na olje ali plinskega kotla ob novi toplotni črpalki je težko ekonomsko upravičena.
Bivalentno obratovanje toplotne črpalke
O bivalentnem delovanju oz. kombiniranih sistemih govorimo kadar toplotna črpalka sama ne pokriva vseh potreb po ogrevanju in se poleg črpalke uporablja dodatni vir ogrevanja.
V mrzlih dnevih, ko za ogrevanje hiše toplotna črpalka več ne zadošča, je potrebno uporabiti dodaten vir ogrevanja. Kot dodatni vir ogrevanja je običajno nameščen plinski ali oljni kotel, kamin. V energetsko varčnih gradnjah in novogradnjah pa se najpogosteje vgradi toplotno črpalko pa že ima vgrajene električne grelce, ki se vklopijo na bivalentni točki. Dejstvo, da v določenih primerih toplotna črpalka ne zmore sama ogrevati hiše ne pomeni, da je toplotna črpalka ne deluje dobro ali, da je slabe kakovosti temveč, da je projektirana pravilno in je dodatni vir predviden že vnaprej. V nekaterih primerih bi namreč premočna toplotna črpalka delovala neoptimalno, posledično bi bili slabši izkoristki ter posledično tudi višji stroški.
Bivalentna točka
Bivalentna točka je tista točka delovanja sistema, ko toplotna črpalka sama ne more več pokriti toplotnih potreb in se vključi ali priključi dodatni vir ogrevanja. Ko je ponovno dosežena nastavljena temperatura, se dodatni vir izklopi in toplotna črpalka nadaljuje ogrevanje samostojno. Krmiljenje med obema sistemoma je seveda narejeno avtomatsko.
Možnosti
Bivalentne načine obratovanja ločimo v tri podskupine. Razlikujejo se predvsem v tem, kdaj se vklopi/izklopi dodatni vir ogrevanja.
Bivalentno alternativno
Takšen režim bi lahko poimenovali tudi ali-ali. Pri tem režimu delovanja namreč lahko deluje samo en sistem naenkrat. Torej lahko obratuje ali toplotna črpalk ali pa dodatni vir (kotel, peč, idr.). Takšne sisteme vidimo pogosto, kadar gre za obnovo starejših in potratnejših objektov, ko je črpalka dimenzionirana tako, da pokriva potrebe po toploti, ko so zunaj še ustrezne temperature, v hladnejših dneh pa se vklopi alternativni vir.
Primer
Za doseganje ustrezne temperature v prostoru, ko je zunaj -13°C (temperaturni primanjkljaj in projektna temperatura) potrebujemo ogrevalno napravo 20 kW. Če bi izbrali toplotno črpalko, ki bi pri -13°C zmogla proizvesti 20 kW, bi potrebovali črpalko, ki pri A2/W55 zmore 25 kW ali več. To pomeni, da bi v večjem delu ogrevalne sezone bila bistveno predimenzionirana. Zato v takem primeru izberemo toplotno črpalko moči 15 – 20 kW, ki bo pokrivala potrebo po ogrevanju 50 do 70 % časa, preostali čas pa bo deloval alternativni vir. Najpogostejša je taka izvedba pri renovaciji starejših objektov, ko se ohrani visoko temperaturni režim ogrevanja 70/90. Sistem je avtomatsko nastavljen tako, da se pri določeni zunanji temperaturi (npr. -5°C) samodejno vklopi drug vir ogrevanja
Bivalentno vzporedno (paralelno)
Kadar se odločimo za vzporedni vezavo dveh virov ogrevanja, sta običajno oba sistema projektirana tako, da zmoreta samostojno pokriti potrebe po ogrevanju in se v primeru izpada/okvare lahko en drugega nadomeščata.
Načeloma pa oba sistema lahko delujeta istočasno (črpalka se ne izklopi).
Toplotna črpalka v tem primeru deluje ves čas. Ker pa s padanjem zunanje temperature pada izhodna moč toplotne črpalke, sama ne zmore zadostiti potrebam po ogrevanju, zato se sočasno zažene dodatni vir ogrevanja. Oba sistema sta nastavljena tako, da delujeta sinhrono in en drugega dopolnjujeta.
Primer:
Za starejši objekt je bila predvidena moč črpalke 13 kW. Po prenovi kotlovnice je obstoječi kotel ostal v kotlovnici. Pri nizki zunanji ima toplotna črpalka moč samo še 10 kW, zato ji »na pomoč« priskoči obstoječi plinski kotel nekaj dni v letu. V novogradnjah se dodatnih virov ogrevanja ne namešča, saj so v toplotnih črpalkah že nameščeni električni grelci.
Bivalentni delno vzporedni način
Takšen sistem je kombinacija obeh prejšnjih načinov. Do določene zunanje temperature (bivalentne točke) deluje toplotna črpalka popolnoma samostojno nato pa se vklopi dodatni vir. Oba sistema delujeta sočasno do izklopa toplotne črpalke. Ko se črpalka izklopi, deluje samo še dodatni vir. tega sistema je v tem, da se toplotna črpalka pozneje izklopi. S tem je njeno delovanje dodatno podaljšano, kar pomeni velik prihranek pri strošku za energijo.
Hibridne toplotne črpalke
Poleg samostojnih toplotnih črpalk, ki delujejo skupaj z dodatnimi viri ogrevanja pa so danes na tržišču na voljo tudi t.i. hibridne toplotne črpalke. Te črpalke so že serijsko kombinacija dveh različnih virov. Novost na tržišču so tako npr. plinske hibridne črpalke, ki imajo v svojem ohišju tudi plinski kotel.