Vis dažniau ir aktyviau naudojami alternatyvūs būsto šildymo būdai. Ypač populiarėja šilumos siurbliai. Deja, ne vieną susidomėjusį efektyviu ir taupiu šildymo įrenginiu atbaido ir suklaidina terminų gausa.
Šilumos siurblys (angl. heat pump) yra vienas iš įrenginių, kuris gali padėti šildyti būstą ir (arba) ruošti karštą vandenį. Tačiau šiuo terminu apsukrūs komersantai pakrikštija ir kitus įrenginius, pavyzdžiui, oro kondicionierius, kurie padeda reguliuoti, kontroliuoti ir palaikyti temperatūrą patalpose, tačiau tik kaip papildomas, o ne pagrindinis šildymo įrenginys. Nors įrenginio apibūdinimas skamba panašiai, tačiau būtina skaityti „po žvaigždute“.
Taigi kas tas šilumos siurblys, kaip jis veikia ir kam jis skirtas?
Teisingiausia šilumos siurbliu vadinti tokį įrenginį, kuris yra gyvenamojo ploto šildymui ir karšto vandens ruošimui reikalingos šilumos šaltinis (tiekia šilumą). Šiame straipsnyje nekalbėsime apie įrenginius, kurie skirti pramoniniam sektoriui – tai visai kita svorio kategorija, neaktuali individualiam vartotojui.
Šilumos siurblio principinė schema
Šilumos siurblių paskirtis – gaminti šilumą patalpoms šildyti ir (arba) karštam vandeniui ruošti. Šilumos siurblys gali būti naudojamas ir vėsinimui, tačiau tokią funkciją reikia numatyti iš anksto, nes dviguba sistema yra sudėtinga ir ją nėra paprasta sumontuoti be iš ankstinio projekto.
Šilumos siurbliai yra kelių modifikacijų: „vanduo-vanduo“, „glikolis-vanduo“ ir „oras-vanduo“. Pirmųjų dviejų modifikacijų šilumos siurbliai įprastai vadinami geoterminiais, nes šilumą ima iš žemės (vandeningojo sluoksnio arba grunto).
Šilumos siurblio veikimo principas žinomas jau seniai – tai atvirkščias šaldytuvas. Gaminant šaltį susidaro šalutinis produktas – šiluma, kurią šaldytuvas atiduoda į patalpą radiatoriaus pagalba. Šilumos siurbliuose tokiu pat principu radiatorius gamina šilumą, o susidarantis šalutinis šio proceso produktas – šaltis.
Visi šilumos siurbliai turi aukšto slėgio kompresorių, kuris uždaru kontūru varinėja dujas (freonus). Kiekviename šilumos siurblyje yra du šilumokaičiai, o tarp jų – kompresorius ir išsiplėtimo vožtuvas (droselis).
Šiltasis šilumokaitis – kondensatorius – atiduoda šilumą kaitinamam kontūrui, kuris šildo vandenį.
Šaltasis šilumokaitis – garintuvas – atiduoda (išneša) šaltį į lauką.
Kompresorius suspaudžia kontūre esantį freoną, kuris tampa dujinės būsenos, o dėl didelio suspaudimo (slėgio) jis įkaista. Įkaitusios dujos keliauja per šilumokaitį (kondensatorių), kuriam atiduoda visą šilumą. Atidavusios šilumą dujos ima skystėti, o pasiekus išsiplėtimo vožtuvą, kuris sumažina dujų slėgį, šis procesas labai suintensyvėja: freonas ima sparčiai vėsti ir virsta skysčiu. Garintuve (šaltajame šilumokaityje) freonas turi būti pašildomas tam, kad imtų garuoti, nes kompresorius turi suspausti freono dujas, o ne skystį. Šiam pašildymui reikalinga energija imama iš žemės (grunto), vandens arba oro.
Šilumos siurblys (dešinėje). „Statyk!“ archyvo nuotr.
COP
Kompresoriaus veikimui reikalinga elektros energija. Atrodytų, paprasčiau šildytis elektriniu radiatoriumi: juk tiek šilumos siurblys, tiek elektrinis radiatorius naudoja elektros energiją. Tačiau šilumos siurblio esminis pranašumas tas, kad iš vienos kilovatvalandės elektros energijos jis pagamina nuo trijų iki penkių kilovatvalandžių šilumos, tuo tarpu elektrinis radiatorius iš vienos elektros kilovatvalandės – vieną kilovatvalandę šilumos.
Parametras, rodantis panaudotos elektros energijos ir gautos šilumos kiekių santykį, šilumos siurblių specifikacijoje žymimas COP (angl. coeficient of perfomance) – dažnai vadinamas tiesiog efektyvumo koeficientu – o šalia esantis skaičius žymi, kiek kilovatvalandžių šilumos sugeba pagaminti šilumos siurblys iš vienos elektros kilovatvalandės.
Būtina suprasti, kad šilumos siurblio COP, kurį deklaruoja gamintojas, panašus į automobilių gamintojų skelbiamas kuro sąnaudas: didelę įtaką daro vairuotojo patirtis, oro sąlygos, net kuro kokybė. Šilumos siurblių COP gamintojas skaičiuoja esant tam tikroms (standartizuotoms) lauko ir patalpų oro sąlygoms (parametrams). Tačiau kiekvieno vartotojo sistema unikali: skiriasi šildomas plotas, ruošiamo karšto vandens kiekis, prie šilumos siurblio prijungtų kontūrų kiekis ir kt. Nuo to priklauso ir šilumos siurblio ir visos sistemos veikimui reikiamos elektros energijos kiekis (pavyzdžiui, trims kontūrams reikės ir trijų, o ne vieno, cirkuliacinių siurblių). Įvertinus ir šias sąnaudas galima apskaičiuoti realų (galutinį bendrą) konkrečios sistemos COP, kuris gali būti mažesnis, nei gamintojo deklaruojamas.
Žinoma, geriausiai ir efektyviausiai šilumos siurbliai veikia energiškai efektyviuose pastatuose: sandariuose, gerai apšiltintuose, atitinkančiuose teisės aktų nustatytus mikroklimato parametrus. Jei pastatas negali išlaikyti šilumos siurblio pagaminamos šilumos, stebuklo tikėtis neverta.
Šilumos siurblių tipai: 1 – „glikolis-vanduo“ (vertikalus), 2 – „glikolis-vanduo“ (horizontalus), 3 – „vanduo-vanduo“, 4 – „oras-vanduo“
Šilumos siurblys „vanduo-vanduo“
Tokio šilumos siurblio konstrukcijoje turi būti du šilumokaičiai, abu freonas-vanduo. Vienas jų perduoda susidariusią šilumą šildymo ir (arba) karšto vandens ruošimo sistemai, kitas – gręžinio vandeniu pašildo atšalusį freoną.
Įrengiant šio tipo šilumos siurblius lauke išgręžiami mažiausiai du vandens gręžiniai. Viename iš jų sumontuojamas vandens pakėlimo siurblys – toks pats, koks naudojamas ir geriamojo vandens gręžiniuose. Siurbiamas iš žemės gelmių vanduo, tekėdamas per garintuvą (šaltąjį šilumokaitį), jį atšildo, nes gręžinio vandens temperatūra ištisus metus yra pastovi, maždaug 8–10 °C. Pratekėjęs per kondensatorių (šiltąjį šilumokaitį) vanduo atvėsta ir teka į antrąjį, išgręžtą atokiau nuo pirmojo, gręžinį, t. y. vanduo grįžta atgal į žemės gelmes.
Kadangi vanduo keliauja iš vieno gręžinio į kitą uždaru vamzdynu, jis nėra niekaip užteršiamas, o tik atvėsta. Gręžinio siurblio įjungimą (išjungimą) kontroliuoja šilumos siurblio automatika, kuri valdo visą šilumos siurblio veikimą ir palaiko nustatytus parametrus. Šilumos siurblyje esantis kontūras, kuriuo cirkuliuoja freonas, – tai tarpininkas, transportuojantis šilumą: tarp gręžinio vandens ir vandens, esančio namo šildymo sistemoje, arba ruošiamo karšto vandens.
Tokių gręžinių gali būti ir daugiau: jų skaičius priklauso nuo šilumos siurblio galingumo ir reikiamo vandens debito šiam siurbliui. Kuo giliau vandeningasis sluoksnis, tuo galingesnio gręžinio siurblio reikia vandeniui iškelti (ir išlaikyti didelio aukščio vandens stulpą). Todėl padidėjusios elektros sąnaudos šiek tiek sumažina bendrąjį šilumos siurblio efektyvumą (COP).
Šilumos siurblys „glikolis-vanduo“
Šio šilumos siurblio konstrukcija panaši į pirmiau aprašytojo (vanduo-vanduo). Jame taip pat yra du šilumokaičiai, abu freonas-vanduo. Tačiau garintuvas (šaltasis šilumokaitis) atšalusį freoną šildo ne vandeniu, o neužšąlančiu skysčiu – glikoliu, cirkuliuojančiu uždaroje sistemoje. Glikolio užšalimo temperatūra priklauso nuo jo koncentracijos: jis gali neužšalti net ir esant -30 °C. Taigi lauko oro temperatūra neturi įtakos efektyviam sistemos veikimui.
Grunte horizontaliai išvyniojami vamzdžiai, kurie užpildomi glikoliu ir paskui užkasami. Principas labai primena grindinio šildymo įrengimą: glikolį varinėja cirkuliacinis siurblys. Lauko dalies vamzdžių bendras ilgis, o kartu ir užimamas plotas, yra tiesiogiai proporcingas šilumos siurblio galingumui ir grunto sudėčiai. Jeigu nepakanka žemės sklypo ploto horizontaliam vamzdyno įrengimui lauke, tuomet įmanoma tokią pat sistemą įrengti vertikaliai, t. y. išgręžti gręžinius, ir į juos įleisti glikoliu užpildytus vamzdžius. Vertikaliai sistemai reikia mažiau vamzdžių, o ir montavimo darbai trunka trumpiau. Ar galima naudotis tuo žemės plotu, po kuriuo įrengtas horizontalus vamzdynas?
Abiem atvejais (horizontalaus ir vertikalaus montavimo) reikia atlikti grunto sudėties analizę ir tik ją turint, galima projektuoti sistemą – nuo šios analizės rezultatų priklauso, kiek gręžinių ar kokio žemės sklypo ploto reikės.
Šilumos siurblys „oras-vanduo“
Šis šilumos siurblys turi jau kitokį garintuvą – tai šilumokaitis freonas-oras. Jis pašildomas lauko oru: šalia sumontuotas ventiliatorius sukuria oro srautą, kuris apipučia šilumokaitį, taip jį pašildydamas. Šio tipo šilumos siurblio montavimas yra paprasčiausias ir greičiausias iš visų šilumos siurblių: jis tiesiog pastatomas netoli pastato ant specialiai jam skirto tvirto, lygaus pagrindo. Paprastai vieta parenkama kuo arčiau katilinės, kad vamzdynų trasos būtų kuo trumpesnės (o kartu ir mažesni dėl to susidarantys šilumos nuostoliai) ir patogesnis priėjimas atliekant priežiūros ar remonto darbus.
Nuo kitų šilumos siurblių „oras-vanduo“ modifikacijos siurblys skiriasi tuo, kad kompresorius yra lauke, todėl jo sukeliamas garsas lieka pastato išorėje. Deja, ventiliatorius gali pasiekti tokį triukšmo lygį, kad jis ims erzinti tiek šeimininkus, tiek kaimynus, ypač naktimis. Apie garso slopinimą reikėtų pagalvoti iš anksto, parenkant vietą šilumos siurbliui arba įrengiant garso barjerus – akustines sieneles. Iš techninių šilumos siurblio charakteristikų, kurias pateikia gamintojas, galima sužinoti ventiliatoriaus skleidžiamo triukšmo lygį.
Gyvenamųjų pastatų (namų) ir visuomeninės paskirties pastatų aplinkoje (lauke), išskyrus transporto sukeliamą triukšmą, nakties metu (nuo 22 iki 6 val.) didžiausias leidžiamas ekvivalentinis garso slėgio lygis 45 dB, o patalpose naktį girdimas garsas neturėtų viršyti 35 dB. (HN-33:2011 „Triukšmo ribiniai dydžiai gyvenamuosiuose ir visuomeninės paskirties pastatuose bei jų aplinkoje“)
Šie siurbliai negali veikti kai lauko temperatūra žemesnė nei -20 °C. Kai šaltis viršija šią ribą, šilumos siurblio automatika sustabdo kompresoriaus veikimą ir aktyvuoja elektrinius tenus, įmontuotus karšto vandens ruošimo talpoje (boileryje) ir akumuliacinėje (buferinėje) talpoje, kad šilumos tiekimas nenutrūktų. Kai temperatūros daviklis užfiksuoja aukštesnę lauko oro temperatūrą, šilumos siurblys automatiškai atjungia tenus ir vėl grįžta į pradinį darbo režimą.
Kuo žemesnė lauko temperatūra, tuo mažesnis momentinis COP, o lauke atšalus iki -20 °C, COP lygus 1. Tačiau įvertinus metinį suvartotos elektros energijos ir gautos šilumos santykį (juk tokių šaltų dienų nebūna labai daug), šilumos siurblio „oras-vanduo“ efektyvumas akivaizdus.
Termodinaminis saulės šilumos siurblys „Veo energy“ nuotr.
Termodinis saulės šilumos siurblys
Naujovė, kuri į Lietuvą dar tik ateina – termodinaminiai saulės šilumos siurbliai. Šis šilumos siurblys pagal šilumokaičių išdėstymo principą labai artimas modifikacijai oras-vanduo. Esminis skirtumas – tai šilumokaičio užimamas plotas. Šilumos siurblyje oras-vanduo šilumokaitį apipučia pakankamai intensyvus ventiliatoriaus sukeliamas oro srautas, todėl konstrukciškai šilumokaitis yra gana nedidelis. Tuo tarpu termodinaminio saulės šilumos siurblio šaltasis šilumokaitis – yra plokščias ir plonas, todėl užima didesnį plotą. Šioje plokštėje specialiai suformuotais uždarais kanalais cirkuliuoja freonas. Tokioms plokštėms (priklausomai nuo reikiamo galingumo) reikia numatyti pastatymo ar pakabinimo vietą, kuri nuo kompresoriaus gali būti nutolusi iki 20 metrų.
Termodinaminis saulės šilumos siurblys. Veo energy“ nuotr.
Didelis šio šilumokaičio (plokščių) privalumas – tai, kad jame nėra jokių elektroninių ar mechaninių elementų, galinčių sugesti bėgant laikui. Kompresorius, varinėjantis freoną, sumontuotas korpuse, kuris montuojamas patalpoje (katilinėje). Šio tipo šilumos siurbliai sugeba panaudoti ne tik ore esančią šiluminę energiją, bet ir išnaudoti saulės, lietaus bei vėjo energinius resursus. Anglijoje, Škotijoje šios sistemos puikiai pakeičia saulės kolektorius ir efektyviai išnaudoja aplinkos energinius resursus karšto vandens ruošimui naktį, lietingą ar ūkanotą dieną. Lietuvoje šilumos gamyba aktualiausia šaltuoju sezonu, tačiau, nors pirmosios šio tipo sistemos jau pasiekė mūsų rinką, kol kas dar nėra įgyvendintų projektų su šio tipo šilumos siurbliais, kurių monitoringas padėtų įvertinti metinius šilumos gamybos rezultatus ir efektyvumą.
Oro kondicionierius – ne šilumos siurblys
Šiuo metu išpopuliarėję oro kondicionieriai (angl. air conditioner) mėgstami pavadinti oriniais šilumos siurbliais („oras-oras“). Iš dalies su tuo galima sutikti, nes jų veikimo principas panašus į jau aptartų šilumos siurblių: yra kompresorius, yra du šilumokaičiai freonas-oras. Tačiau jie nėra ir negali būti prijungiami prie pastato šildymo ar karšto vandens ruošimo sistemų, o vidinis blokas turi būti montuojamas kiekvienoje patalpoje.
Oro kondicionieriai yra skirti greitam patalpų mikroklimato, t. y. oro temperatūros ir santykinės drėgmės, pakeitimui, pavyzdžiui, norint greitai atvėsinti ar pakelti oro temperatūrą keliais laipsniais konkrečioje patalpoje.
Oro kondicionierius. „Daikin“ nuotr.
Šie įrenginiai – tai tik papildoma priemonė, leidžianti palaikyti reikiamus patalpų mikroklimato parametrus, kai pastato centralizuotos sistema negali to užtikrinti. Jų COP labai panašus į kitų šilumos siurblių, tačiau, kaip ir šilumos siurblys „oras-vanduo“, jie nebeveikia, kai lauko oro temperatūra nukrinta žemiau -20 – -25 °C. Todėl montuoti tik oro kondicionierius kiekvienoje šildomoje patalpoje ir traktuoti juos kaip šildymo sistemą jokiu būdu negalima, nes atsijungus kondicionieriui per šalčius, nebėra jokio kito būdo šildyti patalpas.
Taigi,
visi šilumos siurbliai atiduoda šilumą karšto vandens ruošimui arba patalpų šildymui. Siurblio pagaminta šiluma yra kaupiama akumuliacinėje talpoje: ją įkrovęs siurblys sustoja, o atvėsus talpoje esančiam vandeniui, vėl ima veikti. Akumuliacinė talpa padeda išvengti pernelyg dažno kompresoriaus junginėjimosi, todėl labai svarbu ją parinkti tinkamo tūrio.
Efektyviausiai šilumos siurbliai veikia tuomet, kai pastate yra įrengta grindinė šildymo sistema, kadangi tokiam šildymui pakanka, kad kontūre cirkuliuotų 32–35 °C vanduo (termofikatas). Kuo žemesnės temperatūros pakanka, tuo mažiau energijos reikia sunaudoti šilumos gamybai. Tuo tarpu karšto vandens ruošimui šilumos siurblys atiduoda visą savo galią (neprarasdamas efektyvumo), nes šioje sistemoje vandens temperatūra turi būti ne mažiau nei 55 °C.
Elektriniai tenai būtinai turi būti įrengti visuose karšto vandens šildytuvuose (boileriuose), kad būtų galima užtikrinti karšto vandens nenutrūkstamą gamybą avariniu atveju ir legionelių profilaktikai, kuriai vandens temperatūrą reikia pakelti ne mažiau kaip 65 °C.