Klima hladi pomoću vrućeg zraka, a grije pomoću hladnog i još štedi struju. Kako?

KLIMA-UREĐAJI sve više postaju nužnost u svijetu koji se zagrijava, osobito tijekom sve češćih i dužih toplinskih valova, kada temperature postaju praktički nepodnošljive, čak i u termički dobro izoliranim kućama, čak i ljudima koji dobro podnose vrućine.

No oni također postaju sve popularniji zbog toga što mogu grijati te to rade vrlo učinkovito i bez emisija CO2.

Kako to klima-uređaji postižu?

Zašto su klima-uređaji klimatski prihvatljivi?

Klima-uređaji rade na principu tzv. toplinskih pumpi. Na istom principu rade i hladnjaci. Budući da koriste električnu energiju te da se sve više električne energije stvara u obnovljivim izvorima, kao što su solarke ili vjetroturbine, toplinske pumpe postaju sve čišći izvori zagrijavanja i hlađenja.

U svijetu danas više od 10% emisija CO2 dolazi od zagrijavanja domova uz pomoć fosilnih goriva. Toplinske pumpe stoga sve više postaju dio rješenja za klimatske promjene.

Kako se s malo uložene energije dobiva puno topline?

Toplinske pumpe također su dobre za klimu (ali i za obiteljski proračun) zbog toga što su izuzetno ekonomične.

Uobičajeno od uređaja kao što su radijatori, pećnice ili tosteri za jednu uloženu jedinicu energije u najboljem slučaju dobivamo istu jedinicu energije u obliku topline. U stvarnosti najbolji radijatori imaju učinkovitost oko 90%.

Energija mora biti očuvana - uložena mora biti jednaka dobivenoj. To je prvi zakon termodinamike.

No toplinske pumpe za svaku jedinicu uložene električne energije mogu dati tri do pet puta više toplinske.

Štoviše, za ljetnih vrućina klima-uređaji hlade unutrašnjost doma uz pomoć vanjskog toplijeg zraka, a tijekom zime griju uz pomoć vanjskog hladnijeg zraka i pritom štede energiju. Kako je to moguće bez kršenja zakona termodinamike?

Trik je u tome da toplinske pumpe koriste vanjsku energiju koja postoji u okruženju kako bi zagrijale ili ohladile dom. Ta energija je u zraku, tlu, geotermalnom izvoru ili nečem četvrtom.

Da bismo razumjeli funkcioniranje toplinskih pumpi, potrebno je prisjetiti se nekoliko jednostavnih pojmova iz fizike, odnosno termodinamike.

Plin se zagrijava kada se zbija

Kada se plin zbija, on se zagrijava. Kako? Vanjskim radom, smanjenjem volumena molekule plina bivaju zbijene na manje područje i ujedno se povećava njihova kinetička energija, povećava se njihova brzina kretanja. Porast kinetičke energije molekula manifestira se kao povećanje temperature plina. Ukratko, mehanički rad uložen u zbijanje plina pretvara se u unutarnju energiju, što uzrokuje porast temperature.

To možemo primijetiti kada pumpamo gume bicikla - i pumpa i guma se tijekom pumpanja zagrijavaju.

Plin se hladi kad se širi

Kada se plin širi, zbiva se obratno. Tijekom širenja plin obavlja neki rad na okolini (primjerice tako što gura stijenke posude u kojoj je sabijen), što smanjuje njegovu unutarnju energiju i rezultira hlađenjem. Kako se smanjuje kinetička energija molekula, dolazi do smanjenja temperature.

Kako klima-uređaj hladi dom?

Budući da smo klima-uređaje uglavnom navikli koristiti za hlađenje doma, krenimo prvo od tumačenja kako oni to čine.

U klima-uređajima postoji dio koji zbija plin i zove se kompresor te dio koji omogućuje širenje i zove se ekspanzijski ventil.

Kada želimo hlađenje, kompresor će pomoću električne energije prvo u sustavu zbiti plin koji se obično naziva refrigerant. Kad se plin zbije, zagrijat će se. Tako zagrijan cijevima će biti odveden u vanjsku jedinicu izvan kuće. Ondje će se pomoću ventilatora hladiti vanjskim zrakom. Vanjski zrak će hladiti refrigerant čak i za ljetnih dana, kada je temperatura zraka vani visoka. Naime, ona je još uvijek uglavnom niža od temperature na koju je tlačenjem zagrijan refrigerant. Tako rashlađen refrigerant se iz vanjske jedinice dovodi do ekspanzijskog ventila, na kojem širi i dodatno hladi kako bi na unutarnjim zavojnicama rashladio zrak u unutrašnjosti kuće (grafika dolje).

Kako smo već rekli, hladnjak radi na istom principu. Jedina je razlika to što su cijevi u kojima se refrigerant u hladnjaku hladi unutar našeg stana, sa stražnje strane hladnjaka, pa on zagrijava prostoriju stana dok hladi svoju unutrašnjost.

U tom smislu klima-uređaj je poput hladnjaka čija je vanjska zavojnica smještena izvan kuće.

Kako klima-uređaj grije?

Na isti način na koji klima-uređaj hladi unutrašnjost kuće, a zagrijava vanjski zrak, kada se proces obrne, on grije unutrašnjost, a hladi vanjski zrak. U tom slučaju će u vanjsku jedinicu odlaziti refrigerant koji se ohladio jer se ekspandirao na ekspanzijskom ventilu. Kada tako rashlađen dođe u vanjsku jedinicu, on će se zagrijati vanjskim zrakom. To zagrijavanje moguće je čak i zimi, unatoč niskim temperaturama okolnog zraka jer su one uglavnom uvijek više od temperatura na koje je rashlađen refrigerant na rashladnom ventilu.

U cijelom ovom procesu refrigerant mijenja agregatna stanja iz plina u tekućinu i obratno. No, radi jednostavnosti u tumačenju temeljnog principa te promjene nećemo uvoditi u priču (pogledajte grafiku dolje).

Kada klime postaju neučinkovite?

Naravno, postoje ekstremno visoke i ekstremno niske temperature na kojima klima-uređaji gube učinkovitost, no one su rijetke, kako u tropskim tako i u sjevernim krajevima.

Carnotov princip kaže da iskoristivost klima-uređaja, odnosno toplinskih pumpi, ovisi o temperaturnoj razlici između unutarnje i vanjske strane, pri čemu je Carnotova učinkovitost to veća što je razlika između temperatura manja.

Carnotova formula učinkovitosti toplinske pumpe (COP) izgleda ovako:

Za grijanje: COP_Carnot = T_H/ (T_H – T_C)

Za hlađenje: COP_Carnot = T_C/ (T_H−T_C)

Gdje su:

T_H – apsolutna temperatura toplijeg spremnika (mjesto gdje se isporučuje toplina), izražena u kelvinima (K).

T_C – apsolutna temperatura hladnijeg spremnika (mjesto odakle se toplina uklanja), također izražena u kelvinima (K).

Apsolutna temperatura je temperatura u odnosu na apsolutnu nulu, što znači da temperaturi u °C treba dodati 273 °C (jer je apsolutna nula oko -273 °C).

Iz formule proizlazi da je Carnotova učinkovitost toplinske pumpe veća kada je razlika između TH i TC manja jer je nazivnik u razlomku formule tada manji.

Konkretno, klima-uređaji postaju slabo učinkoviti na visokim ljetnim temperaturama koje prelaze 40 °C te na niskim zimskim temperaturama koje padaju ispod -20 °C.

Učinkovitost klima-uređaja također mogu smanjiti visoka vlažnost zraka i stvaranje leda na vanjskoj jedinici.

Rješenja za ekstremne uvjete

No postoje tehnološka rješenja za područja koja imaju izuzetno hladne zime i izuzetno vruća ljeta.

U područjima s ekstremnim zimskim temperaturama često se koriste hibridni sustavi koji kombiniraju toplinske pumpe s tradicionalnim sustavima grijanja.

Također postoje klime s tzv. inverterskim kompresorima i naprednim rashladnim fluidima za povećanje učinkovitosti pri niskim temperaturama.

Postoje i klima-uređaji koji rade u područjima s ekstremnim vrućinama. Oni koriste tehnološka rješenja kao što su posebni refrigeranti s većim temperaturnim rasponima, učinkovitiji ventilatori i sl.

Postoje i ozbiljne, skuplje toplinske pumpe koje koriste stabilnije vanjske izvore energije kao što su, primjerice, dublji slojevi tla.