Toplotni izvori, odnosno spremišta niže temperature za primenu kod toplotnih pumpi se s obzirom na poreklo i postojanost temperatura mogu podeliti u tri osnovne grupe:
1. Prirodni izvori s uglavnom promenjivim temperaturama:
– okolni vazduh
2. Prirodni izvori s konstantnim temperaturama:
– površinske vode (veći vodotoci i jezera), mora i okeani
– podzemne vode
– zemljište
3. Veštački izvori:
– korišćeni vazduh iz prostorija ili industrijskih procesa
– otpadne vode.
Na raspoloživost prirodnih toplotnih izvora uglavnom se ne može uticati, to jest njihove količine su neograničene, ali je kod nekih od njih temperatura tokom godine značajno promjenjiva, a kod nekih se pak menja u vrlo malom rasponu. Za razliku od njih, na raspoloživost (količinsku, vremensku) i temperaturu veštačkih izvora se po pravilu može uticati.
Od izbora toplotnog izvora zavisi konstrukcija i način rada toplotne pumpe.
Toplotne pumpe kao toplotni izvor mogu da koriste površinske slojeve zemljišta čija je temperatura konstantna tokom godine. Njihova toplota najvećim delom potiče od dozračene Sunčeve energije, a tek manjim delom od toplotnog toka iz dubina Zemlje. Temperatura zemljišta, a time i temperatura prikladnog radnog medija unutar cevi izmjenjivača toplote zavise od spoljne temperature, ali su u kraćim razdobljima (tokom dana ili nedelje) gotovo konstantne. Kao radni medij se pri tome najčešće koristi smesa etilenglikola ili propilenglikola i vode čija temperatura u uslovima punog opterećenja (neprekidan rad tokom više hladnih zimskih dana) ne bi smela da padne ispod -5 °C. Za korišćenje toplote zemljišta postavlja se odgovarajući izmjenjivač toplote kojim se radni medij dovodi do isparivača toplotne pumpe, a s obzirom na način polaganja cevi, takve toplotne pumpe se mogu podeliti u dve osnovne grupe:
– toplotne pumpe s vodoravnim izmenjivačem, kao kolektorsko polje cevi
– toplotne pumpe s vertikalnim izmenjivačem, kao toplotne sonde.
Vodoravni izmenjivači ili kolektorska polja se koriste kada su na raspolaganju veće količine zemljišta ispod kojeg se mogu polagati cevi i na kojima se mogu izvoditi radovi (npr. u ruralnim područjima). Procjenjuje se kako je za porodičnu kuću potrebno oko 500 m2 zemljišta, a vredi pravilo kako potrebna površina zemljišta (kolektorskog polja) mora biti veća ili jednaka dvostrukoj površini prostorija koje treba grejati.
Cevi izmenjivača se izrađuju od cevi od polimernih materijala (PE, PP i sl.) i polažu se na dubinu od 1,2 do 1,5 m (ispod granice smrzavanja), paralelno, na udaljenosti od 0,3 do 0,7 m, pri čemu orijentaciono treba znati kako za svaki m2 prostorija koje treba grejati treba postaviti između 1,5 i 2 m cevi. Količina toplote koja se tako može dobiti zavisi od mnogih činjenica, a među najvažnijima su osunčanost zemljišta i specifični toplotni kapacitet tla, pri čemu se kao najbolje pokazuje glineno tlo. Prosečni godišnji toplotni učinak takvog sistema iznosi od 20 do 40 W/m2 kolektorskog polja. Kako se po pravilu ne mogu postići temperature radnog medija sistema grejanja (vode) na izlasku iz kondenzatora više od 50 °C, takve se toplotne pumpe koriste samo za niskotemperaturne sisteme grejanja (npr. podno grejanje).
Vertikalni izmenjivači ili toplotne sonde su naročito prikladni, pa i neophodni, u gusto naseljenim područjima gde jednostavno nema raspoloživog zemljišta. Sonde se polažu na dubine od 30 do 60, a najviše do 100 m, pri čemu je najčešći materijal izrade polietilen koji garantuje dobru izmenu toplote i jednostavno rukovanje, a otporan je prema uslovima unutar zemlje (vlaga, pritisak, mikroorganizmi). U zemlju se najčešće polažu četiri sonde, jedna do druge, u dve osnovne konstrukcije:
– kao dvostruka U cev, pri čemu kroz jedan krak ulazi ohlađeni radni medij, a kroz drugi se u toplotnu pumpu vraća zagrejan
– kao koaksijalne cevi, pri čemu je unutrašnja od PE i kroz nju struji hladni radni medij, dok je spoljna metalna i kroz nju prema toplotnoj pumpi struji zagrejani medij.
Zavisno od uslova u tlu, može da se ostvari prosečni učinak od 50 do 100 W/m što zavisi od dubine zemljišta, a kada u zemljištu ima (toplih) podzemnih voda, moguće su i veće vrednosti.
Osim toplote zemljišta, kao toplotni izvor za toplotne pumpe se može koristiti i toplota podzemnih voda, pri čemu je sistem po svojoj konstrukciji vrlo sličan geotermalnim toplanama. Osnovni preduslov takvog rešenja je raspoloživost podzemnih voda u većim količinama. Pri tome su takođe potrebne dve bušotine (bunari) na udaljenosti najmanje 15 m. Iz jedne od njih se crpi podzemna voda prosečne temperature 10 °C i uvodi u isparivač toplotne pumpe u kojem se hladi predavajući toplotu radnoj mašini te se potom, kroz drugu bušotinu, ohlađena vraća natrag u podzemlje. Pri tome se treba obratiti velika pažnja na kvalitet i sastav podzemne vode i zemljišta jer razne nečistoće mogu uzrokovati smetnje i začepljenje cevovoda. Isparivač toplotne pumpe takođe treba izvesti od korozijski postojanih materijala (npr. nerđajućih čelika).
Osim s dve bušotine, sistem se može izvesti samo s jednom, dok se ohlađena voda ispušta u površinske vode ili u kanalizaciju, ali takvo rešenje zbog ekoloških i geoloških (održavanje potrebnog pritiska u dubini) nije uvek prihvatljivo.
Toplotne pumpe kao toplotni izvor mogu da koriste površinske vode (veće reke, prirodna ili veštačka jezera) ili morsku vodu, a takođe i toplu otpadnu vodu iz raznih procesa.
Načelo rada i konstrukcija sistema koji koriste površinske ili morsku vodu pri tome su slični kao kod toplotnih pumpi za korišćenje toplote zemljišta s vodoravnim izmenjivačem. Kolektorsko polje se polaže na dno vodotoka, jezera ili mora, gde temperature nikada ne padaju ispod +4 °C. Sistem se najčešće izvodi kao otvoreni, pri čemu se na određenoj dubini, koja zavisi od prosečne temperature vode, odnosno od godišnjeg doba, uzima voda koja potom struji kroz cevi izmenjivača i ulazi u izmenjivač toplote – isparivač toplotne pumpe u kojem se hladi i ispušta natrag u more, jezero ili reku.
Kod primene toplote otpadne vode, treba postaviti odgovarajući izmjenjivač toplote kroz koji struji prikladni radni medij u zatvorenom krugu. Pri tome treba voditi računa o vremenskoj i količinskoj raspoloživosti otpadnih voda. Pri primeni toplotnih pumpi koje koriste vodu iz vodotokova ili jezera treba voditi računa o tome da na izlazu iz isparivača ne sme da dođe do smrzavanja. Kao i u slučaju primene podzemnih voda, smetnje mogu uzrokovati razne nečistoće iz vode pa su potrebni filteri i sl.
Toplotne pumpe koje kao izvor toplote koriste okolni vazduh po svojoj konstrukciji su gotovo jednake malim klima-uređajima, pri čemu se takođe izvode kao kompaktne jedinice ili u odvojenoj (split) izvedbi. Uz to se može koristiti i korišćeni vazduh odveden iz prostorija sistemom ventilacije i/ili klimatizacije velikih poslovnih zgrada ili iz raznih industrijskih procesa. Izvor toplote takođe može biti i iz velikih rashladnih sistema i sl.
Sistemi koji koriste vazduh ne zahtevaju dodatni radni medij, a kako bi se pospešila izmena toplote konvekcijom između vazduha i isparivačkih površina, isparivač redovno ima ugrađen ventilator. Kako toplotni učinak zavisi od spoljašnje temperature koja se značajno menja čak i tokom kraćih razdoblja (dana), nužna je odgovarajuća regulacija učinka. Pri tome treba voditi računa o tome da pri spoljašnjim temperaturama nižim od +5 °C može doći do smrzavanja isparivačkih površina čime se smanjuje prelaz toplote. Ipak, savremene konstrukcije toplotnih pumpi omogućavaju korišćenje toplote spoljašnjeg vazduha čak do temperatura -20 °C, dok temperatura vazduha koji se dovodi u prostoriju može biti i do 28 °C.
Takve toplotne pumpe su danas najčešće u primeni, jer redovno čine sastavni deo savremenih malih split klima-uređaja koji tada, osim za hlađenje prostorija leti, služe i za grejanje prostorija zimi. Ipak, “prave” toplotne pumpe mogu da rade i pri temperaturama nižim od -5 °C, što kod split sistema po pravilu predstavlja granicu primene.
