Zgodovina toplotnih črpalk

AVTOR: Martin Zogg, Dr. znanosti za Tehniko in Energijo, Procesno in Energetsko Inženirstvo, Oberburg, Bern, Švica

POVZETEK: Švicarski pionirji so bili prvi, ki so prizemljili delujoče naprave za ponovno stiskanje pare. Prve toplotne črpalke so bile na evropskih tleh realizirane v Švici. Do danes ostaja slednja ena izmed vodilnih držav na področju toplotnih črpalk. Njena pionirska vloga pri razvoju navpičnih izmenjevalnikov toplote v vrtini, vračanju toplote iz kanalizacije, kompresorjev brez olja in turbo kompresorjev, je dobro znana. Največja toplotna črpalka, ki je bila kdaj zgrajena, izvira iz Švice. Čeprav obstaja precej obsežno omrežje za distribucijo naravnega plina, je trenutno 75% novih stanovanj, zgrajenih v Švici, ogrevanih s toplotnimi črpalkami. Ta članek predstavlja nekaj vrhuncev te uspešne zgodbe, s poudarkom na švicarskih dosežkih in njihovi povezavi z mednarodnimi mejniki. Ta članek je povzetek podrobnega poročila z mnogimi viri na to temo, pripravljenega v imenu Švicarskega Zveznega Urada za Energijo [Zogg 2008].

KLJUČNE BESEDE: toplotna črpalka, zgodovina, pionir, stiskalni cikel, absorpcijski cikel, ponovno stiskanje pare, Švica

Človeštvo je že od kamene dobe sposobno proizvesti toploto z umetno sproženimi ognji. Težava umetnega hlajenja je bila tako veliko bolj kompleksna in ni bila rešena do pribl. leta 1850, ko so prvi pionirji izumili hladilne stroje. Ti isti stroji se lahko uporabljajo tudi za ogrevanje, kot toplotne črpalke. Ogromna potreba po hlajenju je privedla do hitrega razvoja novo odkrite tehnike (hlajenja) in do njene triumfalne razširitve po celem svetu. V pravilno zasnovanih stanovanjskih stavbah v srednji in severni Evropi je med hladno sezono leta, da bi ohranili v prostorih udobje, potrebno samo ogrevanje. Zato je v teh regijah ogrevanje stanovanjskih stavb še posebej zanimivo. V nasprotju s hlajenjem, lahko toploto proizvajajo poceni kotli/bojlerji (grelniki vode) na zemeljski plin in nafto. Zato morajo toplotne črpalke za ogrevanje izpolnjevati visoke zahteve glede učinkovitosti in skupnih stroškov, da bi lahko konkurirale manj zapletenim bojlerjem. Še vedno je izziv »zmagati« v tej konkurenci v korist višje primarne energetske učinkovitosti.

Zakaj toplotne črpalke samo za ogrevanje? Bojler ima vedno nekaj izgub – proizvaja manj kot 100% uporabne toplote iz 100% primarnega energijskega vnosa. Njegovo razmerje primarne energije (RPE) je manj kot 1, kar pomeni neupravičen izgubljen eksergijski potencial. To načelo »kamene dobe« je potrebno nadomestiti s kombinacijo kogeneracijskih enot ali sodobnih kombiniranih ciklovnih elektrarn s toplotnimi črpalkami. Zaradi izkoriščanja okoliške toplote, omenjena razporeditev vodi s 100% vložkom goriva in do 150%, 200% vložkom izkoristka s sodobno opremo. Še več pozitivnih izkoristkov pa se obeta v prihodnosti.

Nadaljevanje članka se bo osredotočilo na razvoj toplotnih črpalk, ki proizvajajo toploto kot svojo glavno korist. Omenjeno bo tudi dodatno izkoriščanje hladilne strani cikla v ustrezni uporabi. Poudarili bomo švicarske prispevke k mednarodnim razvojem in jih postavili v kontekst ustreznih mednarodnih mejnikov v tehnologiji toplotnih črpalk in hladilnih sistemov. Slednji so močno spodbudili razvoj toplotnih črpalk. Toplotne črpalke samo (ali predvsem) za ogrevanje imajo koristi od poceni komponent za klimatizacijo in hladilne sisteme, ki se proizvajajo v ogromnih količinah.

Robert Mayer je leta 1842 ustanovil načelo enakovrednosti med delom in toploto, kar je eksperimentalno dokazal James Prescott leta 1843. Leta 1847 je Hermann von Helmholtz ustanovil načelo ohranjanja energije (1. zakon termodinamike).

Nicolas Léonard Sadi Carnot je leta 1824 prvi vzpostavil natančno razmerje med toploto in delom. Njegov zasebno objavljen članek je ponovno odkril Benoît Paul Emile Clapeyron in ga preoblikoval v sedaj široko uporabljani Carnotov cikel, ki ga je oblikoval Rudolf Julius Emanuel Clausius (profesor na ETH Zurich med leti 1855-1867). Clausius je prvič izrazil osnovne ideje drugega zakona termodinamike in predstavil koncept entropije leta 1850. Leta 1851, neodvisno od Clausiusa, vendar priznavajoč njegovo prednost, je William Thomson, pozneje Lord Kelvin, podal bolj splošno formulo za drugi zakon termodinamike in uvedel termodinamično temperaturno lestvico (1852). Leta 1866 je Ludwig Eduard Boltzmann povezal koncept entropije s konceptom verjetnosti v statistični fiziki. S tem je entropija postala mera ne-reda. Leta 1878 je Josiah Willard Gibbs uvedel vrednost entalpije, Richard Mollier pa jo je vnesel v uporabno termodinamiko do leta 1902. Iz idej, predstavljenih s strani G. Zeugnerja (1859) in Hansa Lorenza (1896), se je rodila ideja o eksergiji, uporabnem maksimalnem delu, ki ga opravi sistem, ki se spreminja iz določenega začetnega stanja v določeno končno stanje, s pomočjo konstantnega vira toplote in ponora. Leta 1870 je Carl von Linde vzpostavil strog termodinamični pristop k tehniki hlajenja. Frederic Swarts je že v 90. letih 19. stoletja izvajal temeljno delo na področju organske fluorokemije.

V tem obdobju so bile toplotne črpalke za ogrevanje spodbujane predvsem zaradi ponovnega stiskanja pare in očitnih prednosti pri varčevanju z lesom in premogom. Kasnejši razvoj je temeljil predvsem na izumih, namenjenih zadovoljevanju ogromne potrebe po hlajenju, zlasti v prehrambeni industriji. Leta 1834 je J. Perkins zgradil prvo praktično napravo za ponovno stiskanje pare za proizvodnjo ledu. Zgrajena je bila le ena naprava. Leta 1855 je A. C. Twining predstavil prvo komercialno napravo za proizvodnjo ledu s pomočjo hladilnega sistema s ponovnim stiskanjem pare. J. Harrison je leta 1856 razvil prvi kompresor, pripravljen za praktično uporabo. Uvedli so se različni hladilni mediji: amoniak za absorpcijske sisteme s strani F. Carréja, za kompresijske sisteme s strani J. Beatha (1868) in D. Boyla (1873), metil eter s strani Ch. Tellierja (1863), ogljikov dioksid s strani Thaddeusa S.C. Lowea (1866) ter žveplov dioksid s strani Švicarja R. Picteta (1874). P. Van der Weyde je že leta 1870 izumil termostatsko nadzorovan hladilni sistem.

Koncentracija in kristalizacija z izparilnim postopkom se uporabljata po vsem svetu v velikem obsegu. V odprtem ciklu ponovnega stiskanja pare se izpušni hlapi takih sistemov stisnejo na višji tlak, da se kondenzirajo in izkoristijo toploto približno 10 K nad vreliščem raztopine soli, kar zagotavlja dober prenos toplote. Ta majhen dvig temperature je seveda optimalen za delovanje toplotne črpalke. COP vrednosti od 15 do 30 so danes že običajne. Zato je bilo ponovno mehansko stiskanje pare realizirano veliko prej, kot toplotne črpalke za ogrevanje prostorov in druge nizkotemperaturne naprave. P. von Rittinger je bil prvi, ki je poskušal uresničiti to idejo na 14 kW pilotni napravi v avstrijskih solinah v Ebenseeju. Poleg nekoliko čudne ideje zaprtega cikla so se pojavile številne težave v postopku. Pilotna naprava nikoli ni uspešno delovala.

Leta 1851 je Francoz F. Carré oblikoval prvi komercialno uspešen sistem absorpcijskega hlajenja z amoniakom. To je bila prva hladilna naprava, ki je dosegla splošno industrijsko pomembnost. Razvoji so bili večinoma empirični – teorija absorpcijske naprave je prišla veliko pozneje, v 1910-ih, pod roko E. Altenkircha.

V tem obdobju so bili funkcionalni modeli pionirjev zamenjani z bolj zanesljivimi in optimiziranimi industrijskimi izdelki na podlagi hitro napredujočega znanstvenega znanja in industrijske proizvodne sposobnosti. Sistemi za hlajenje so se začeli izdelovati v industrijskem merilu. Nemec C. von Linde je bil najpomembnejša oseba, ki je nadgradnje pripeljal do teh sprememb. Bil je nadarjen inženir in podjetnik ter izjemno dober akademski raziskovalec in učitelj. Že leta 1875 je Polytechnic Society iz Münchna opravila prve primerjalne teste hladilnih naprav. Okoli leta 1900 so bili izdelani najpomembnejši izumi. Do leta 1918 je bil amoniak prevladujoči hladilni medij, v ZDA in Evropi pa je bilo veliko proizvajalcev kompresorjev. V Švici so to bili Escher Wyss v Zürichu, Sulzer v Winterthurju in Société Genevoise v Ženevi.

Leta 1878 je Sulzer, eden vodilnih proizvajalcev parnih strojev, začel s proizvodnjo kompresorjev in naprav za hlajenje kot logično razširitev svojih oddelkov »parni motor« in »kompresor«. Sulzer je postal eden najpomembnejših proizvajalcev za Linde. Kompresorji za hlajenje (Slika 1) so bili takrat ogromni in težki. Leta 1878 se je izvoz hladilnih naprav Sulzer začel za podjetje za izdelavo ledu v Bombaju, Indija. Dva Sulzerjeva batna kompresorja sta poganjala dva Sulzerjeva parna stroja s po 37 kW. Prva hladilna naprava v Švici je bila nameščena leta 1879 za pivovarno Hürlimann v Zürichu. Leta 1898 je Sulzer izdelal prvi dvostopenjski amoniakov kompresor, sledil mu je kompresor za hlajenje z močjo 1,45 MW leta 1909 in klimatska naprava za hotel v Buenos Airesu leta 1914. Takrat je bil parni stroj vladajoče sredstvo za pogon kompresorjev.

Leta 1876 je Raoul Pictet izdelal horizontalni, nenamazani kompresor na SO2. Uspešno napravo so izdelovali v Švici, v podjetju »Société Genevoise«, ter v nekaterih drugih državah. Raoul Pictet je prav tako predlagal mešanico SO2 in CO2 kot hladilnim sredstvom. Od leta 1913 je Escher Wyss izdeloval 70 kW kompresor na klorometan pod licenco iz Douane. Švicarski inženir Heinrich Zoelly je bil prvi, ki je predlagal električno gnano toplotno črpalko z zemeljskim virom toplote za proizvodnjo nizkotemperaturne toplote. Leta 1912 je dobil švicarski patent, vendar je bil svoji dobi daleč pred časom.

Verjetno spodbujena z eksperimenti Rittingerja v Ebenseeu, je bila prva dejansko delujoča naprava za ponovno stiskanje pare za pridobivanje soli razvita v Švici s strani P. Piccarda z Univerze v Lausanni in inženirja J.H. Weibela iz Ženeve leta 1876. Leta 1877 je bila ta prva toplotna črpalka v Švici nameščena v solinah v Bexu. Bila je večja od Rittingerjevega prototipa in je neprekinjeno proizvajala približno 175 kg/h soli. Piccardov sistem je doživel velik uspeh. Leta 1881 je bil podoben obrat uresničen v Ebenseeu. Štiri Piccardove sisteme so uporabili v Salies du Salat v Franciji in enega v Schönbecku v Nemčiji. Manjši obrat za ponovno stiskanje pare so uresničili v barvarni Jenny v Aarauu. Ta prva električno gnana naprava za ponovno stiskanje pare na svetu je dosegla COP (koeficient učinkovitosti) 11,7. Napravo je zgradilo švicarsko podjetje Kummler & Matter. Na podlagi spodbudnih rezultatov so v naslednjih letih v Švici zgradili več drugih naprav za ponovno stiskanje pare.

Pravi preboj za kompresorje na amoniak je dosegel C. von Linde. Njegov batni kompresor s horizontalnim dvojnim delujočim cilindrom iz leta 1877 je bil izdelan pod licenco v Evropi in ZDA. Leta 1885 (W.G. Lock, Avstralija → Sulzer) in 1892 (S. Saint Clar, ZDA → York) so bile predstavljeni dvostopenjski kompresorji na amoniak. Leta 1880 je F. Windhausen oblikoval hladilno napravo na CO2, leta 1886 pa operativni kompresor za CO2 hladilno napravo. Metil klorid je bil predstavljen kot hladilno sredstvo leta 1878, kloroetan leta 1883 in etil klorid leta 1884. Načelo vijčnega kompresorja je prvič patentiral H. Krigar leta 1878, vendar proizvodnja le-tega takrat še ni bila mogoča. Načelo sodobnega drsnega krilnega kompresorja sega v začetek 1900-ih, vendar ga do leta 1920 niso mogli praktično uporabiti. Od leta 1911 je W. Carrier resno delal na radialnih turbokompresorjih za klimatske naprave. Načelo kompresorja z valjčkom je bilo patentirano leta 1905 s strani L. Creuxa. Vendar natančna obdelava teh edinstveno oblikovanih delov takrat še ni bila mogoča.

Eden glavnih razlogov za prevlado absorpcijskih sistemov do približno leta 1890 je bila neposredna uporaba pare. Takrat se je elektrika proizvajala s parnimi stroji z zelo nizko učinkovitostjo. Hibridni sistem absorpcije in kompresije je bil že predstavljen leta 1895, načelo cikla difuzije in absorpcije pa je bilo ustanovljeno že leta 1899 s strani H. Gepperta. Prav tako velja omeniti uvedbo plute kot izolacijskega materiala s strani Grünzweiga leta 1880. Okoli leta 1900 se je pojavil lupinski kondenzator. Leta 1902 je Vilter vgrajeval ločevalnik tekočine v sesalno cev, A. Marshall pa je patentiral avtomatski ekspanzijski ventil.

V tem obdobju so se toplotne črpalke za ogrevanje prostorov in pripravo tople sanitarne vode razvijale od redkih prvih prototipov v zanesljivo, učinkovito in - odvisno od individualnih mejnih pogojev - celo ekonomsko izvedljivo ogrevalno napravo. Povečanje hitrosti vrtenja kompresorjev je pripomoglo k zmanjšanju obsega in teže. Po letu 1918 je električni motor postal prva izbira za pogon kompresorjev. Približno leta 1920 je postal priljubljen sinhronski električni motor, neposredno pritrjen na kompresor.

Od leta 1920 je Sulzer razširil proizvodnjo kompresorjev za NH3, CO2 in metil klorid večjega volumna. Od leta 1922 je Sulzer izdeloval tudi kompaktne hladilne naprave. Leta 1927 je Sulzer zgradil največji batni hladilni kompresor na svetu s kapaciteto 9,4 MW. Leta 1937 je sledila še večja različica s 11,6 MW. V zgodnjih 30. letih 20. stoletja je Sulzer predstavil črpalko brez olja »suha lopatka (ang. dry labyrinth piston compressor)«, ki se je najprej uporabljala za stiskanje zraka in po spremembah tudi kot hladilni kompresor od približno leta 1955. Sulzer je začel izdelovati turbokompresorje že leta 1909 in leta 1927 vstopil na trg hladilne tehnike s turbokompresorjem za več stopenj amoniaka s parnim pogonom. Brown Boveri se je osredotočil na turbokompresorje in leta 1926 izdelal amoniakov stroj z močjo 9,3 MW, sledil pa mu je stroj z močjo 17,4 MW leta 1927. Kasneje je BBC uporabljal etil klorid in etil bromid, nato pa CFC. Leta 1935 je bila njihova »Frigobloc«, vodna ali solna ohladilna naprava, opremljena s kompresorji s kapaciteto od 23 kW do 1,4 MW. Pred letom 1940 so potrebovali 5 do 6 koles za radialne turbokompresorje, nato pa 2 do 3. Po letu 1960 so izdelovali vedno več samostojnih kolesnih kompresorjev s perifernimi hitrostmi blizu zvoka. Escher Wyss je leta 1936 izdelal valjčni batni kompresor, imenovan »Rotasco«. Ta vrsta kompresorja je bila izbrana za prvo evropsko toplotno črpalko v Zürichu (Slika 3).

TOPLOTNE ČRPALKE ZA OGREVANJE PROSTOROV IN OGREVANJE SANITARNE TOPLE VODE. Švica je med in po prvi svetovni vojni doživela pomanjkanje oskrbe s gorivom. Po drugi strani pa je dosegla vodilni položaj na področju energetske tehnike in imela velik potencial za širitev hidroelektrične energije. Težave ljudi naredijo ustvarjalne. Resna razprava o možnostih ogrevanja s pomočjo toplotnih črpalk se je začela okoli leta 1918. V svoji obsežni knjigi je Thevenot zapisal: "To je bila Švica, država brez večjih zalog fosilnih goriv, a bogata s hidroelektrično energijo, ki je dala zagon temu načinu ogrevanja..."

Na predvečer in med drugo svetovno vojno je Švica znova doživela hudo pomanjkanje premoga. Ogrevanje s pridobivanjem toplote iz odpadne toplote iz hladilnih ciklov na drsališčih in pivovarnah se je že prakticiralo v 1930-ih. V Švici je bilo med letoma 1938 in 1945 nameščenih 35 toplotnih črpalk za ogrevanje, predvsem s strani dveh izvajalcev, Sulzer in Escher Wyss. Tudi podjetje Brown Boveri v Badnu je aktivno sodelovalo. Glavni viri toplote so bila jezerska voda, rečna voda, podzemna voda in odpadna toplota. Leta 1944, po petih letih uspešnega delovanja toplotnih črpalk, so poročali o zadovoljivih rezultatih. Leta 1955 je bilo v Švici približno 60 toplotnih črpalk; največja med njimi je dosegla 5,86 MW. Zgodovinske toplotne črpalke v Zürichu, skupaj z nekaj drugimi toplotnimi črpalkami za ogrevanje prostorov in industrijske aplikacije, posebej zanimive med letoma 1941 in 1950, so podrobno predstavljene z vsemi sklici v [Zogg 2008]. V tem članku lahko podamo samo nekaj vtisov iz njih: Tabela 1.

Svetovni mejnik je bila namestitev toplotne črpalke leta 1937/38, ki je nadomestila enojne sobne peči na drva v mestni hiši v Zürichu: Slika 2. Da bi preprečili prekomerni hrup in vibracije, je Escher Wyss implementiral svoj patentiran valjčni batni kompresor, imenovan »Rotasco«: Slika 3. Leta 2001, po 63 letih delovanja, je bila zgodovinska toplotna črpalka zamenjana z novo. Od leta 2001 je ta toplotna črpalka, ki je najstarejši še delujoči primer, vsak teden eno uro vključena v delovanje, da jo ohranijo delujočo. Notranje plavalno kopališče mesta Zürich je leta 1941 dobilo 1 MW toplotno črpalko. Uporabljala je odpadno toploto iz iztoka bazena in bližnje transformatorske postaje ter jezerniko vodo kot vir toplote. 5,8 MW toplotna črpalka za ogrevanje objekta Walche ob reki Limmat za sistem ogrevanja univerzitetnega območja je začela delovati leta 1942. Sestavljala sta jo dve 2 MW toplotni črpalki »Thermoblock« podjetja Brown Boveri (BBC) s petstopenjskimi radialnimi kompresorji (Slika 4) in ena 1,86 MW toplotna črpalka podjetja Sulzer s tremi troslojnimi batnimi kompresorji (Slika 5). Prva integracija toplotnih črpalk v omrežje za daljinsko ogrevanje s potrebno dovodno temperaturo 70°C na svetu ni bila enostavna naloga. Leta 1943 je bila nameščena 1,75 MW toplotna črpalka za ogrevanje mestnih upravnih stavb s štirimi dvostopenjskimi kompresorji.

REKOPRESIJA PARE. Pravi začetek mehanske vaporne rekompresije sega v 1920-leta. Po obdobju reševanja težav s pilotno napravo v nemških solinah v Reichenhallu je prva industrijska naprava za mehansko vodno rekompresijo zrasla leta 1926. Zgradilo jo je podjetje Escher Wyss v sodelovanju z Bavarskimi solinami in švicarskim podjetjem Kummler & Matter. Uporabljala je radialni kompresor moči 344 kW. Leta 1941 je Escher Wyss v švicarskih solinah v Riburgu (Rheinsalinen) zgradil napravo za mehansko vodno rekompresijo, ki je omogočala proizvodnjo soli v količini 40.000 ton na leto: Slika 6. Leta 1943 so tudi švicarske soline v Schweizerhalle prešle na proces mehanske vodne rekompresije. Obe napravi sta bili preurejeni in povečani. Danes delujeta največji sistem toplotnih črpalk v Švici v solinah v Riburgu in Schweizerhalle, s skupno močjo izparevanja približno 80 MW.

Escher Wyss je leta 1945 zgradil dva sistema z mehansko vodno kompresijo za švicarsko tovarno sladkorja v Aarbergu. Naprava za koncentracijo sladkorne raztopine je bila poganjana z radialno kompresorsko enoto moči 2,9 MW: Slika 7. Ta prva svetovna kombinacija z večstopenjskim izparilnim sistemom je privedla do odličnega COP, vrednosti 26,8! Druga enota moči 3,3 MW je služila za izparilno kristalizacijo.

CIKLI ABSORPCIJE IN DIFUZIJE. Leta 1944 je Hans Stierlin začel uspešno proizvajati difuzijsko-absorpcijski hladilnik v svojem podjetju SIBIR. Stierlin je pomembno izboljšal učinkovitost Munters-Platen postopka do leta 1967. Vendar je konkurenca s tehniko mehanske vodne kompresije postajala težja, ko so na trg prodrla cenejša, tišja in učinkovitejša hermetična kompresorska enota s sintetičnimi hladilnimi sredstvi.

Leta 1928 so v ZDA prvič sintetizirali klorofluorogljikove hladilne pline. CFC-ji R-11 in R-12 kot nadomestki za amonijak, žveplov dioksid in metil klorid so bili javno predstavljeni leta 1930. To je bil velik korak naprej - vsaj preden so kasneje odkrili okoljske težave. Leta 1936 je bil sintetiziran HFC R-134a. Leta 1919 je H. Corblin patentiral membranski kompresor. Leta 1920 je W.S.E. Rolaff predstavil valjčni rotacijski kompresor s premičnim batom. Prvi hermetični kompresor je izdelal D. Stokes leta 1920, kmalu zatem pa je General Electric začel masovno proizvodnjo za gospodinjske hladilnike. Družina vrtljivih kompresorjev z drsnim bregom, ki se je prej uporabljala za zrak, se je začela uporabljati za hladilne pline leta 1920. Leta 1923 je W. Carrier izdelal prototip radialnega turbo kompresorja za hladilnike. CFC R-11, R-12 in R-113 so še dodatno spodbudili razvoj radialnih kompresorjev. A. Lysholm iz Ljungstroms Angturbin je šele dolgo po poteku prvotnih patentov leta 1934/1935 izdelal prvi vijačni kompresor, pripravljen za stiskanje zraka. V 30. letih prejšnjega stoletja je postal običajen kondenzatorski zagon motorja. Majhna hermetična enota kompresorja je bila dovršena. Leta 1923 je bil izumljen ploščni toplotni izmenjevalec (PHE) s strani R. Seligmana iz Aluminium Plant & Vessel Company (APV), prvi termostatski raztezni ventil pa je razvil E. Diffinger. Leta 1925 je R. Bernat patentiral prvi tip plavajočega ventila za nadzor hladilnega sredstva. Do leta 1927 je T. Carpenter izumil kapilarno cev za nadzor hladilnega sredstva. V poznih 40. letih se je uporaba plute kot termoizolacijskega materiala soočala s konkurenco boljših izolacijskih pen.

V Združenih državah Amerike so prve toplotne črpalke v začetku 30. let 20. stoletja namenjene klimatizaciji. Poleg poletnega hlajenja so ponujale tudi ogrevanje pozimi z nizko učinkovitostjo. Zgodnji razcvet so doživele tudi enote za klimatizacijo prek okenskih klimatskih naprav (leta 1947 je bilo prodanih 43.000 enot). Okoli leta 1945 je R. C. Webber zgradil prvo zemeljsko povezano toplotno črpalko moči 2,2 kW. Uporabil je hladilno sredstvo CFC, ki ga je izparevalo v podzemnih bakrenih ceveh. V Nemčiji so od leta 1947 dalje izdelovali nekaj absorpcijskih toplotnih črpalk.

Leta 1920, dve desetletji po izumu difuzijsko-absorpcijskega cikla, sta C. Munters in B. von Platen uspela uporabiti vodik kot inertni plin namesto zraka. Electrolux je kupil njune patente in začel proizvodnjo absorpcijskega hladilnika leta 1926 - postal je svetovni uspeh. H. Stierlin in A. Lenning sta proces izboljšala med letoma 1967 in 1971. Nekatere namestitve večjih absorpcijskih hladilnih naprav so bile v uporabi že pred letom 1935 v ZDA, Nemčiji in Franciji. Leta 1932 je G. Maiuri predstavil večstopenjski absorpcijski stroj na osnovi amoniaka. Študije Servel in Carrier sta predstavili hladilne stroje na osnovi vode - litij-bromidne absorpcije okoli leta 1940.

1950 in 1960-leta so zaznamovana z nenehnim padanjem cen nafte. To je dramatično upočasnilo vse dejavnosti v zvezi s toplotnimi črpalkami za ogrevanje in s tem povzročilo stagnacijo njihovega razvoja in prodora na trg. Vendar so v toplih podnebjih potrebovali tako hlajenje kot tudi ogrevanje. V teh regijah so toplotne črpalke še naprej uspevale. Sistemi za klimatizacijo so ohranjali znanje o toplotnih črpalkah in ga nadgrajevali.

Z ogromnimi prizadevanji na področju materialoznanstva, dinamike tekočin in natančnosti obdelave je bilo mogoče povečati število vrtljajev lopatic turbo kompresorjev na tangencialno hitrost blizu hitrosti zvoka. Pri radialnih kompresorjih je to omogočilo doseganje enostopenjskega razmerja tlakov 8. V tesnem sodelovanju z ETH Zurich sta Escher Wyss, Sulzer in Brown Boveri (BBC) odigrala pomembno vlogo pri raziskavah in razvoju na tem področju. Leta 1956 je Sulzer izdelal prvi lopastični kompresor z lopaticami brez olja, leta 1958 pa se je v britanskem sistemu za klimatizacijo vgradil prvi visokozmogljivi radialni turbo kompresor. V zgodnjih 70. letih je BBC predstavil prvi komercialni sistem za spletni pregled z imenom »ULMA«.

V tem obdobju ni bilo mogoče doseči razumne donosnosti za običajne toplotne črpalke, dokler ni prišlo do naftne embarga leta 1973. Nove namestitve so bile omejene na posebne primere. Leta 1961 je Escher Wyss izkoristil posebne tarife za električno energijo in zgradil novo 350 kW toplotno črpalko na osnovi amoniaka za bolnišnico v Altdorfu. Dosegla je spoštovan Lorenzov izkoristek 52,3 %. Posel s parno rekompresijo je še vedno uspeval. V 60. in 70. letih je Escher Wyss držal svetovni tržni delež približno 30 %.

V Združenih državah Amerike se je masovna proizvodnja hermetičnih kompresorjev za hladilnike začela 1950 leta. Leta 1958 je bilo mogoče doseči pomemben dvig razmerja tlaka pri vijačnih kompresorjih (Ljungstroms Angturbin → Svenska Rotor Maskiner) s pomočjo vbrizga olja. V poznih 1950-ih so halogenirane ogljikovodike praktično nadomestile vse stare hladilne tekočine, razen amonijaka. V poznih 1960-ih in zgodnjih 1970-ih je računalnik prinesel ogromne spremembe najprej pri izračunih in optimizaciji, nato pa pri nadzoru. Na trgu se je razvijal ogromen segment majhnih klimatskih naprav za stanovanjske hiše in avtomobilsko hlajenje v ZDA in na Japonskem. V ZDA so bile namestitve toplotnih črpalk, ki so uporabljale podzemno vodo kot vir toplote, uresničene okoli leta 1952, uvedli so tudi toplotne črpalke, ki jih poganjajo motorji z notranjim zgorevanjem. Japonska je povečevala svoje namestitve klimatskih naprav in bila zainteresirana tudi za večje enote, ki so zagotavljale hlajenje in ogrevanje. Klimatske naprave iz ZDA in Japonske, ki so se uporabljale vse leto, niso bile zelo sprejete v osrednji Evropi (neprijeten pretok zraka in hrup, zmerna učinkovitost, večinoma pomanjkanje avtomatskega odtaljevanja). V Franciji in Nemčiji so bile toplotne črpalke uporabljene le občasno, predvsem za sočasno izkoriščanje hladu in toplote. Leta 1969 je bila v Nemčiji uresničena prva toplotna črpalka s povezavo na zemljo. V poslu z vodno-parno rekompresijo je bilo takrat še vedno veliko aktivnosti.

Leta 1973 je bilo označeno kot eno najpomembnejših prelomnic v zgodovini dvajsetega stoletja. Arabski člani Organizacije držav izvoznic nafte (OPEC) so se odločili zmanjšati izvoz nafte v zahodne države. Ta naftni embargo je imel uničujoč vpliv na nacionalna gospodarstva, povzročil je globalno recesijo in visoko inflacijo. Do konca embarga marca 1974 so se cene nafte dvignile za več kot 300 odstotkov. To je bilo obdobje, ko so alternativne energije in racionalna raba energije postale visoka javna prioriteta. Ustanovljena je bila Mednarodna agencija za energijo (IEA), ki je prepoznala pomen toplotnih črpalk. Ta trend je bil pospešen z drugo naftno krizo leta 1979 in poudarjen leta 1980, ko je izbruhnila vojna med Iranom in Irakom. Alternativne energije so postale bolj priljubljene. Pojavljalo se je veliko optimizma glede nadomeščanja fosilnih goriv z jedrsko energijo. Oba trenda sta bila naklonjena ogrevanju s pomočjo toplotnih črpalk. Vendar je hitra rast posla s toplotnimi črpalkami prinesla preveč konkurentov, ki niso imeli dovolj znanja. To in naslednji padec cen nafte po letu 1981 sta bila razloga za propad evropskega trga do konca 1980-ih. Po celem svetu je bilo leta 1979 ocenjenih približno 800.000 toplotnih črpalk brez in 4 milijone z obrnljivimi klimatskimi napravami. Vendar pa se toplotne črpalke za ogrevanje prostorov v Nemčiji, Avstriji in Franciji pred drugo naftno krizo niso širile veliko.

TOPLOTNE ČRPALKE. Toplotne črpalke so po več kot dveh desetletjih stagnacije doživele ponovno rojstvo s prelomom leta 1973 zaradi naftnega embarga. Takrat se je začel razvoj druge generacije toplotnih črpalk za centralne sisteme ogrevanja sanitarne vode za stanovanja in dvojčke. Pomanjkanje primernih majhnih (10–50 kW) sistemov toplotnih črpalk s toploto iz zraka ali zemlje je spodbudilo več pionirjev k razvoju ustreznih naprav za ta obseg opreme (Slika 8). Večinoma so to bili izkušeni tehniki s področja hlajenja, klimatizacije in električnih služb. Ti pionirji so toplotne črpalke proizvajali v majhnih podjetjih. Vsi so uporabljali hladilno sredstvo R-12 in pozneje R-22, hermetične batne kompresorje in druge komponente za hlajenje z vsega sveta. Leta 1978 je bil najpogostejši vir toplote kombinacija horizontalnih izmenjevalnikov toplote zemlje z nezastekljenimi sončnimi kolektorji na strehi. Kot viri toplote so bili uporabljeni tudi obdelani in neobdelani odpadki, jezerska in rečna voda. Sezonski koeficient učinkovitosti majhnih enot (10–50 kW) je bil le približno 1,9 do 2,3 pri zraku kot viru toplote in ne veliko višji pri uporabi horizontalnih izmenjevalnikov toplote zemlje. Prvi val je končal s poslabšanjem ugleda zaradi velikega števila nepoučenih konkurentov.

Tretja generacija majhnih toplotnih črpalk po letu 1979/1980 je bila manj obsežna in z manj vsebnosti hladilnega sredstva. Viri toplote so tekmovali s termoaktivnimi gradbenimi elementi z vgrajenimi cevnimi sistemi. Trg majhnih toplotnih črpalk je potreboval nekaj samočiščenja in usklajenih spremljajočih ukrepov za zagotavljanje kakovosti, preden je bil in postal uspešen ponovni zagon z usposobljenimi dobavitelji do konca 1980-ih.

V srednjem obsegu (50–1000 kW) so bile aktivne tri družbe. Hoval Herzog, ki je gradil toplotne črpalke na osnovi vodnih hladilnikov Carrier, je že leta 1975 uresničil 620 kW toplotno črpalko s toploto iz odplak čistilne naprave. Autofrigor / Scheco je spodbujal rešitve za sočasno uporabo toplote in hlajenja, kjer je bilo mogoče, in igral pomembno vlogo pri zamenjavi CFC. Sulzer-Escher-Wyss je prav tako gradil naprave v tem obsegu. V 1980-ih so se pojavile toplotne črpalke na plinskih motorjih in dizelskih motorjih z ogrevalno močjo od 200 kW do 1.000 kW. Vendar so se stroški vzdrževanja izkazali za previsoke.

Na podlagi desetletij izkušenj in znanja je Sulzer-Escher-Wyss vzpostavil vodilni položaj v velikem segmentu toplotnih črpalk (> 1 MW). Eden od prvih uresničitev sodobnega koncepta kombinacije električnih toplotnih črpalk z enotami za sočasno proizvodnjo energije je bil celoviti energetski sistem, ki ga je Sulzer-Escher-Wyss zgradil leta 1984 na železniški postaji v Luzernu. Štiri enote toplotnih črpalk s toplotno močjo po 440 kW vsaka (Slika 9) in voda iz jezera Lucerne kot vir toplote so poganjale tri enote za sočasno proizvodnjo električne energije na plin z močjo po 374 kW vsaka. Poleti so lahko toplotne črpalke delulovale tudi kot hlajenje. Sistem se je optimalno upravljal s pomočjo računalniškega sistema, ki je upošteval takratno potrebo po toploti in takratne tarife za električno energijo. Po zamenjavi R-12 z amonijakom leta 1990 je bila celotna toplotna moč povečana na 7,2 MW, pri čemer je bilo razmerje primarne energije približno 2.

V letu 1979 je inženirski svetovalec Ludwig Silberring na podlagi predloga Luciena Borela zasnoval prelomno 23 MW energetsko napravo za ogrevanje Švicarskega zveznega inštituta za tehnologijo v Lozani (EPFL). Realizirala jo je združena družba Sulzer-Escher-Wyss (slika 10). Sestavljajo jo dve plinski turbini s 3 MW elektrike in 5,7 MW toplote vsaka. Dve enaki električno gnani toplotni črpalki na osnovi amonijaka s posnemalnikom imata oljno vbrizgane vijačne kompresorje. Toplotni črpalki s toplotno močjo vsaka 3,9 MW uporabljata amonijak kot delovno sredstvo in vodo iz Ženevskega jezera kot vir toplote. S skupno toplotno močjo 7,8 MW je ta zaprta naprava za toplotno črpalko postala doslej največja v Švici. Po zagonu leta 1986 je bilo razmerje med primarno energijo (PER) 1,7. Ker ima Švica le zelo omejene sisteme daljinskega ogrevanja, so morale res velike toplotne črpalke biti izvožene. Sulzer-Escher-Wyss je leta 1984/1985 v Stockholmu namestil največjo toplotno črpalko s slano vodo na svetu s toplotno močjo 180 MW, s šestimi 30 MW enotami (slika 11). V Alžiriji je Brown Boveri - Sulzer namestil stroje s približno 80 MW na eni gredi.

PIONIRJI VERTIKALNIH IZMENJLJALCEV TOPLOTE IZ PODZEMNE VODE. Švicarji so dali pomemben zagon tej tehnologiji - ki je bila do približno leta 1980 zgolj v povojih. Jürg Rechsteiner (Multi-Energie, Aadorf) je bil švicarski pionir pri zamenjavi vodoravnih izmenjevalcev toplote v tleh z vertikalnimi izmenjevalci toplote v vrtini. Že leta 1974 je Rechsteiner prvič zabijal svoje koaksialne jeklene sonde v peščeno zemljo v Lustenau (Avstrija). Med letoma 1974 in 1980 mu je sledilo več drugih. Gre za drago prvo poskusno obdobje, kjer so pogoste iztekle med 2,5 metra dolgimi sondami uničile ugled vertikalnih izmenjevalcev toplote v vrtini. Zato je Rechsteiner razvil prve sonde z dvojnimi U-tubami iz polietilena. Svojo inovacijo je predstavil Ernstu Rohnerju iz podjetja za hidravlično vrtanje Grundag. Kmalu zatem je Rechsteiner uredil začetne preizkuse s plastičnimi sondami U-tube. Leta 1980 je bila v Arbonu izvedena prva namestitev za stanovanje. Rechsteinerjevo inovacijo so nato kopirali v tisočih namestitvah tako v Švici kot tudi v tujini. Druga podjetja za vrtanje so sledila Grundagu (KWT 1987, Frutiger 1987, HASTAG 2001, naslednik Grundaga). Globina vrtin je leta 1980 znašala 50 metrov, do leta 1985 pa se je dvignila na več kot 100 metrov.

PIONIRJI IZKORIŠČANJA TOPLINE IZ SUROVEGA KANALIZACIJSKEGA ODPADKA. Heinz Grimm je bil prvi, ki je uporabljal surovo kanalizacijsko odpadno vodo kot vir toplote. Toda težave s trdnimi delci niso bile rešene, dokler Felix Kalberer ni našel rešitve v ločevanju trdih delcev s sedimentacijo in presejanjem okoli leta 1980. Od takrat je bilo realiziranih več kot 180 namestitev, njegov »EKA-tank« pa je bil neprestano izboljševan.

KONTROLA KAKOVOSTI ZA MAJHNE TOPLOTNE ČRPAKE. Lucien Borel z EPFL je okoli leta 1980 zgradil preizkuševališče toplotnih črpalk za komercialne toplotne črpalke. Sistematični dolgoročni preizkusi na terenu celotnih majhnih sistemov za ogrevanje prostora s toplotnimi črpalkami so bili prvič predstavljeni s strani Petra Hubacherja (Enfog v Gossau) s svojim kolegom Brunom Dürrjem in znanstvenim svetovalcem Maxom Ehrbarjem iz Univerze za uporabno znanost v Buchsu leta 1981. Medtem ko so toplotne črpalke že imele razumne vrednosti učinkovitosti (COP), je bila učinkovitost celotnih sistemov toplotnih črpalk še vedno precej slaba.

ZNANSTVENA POMOČ. Bilo je več pomembnih znanstvenih pomoči, financiranih s strani vlade. Osnovni principi in temelji toplotnih črpalk so bili raziskani s strani Švicarskega zveznega inštituta za raziskave reaktorjev v začetku 1980-ih. Hkrati so bile izdelane smernice in največje vrednosti za izkoriščanje toplote iz rek in jezer v Švici, da se prepreči škoda na občutljivih ekosistemih, s strani Dieterja Imbodna z EAWAG v Dübendorfu. Celovita raziskava je bila izvedena o obnašanju in oblikovanju izmenjevalcev toplote iz vertikalnih vrtin, ki sta jo izvedla Robert J. Hopkirk iz Polydynamics in kasneje Ladislaus Rybach iz ETH Zurich in njegovi sodelavci (zlasti Walter J. Eugster), predvsem pod vplivom Ernsta Rohnerja st. Teoretične in eksperimentalne raziskave teh posameznikov skupaj s praktičnimi izkušnjami pionirjev vrtanja in toplotnih črpalk so privedle do pomembnih mednarodnih prispevkov in do vodilnega položaja Švice pri načrtovanju in uresničevanju izmenjevalcev toplote iz vertikalnih vrtin kot vira toplote ali kot vira hladilne in toplotne energije ter za pasivno klimatizacijo. Za prenos znanja in izkušenj so bile organizirane letne konference.

PODPORA UKREPOV Z DRUŠTVI IN POLITIKO. Od leta 1980 se Švicarski delovni odbor proizvajalcev in distributerjev toplotnih črpalk AWP ukvarja s poenotenjem in poenostavitvijo postopkov odobritve, skupnih smernic načrtovanja, izmenjavo izkušenj in strokovnim usposabljanjem. Švicarski zvezni urad za energijo je podpiral raziskovalne dejavnosti in deloval kot katalizator za društva in kantone. Sredi 1980-ih je prišlo do preboja v medijski prisotnosti toplotnih črpalk.

Zaradi visoko natančne tehnologije računalniško vodenega frezanja je v 1980-ih postala možna industrijska proizvodnja valjčnih in vijačnih kompresorjev. Za zelo velike zmogljivosti je na sceno hlajenja vstopil tudi aksialni kompresor. Leta 1974 sta S. Rowland in M. Molina sumila, da bi lahko sproščeni klor napadel ozonsko plast. Strah je postal dejstvo leta 1978. Leta 1985 je bila odkrita »ozonska luknja« nad Antarktiko. Kot rezultat Torontskega protokola (1984) in Montrealskega protokola (1987) s strogimi dogovori o izločitvi so bili uvedeni svetovni nujni programi in renesansa amonijaka kot hladilnega sredstva. V štirih letih je bil razvit hladilni plin R-134a. Na žalost so HFC-ji tudi vztrajne snovi, njihov učinek segrevanja pa je zelo visok. Posledično so bili še posebej v Evropi pritisnjeni na hidrokarbone, kot sta propan in izobuten, medtem ko ta alternativa ni bila dobro sprejeta v ZDA in Japonskem zaradi strahu pred pravnimi posledicami v primeru nesreč.

Ploščni izmenjevalnik toplote je dokončno vstopil v področje hlajenja in toplotnih črpalk v 1970-ih. Za sintetična hladilna sredstva so bila tesnila iz elastomera nadomeščena s spajkanimi povezavami iz bakra v 1980-ih. Šivi, zvarjeni z laserjem, so bili predstavljeni v 1990-ih. Določujoč mejnik iz 1980-ih je bila uvedba mikroprocesorja. Z boljšimi kontrolnimi strategijami je bilo mogoče uporabiti veliko več senzorjev. Carrier je že leta 1989 predstavil mikroprocesorsko krmiljen elektronski ekspanzijski ventil.

Leta 1980, šest let po Jürgu Rechsteinerju v Švici, so v Nemčiji prvič namestili koaksialne vertikalne izmenjevalce toplote v vrtini. Med letoma 1981 in 1983 sta Volkswagen in Ruhrgas razvila »Thermodiesel« toplotno črpalko, ki jo je poganjal 1,6-litrski dizelski avtomobilski motor. Vendar so bili stroški vzdrževanja previsoki, življenjska doba motorja pa prekratka.

Med letoma 1980 in 1985 je bila v Karlsruhe ustanovljena testna ustanova za toplotne črpalke. Od leta 1982 se je v Skandinavskih državah pojavil velik porast povpraševanja po velikih toplotnih črpalkah. Temeljne prispevke k termični analizi vertikalnih izmenjevalcev toplote v vrtini je prispeval P. Eskilson z Univerze v Lundu. Leta 1989 je Nordijski svet ministrov uvedel prostovoljni in nevtralni program certificiranja za toplotne črpalke. V Združenih državah Amerike se je začela hitra rast samostojnih toplotnih črpalk. Do leta 1976 je bilo v uporabi že 1,6 milijona enot.

V 80-ih letih prejšnjega stoletja je bilo veliko poskusov razvoja absorpcijskih toplotnih črpalk s toplotnimi močmi pod 50 kW. Glede na kompleksnost absorpcijskega procesa so dosegli PER vrednosti od 1,15 do 1,4. Razmerje med stroški in koristmi ni bilo navdihujoče in dodatne težave s črpalkami za raztopino niso prepričale trga. Drugačna situacija je bila pri velikih absorpcijskih hladilnikih. Japonska podjetja so nadaljevala s popolnitvijo svojih dvoučinkovitih absorpcijskih hladilnikov. Zaradi davčnih spodbud so ti razvoji uživali na trgu. Zgrajeni so bili veliki vodno-litij-bromidni aparati z učinki hlajenja do 1,2 in kapacitetami do 31,6 MW.

Danes so na voljo cenejše, bolj učinkovite in zanesljivejše toplotne črpalke. Naraščajoči okoljski problemi so naredili idejo o varčevanju s primarno energijo s pomočjo ogrevanja s toplotnimi črpalkami vse bolj priljubljeno. Te argumente so okrepila nacionalna in mednarodna prizadevanja na področju raziskav in razvoja ter nadzora kakovosti. V nekaterih državah so obstajali tudi dodatni finančni vzpodbujevalni ukrepi. Cikli stisnjenega hlajenja so že v letih pred tem postali zrela tehnika. Vendar je nujna sprememba hladilnega sredstva predstavljala izziv. Razvoj se je osredotočil na inovacije komponent, optimizacijo sistemov in cenejšo masovno proizvodnjo. To je bilo močno podprto z impresivnim napredkom na področju informacijske tehnologije. Danes obstaja trend k naravnim hladilnim sredstvom, predvsem amoniaku, ter k višjim učinkovitostim zaradi talnega ogrevanja pri nizkih temperaturah. Energetski pogodbeniki prevzemajo tveganje od strank in le-te postajajo zelo priljubljeni.

Po premagovanju učinka »enkrat opečenega« se je od leta 1990 začel dokončen vzlet tehnologije toplotnih črpalk za ogrevanje. To so povzročili tehnični razlogi, kot so večja zanesljivost, tišji kompresorji z večjo učinkovitostjo in napredni mikroprocesorski nadzor. Toda manj predsodkov zaradi širšega razumevanja prednosti tehnologije toplotnih črpalk, bolje izobraženi načrtovalci, bolj usposobljeni izvajalci, oznake kakovosti in nazadnje, a ne najmanj pomembno, padajoče cene (za faktor 2 v 25 letih) so bile prav tako odločilne. Po letu 1998 se je vzlet toplotnih črpalk pospešil, tako da danes zasedajo tržni delež 75 % za ogrevanje prostora in pripravo tople sanitarne vode v novih stanovanjih. Toplotne črpalke se počasi začenjajo širiti tudi na trg obnov. V zadnjih 15 letih se je povprečni COP testiranih toplotnih črpalk zrak (2°C) / voda (35°C) (2,5-30 kW) povečal za 30 %, od 2,6 na 3,4, in COP toplotnih črpalk brina (0°C) / voda (35°C) (5-80 kW) se je povečal za 17 %, od 3,8 na 4,45. Po standardnem odštevanju energije za črpanje, ki se uporablja za kroženje »brine« v vertikalnem izmenjevalniku toplote v vrtini, vrednosti za sisteme brina/voda znašajo od 3,5 do 4,1. Trenutno se vertikalni izmenjevalniki toplote v vrtini gradijo do največje dolžine 350 m. Najpogostejša globina vrtin se giblje od 150 m (pomembno pasivno poletno hlajenje) do 250 m (le ogrevanje). Največje področje vertikalnih izmenjevalnikov toplote v vrtini je bilo uresničeno leta 2005 za Dolder Hotel Zurich z 72 sondami (slika 12). Ker obstaja veliko poletnega hlajenja, deluje slednja kot geotermalno shranjevanje toplote.

Poleg namestitve toplotnih črpalk za stanovanjske hiše in sušilnike perila z uporabo toplotnih črpalk je bilo v tem obdobju zgrajenih veliko inovativnih večjih sistemov toplotnih črpalk. Med njimi so toplotne črpalke, ki uporabljajo nekonvencionalne vire toplote, kot so odvodna voda iz novih železniških predorov skozi Alpe, nizkotemperaturna mestna omrežja brez toplotne izolacije, oskrbovana s prečiščeno vodo iz čistilnih naprav, surovo komunalno odpadno vodo in gorska jezera. Prav tako so bile uresničene številne kombinacije soproizvodnje z enotami toplotnih črp. Podjetje Friotherm je izvozilo več velikih turbo toplotnih črp z močjo ogrevanja do 90 MW in močjo hlajenja do 60 MW. Te namestitve so predstavljene v [Zogg 2008]. Z »nič-energijskim« stanovanjskim območjem Eulachhof v Winterthurju z 132 stanovanji je postala resničnost leta 2006/2007. Zgradbe s toplotno izolacijo debeline 38 cm bistveno presegajo švicarski standard za pasivne hiše. 1.240 m2 fotovoltaičnih panelov s 176 kWp zagotavlja vso potrebno električno energijo za dve toplotni črpalke in ventilatorje za nadzorovano prezračevanje na letni ravni. Oprema za pridobivanje toplote iz nadzorovanega prezračevanja je vir toplote visoko učinkovite toplotne črpalke za ogrevanje prostora s temperaturo oskrbe pod 30 °C. Vir toplote druge toplotne črpalke za sanitarno vodo je toplota, pridobljena iz surove komunalne odpadne vode z uporabo sistema FEKA, kot je omenjeno v 6.1 (Slika 13). Rezervno ogrevanje prostora, ki predstavlja približno 8,5 % skupne potrebne toplote, zagotavlja sistem ogrevanja iz odpadkov iz mestnih kurilnic. To ustreza približno energijski vsebnosti trdnih odpadkov, ki jih oddajo prebivalci.

ZNANSTVENA POMOČ. V tem obdobju so bile švicarske raziskovalne in pilotske dejavnosti usmerjene v znanstveno in tehnološko pomoč. Poleg najvišje prednostne naloge razvoja toplotnih črpalk za prenovo, ki bi pokrivale celotno potrebno toploto za ogrevanje prostora in sanitarne vode za stanovanja pri zraku (-12°C) / voda (60°C) s visoko učinkovitostjo, so bili s federalnim financiranjem obravnavane naslednje teme (podrobno opisane v [Zogg 2008]):

• Priročniki za boljše namestitve toplotnih črpalk
• Smernice za standardizirane hidravlične sheme
• Povečanje izkoristka toplotnih črpalk zrak/voda z optimiziranim odmrzovanjem in zemeljskimi registri
• Tihe toplotne črpalke zrak/voda
• Modeliranje in okoljski vpliv vertikalnih izmenjevalnikov toplote v vrtini
• Kombinirano hlajenje, hlajenje in ogrevanje s shranjevanjem toplote iz zemlje
• Okoljske koristi naravnih hladilnih sredstev in praktični zaključki
• Prehod toplote s hladilniki HFC in naravnimi hladilnimi sredstvi
• Toplotne črpalke z amonijakom za stanovanja in majhne polhermetične brezoljne CO2 kompresorje
• Majhna difuzijska absorpcijska toplotna črpalka brez črpalke za raztopino
• Neobičajne toplotne črpalke (Stirlingov motor s Stirlingovo toplotno črpalko, magnetna)
•  Upravljanje širine impulza in napredne metode odkrivanja in diagnoze napak
•  Dinamično testiranje toplotnih črpalk in testiranje z integriranim ogrevanjem sanitarne vode

POMOČ S STRANI ZDRUŽENJ IN POLITIKE. Politični odgovor na 10-letni moratorijum na jedrsko energijo, ki so ga leta 1990 odločili švicarski volivci, se je pojavil v obliki akcijskih načrtov »Energy 2000« in »SwissEnergy«. S tem, ko so toplotne črpalke uvrstili v sekcijo obnovljive energije, so bile toplotne črpalke tako v dvojnem pomenu promovirane: zmanjšanje izpustov CO2 in povečanje deleža obnovljivih virov energije. Leta 1993 je bila ustanovljena Švicarska skupina za promocijo toplotnih črpalk (FWS), ki jo sestavljajo zvezna vlada, kantoni ter pomembna zasebna združenja električnih podjetij, pomembni proizvajalci, distributerji in instalaterji. Njihov glavni cilj je spodbujanje učinkovitih sistemov ogrevanja s toplotnimi črpalkami visoke kakovosti, ki so dostopni po ugodnih cenah.

UPRAVLJANJE KAKOVOSTI. Obstajala je očitna potreba po neodvisnem testiranju toplotnih črpalk, ki so jo spodbujali ponudniki storitev, politični akterji in proizvajalci s premišljenim razmišljanjem. Leta 1993 je bilo ustanovljeno Švicarsko testno in usposabljalno središče za toplotne črpalke, da bi preizkusilo toplotne črpalke zrak/voda (z celotnim ciklom odmrzovanja), voda/voda in pozneje tudi toplotne črpalke zrak/zrak v skladu z evropskim standardom EN 255, ki ga je leta 2004 zamenjal standard EN 14511. Skupno je bilo do leta 2007 preizkušenih 118 toplotnih črpalk zrak/voda, 200 toplotnih črpalk zrak/voda in 122 komercialnih toplotnih črpalk voda/voda. Rezultate testov si lahko javnost prenese s spleta na naslovu www.wpz.ch. Da bi potrošniku olajšali izbiro učinkovite in kakovostne toplotne črpalke od dobavitelja z močno podporo po prodaji, je bila leta 1998 uvedena oznaka kakovosti DACH za toplotne črpalke v Nemčiji (D), Avstriji (A) in Švici (CH). Pogajanja za uvedbo oznake DACH na evropski ravni trenutno potekajo v okviru Evropskega združenja za toplotne črpalke EHPA. Oznaka DACH za vertikalne izmenjevalnike toplote v vrtini ocenjuje in označuje družbe za vrtanje. Pomemben cilj je preprečevanje onesnaženja podzemne vode. Visokokakovostna toplotna črpalka je ena stvar - visoko učinkovit celotni sistem toplotne črpalke pa druga. Zato je švicarski Urad za energijo leta 1995 začel celovito testiranje celotnih sistemov toplotnih črpalk (FAWA), da bi analizirali in rešili težave s sistemi. Skupaj je bilo doslej izmerjenih in analiziranih 236 sistemov toplotnih črpalk v moči ogrevanja do 20 kW. Razredni zmagovalci so dosegli sezonski koeficient zmogljivosti 3,1 za sisteme zrak/voda (s maksimalnim 3,4) in 5,0 za sisteme zemeljski izmenjevalec toplote/voda (s maksimalnim 5,6). Še ena pomembna stebriček nadzora kakovosti je ustrezno usposabljanje instalaterjev. Nazadnje je bil uveden "zdravnik toplotnih črpalk". Poklicati ga je mogoče, če bi se med stranko in instalaterjem pojavil kakršenkoli problem.

V Švici se vse običajne soli in sladkorji proizvajajo s pomočjo kompresorjev s kondenzacijsko paro. Destilacijske naprave, ki uporabljajo tehnologijo Escher Wyss, so bile po vsem svetu zgrajene več kot 80 let pod naslednjimi imeni podjetij:

• 1924 – 1981 Escher Wyss
• 1981 – 1991 Sulzer-Escher Wyss
• 1992 – 1996 Sulzer Chemtech
• 1996 – 1999 CT Environment
• 1999 – 2000 VA TECH WABAG
• 2001 – 2004 Messo
• od leta 2004 GEA Messo

Tehnologija Escher Wyss je nadaljevana tudi s strani inženirskega podjetja EVATHERM v Othmarsingnu, Švica. Destilacija velja za eno največjih porabnikov energije. Divizija »Chemtech« podjetja Sulzer je predstavila prvo destilacijsko napravo s kondenzacijsko paro na svetu in opravila veliko pionirskega dela. Po vsem svetu so bile zgrajene velike naprave.

Od začetka 1990-ih so hermetični spiralni kompresorji postajali vse bolj običajni za manjše toplotne črpalke. Učinkovitost malih kompresorjev je bila znatno izboljšana. Po vsem svetu so se začeli novi razvoji za kompresorje CO2. V prihodnosti bodo novi trajno magnetni električni motorji prinesli dodatne izboljšave učinkovitosti. Na začetku 1990-ih je postal ploščni izmenjevalec toplote dokončno običajen tip izmenjevalca toplote in privedel do nižjih volumnov hladilnikov, nižjih temperaturnih razlik in prihranka prostora za toplotne črpalke. Mikroprocesorji so omogočili uporabo bolj sofisticiranih kontrolnih strategij z več senzorji in popolnoma avtomatskim delovanjem. Kmalu zatem se je začela doba oddaljenega spremljanja in nadzora, kar je povečalo zanesljivost in učinkovitost ter zmanjšalo stroške vzdrževanja. Nove metode diagnosticiranja omogočajo, da se lahko obdobja rednih servisnih posegov omejijo na ciljno usmerjeno vzdrževanje, ko je to resnično potrebno.

Vprašanja hladilnih sredstev so bila določena s izzivi pri odzivanju na okoljske skrbi. Leta 1992 je bil Montrealski protokol popravljen, da bi napredovali s fazo izločanja CFC do konca leta 1995, pri čemer bi se HCFC izločil v fazah do leta 2030. V mnogih državah je bila faza izločanja HCFC načrtovana veliko prej (npr. Nemčija do leta 2000, Avstrija in Švica do leta 2002). Po vsem svetu so študirali okoljsko pomembnost in značilnosti prenosa toplote naravnih in HFC hladilnih sredstev. Nova HFC hladila delujejo dobro, vendar zaradi njihovega preostalega globalnega segrevanja in obstojnih produktov razpada še vedno veljajo za predmet mednarodnih pregledov in jih lahko v prihodnosti odstranijo. Naravna hladilna sredstva bi lahko bila končna rešitev. Primarni kandidati so amoniak, ogljikov dioksid in ogljikovodiki. Amoniak se široko uporablja v velikih hladilnih napravah, čeprav je strupen in vnetljiv. Ogljikov dioksid zahteva transcriticalni cikel, kar zmanjša njegovo učinkovitost pri večini aplikacij za ogrevanje prostora. Propan deluje zelo dobro, vendar je vnetljiv in zato velja za nevarnost za varnost, še posebej v ZDA in na Japonskem. Smernice za cikle kondenzacijske pare z naravnimi hladilnimi sredstvi so bile oblikovane v okviru priloge 22 programa IEA Heat Pump. Nov poskus za uporabo naravnih hladilnih sredstev je bil narejen v Evropi s projektom SHERHPA (Trajnostno raziskovanje toplote in energije za aplikacije toplotnih črpalk).

Od leta 1990 se je v Evropi začel nepreklicen vzpon toplotnih črpalk samo za ogrevanje. Zemeljske toplotne črpalke so postale bolj priljubljene, zlasti v Avstriji, Kanadi, Nemčiji, Švedski, Švici in Združenih državah Amerike. Na voljo je več osebnih računalniških programov za natančnejše načrtovanje enojnih in polj vertikalnih izmenjevalnikov toplote v vrtini. V Avstriji so neposredni izmenjevalni sistemi z zemeljskim tuljavom precej uspešni – v Vidi obstaja uradna preskusna institucija. Leta 2001 je K. Mittermayr predstavil vertikalni izmenjevalec toplote v vrtini, ki deluje z izparevanjem CO2. Od leta 1997 se je v sodelovanju z Avstrijo in Švico znanje o načrtovanju toplotnih črpalk s povezavo na zemljo osredotočilo v nemških smernicah VDI 4640. Leta 1993 je Stiebel Eltron predstavil svojo prvo toplotno črpalko na propan. Podjetje je razvilo toplotno črpalko z integriranim vračanjem toplote iz izpuha in integriranim grelnim rezervoarjem, zlasti za hiše z nizko porabo energije s kontrolirano prezračevanje. Leta 2006 je Stiebel Eltron zgradil največjo tovarno za proizvodnjo toplotnih črpalk v Evropi s kapaciteto 25.000 toplotnih črpalk na leto. AEG je komercializiral prve sušilnike perila s toplotno črpalko leta 1998. V Švedski, na Tehniškem inštitutu Lund, je matematično modeliranje vertikalnih izmenjevalnikov toplote v vrtini, ki ga je začel P. Eskilson, razširjeno v prebojno termalno analizo sistemov za shranjevanje toplote v zemlji G. Hellströma. Na Švedskem in Norveškem so zgradili veliko sistemov toplotnih črpalk. Dansko podjetje Sabroe je leta 1990 predstavilo kompresor za toplotne črpalke visoke temperature z amonijakom. Leta 1997 je Sabroe kupilo divizijo za hlajenje ABB (prejšnji BBC).

Majhna difuzijska absorpcijska toplotna črpalka DAWP švicarskega izumitelja Hansa Stierlina je bila dodatno preizkušena v Nemčiji s strani podjetja Buderus leta 1994. Leta 1997 se je projekt nadaljeval pri nizozemski podružnici Nefit Fasto. Sledile so obsežne terenske preizkuse z dodatnimi plinskimi kotli za bivalentno delovanje. Leta 2000 je Nefitov prototip (sedaj »Buderus Loganova«) prejel nagrado nemških plinskih podjetij. Kljub temu ni še komercialno dostopen. Leta 1999 je obstajal samo en proizvajalec enotnih absorpcijskih klimatskih naprav in toplotnih črpalk v Združenih državah Amerike. Kljub drugim obsežnim raziskovalnim dejavnostim na področju absorpcijskih toplotnih črpalk po vsem svetu, se absorpcijske toplotne črpalke še niso uveljavile na trgu ogrevanja prostora in pri pripravi tople sanitarne vode.

Bilo je veliko raziskav na področju adsorpcijskih naprav, vendar so bile uresničene le nekatere sončne termalne aplikacije. Termoelektrični učinek z nizko učinkovitostjo je našel le nekaj zelo posebnih uporab, kot so termoelektrično hlajenje v medicini in radijski elektroniki. Stirlingov cikel je bil uspešen le pri hlajenju pri aplikacijah z zelo nizkimi temperaturami, na primer pri hlajenju plinov. Zaradi »gigantskega učinka« pri skoraj sobni temperaturi, ki sta ga dokazala K. A. Gschneidner mlajši in V. K. Pecharsky na Univerzi v Iowi, se je vizija toplotnih črpalk, ki temeljijo na magnetokaloričnem učinku, po celem svetu ponovno obudila. V Švici je v izdelavi funkcionalni model za dvig temperature za 35 K. Vrtinčni učinek ali učinek vrtinčenja se je pojavil z vzdolžnim vpihom zraka v valjasto cev ter povzročil vrtinčasto razširitev z istočasnim nastankom toplega zraka in hladnega zraka. Vendar pa je učinkovitost tega postopka zelo nizka.

Zahvaljujemo se Švicarskemu zveznemu uradu za energijo za podporo ter spodbudo, informacije in nasvete mnogih posameznikov, navedenih v [Zogg 2008].

Zogg M. 2008. "Zgodovina toplotnih črpalk - švicarski prispevki in mednarodni mejniki", končno poročilo, Švicarski zvezni urad za energijo, Bern; z 285 sklici, dostopno na www.zogg-engineering.ch/publi/HistoryHP.pdf.