Tepelné čerpadlo pro vytápění domu: princip činnosti, odrůdy a použití
Ve zhoršující se ekologické situaci ve světě a (což je důležitější pro průměrného spotřebitele) rychlého zvyšování sazeb za plyn a elektřinu se stále více Evropanů snaží zavádět do každodenního života systémy využívající alternativní zdroje energie. Jednou z možností pro takové systémy je takzvané tepelné čerpadlo, pomocí kterého můžete v zimě vytápět svůj domov a ohřívat vodu pro domácí účely, přičemž na to utratíte minimum elektřiny.
Také v domovech našich krajanů se v posledních letech můžete setkat s tímto zázrakem techniky. Pro Rusy samozřejmě problém vysokých cen tradičních zdrojů energie není tak akutní jako v Evropě, ale za prvé, je to prozatím, a za druhé, nechci zaostávat za civilizovaným světem ...
Takže tepelné čerpadlo ... Co to je? Na čem spočívá princip její činnosti? Kde, kde a jak čerpá teplo? Pojďme to správně.
Obsah:
Princip činnosti tepelného čerpadla
Princip činnosti tepelných čerpadel je založen na schopnosti látky (chladiva) absorbovat nebo vydávat teplo, když se změní stav agregace. V podstatě se taková čerpadla příliš neliší od chladicích jednotek. (Toto podivné, na první pohled, prohlášení vás vůbec nepřekvapí, pokud jste se někdy dotkli horké zadní stěny běžné ledničky pro domácnost.)
Schematicky lze tepelné čerpadlo představovat jako systém sestávající ze tří obvodů. První je chladivo, které přenáší energii ze zdroje nízkého potenciálu tepla. Ve druhém okruhu cirkuluje chladivo (freon), které se periodicky vypařuje, přičemž odebírá teplo z prvního okruhu, poté znovu kondenzuje a dává jej třetímu okruhu. A konečně, chladič „běží“ podél třetího okruhu, v našem případě voda, která přenáší teplo přes topný systém.
Pracovní cyklus tepelného čerpadla může být obecně popsán následovně. Kapalné chladivo vstupuje do výparníku, kde přechází do plynného stavu. Energie potřebná pro tento proces proudí je odebírána z chladicího média cirkulujícího v primárním okruhu. Potom se do kompresoru nasává plynné chladivo předehřáté o několik stupňů, jehož hlavním účelem je stlačování plynu (samozřejmě, to spotřebovává elektřinu).
Tlak plynu se několikrát zvyšuje, zatímco se výrazně zahřívá: pokud je teplota chladiva na vstupu do kompresoru 6-10 ° C, pak na výstupu je již asi 60 ° C. V další fázi se zahřátý plyn posílá do kondenzátoru, kde dává přijaté teplo do topného systému, zatímco se kondenzuje sám, tj. přejde do kapalného stavu. Potom je přetlak uvolněn pomocí škrticího ventilu a cyklus začíná znovu.
Jak vidíte, zařízení tepelného čerpadla se zásadně neliší od zařízení chladicího stroje. Jde pouze o to, že hlavním účelem chladicích jednotek je generování chladu, takže teplo je odváděno výparníkem a kondenzátor toto teplo odvádí pouze do okolního prostoru.V tepelném čerpadle je opak pravdou: kondenzátor je tepelný výměník, který dává teplo spotřebiteli, a výparník je tepelný výměník, který využívá teplo s nízkým potenciálem sekundárních energetických zdrojů.
Jinými slovy, tepelné čerpadlo je „lednička naopak“. Současně „obráceně“ není jen zařízení, ale také výsledek. Pokud v případě chladničky dochází k plýtvání teplem odebraným z vnitřních produktů, pak energie generovaná tepelným čerpadlem přináší skutečné výhody - je vynakládána na cílené vytápění domu.
Druhy tepelných čerpadel a systémů
Tepelná energie vynaložená na vytápění budovy a systému teplé vody je výsledkem přeměny energie prostředí pomocí tepelného čerpadla. Čerpadlo koncentruje tuto nízkou potenciální (nízkou teplotu) energii a přenáší ji do topného systému.
Zbývá pochopit, co se v tomto případě myslí energií životního prostředí. Většina domácích tepelných čerpadel vám umožňuje používat teplo slunce a vnitřní teplo Země, akumulované horními vrstvami zemské kůry a vody po celý rok.
Podle typu konstrukce prvního okruhu tepelného výměníku jsou všechna tepelná čerpadla rozdělena na půdu, vodu a vzduch.
Zemní tepelná čerpadla
Zemní tepelná čerpadla přijímají teplo nezbytné pro ohřev chladiva ve výparníku ze země. Teplota posledně jmenovaného v hloubce několika metrů prakticky nepodléhá sezónním výkyvům. V uzavřeném systému trubek umístěných v zemi cirkuluje „solanka“. Není náhodou, že jsme v uvozovkách citovali slovo „pickle“: sůl, jak by se dalo očekávat od názvu, ji neobsahuje. Ve skutečnosti je to nemrznoucí směs na bázi ethylenglykolu nebo propylenglykolu, méně často vodného ethanolu. Trubky tepelného výměníku mohou být položeny do země horizontálně (horizontální kolektor) i vertikálně (geotermální sonda).
Vodorovné kolektorové trubky jsou položeny do země v hloubce pod úrovní zamrzání půdy v této oblasti (obvykle 1,5-2 m). Systém výměny tepla tohoto typu zabírá poměrně velkou plochu. Například poskytovat teplo relativně malému domu o rozloze 100 m2 bude nutné alokovat 2-3 akry půdy. Je třeba vzít v úvahu, že na území obsazeném sběratelem mohou být vysazeny pouze ty stromy a keře, jejichž kořeny nejdou příliš hluboko do půdy, a je zde zcela nemožné umístit zde žádné budovy.
Geotermální sonda je tepelný výměník, jehož trubky jsou umístěny svisle a ponořeny do půdy do hloubky 100-200 m. Počet instalovaných sond závisí na požadované kapacitě zařízení. K vytápění domu, který jsme již uvažovali výše, budou stačit dvě sondy o délce asi 80 m, umístěné ve vzdálenosti 5 m od sebe.
Jak vidíte, tento systém nevyžaduje velké plochy, můžete vrtat vrty v jakékoli části vašeho webu - kdekoli je to pro vás výhodné. Hlavní nevýhodou půdních tepelných čerpadel s geotermálními sondami jsou vysoké náklady na vrtání studny. Přesto však většina uživatelů dává přednost těmto systémům, protože geotermální sondy jsou účinnější než horizontální kolektory a mají méně omezení.
Vrtání studny pro geotermální sondu.
Vodní tepelná čerpadla
Vodní tepelné čerpadlo „čerpá“ energii podzemní vody, kterou čerpá přes výparník. Takový systém se vyznačuje zvýšenou účinností a dobrou stabilitou: první charakteristika je výsledkem vysokého přenosu tepla vody, druhá je způsobena stálostí teploty podzemní vody.
Aby bylo možné použít tento typ instalace, je samozřejmě nutné, aby tyto stejné podzemní vody byly k dispozici na vašem území a v dostatečném množství.Je velmi žádoucí, aby byl zvodněnec umístěn ne hlouběji než 30 - 40 m. Současné splnění těchto dvou podmínek je vzácným jevem. Další podmínkou, jejíž selhání se může stát překážkou instalace vodního tepelného čerpadla ve vašem domě nebo chalupě, je nízký obsah solí železa a dalších nečistot v podzemních vodách.
Používání vody nízké kvality způsobí rychlé selhání zařízení, protože výměník tepla se jednoduše zanáší. Přítomnost tolika omezení je příčinou toho, že taková tepelná čerpadla jsou navzdory své atraktivitě instalována zřídka (asi 5% všech realizovaných projektů).
Tepelná čerpadla vzduchu
Z hlediska snadnosti instalace mají tepelná čerpadla vzduchu oproti svým „bratřím“ obrovskou výhodu. Chcete-li použít okolní vzduch jako zdroj tepla, nemusíte vrtat studny ani provádět jiné rozsáhlé práce v půdě. V důsledku toho, pokud uvedete odhad nákladů na instalaci zařízení, vzduchové čerpadlo vás bude stát mnohem méně než vodní nebo pozemní čerpadlo.
Navzdory této významné výhodě nelze tento typ klimatického vybavení nazvat ideální, protože má také významnou nevýhodu. Takové čerpadlo pracuje efektivně, pouze pokud je okolní teplota nad –15 ° C ... –20 ° C. Pokles teploty pod tuto hranici, který v zimě není ve většině regionů naší země neobvyklý, vede k významnému snížení koeficientu účinnosti vzduchového tepelného čerpadla.
Poměr účinnosti tepelného čerpadla
O něco vyšší jsme použili nový termín - „koeficient účinnosti“. Bylo by špatné nevysvětlit, co to je, zejména proto, že je to důležitá vlastnost tepelných čerpadel, která vám umožňují vzájemně porovnávat různé typy čerpadel.
Koeficient účinnosti (nazývaný také transformační koeficient) je poměr tepelné energie generované čerpadlem k elektrické energii spotřebované tímto čerpadlem. Ve skutečnosti se jedná o účinnost tepelného čerpadla. V případě vodních tepelných čerpadel je tento koeficient 5, bez ohledu na roční období. To znamená, že při spotřebě 1 kW * h elektřiny bude zařízení generovat 5 kW * h tepelné energie.
U půdních čerpadel je hodnota koeficientu účinnosti o něco nižší - od 4 do 4,5. A konečně jsou tepelná čerpadla vzduchu charakterizována nejmenším koeficientem a jejich účinnost silně závisí na okolní teplotě: při 0 ° C je koeficient ~ 3,5 a při –20 ° C nepřekračuje 1,5 (při tak nízké účinnosti čerpadlo prostě se to nevyplatí a má smysl přemýšlet o nákupu levnějších klimatizačních zařízení, jako je elektrický kotel).
Někteří manažeři, kteří propagují tepelná čerpadla, která prodávají, ujišťují potenciální zákazníky, že toto zařízení má účinnost 400–500%. Samozřejmě se nemluví o žádném porušení zákonů termodynamiky. Je to tak, že v tomto případě jsou výpočty záměrně nesprávné: neberou se v úvahu jiné zdroje energie než spotřebovaná elektřina - vzduch, voda nebo půda, zahřívané Sluncem a geotermální procesy. Když se při výpočtu účinnosti vezme v úvahu pouze elektřina a zapomenou na zdroj tepla nízké kvality, výsledek je více než 100%.
Využití tepelných čerpadel v ruském klimatu
Poté, co jste se seznámili s výše uvedenými popisy různých typů tepelných čerpadel, můžete snadno odpovědět na otázku sami, které čerpadlo je nejvhodnější pro provoz v ruském klimatu.
Tepelná čerpadla vzduchu jsou vhodná pro použití pouze v omezeném počtu regionů naší země - kde teplota vzduchu v zimě téměř neklesne pod nulu. Obyvatelé Sibiře, Dálného východu, severní části evropské části Ruska by samozřejmě neměli myslet ani na tepelná čerpadla vzduchu.
Použití vodních tepelných čerpadel má mnoho omezení. O některých z nich jsme již hovořili, ještě zbývá zmínit ještě jednu. Více než polovina území naší země je v permafrostové zóně. Pokud mají i někteří obyvatelé východní Sibiře nebo severu Dálného východu „štěstí“ a ve své sekci leží podzemní voda, která neleží příliš hluboko, je tato podzemní voda stále ve formě ledu, což znamená, že není vhodná pro použití v topném systému. .
Proto se většina našich krajanů musí spoléhat na jediné, oboustranně výhodné řešení - zemní tepelné čerpadlo. Současně je v ruském klimatu vhodnější čerpadlo s horizontálním kolektorem, ale s geotermální sondou, která umožňuje dosažení hloubky, kde je teplota půdy stabilnější.
Aplikace tepelného čerpadla pro chlazení
Obrovská výhoda tepelných čerpadel spočívá v tom, že dokážou nejen vytápět dům, ale také jej v případě potřeby chladit. Naše krátké ruské léto je někdy velmi horké, a když se váš domov doslova zahřeje, bude velmi užitečný návrh přeměnit topení na klimatizaci.
Technické řešení tohoto problému může být integrováno do tepelného čerpadla zpočátku ve fázi výroby a téměř všichni výrobci mají řadu čerpadel, která mohou kondicionovat místnost (režim přirozeného chlazení). Pokud vaše tepelné čerpadlo takové schopnosti nemá, všechno se stále neztrácí - běžné čerpadlo může také fungovat pro chlazení. Nezbytné přídavné zařízení ve formě hydraulického oddělení bude namontováno mimo čerpadlo. Obě možnosti nevyžadují velké investice.
Chlazení generované tepelným čerpadlem můžete různými způsoby přenášet přímo do místnosti. Tuto funkci lze přiřadit studeným panelům na stěnách nebo stropech, chlazení podlahového vytápění, radiátorům s dobrým průtokem vzduchu nebo ventilátorové cívce - zařízení, ve kterém je zabudován deskový výměník tepla foukaný ventilátorem.
Použití tepelného čerpadla pro horkou vodu
Jakékoli tepelné čerpadlo může nejen vytápět váš domov, ale také vám může dodávat teplou vodu po celý rok. Je však třeba mít na paměti, že tento systém má nízkou teplotu, což znamená, že teplota vody v kotli nepřekročí 45-55 ° C. Z toho vyplývá, že objem kotle by měl být větší, než při použití standardního topného systému, jinak budete muset vy i vaše domácnost žít v podmínkách úsporné vody.
Tuto skutečnost je třeba vzít v úvahu při přidělování prostoru pro kotelnu, tj. I ve fázi navrhování domu. Při výběru kotle je také třeba vzít v úvahu, že by to mělo být speciální zařízení určené pro práci s instalacemi tepelných čerpadel. Hlavním rozdílem mezi tímto a obvyklým kotlem je zvětšená plocha tepelného výměníku nezbytná pro nejúčinnější přenos tepla z tepelného čerpadla.
Tepelná čerpadla s integrovaným topným článkem
Výrobci často integrují do svých tepelných čerpadel další elektrické ohřívače. Vestavěný ohřívač umožňuje v případě potřeby přepnout na alternativní zdroj energie z pohledu tepelného čerpadla - elektřiny. K čemu to je? V jakých případech je nutné použít topný článek?
Výběr tepelného čerpadla pro vytápění domu se provádí s přihlédnutím k různým parametrům, včetně klimatických charakteristik regionu. Instalace čerpadla s nadměrným výkonem se považuje za nevhodnou. Faktem je, že extrémně chladné dny se nestávají velmi často, alespoň ve středoevropské části Ruska. Praxe ukazuje, že ekonomičtější možností je „získat“ potřebný výkon elektřinou během těchto mrazivých období, než původně instalovat výkonnější čerpadlo. Přítomnost topného článku eliminuje potřebu učinit systém výkonnějším, než je vyžadováno po většinu topné sezóny.
Pro vlastníky vodních a zemních tepelných čerpadel je integrovaný ohřívač více než nezbytný. Situace se vzduchovými tepelnými čerpadly vypadá úplně jinak. Při teplotě vzduchu –20 ° C nebo nižší nebude takové čerpadlo, pokud se nevypne, neúčinné. A ačkoli v roce není příliš mnoho chladných dnů a nocí, nechci zůstat v rychle mrazivém domě v jednom krásném okamžiku. Přítomnost duplicitního generátoru tepla v tomto případě nelze nazvat luxusem.
Tepelné čerpadlo vzduchu.
Tipy a triky
Tepelné čerpadlo je technicky sofistikované a poměrně drahé zařízení, takže byste k jeho výběru měli přistupovat s velkou odpovědností. Abychom nebyli neopodstatnění, dáváme několik velmi konkrétních doporučení.
1. Nikdy nezačněte s výběrem tepelného čerpadla, aniž byste nejprve provedli výpočty a vytvořili projekt. Nedostatek projektu může způsobit fatální chyby, které lze napravit pouze pomocí obrovských dodatečných finančních investic.
2. Návrh, instalaci a údržbu tepelného čerpadla a topného systému by měli svěřit pouze odborníci. Jak zajistit, aby profesionálové v této společnosti pracovali? Především, podle dostupnosti veškeré potřebné dokumentace, portfolia prodaných objektů, certifikátů od dodavatelů zařízení. Je velmi žádoucí, aby celou škálu potřebných služeb zajišťovala jedna společnost, která v tomto případě bude plně zodpovědná za realizaci projektu.
3. Doporučujeme vám dát přednost tepelnému čerpadlu vyrobenému v Evropě. Nenechte se zmást skutečností, že je dražší než čínské nebo ruské vybavení. Pokud zahrnete do odhadu nákladů na instalaci, uvedení do provozu a ladění celého topného systému, bude rozdíl v ceně čerpadel téměř nepostřehnutelný. Ale poté, co budete mít k dispozici „Evropana“, budete si jistí jeho spolehlivostí, protože vysoká cena čerpadla je pouze výsledkem používání moderních technologií a vysoce kvalitních materiálů při jeho tvorbě.
