Pompa ciepła do ogrzewania domu: zasada działania, odmiany i zastosowanie
W obliczu pogarszających się warunków środowiskowych na świecie i (co jest ważniejsze dla przeciętnego konsumenta) szybkiego wzrostu taryf gazowych i elektrycznych, coraz więcej Europejczyków próbuje wprowadzić alternatywne źródła energii do swojego codziennego życia. Jedną z opcji takich systemów jest tak zwana pompa ciepła, za pomocą której można ogrzewać dom w zimie i podgrzewać wodę do celów domowych, zużywając na nią minimum prądu.
Również w domach naszych rodaków w ostatnich latach coraz częściej można spotkać ten cud inżynierii. Oczywiście dla Rosjan problem wysokich cen tradycyjnych źródeł energii nie jest tak dotkliwy jak w Europie, ale po pierwsze jest na razie, a po drugie, nie chcę pozostać w tyle za cywilizowanym światem ...
Więc pompa ciepła ... Co to jest? Jaka jest zasada jego działania? Gdzie, gdzie i jak pompuje ciepło? Zróbmy to dobrze.
Treść
Zasada działania pompy ciepła
Zasada działania pomp ciepła opiera się na zdolności substancji (czynnika chłodniczego) do pochłaniania lub wydzielania ciepła, gdy zmienia się stan skupienia. Zasadniczo takie pompy niewiele różnią się od agregatów chłodniczych. (To dziwne, na pierwszy rzut oka, oświadczenie wcale Cię nie zaskoczy, jeśli kiedykolwiek dotkniesz gorącej tylnej ściany zwykłej lodówki domowej).
Schematycznie pompę ciepła można przedstawić w postaci układu składającego się z trzech obwodów. Pierwszy to płyn chłodzący, który przenosi energię ze źródła ciepła o niskim potencjale. W drugim obiegu krąży czynnik chłodniczy (freon), który okresowo odparowuje, odbierając ciepło z pierwszego obwodu, a następnie ponownie kondensuje, przekazując go do trzeciego obwodu. I wreszcie radiator „biegnie” wzdłuż trzeciego obwodu, w naszym przypadku wody, która przenosi ciepło przez system grzewczy.
Ogólny cykl pracy pompy ciepła można opisać następująco. Ciekły czynnik chłodniczy dostaje się do parownika, gdzie przechodzi w stan gazowy. Energia potrzebna do tego procesu jest pobierana z chłodziwa krążącego w obwodzie pierwotnym. Następnie gazowy czynnik chłodniczy podgrzany o kilka stopni jest zasysany do sprężarki, której głównym celem jest sprężanie gazu (oczywiście zużywa to prąd).
Ciśnienie gazu wzrasta kilkakrotnie, podczas gdy znacznie się nagrzewa: jeśli temperatura czynnika chłodniczego na wlocie do sprężarki wynosi 6-10 ° C, to na wylocie wynosi już około 60 ° C. W następnym etapie ogrzany gaz jest przesyłany do skraplacza, gdzie oddaje odebrane ciepło do systemu grzewczego, podczas gdy sam się skrapla, tj. przechodzi w stan płynny. Nadciśnienie jest następnie zmniejszane za pomocą przepustnicy i cykl rozpoczyna się od nowa.
Jak widać, urządzenie pompy ciepła nie różni się zasadniczo od urządzenia urządzenia chłodniczego. Po prostu głównym celem urządzeń chłodniczych jest wytwarzanie zimna, więc tam parownik odbiera ciepło, a skraplacz zrzuca je tylko do otaczającej przestrzeni.W pompie ciepła jest odwrotnie: skraplacz jest wymiennikiem ciepła, który zapewnia ciepło konsumentowi, a parownik jest wymiennikiem ciepła, który wykorzystuje ciepło o niskim potencjale wtórnych zasobów energii.
Innymi słowy, pompa ciepła to „lodówka na odwrót”. Jednocześnie „vice versa” to nie tylko urządzenie, ale także wynik. Jeśli w przypadku lodówki ciepło pobierane z produktów przechowywanych w środku jest marnowane, wówczas energia wytwarzana przez pompę ciepła przynosi realne korzyści - jest wydawana na ukierunkowane ogrzewanie domu.
Odmiany pomp ciepła i systemów
Energia cieplna wydana na ogrzewanie budynku i instalacji ciepłej wody jest wynikiem konwersji energii otoczenia za pomocą pompy ciepła. Pompa koncentruje energię o niskim potencjale (niskiej temperaturze) i przekazuje ją do systemu grzewczego.
Pozostaje zrozumieć, co w tym przypadku oznacza energia środowiska. Większość domowych pomp ciepła pozwala na wykorzystanie ciepła słonecznego i wewnętrznego ciepła ziemi, nagromadzonego przez górne warstwy skorupy ziemskiej i wody przez cały rok.
Według rodzaju konstrukcji pierwszego obwodu wymiennika ciepła wszystkie pompy ciepła są podzielone na glebę, wodę i powietrze.
Gruntowe pompy ciepła
Gruntowe pompy ciepła odbierają ciepło niezbędne do ogrzania czynnika chłodniczego w parowniku z ziemi. Temperatura tego ostatniego na głębokości kilku metrów praktycznie nie podlega wahaniom sezonowym. W zamkniętym systemie rur umieszczonych w ziemi krąży „solanka”. To nie przypadek, że zacytowaliśmy słowo „marynowane” w cudzysłowie: sól, jak można się spodziewać po nazwie, nie zawiera go. W rzeczywistości jest to środek przeciw zamarzaniu oparty na glikolu etylenowym lub glikolu propylenowym, rzadziej wodnym etanolu. Rury wymiennika ciepła można układać w ziemi zarówno poziomo (kolektor poziomy), jak i pionowo (sonda geotermalna).
Poziome rury kolektora są układane w ziemi na głębokości poniżej poziomu zamarzania gleby w tym regionie (zwykle 1,5-2 m). Tego rodzaju system wymiany ciepła zajmuje dość duży obszar. Na przykład, aby zapewnić ciepło stosunkowo niewielkiemu domowi o powierzchni 100 m2 konieczne będzie przeznaczenie 2-3 akrów ziemi. Należy wziąć pod uwagę, że na terytorium zajmowanym przez kolekcjonera można sadzić tylko te drzewa i krzewy, których korzenie nie wnikają zbyt głęboko w glebę, i nie można tutaj umieścić żadnych budynków.
Sonda geotermalna to wymiennik ciepła, którego rury są umieszczone pionowo i zanurzone w ziemi na głębokości 100-200 m. Liczba zainstalowanych sond zależy od wymaganej wydajności instalacji. Aby ogrzać dom, który już rozważaliśmy powyżej jako przykład, wystarczą dwie sondy o długości około 80 m umieszczone w odległości 5 m od siebie.
Jak widać, ten system nie wymaga dużych obszarów, możesz wiercić studnie w dowolnej części witryny - wszędzie tam, gdzie jest to dla ciebie wygodne. Główną wadą gruntowych pomp ciepła z sondami geotermalnymi jest wysoki koszt wiercenia studni. Jednak pomimo tego większość użytkowników preferuje właśnie te systemy, ponieważ sondy geotermalne są bardziej wydajne niż kolektory poziome i mają mniej ograniczeń.
Wiercenie studni dla sondy geotermalnej.
Wodne pompy ciepła
Wodna pompa ciepła „pobiera” energię wody gruntowej, którą pompuje przez parownik. Taki system charakteryzuje się zwiększoną wydajnością i dobrą stabilnością: pierwsza cecha jest wynikiem dużego transferu ciepła wody, druga wynika ze stałości temperatury wód gruntowych.
Oczywiście, aby skorzystać z tego typu instalacji, wymagane jest, aby te same wody gruntowe były dostępne na twoim terytorium i w odpowiednio dużej ilości.Bardzo pożądane jest, aby warstwa wodonośna znajdowała się nie głębiej niż 30–40 m. Jednoczesne spełnienie tych dwóch warunków jest rzadkim zjawiskiem. Innym warunkiem, którego awaria może stać się przeszkodą w instalacji wodnej pompy ciepła w domu lub domku, jest niska zawartość soli żelaza i innych zanieczyszczeń w wodzie gruntowej.
Użycie niskiej jakości wody spowoduje szybkie uszkodzenie urządzenia, ponieważ wymiennik ciepła po prostu zatka się. Obecność tak wielu ograniczeń powoduje, że takie pompy ciepła, pomimo swojej atrakcyjności, są instalowane rzadko (około 5% wszystkich realizowanych projektów).
Powietrzne pompy ciepła
Pod względem łatwości montażu powietrzne pompy ciepła mają ogromną przewagę nad „braćmi”. Aby wykorzystać powietrze z otoczenia jako źródło ciepła, nie trzeba wiercić studni ani wykonywać żadnych innych prac gruntowych na dużą skalę. W rezultacie, jeśli podasz szacunkowy koszt instalacji sprzętu, pompa powietrza będzie cię kosztować znacznie mniej niż pompa wody lub ziemi.
Pomimo tak znacznej przewagi tego typu urządzeń klimatycznych nie można nazwać idealnymi, ponieważ mają one również znaczną wadę. Taka pompa działa skutecznie tylko wtedy, gdy temperatura otoczenia jest wyższa niż –15 ° C ... –20 ° C. Spadek temperatury poniżej tej granicy, który w zimie nie jest rzadkością w większości regionów naszego kraju, prowadzi do znacznego obniżenia współczynnika sprawności powietrznej pompy ciepła.
Współczynnik wydajności pompy ciepła
Nieco wyżej zastosowaliśmy nowy termin - „współczynnik wydajności”. Błędem byłoby nie wyjaśniać, co to jest, zwłaszcza że jest to ważna cecha pomp ciepła, która pozwala porównywać ze sobą różne typy pomp.
Współczynnik sprawności (zwany również współczynnikiem transformacji) to stosunek energii cieplnej wytwarzanej przez pompę do energii elektrycznej zużywanej przez nią. W rzeczywistości jest to wydajność pompy ciepła. W przypadku wodnych pomp ciepła współczynnik ten wynosi 5, niezależnie od pory roku. Oznacza to, że przy zużyciu 1 kW * h energii elektrycznej instalacja wytwarza 5 kW * h energii cieplnej.
W pompach gruntowych wartość współczynnika sprawności jest nieco niższa - od 4 do 4,5. I wreszcie, powietrzne pompy ciepła charakteryzują się najmniejszym współczynnikiem, a ich wydajność silnie zależy od temperatury otoczenia: przy 0 ° C współczynnik wynosi ~ 3,5, a przy –20 ° C nie przekracza 1,5 (przy tak niskiej wydajności pompa po prostu się nie opłaca i warto pomyśleć o zakupie tańszego sprzętu klimatycznego, takiego jak kocioł elektryczny).
Niektórzy menedżerowie, reklamując sprzedawane przez nich pompy ciepła, zapewniają potencjalnym klientom, że wydajność tego urządzenia wynosi 400–500%. Oczywiście nie ma mowy o naruszeniu praw termodynamiki. Po prostu w tym przypadku obliczenia są celowo wykonane nieprawidłowo: źródła energii inne niż zużyta energia elektryczna nie są brane pod uwagę - powietrze, woda lub gleba ogrzewane przez Słońce i procesy geotermalne. Przy obliczaniu wydajności brany jest pod uwagę tylko prąd elektryczny i zapominają o źródle niskiej jakości ciepła, wynik jest większy niż 100%.
Zastosowanie pomp ciepła w rosyjskim klimacie
Po zapoznaniu się z powyższymi opisami różnych typów pomp ciepła, możesz łatwo odpowiedzieć sobie na pytanie, która pompa jest najbardziej odpowiednia do działania w rosyjskim klimacie.
Powietrzne pompy ciepła nadają się do użytku tylko w ograniczonej liczbie regionów naszego kraju - gdzie temperatura powietrza w zimie prawie nie spada poniżej zera. Oczywiście mieszkańcy Syberii, Dalekiego Wschodu i północy europejskiej części Rosji nie powinni nawet myśleć o powietrznych pompach ciepła.
Istnieje wiele ograniczeń w stosowaniu wodnych pomp ciepła. Rozmawialiśmy już o niektórych z nich; pozostaje jeszcze wspomnieć o jeszcze jednym. Ponad połowa terytorium naszego kraju znajduje się w strefie wiecznej zmarzliny. Jeśli nawet mieszkaniec wschodniej Syberii lub północnego Dalekiego Wschodu ma „szczęście”, a na jego odcinku znajdują się wody gruntowe, które nie leżą zbyt głęboko, to nadal te wody podziemne mają postać lodu, co oznacza, że nie nadaje się do stosowania w systemie grzewczym .
Dlatego większość naszych rodaków musi polegać na jedynej, korzystnej dla obu stron, opcji - naziemnej pompie ciepła. Ponadto w warunkach rosyjskiego klimatu bardziej odpowiednia jest pompa z poziomym kolektorem zamiast z poziomą sondą, która pozwala osiągnąć głębokość, na której temperatura gleby jest bardziej stabilna.
Zastosowanie pompy ciepła do chłodzenia
Ogromną zaletą pomp ciepła jest to, że mogą one nie tylko ogrzewać dom, ale także, w razie potrzeby, ochładzać go. Nasze krótkie rosyjskie lato jest czasem bardzo gorące, a gdy dom dosłownie robi się gorący, propozycja zmiany grzejnika w klimatyzator będzie bardzo przydatna.
Techniczne rozwiązanie tego problemu można początkowo zintegrować z pompą ciepła, na etapie produkcji, a prawie wszyscy producenci mają linię pomp, które mogą kondycjonować pomieszczenie (tryb naturalnego chłodzenia). Jeśli twoja pompa ciepła nie ma takich zdolności, wszystko nadal nie jest stracone - konwencjonalna pompa może również pracować do chłodzenia. Niezbędne dodatkowe wyposażenie w postaci hydraulicznego odsprzęgania zostanie zamontowane na zewnątrz pompy. Obie opcje nie wymagają dużych inwestycji.
Zimno generowane przez pompę ciepła można przenosić na różne sposoby. Tę funkcję można przypisać do zimnych paneli na ścianach lub sufitach, chłodzenia ogrzewania podłogowego, grzejników z dobrym przepływem powietrza lub klimakonwektora - urządzenia, w którym wbudowany jest płytowy wymiennik ciepła wdmuchiwany przez wentylator.
Zastosowanie pompy ciepła do ciepłej wody
Każda pompa ciepła może nie tylko ogrzewać dom, ale także dostarczać ciepłą wodę przez cały rok. Należy jednak pamiętać, że ten system ma niską temperaturę, co oznacza, że temperatura wody w kotle nie przekroczy 45-55 ° C. Wynika z tego, że objętość kotła powinna być większa niż w przypadku korzystania ze standardowego systemu grzewczego, w przeciwnym razie ty i twoje gospodarstwo domowe będziecie musieli żyć w warunkach oszczędności ciepłej wody.
Fakt ten należy wziąć pod uwagę przy przydzielaniu miejsca na kotłownię, tj. Nawet na etapie projektowania domu. Wybierając kocioł, należy również wziąć pod uwagę, że powinien to być specjalny sprzęt przeznaczony do pracy z instalacjami pomp ciepła. Główną różnicą między tym kotłem a zwykłym jest zwiększona powierzchnia wymiennika ciepła niezbędna do najbardziej wydajnego transferu ciepła z pompy ciepła.
Pompy ciepła ze zintegrowanym elementem grzewczym
Często producenci integrują dodatkowe grzejniki elektryczne w swoich pompach ciepła. Wbudowany podgrzewacz pozwala w razie potrzeby przejść na alternatywne źródło energii z punktu widzenia pompy ciepła - elektryczność. Po co to jest? W jakich przypadkach istnieje potrzeba korzystania z grzejnika?
Wybór pompy ciepła do ogrzewania domu odbywa się z uwzględnieniem różnych parametrów, w tym charakterystyki klimatycznej regionu. Instalowanie pompy z nadmiarem mocy jest uważane za niewłaściwe. Faktem jest, że wyjątkowo chłodne dni nie zdarzają się bardzo często, przynajmniej w środkowoeuropejskiej części Rosji. Praktyka pokazuje, że bardziej ekonomiczną opcją jest „uzyskanie” niezbędnej mocy z elektrycznością w tych mroźnych okresach niż początkowa instalacja mocniejszej pompy. Obecność elementu grzejnego eliminuje potrzebę zwiększenia mocy systemu, niż wymaga większość sezonu grzewczego.
Dla właścicieli wodnych i gruntowych pomp ciepła zintegrowana grzałka stanowi więcej nadwyżki niż konieczności. Sytuacja z powietrznymi pompami ciepła wygląda zupełnie inaczej. Przy temperaturze powietrza –20 ° C i niższej taka pompa, jeśli się nie wyłączy, będzie nieskuteczna. I chociaż w ciągu roku nie ma zbyt wielu chłodnych dni i nocy, nie chcę w jednym pięknym momencie szybko przebywać w szybko zamarzającym domu. Obecność podwójnego generatora ciepła w tym przypadku nie można nazwać luksusem.
Powietrzna pompa ciepła.
Wskazówki i porady
Pompa ciepła to technicznie wyrafinowany i dość drogi sprzęt, dlatego powinieneś podchodzić do jego wyboru z wielką odpowiedzialnością. Aby nie być bezzasadnym, podajemy bardzo szczegółowe zalecenia.
1. Nigdy nie zaczynaj wybierać pompy ciepła bez uprzedniego wykonania obliczeń i stworzenia projektu. Brak projektu może powodować fatalne błędy, które można naprawić tylko dzięki ogromnym dodatkowym inwestycjom finansowym.
2. Tylko profesjonaliści powinni powierzyć projektowanie, instalację i konserwację pompy ciepła i systemu grzewczego. Jak upewnić się, że profesjonaliści pracują w tej firmie? Przede wszystkim, w zależności od dostępności całej niezbędnej dokumentacji, portfela sprzedanych obiektów, certyfikatów od dostawców sprzętu. Jest wysoce pożądane, aby cały zakres niezbędnych usług był świadczony przez jedną firmę, która w tym przypadku będzie w pełni odpowiedzialna za realizację projektu.
3. Radzimy preferować pompę ciepła wyprodukowaną w Europie. Nie należy mylić faktu, że jest droższy niż sprzęt chiński lub rosyjski. Gdy koszt instalacji, uruchomienia i debugowania całego systemu grzewczego jest uwzględniony w oszacowaniu, różnica w cenie pomp będzie prawie niezauważalna. Ale mając do dyspozycji „europejski”, będziesz pewny jego niezawodności, ponieważ wysoka cena pompy jest tylko wynikiem zastosowania nowoczesnych technologii i wysokiej jakości materiałów do jej stworzenia.
