Tepelné čerpadlo na vykurovanie domu: princíp činnosti, odrody a použitie
V zhoršujúcej sa environmentálnej situácii vo svete a (čo je dôležitejšie pre priemerného spotrebiteľa), rýchlom zvyšovaní taríf za plyn a elektrinu, sa čoraz viac Európanov snaží zavádzať do každodenného života systémy využívajúce alternatívne zdroje energie. Jednou z možností pre takéto systémy je takzvané tepelné čerpadlo, prostredníctvom ktorého môžete v zime vykurovať váš domov a ohrievať vodu pre domáce účely, pričom naň miniete elektrinu.
Aj v domácnostiach našich krajanov sa v posledných rokoch môžete stále častejšie stretávať s týmto zázrakom techniky. Pre Rusov samozrejme problém vysokých cien za tradičné zdroje energie nie je taký akútny ako v Európe, ale po prvé, je to len zatiaľ, a po druhé, nechcem zaostávať za civilizovaným svetom ...
Takže tepelné čerpadlo ... Čo to je? Na čom spočíva princíp jej konania? Kde, kde a ako čerpá teplo? Poďme na to.
obsah:
Princíp činnosti tepelného čerpadla
Princíp činnosti tepelných čerpadiel je založený na schopnosti látky (chladiva) absorbovať alebo vydávať teplo, keď sa zmení stav agregácie. Takéto čerpadlá sa v podstate príliš nelíšia od chladiacich jednotiek. (Toto podivné, na prvý pohľad vyhlásenie vás vôbec neprekvapuje, ak ste sa niekedy dotkli horúcej zadnej steny bežnej chladničky pre domácnosť.)
Schematicky môže byť tepelné čerpadlo predstavované ako systém pozostávajúci z troch okruhov. Prvým z nich je chladivo, ktoré prenáša energiu zo zdroja s nízkym potenciálnym teplom. V druhom okruhu cirkuluje chladivo (freón), ktoré sa periodicky odparuje, pričom teplo z prvého okruhu sa potom znova kondenzuje a odovzdáva ho do tretieho okruhu. A nakoniec, chladič „tečie“ pozdĺž tretieho okruhu, v našom prípade voda, ktorá prenáša teplo cez vykurovací systém.
Pracovný cyklus tepelného čerpadla sa dá všeobecne opísať takto. Kvapalné chladivo vstupuje do výparníka, kde prechádza do plynného stavu. Energia potrebná na to, aby tento proces prúdil, sa odoberá z chladiacej kvapaliny cirkulujúcej v primárnom okruhu. Potom sa do kompresora nasáva plynné chladivo predhriate o niekoľko stupňov, ktorého hlavným účelom je kompresia plynu (samozrejme, to spotrebováva elektrinu).
Tlak plynu sa niekoľkokrát zvyšuje, zatiaľ čo sa výrazne zahreje: ak je teplota chladiva na vstupe do kompresora 6-10 ° C, potom na výstupe je už okolo 60 ° C. V ďalšom stupni sa zahriaty plyn privádza do kondenzátora, kde odovzdáva prijaté teplo do vykurovacieho systému, zatiaľ čo kondenzuje sám, t.j. prechádza do tekutého stavu. Potom sa pretlak uvoľní pomocou škrtiaceho ventilu a cyklus sa začne znova.
Ako vidíte, zariadenie tepelného čerpadla sa zásadne nelíši od zariadenia chladiaceho stroja. Je to len tak, že hlavným účelom chladiacich jednotiek je generovať chlad, takže teplo sa odvádza z výparníka a kondenzátor iba odvádza teplo do okolitého priestoru.V tepelnom čerpadle je pravý opak: kondenzátor je výmenník tepla, ktorý dodáva teplo spotrebiteľovi, a výparník je výmenník tepla, ktorý využíva teplo s nízkym potenciálom sekundárnych zdrojov energie.
Inými slovami, tepelné čerpadlo je „chladnička naopak“. Zároveň „naopak“ nie je iba zariadením, ale aj výsledkom. Ak v prípade chladničky dôjde k plytvaniu teplom z produktov uložených vo vnútri, potom energia generovaná tepelným čerpadlom prináša skutočné výhody - vynakladá sa na cielené vykurovanie domu.
Druhy tepelných čerpadiel a systémov
Tepelná energia vynaložená na vykurovanie budovy a systému teplej vody je výsledkom premeny energie prostredia pomocou tepelného čerpadla. Čerpadlo koncentruje túto nízkopotenciálnu (nízkoteplotnú) energiu a prenáša ju do vykurovacieho systému.
Zostáva pochopiť, čo sa v tomto prípade myslí energiou životného prostredia. Väčšina domácich tepelných čerpadiel vám umožňuje využívať teplo slnka a vnútorné teplo Zeme, ktoré sa akumuluje v horných vrstvách zemskej kôry a vody po celý rok.
Podľa typu konštrukcie prvého okruhu výmenníka tepla sú všetky tepelné čerpadlá rozdelené na pôdu, vodu a vzduch.
Pozemné tepelné čerpadlá
Pozemné tepelné čerpadlá prijímajú teplo potrebné na ohrievanie chladiva vo výparníku zo zeme. Teplota posledne menovanej v hĺbke niekoľkých metrov prakticky nepodlieha sezónnym výkyvom. V uzavretom systéme rúr umiestnených v zemi cirkuluje „soľanka“. Nie je náhoda, že sme v úvodzovkách citovali slovo „pickle“: soľ, ako by sa dalo očakávať od názvu, ho neobsahuje. V skutočnosti je to nemrznúca zmes na báze etylénglykolu alebo propylénglykolu, menej často vodného etanolu. Rúrky výmenníka tepla môžu byť položené do zeme horizontálne (horizontálny kolektor) aj vertikálne (geotermálna sonda).
Vodorovné kolektorové potrubia sa ukladajú do zeme v hĺbke pod úrovňou zamrznutia pôdy v tejto oblasti (zvyčajne 1,5 - 2 m). Systém výmeny tepla tohto typu zaberá pomerne veľkú plochu. Napríklad na dodanie tepla relatívne malému domu s rozlohou 100 m2 bude potrebné vyčleniť 2 až 3 hektáre pôdy. Malo by sa vziať do úvahy, že na území, ktoré okupuje zberateľ, môžu byť vysadené iba tie stromy a kríky, ktorých korene nejdú príliš hlboko do pôdy, a preto je úplne nemožné umiestniť tu žiadne budovy.
Geotermálna sonda je výmenník tepla, ktorého potrubia sú umiestnené vertikálne a ponorené do pôdy do hĺbky 100 - 200 m. Počet nainštalovaných sond závisí od požadovanej kapacity zariadenia. Na vyhrievanie domu, ktorý sme už uviedli ako príklad, budú stačiť dve sondy s dĺžkou asi 80 m umiestnené vo vzdialenosti 5 m od seba.
Ako vidíte, tento systém nevyžaduje veľké plochy, môžete vŕtať studne v ktorejkoľvek časti vášho webu - kdekoľvek je to pre vás výhodné. Hlavnou nevýhodou pôdnych tepelných čerpadiel s geotermálnymi sondami sú vysoké náklady na vŕtanie studní. Napriek tomu väčšina používateľov uprednostňuje práve tieto systémy, pretože geotermálne sondy sú účinnejšie ako horizontálne kolektory a majú menšie obmedzenia.
Vŕtanie studne pre geotermálnu sondu.
Vodné tepelné čerpadlá
Vodné tepelné čerpadlo „čerpá“ energiu podzemnej vody, ktorú prečerpáva cez výparník. Takýto systém sa vyznačuje zvýšenou účinnosťou a dobrou stabilitou: prvá charakteristika je výsledkom vysokého prenosu tepla vody, druhá je dôsledkom stálosti teploty podzemnej vody.
Na použitie tohto typu zariadenia je samozrejme potrebné, aby boli rovnaké podzemné vody dostupné na vašom území av dostatočnom množstve.Je veľmi žiaduce, aby sa zvodnená vrstva nachádzala nie hlbšie ako 30 - 40 m. Súčasné splnenie týchto dvoch podmienok je zriedkavým javom. Ďalšou podmienkou, ktorej porucha sa môže stať prekážkou pri inštalácii vodného tepelného čerpadla vo vašom dome alebo chate, je nízky obsah solí železa a iných nečistôt v podzemnej vode.
Používanie vody nízkej kvality spôsobí, že zariadenie rýchlo zlyhá, pretože výmenník tepla sa jednoducho upchá. Prítomnosť toľkých obmedzení je príčinou toho, že takéto tepelné čerpadlá sú napriek svojej atraktívnosti inštalované zriedka (asi 5% všetkých realizovaných projektov).
Vzduchové tepelné čerpadlá
Pokiaľ ide o jednoduchú inštaláciu, tepelné čerpadlá vzduchu majú oproti svojim „bratom“ obrovskú výhodu. Ak chcete použiť okolitý vzduch ako zdroj tepla, nemusíte vŕtať studne ani vykonávať žiadne iné rozsiahle práce v pôde. Výsledkom je, že ak odhadnete náklady na inštaláciu zariadenia, vzduchové čerpadlo vás bude stáť oveľa menej ako vodné alebo pozemné čerpadlo.
Napriek tejto významnej výhode sa tento typ klimatického vybavenia nedá nazvať ideálnym, pretože má tiež výraznú nevýhodu. Takéto čerpadlo pracuje efektívne iba vtedy, keď je okolitá teplota nad –15 ° C ... –20 ° C. Pokles teploty pod túto hranicu, ktorá v zime nie je vo väčšine regiónov našej krajiny nezvyčajná, vedie k významnému zníženiu koeficientu účinnosti vzduchového tepelného čerpadla.
Pomer účinnosti tepelného čerpadla
O niečo vyššie sme použili nový termín - „koeficient efektívnosti“. Bolo by nesprávne nevysvetľovať, čo to je, najmä preto, že je to dôležitá vlastnosť tepelných čerpadiel, ktorá vám umožňuje navzájom porovnávať rôzne typy čerpadiel.
Koeficient účinnosti (tiež nazývaný transformačný koeficient) je pomer tepelnej energie generovanej čerpadlom k elektrickej energii spotrebovanej týmto čerpadlom. V skutočnosti je to účinnosť tepelného čerpadla. V prípade vodných tepelných čerpadiel je tento koeficient 5 bez ohľadu na ročné obdobie. To znamená, že keď sa spotrebuje 1 kW * h elektrickej energie, zariadenie generuje tepelnú energiu 5 kW * h.
V pôdnych čerpadlách je hodnota koeficientu účinnosti o niečo nižšia - od 4 do 4,5. A nakoniec sú tepelné čerpadlá vzduchu charakteristické najmenším koeficientom a ich účinnosť silne závisí od teploty okolia: pri 0 ° C je koeficient ~ 3,5 a pri –20 ° C nepresahuje 1,5 (pri takej nízkej účinnosti čerpadlo jednoducho sa to nevyplatí a má zmysel uvažovať o kúpe lacnejších klimatických zariadení, ako je elektrický kotol).
Niektorí manažéri, ktorí propagujú tepelné čerpadlá, ktoré predávajú, uisťujú potenciálnych zákazníkov, že toto zariadenie má účinnosť 400 - 500%. Nehovorí sa samozrejme o žiadnom porušení zákonov termodynamiky. Je to tak, že v tomto prípade sú výpočty zámerne nesprávne: nezohľadňujú sa iné zdroje energie ako spotrebovaná elektrina - vzduch, voda alebo pôda, zohrievané Slnkom a geotermálne procesy. Keď sa pri výpočte účinnosti berie do úvahy iba elektrina a zabudnú sa na zdroj tepla nízkej kvality, výsledok je viac ako 100%.
Použitie tepelných čerpadiel v ruskej klíme
Po oboznámení sa s vyššie uvedenými opismi rôznych typov tepelných čerpadiel si môžete sami ľahko zodpovedať otázku, ktoré čerpadlo je najvhodnejšie pre prevádzku v ruskej klíme.
Vzduchové tepelné čerpadlá sú vhodné na použitie iba v obmedzenom počte regiónov našej krajiny - kde teplota vzduchu v zime takmer neklesne pod nulu. Obyvatelia Sibír, Ďalekého východu, severnej časti európskej časti Ruska by, samozrejme, nemali myslieť ani na tepelné čerpadlá vzduchu.
Použitie vodných tepelných čerpadiel je veľa. O niektorých z nich sme už hovorili, ešte treba spomenúť ešte jednu. Viac ako polovica územia našej krajiny je v permafrostovom pásme. Ak majú aj obyvatelia východnej Sibíri alebo severnej časti Ďalekého východu „šťastie“ a v jej časti je podzemná voda, ktorá neleží príliš hlboko, potom je táto podzemná voda vo forme ľadu, čo znamená, že nie je vhodná na použitie vo vykurovacom systéme. ,
Preto sa väčšina našich krajanov musí spoliehať na jediné, obojstranne výhodné riešenie - pozemné tepelné čerpadlo. Okrem toho je v podmienkach ruskej klímy vhodnejšie čerpadlo s horizontálnym kolektorom než s horizontálnou sondou, ktoré umožňuje dosiahnuť hĺbku, keď je teplota pôdy stabilnejšia.
Použitie tepelného čerpadla na chladenie
Veľkou výhodou tepelných čerpadiel je, že dokážu nielen vykurovať dom, ale v prípade potreby ho tiež chladiť. Naše krátke ruské leto je niekedy veľmi horúce a keď bude váš domov doslova horúci, návrh na premenu ohrievača na klimatizáciu bude veľmi užitočný.
Technické riešenie tohto problému sa môže integrovať do tepelného čerpadla na začiatku, vo výrobnej fáze, a takmer všetci výrobcovia majú rad čerpadiel, ktoré môžu upravovať miestnosť (režim prirodzeného chladenia). Ak vaše tepelné čerpadlo takéto schopnosti nemá, všetko sa stále nestratí - na chladenie môže fungovať aj bežné čerpadlo. Potrebné doplnkové zariadenie vo forme hydraulického oddelenia bude namontované mimo čerpadlo. Obe možnosti si nevyžadujú veľké investície.
Chlad generovaný tepelným čerpadlom môžete prenášať rôznymi spôsobmi priamo do miestnosti. Túto funkciu je možné priradiť chladným panelom na stenách alebo stropom, chladeniu podlahového vykurovania, radiátorom s dobrým prietokom vzduchu alebo fan coil - prístroju, v ktorom je zabudovaný doskový výmenník tepla fúkaný ventilátorom.
Použitie tepelného čerpadla na teplú vodu
Akékoľvek tepelné čerpadlo dokáže nielen vykurovať váš domov, ale tiež vám môže dodávať teplú vodu po celý rok. Nezabúdajte však, že tento systém má nízku teplotu, čo znamená, že teplota vody v kotli nepresiahne 45 - 55 ° C. Z toho vyplýva, že objem kotla by mal byť väčší ako pri použití štandardného vykurovacieho systému, inak budete musieť vy a vaša domácnosť žiť v podmienkach úspornej vody.
Táto skutočnosť by sa mala zohľadniť pri prideľovaní priestoru pre kotolňu, t. J. Dokonca aj vo fáze projektovania domu. Pri výbere kotla musíte vziať do úvahy, že by to malo byť špeciálne zariadenie určené na prácu so zariadeniami tepelného čerpadla. Hlavným rozdielom medzi týmto a bežným kotlom je zväčšená plocha výmenníka tepla potrebná na najúčinnejší prenos tepla z tepelného čerpadla.
Tepelné čerpadlá s integrovaným vykurovacím telesom
Výrobcovia často integrujú do svojich tepelných čerpadiel ďalšie elektrické ohrievače. Zabudovaný ohrievač umožňuje v prípade potreby prepnúť na alternatívny zdroj energie z hľadiska tepelného čerpadla - elektriny. Na čo je to? V ktorých prípadoch je potrebné použiť vykurovacie teleso?
Pri výbere tepelného čerpadla na vykurovanie domu sa prihliada na rôzne parametre vrátane klimatických charakteristík regiónu. Inštalácia čerpadla s nadmerným výkonom sa nepovažuje za nevhodnú. Faktom je, že mimoriadne chladné dni sa nestávajú veľmi často, aspoň v stredoeurópskej časti Ruska. Prax ukazuje, že ekonomickejšou možnosťou je „získať“ potrebnú energiu pomocou elektriny počas týchto mrazivých období, ako spočiatku nainštalovať výkonnejšie čerpadlo. Prítomnosť vyhrievacieho telesa vylučuje potrebu zvýšenia účinnosti systému, ako sa vyžaduje pre väčšinu vykurovacej sezóny.
Pre vlastníkov vodných a pozemných tepelných čerpadiel je integrovaný ohrievač viac ako nevyhnutnosť. Situácia so vzduchovými tepelnými čerpadlami vyzerá úplne inak. Pri teplote vzduchu –20 ° C alebo nižšej nebude také čerpadlo, ak sa nevypne, neúčinné. A hoci v tomto roku nie je toľko chladných dní a nocí, nechcem zostať v rýchlo mrznúcom dome v jednom peknom okamihu. Prítomnosť duplikátora tepla v tomto prípade nemožno označiť za luxus.
Vzduchové tepelné čerpadlo.
Tipy a triky
Tepelné čerpadlo je technicky sofistikované a pomerne drahé zariadenie, preto by ste k jeho výberu mali pristupovať s veľkou zodpovednosťou. Aby sme to neopodstatnili, uvádzame niekoľko veľmi konkrétnych odporúčaní.
1. Nikdy nezačínajte vyberať tepelné čerpadlo bez toho, aby ste najskôr vykonali výpočty a vytvorili projekt. Absencia projektu môže spôsobiť fatálne chyby, ktoré je možné napraviť iba pomocou obrovských dodatočných finančných investícií.
2. Návrh, inštaláciu a údržbu tepelného čerpadla a vykurovacieho systému by mali zveriť iba odborníci. Ako sa ubezpečiť, že odborníci pracujú v tejto spoločnosti? Najskôr podľa dostupnosti všetkej potrebnej dokumentácie portfólio predaných predmetov, osvedčenia od dodávateľov zariadení. Je veľmi žiaduce, aby celú škálu potrebných služieb zabezpečovala jedna spoločnosť, ktorá v tomto prípade bude plne zodpovedná za implementáciu projektu.
3. Odporúčame vám uprednostniť tepelné čerpadlo vyrobené v Európe. Nenechajte sa zamieňať s tým, že je drahšie ako čínske alebo ruské vybavenie. Ak sa do odhadu zahrnú náklady na inštaláciu, uvedenie do prevádzky a odladenie celého vykurovacieho systému, rozdiel v cene čerpadiel bude takmer nepostrehnuteľný. Ale potom, keď budete mať k dispozícii „Európana“, budete si istí jeho spoľahlivosťou, pretože vysoká cena čerpadla je len výsledkom použitia moderných technológií a kvalitných materiálov pri jeho výrobe.
