Tepelné čerpadlo pro vytápění domu – princip činnosti, typy a instalace

Tepelné čerpadlo je zařízení pro přenos tepelné energie od zdroje ke spotřebiteli.

Teplo se samovolně přenáší z horkého tělesa na studené. Čerpadlo přenáší teplo v opačném směru.

Konstrukce se skládá z kompresoru, tepelného expanzního ventilu, výparníku a kondenzátoru. Typickým příkladem tepelného čerpadla je klimatizace.

Abyste určili, jaký typ čerpadla zvolit pro domácí použití, doporučuje se prostudovat vlastnosti každého modelu a jeho provozní principy. Každý typ má také omezení, která je důležité znát.

Princip fungování tepelných čerpadel

Tepelná čerpadla se teprve začínají hojně používat v soukromých domech. Jednou z hlavních výhod této metody vytápění je má nízkou spotřebu energie, ale vysoký vývin teplaKlasifikace je založena na zdroji tepla.

Domácí topné zařízení funguje na principu, že látka (chladivo) může uvolňovat nebo absorbovat tepelnou energii během změny skupenství. Tento princip je základem fungování chladničky (proto je zadní strana spotřebiče horká).

Tepelné čerpadlo pro vytápění funguje následovně:

1. Vstupní teplonosná látka se v odpařovací sekci ochladí o 5 stupňů na základě energie z teplonosné látky.
2. Ochlazené médium vstupuje do kompresoru, který ho v důsledku své činnosti stlačuje a ohřívá.
3. Již horký plyn vstupuje do teplosměnného prostoru, kde odevzdává své vlastní teplo topnému systému.
4. Zkondenzované chladivo se vrací na začátek cyklu.

Existují také některé modely, které mohou fungovat v reverzním režimu. To znamená, že je lze použít i v létě k chlazení budovy. Teplo se ukládá do zásobníku a poté se v chladnějších měsících využívá k vytápění.

Zařízení

Tepelné čerpadlo pro vytápění domu se skládá z několika základních obvodových prvků:

• okruh s chladivem, který přenáší energii ze zdroje tepla;
• okruh s freonem, který se periodicky odpařuje, odebírá tepelnou energii z prvního okruhu a opět se usazuje jako kondenzát, čímž přenáší teplo do třetího;
• okruh, ve kterém cirkuluje kapalina, která slouží jako nosič tepla pro vytápění.

Zařízení tepelného čerpadla

Vytápění domu tepelným čerpadlem je nákladově efektivní. Je to proto, že zařízení nevyžaduje mnoho energie (a proto nespotřebovává více elektřiny než standardní domácí spotřebič), a přesto produkuje čtyřikrát více tepla, než kolik elektřiny spotřebuje.

Také není nutné vytvářet samostatné kabelové vedení pro připojení čerpadla.

Výhody a nevýhody

Než se rozhodnete, zda použít tepelné čerpadlo či nikoliv, měli byste se seznámit s výhodami a nevýhodami jeho provozu. Pojďme se blíže podívat na výhody a nevýhody používání tepelného čerpadla..

Využití tepelných elektráren ve světě

Praxe používání takových topných jednotek ve světě byla více než 50 letHlavními hnacími silami tohoto jevu byly rostoucí ceny tradičních energetických zdrojů a široká podpora vlád v mnoha zemích pro využívání alternativních zdrojů energie.

Počet tepelných čerpadel proto neustále roste vysokým tempem – až 10–30 % ročně, a to i přes vysoké náklady na instalaci. Počet takových zařízení v současnosti přesahuje 270.

Tepelné systémy se nejčastěji používají ve Spojených státech a Kanadě, kde tvoří až polovinu instalací používaných po celém světě.

Navzdory příznivým podmínkám pro používání tepelných čerpadel Rusko zaostává za světovými trendy v jejich využívání. To je pravděpodobně způsobeno naší vírou v úplnou dostupnost přírodních zdrojů.

Ne všechny obydlené oblasti v zemi však mají plynovody. Celosvětové zkušenosti s tepelnými čerpadly naznačují pozitivní trendy v jejich využívání.

Výpočet tepelného čerpadla

Jak jsme již zmínili výše, nízkopotenciálními zdroji tepla pro taková čerpadla jsou nejčastěji následující média:

1. Vzduch z venkovního prostoru s průměrnou teplotou -15 až +25 stupňů.
2. Vzduch pochází z vytápěné místnosti, jeho teplota je +15 - +25 stupňů.
3. Vzduch z podložní sondy ohřátý na plus 4 - 10 stupňů.
4. Vzduch z geotermálních útvarů, jehož teplota může být 10 stupňů nebo více.
5. Vzduch ze spodních sond nemrznoucích vodních ploch o teplotě 0–10 stupňů, včetně vzduchu získaného ze sond instalovaných v kanálech průmyslových odpadních vod podniků.

Metoda výpočtu

Jakýkoli tepelný výpočet je složitý proces, který mohou provádět pouze kvalifikovaní odborníci. Lze však navrhnout zjednodušenou metodiku, která je dostatečná k získání výsledku určujícího volbu konkrétního modelu jednotky.

Výpočet se scvrkává na provedení několika kroků:

1. Stanovení množství tepelných ztrát přes obvodové prvky budovy – stěny, stropy, půdy, okna, dveře atd. Toho lze dosáhnout pomocí následujícího vztahu:

Qок = S x (tвн – t нар) x (1 + ?b) xn : Rт, Kde

S – celková plocha všech prvků opláštění budovy, m²;

t vn – venkovní teplota, °C;

t nar – teplota vzduchu ve venkovním prostoru, °C;

n je koeficient, který zohledňuje konstrukci budovy; pro otevřené budovy se rovná 1; pro budovy s podkrovím se používá hodnota 0,9; pro prostory umístěné v suterénu se bere jako rovný 0,75;

b – koeficient dodatečných tepelných ztrát, v závislosti na typu budovy a jejím umístění v klimatických pásmech Ruska, jeho hodnota může kolísat v rozmezí 0,05 – 0,27;

Rт je tepelný odpor, který je nutné dodatečně vypočítat pomocí vzorce:

Rт = 1( , m²xC/W, kde

• vypočítané hodnoty tepelné vodivosti materiálů uzavírací konstrukce;
• součinitel odvodu tepla z vnitřních povrchů;
• totéž platí pro vnější povrchy.

Po provedení předběžných výpočtů určíme celkové tepelné ztráty z různých faktorů:

Qt.pot = Qok+Qi-Qbl, Kde

Qbl – celkový přenos tepla z provozu domácích spotřebičů a lidské činnosti;

Qи – náklady na energii pro kompenzaci tepelných ztrát v důsledku netěsností v obvodových konstrukcích.

2. Na základě získaných výsledků můžeme vypočítat roční spotřebu elektřiny. K tomu použijeme následující poměr:

Qrok = 24x0,63 x Qt.pot x ((dx (tin-toutside) : (tin-tout)) (kW/hodina) za rok, Kde:

• tvn - požadovaná hodnota teploty v interiéru domu;
• t nar – skutečná venkovní teplota;
• tнар.ср – průměrná roční teplota v regionu;
• d – délka topného období, dny.

3. Pro přesnější pochopení tepelného čerpadla je třeba vypočítat množství tepelného výkonu potřebného k ohřevu vody v topném systému vašeho domu. To lze provést pomocí následujícího výpočtového vzorce:

Qhor.v = V x 17 kW/rok, Kde:

V – objem denní spotřeby vody ohřáté na 50^Ó S.

V důsledku toho budou náklady na energii potřebnou k pokrytí potřeby tepla a teplé vody činit:

Q = Qrok + Qgv, (kW/hodina za rok).

Doporučuje se zvýšit získaný výsledek o 10 % s ohledem na intenzivnější provoz systému během špičkového zatížení. Předběžný výpočet výkonu tepelného čerpadla pro vytápění domu umožňuje přesný výběr instalace.

K provedení výpočtu můžete použít speciální kalkulačku, které jsou na internetu k dispozici v hojném množství.

Typy tepelných čerpadel

Existuje několik typů zařízení v závislosti na použitém zdroji tepla. Princip fungování domácího topného čerpadla předpokládá, že teplo je odebíráno ze zdrojů, které jsou nejlépe schopny akumulovat sluneční energii po celou sezónu.

K prodeji jsou k dispozici následující typy zařízení:

• země (země - voda);
• vzduch (vzduch - vzduch);
• vzduch - voda;
• voda (voda - voda).

Pojďme se na ně podívat podrobněji níže.

Vzduch - voda

Jak čerpadlo funguje VZDUCH-VODA Proces zahrnuje ohřev chladicí kapaliny v systému tepelného čerpadla teplým vzduchem. Ventilátor vhání teplý vzduch z okolního prostředí do systému.

Tepelné čerpadlo vzduch-voda

Tam interaguje s chladivem, které se v důsledku této interakce zahřeje a přemění se na plyn. Plyn poté vstupuje do kompresoru, kde je pod tlakem tlačen do vnitřního kondenzátoru a předává své teplo vodě.

Země - voda

Půda je nejstabilnějším a proto nejoblíbenějším zdrojem tepla. V hloubce 4 až 8 metrů je teplota konstantní na 5 až 8 stupních nad nulou a v hloubce 10 metrů stoupá na 10 stupňů. Existují dva hlavní způsoby sběru tepelné energie:

• použití horizontálního kolektoru;
• pomocí vertikální geotermální sondy.

První typ se skládá ze sady trubek položených vodorovně pro vedení chladiva. Hloubka instalace musí být vypočítána individuálně pro každý případ na základě terénu, klimatu a dalších faktorů.

V některých situacích je vhodné umístit potrubí do hloubky mrazu půdy (1,4 - 1,8 m), 2,5 - 3,5 metru (pokud je nutné snížit teplotní rozdíl a dosáhnout větší stálosti) nebo 1 - 1,3 metru (V této hloubce se půda na jaře rychleji prohřívá.) Někdy se dokonce instaluje speciální kolektor skládající se ze dvou vrstev.

Tento typ kolektoru používá trubky o průřezu 25, 32 nebo 40 mm. Mohou být pokládány v různých vzorech: spirála, blesk, hadovitý, smyčkový atd. Pokud se používá hadovitý vzor, ​​trubky by měly být od sebe vzdáleny 0,6 až 1 metr (nejčastěji 80 centimetrů).

Pro výpočet rychlosti přenosu tepla potrubím je nutné vzít v úvahu typ půdy. Pro suchý písek nebo jíl je rychlost přenosu tepla 10, respektive 20 W na běžný metr; pro vlhký jíl je rychlost přenosu tepla 25 W; a pro jíl s vysokým obsahem vlhkosti je rychlost přenosu tepla 35 W.

Nevýhodou tohoto typu kolektoru je potřeba velkého systému. Pokud je plocha vytápěného domu 100 metrů čtverečních a půda se skládá z vlhkého jílu, pak bude kolektorový systém vyžadovat 400 metrů čtverečních pozemku, tedy asi 500 metrů čtverečních.

Vzhledem k tomu, že budovy a další objekty nelze umístit na povrch (lze umístit pouze trávník s jednoletými rostlinami), ne všichni majitelé budou schopni vyhradit dostatek volného prostoru.

V tomto případě je vhodnějším řešením vertikální sonda. Ta se skládá z tepelného výměníku, ve kterém jsou trubky zakopány v zemi do hloubky až 200 m. Počet instalovaných sond závisí na požadovaném topném výkonu.

Mělké vrty by měly být od sebe vzdáleny přibližně 5–8 metrů. Vrtání jednoho potrubí do hloubky 100–200 metrů není nákladově efektivní a je také nutné získat povolení od příslušných úřadů. Aby se tomu zabránilo, je vhodné instalovat více potrubí.

Jedinou nevýhodou vertikálních konstrukcí jsou tedy vysoké náklady na vrtání hlubokých vrtů.

I přes to je však sonda populárnějším řešením, protože poskytuje dostatečnou účinnost bez jakýchkoli požadavků na plochu lokality nebo jiných omezujících faktorů.

Voda je voda

Dalším oblíbeným zdrojem tepla pro vytápění domů je voda. Existují tři typy takových systémů v závislosti na zdroji kapaliny:

• kolektor umístěný na dně otevřené vodní plochy (nesmí zamrznout) – moře, řeky, jezera;
• kolektor umístěný v kanalizaci;
• s použitím vody ze studní nebo podzemní vody.

První možností je umístění nemrznoucích trubek pod vodu. Aby se zabránilo jejich vynoření na hladinu, jsou zajištěny dodatečnými závažími. Vzhledem k zvýšené teplotě chladicí kapaliny je tato metoda považována za účinnou a zároveň nákladově efektivní.

Nevýhodou je, že takovou konstrukci lze postavit pouze tehdy, pokud se rybník nachází maximálně 50 metrů od pozemku. V opačném případě bude instalace a provoz neekonomický. Pro obyvatele pobřeží je však tepelné čerpadlo voda-voda optimálním řešením vytápění domu.

S využitím vyčištěné odpadní vody a odpadní vody vypouštěné z úpraven může kolektor vytápět vícepodlažní budovy a průmyslová zařízení a zajišťovat teplou vodu. Tento systém se zřídka používá k vytápění soukromých domů, protože se často nacházejí daleko od centrální kanalizace.

Kolektor, který shromažďuje vodu ze studní nebo podzemní vody, se používá méně často než jiné typy. To je z velké části způsobeno nutností výstavby dvou jímek. První shromažďuje kapalinu, která poté předává svou tepelnou energii chladivu, zatímco druhá přijímá ochlazenou vodu.

V některých případech se místo vrtu buduje perkolační studna. Výpustná studna by měla být umístěna pod hladinou podzemní vody a 20 metrů od původní studny.

Tento systém je docela obtížná instalace a údržbaPravidelná kontrola koroze a kontaminace součástí čerpadla je nezbytná. Důležité je také sledovat kvalitu přiváděné vody a včas ji filtrovat.

Vzduch - vzduch

Tepelná čerpadla vzduch-voda nabízejí oproti jiným typům jednotek výraznou výhodu. Tepelné čerpadlo využívá jako zdroj tepla pouze vzduch, takže není nutné vrtat zemní studny ani instalovat vodní kolektory. V důsledku toho jsou tepelná čerpadla vzduch-voda výrazně levnější.

Tento typ má nejjednodušší konstrukci a princip fungování. Vzduch vstupuje do výparníku, kde předává teplo chladivu. Toto teplo je poté přenášeno z výparníku do teplonosné látky přímo v domě. Tento typ vytápění může být reprezentován například ventilačními konvektory (fan coily) nebo podlahovým vytápěním.

Náklady na instalaci tohoto zařízení jsou v porovnání s vodními nebo pozemními systémy relativně nízké a jeho účinnost závisí především na teplotě vzduchu. Pokud žijete v oblasti s teplými zimami (alespoň 0 °C), je tato metoda považována za nejhospodárnější.

Pokud teplota klesne pod -15 stupňů, čerpadlo nebude schopno zajistit dostatečné vytápění místnosti, proto bude vhodnější použít elektrické nebo kotlové vytápění místnosti.

Pokud je důležité provozovat vzduchové čerpadlo v oblastech s chladnými zimami, je instalován další záložní zdroj tepla, který bude připojen během silných mrazů.

V některých případech je také možné instalovat vzduchový systém, pokud je klima suché a teplota neklesne pod -15 stupňů.

Ve vlhkých a mrazivých podmínkách se na těle zařízení vytvoří vrstva ledu, která bude narušovat jeho provoz a může způsobit jeho rychlé selhání.

Ceny a výrobci

Přibližná průměrná tržní hodnota zařízení a jeho instalace je:

Horizontální kolektor:

• Čerpadlo – 4500 dolarů;
• instalace — 2500 dolarů;
• provozní náklady - 350 dolarů ročně.

Geotermální sonda:

• Čerpadlo – 4500 dolarů;
• instalace – 4 500 dolarů;
• provozní náklady - 320 dolarů ročně.

Vzduch - pro domácnost:

• Čerpadlo – 6500 dolarů;
• instalace — 400 dolarů;
• provozní náklady - 480 dolarů ročně.

Čerpadlo voda-voda pro dům:

• Tepelné čerpadlo – 4500 dolarů;
• instalace – 3 500 dolarů;
• provozní náklady - 280 dolarů ročně.

Uvedené ceny nejsou konečné. Konečná cena bude záviset na zemi a výrobci zařízení, typu terénu, klimatu, nákladech na vrtání, stavebních podmínkách atd.

Například cena vzduchového čerpadla od ruského výrobce bude asi 7 000 dolarů, zatímco od zahraničního to bude 13 000 dolarů.

Nezapomeňte ani na náklady na elektřinu. I když zařízení nespotřebovává mnoho energie, měly by být tyto výdaje rozhodně zahrnuty do vašeho celkového odhadu a rozpočtu.

Které čerpadlo si vybrat?

Při rozhodování, které zařízení si vybrat, byste měli zvážit následující faktory:

• Odhadovaný rozpočet – kolik peněz je majitel ochoten vynaložit na instalaci a připojení celého systému;
• jaký je stávající nebo plánovaný systém vytápění uvnitř domu - podlahové vytápění, radiátory atd.;
• Kolik metrů čtverečních je majitel ochoten na pozemku přidělit pro vytvoření kolektoru;
• Je možné vrtat do hloubky?
• potřeba geologického průzkumu (pokud se plánuje geotermální sonda) k určení hloubky umístění kolektoru;
• Je nutné v létě upravovat proudění vzduchu?
• Budou instalována zařízení na ohřev vzduchu?

Při výběru tepelného čerpadla se doporučuje věnovat pozornost „koeficientu přeměny tepla“ (označovanému jako ϕ). Ten určuje účinnost zařízení. Pokud je při nákupu uvedeno ϕ=4, pak při spotřebě elektřiny 1 kW tepelné čerpadlo vyrobí 4 kW tepelné energie.

Při plánování rozpočtu je důležité zvážit nejen pořizovací cenu čerpadla, ale také budoucí provozní náklady. Tyto faktory se často liší.

Například instalace systému vzduch-voda bude mít nízké instalační náklady, ale kvůli nízké účinnosti bude vyžadovat značné provozní náklady. Pokud potřebujete minimalizovat provozní náklady, pak je vertikální tepelné čerpadlo země-voda tou správnou volbou.

Náklady na zemní nebo vodní systém a jeho instalaci jsou poměrně vysoké a vyžadují značnou počáteční investici. Tepelné čerpadlo používané k vytápění se však zaplatí během 5–10 let. Rozhodnutí o koupi tohoto zařízení by proto mělo být založeno na finančních možnostech a stavebních podmínkách budovy (poloha, klima atd.).

Pokud například na pozemku není možné provést hluboké vrtání, jeho rozloha neumožňuje umístění horizontálního kolektoru a v blízkosti se nenacházejí žádné vodní plochy, jediným řešením je instalace tepelného čerpadla vzduch-voda pro vytápění domu.

Instalace svépomocí

Pokud majitel domu dobře zná principy fungování a schéma zapojení zařízení, může si čerpadlo sestavit sám. Jsou však nutné předběžné výpočty; k tomu použijte hotový software pro optimalizaci chladicích systémů.

Nejméně složitou instalací je systém vytápění vzduch-voda svépomocí. Bude se skládat ze dvou potrubí (jednoho pro přívod vzduchu a jednoho pro odvod vzduchu), ventilátoru a kompresoru.

Nemusíte kupovat nový kompresor; můžete použít funkční jednotku z lednice nebo jiného zařízení. Doporučuje se spirálový kompresor.

Fáze práce:

1. Z měděné trubky vyrobte spirálu. Na ni umístěte trubku s chladivem.
2. Namontujte cívku do plastové nádoby rozdělené napůl. Ta bude sloužit jako výparník.
3. Připojte termostatický ventil a zaizolujte jej.
4. Sestavte všechny prvky do bloku a zkontrolujte jeho funkčnost.

Je důležité si uvědomit, že tento postup je pro průměrného člověka poměrně složitý. Neprofesionál nebude schopen správně sestavit všechny díly a připojit termostatický ventil.

Nejlepší je svěřit práci odborníkům, protože chyby v postupu způsobí poruchu zařízení nebo neefektivní spotřebu energie.

Tepelné čerpadlo je tedy efektivním způsobem vytápění soukromého domu. Zatímco tento typ zařízení není v Rusku a SNS široce používán, v Evropě a USA se hojně využívá k vytápění.

Doporučuje se vybrat vhodné tepelné čerpadlo nejen na základě nákladů na instalaci a provoz, ale také na základě regionu použití, stavebních podmínek, rozlohy staveniště a dalších faktorů.