가정용 난방용 히트펌프 - 작동 원리, 종류 및 설치

히트펌프는 열에너지를 열원에서 소비자에게 전달하는 장치입니다.

열은 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 자연스럽게 전달됩니다. 펌프는 그 반대 방향으로 열을 전달합니다.

이 시스템은 압축기, 열팽창 밸브, 증발기 및 응축기로 구성됩니다. 히트펌프의 대표적인 예로는 에어컨이 있습니다.

가정용 펌프를 선택하려면 각 모델의 특징과 작동 원리를 살펴보는 것이 좋습니다. 또한 각 유형에는 알아두어야 할 중요한 한계점이 있습니다.

열펌프의 작동 원리

히트펌프는 개인 주택에서 점차 널리 사용되기 시작했습니다. 이 난방 방식의 주요 장점 중 하나는 다음과 같습니다. 전력 소비는 낮지만 발열량은 높습니다.분류는 열원에 따라 이루어집니다.

가정용 난방 장치는 물질(냉매)이 상태 변화를 통해 열에너지를 방출하거나 흡수할 수 있다는 원리를 이용합니다. 이 원리는 냉장고의 작동 원리와도 같습니다(냉장고 뒷면이 뜨거운 이유도 바로 이 때문입니다).

난방용 히트펌프는 다음과 같이 작동합니다.

1. 유입되는 물질은 열매체의 에너지에 따라 증발부에서 5도 정도 냉각됩니다.
2. 냉각된 물질은 압축기로 들어가 압축기의 작동으로 인해 압축되고 가열됩니다.
3. 이미 뜨거운 가스는 열교환실로 들어가 자체 열을 난방 시스템에 전달합니다.
4. 응축된 냉매는 사이클의 시작점으로 되돌아갑니다.

역방향으로 작동할 수 있는 모델도 있습니다. 즉, 여름철에도 건물을 냉방하는 데 사용할 수 있다는 뜻입니다. 발생한 열은 저장 장치에 저장되었다가 추운 계절에 난방에 사용됩니다.

장치

가정 난방용 열펌프는 몇 가지 기본 회로 요소로 구성됩니다.

• 열원으로부터 에너지를 전달하는 냉각수가 있는 회로;
• 프레온이 주기적으로 증발하면서 첫 번째 회로에서 열에너지를 흡수하고 다시 응축수로 가라앉아 세 ​​번째 회로로 열을 전달하는 회로.
• 액체가 순환하는 회로로, 가열을 위한 열 전달체 역할을 합니다.

히트펌프를 이용한 난방은 비용 효율적입니다. 히트펌프는 전력 소모가 적어 일반 가정용 가전제품과 비슷한 수준의 전기 소비량을 보이면서도, 소비하는 전력량의 네 배에 달하는 열을 발생시키기 때문입니다.

펌프를 연결하기 위해 별도의 배선을 만들 필요도 없습니다.

장점과 단점

히트펌프 사용 여부를 결정하기 전에 히트펌프 작동의 장점과 단점을 잘 알아두어야 합니다. 히트펌프 사용의 장단점을 좀 더 자세히 살펴보겠습니다..

히트펌프는 수익성이 있을까요? 히트펌프를 구매하면 안 되는 사람은 누구일까요? (분석)

전 세계 화력 발전소 이용 현황

세계적으로 이러한 난방 장치를 사용하는 관행은 다음과 같습니다. 50년 이상이러한 현상의 주요 원동력은 기존 에너지 자원의 가격 상승과 여러 국가 정부의 대체 에너지원 사용에 대한 광범위한 지원이었습니다.

따라서 히트펌프의 수는 높은 속도로 꾸준히 증가하고 있습니다. 연간 최대 10~30%높은 설치 비용에도 불구하고, 현재 이러한 기기의 수는 270대가 넘습니다.

열 시스템은 미국과 캐나다에서 가장 널리 사용되며, 전 세계 설치량의 절반을 차지합니다.

열펌프 사용에 유리한 조건이 조성되어 있음에도 불구하고, 러시아는 열펌프 사용에 있어 세계적인 추세에 뒤처지고 있습니다. 이는 아마도 우리가 천연자원을 완전히 보유하고 있다고 믿기 때문일 것입니다.

하지만 전국 모든 인구 밀집 지역에 가스 파이프라인이 설치되어 있는 것은 아닙니다. 전 세계적으로 열펌프 사용 경험은 긍정적인 추세를 보여주고 있습니다.

열펌프 계산

위에서 언급했듯이, 이러한 펌프에 사용되는 저전압 열원은 대개 다음과 같은 매체입니다.

1. 외부 공간의 공기는 평균 온도가 -15도에서 +25도 사이입니다.
2. 이 공기는 난방이 된 방에서 나온 것으로, 온도는 15도에서 25도 사이입니다.
3. 지하 탐침에서 나온 공기는 영상 4~10도까지 가열되었습니다.
4. 지열 지대에서 나오는 공기는 온도가 10도 이상일 수 있습니다.
5. 0~10도의 온도를 가진 비결빙성 수역의 바닥 탐침에서 채취한 공기, 여기에는 기업의 산업 폐수 배출관에 설치된 탐침에서 얻은 공기도 포함됩니다.

계산 방법

열 계산은 자격을 갖춘 전문가만이 수행할 수 있는 복잡한 과정입니다. 그러나 특정 장치 모델을 선택하는 데 필요한 결과를 얻기에 충분한 간소화된 방법론을 제안할 수 있습니다.

계산은 여러 단계를 거쳐야 합니다.

1. 건물의 외벽을 통한 열 손실량을 측정하는 것 벽, 천장, 다락, 창문, 문 등. 이는 다음 관계식을 사용하여 구현할 수 있습니다.

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

S – 모든 건물 외피 요소의 총 면적(m²)²;

t вн – 외부 온도, 섭씨;

t nar – 외부 공간의 기온(섭씨);

n은 건물의 구조를 고려하는 계수입니다. 개방형 건물의 경우 n은 1이고, 다락 공간이 있는 건물의 경우 n은 0.9이며, 지하실에 위치한 건물의 경우 n은 0.75입니다.

b – 추가 열손실 계수는 건물의 유형과 러시아의 기후대에 위치한 곳에 따라 0.05~0.27 범위에서 변동될 수 있습니다.

Rт는 열 저항이며, 다음 공식을 사용하여 추가로 계산해야 합니다.

Rт = 1( , m²xC/W, 여기서

• 외피 구조 재료의 열전도율 계산값;
• 내부 표면으로부터의 열 방출 계수;
• 외부 표면도 마찬가지입니다.

예비 계산을 수행한 후, 다양한 요인으로 인한 총 열손실을 결정합니다.

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, 어디

Qbl – 가전제품 작동 및 인간 활동으로 인한 총 열 전달량;

Qi – 외벽 구조물의 누출로 인한 열 손실을 보상하기 위한 에너지 비용.

2. 얻어진 결과를 바탕으로 연간 전력 수요를 계산할 수 있습니다. 이를 위해 다음 비율을 사용합니다.

Qyear = 24 x 0.63 x Qt.pot x ((dx (tin-toutdoor) : (tin-tout)) (kW/시간) 연간, 어디:

• tvn - 집 내부의 원하는 온도 값;
• t nar – 실제 실외 온도;
• tнар.ср – 해당 지역의 연평균 기온;
• d – 난방 기간(일).

3. 히트펌프를 더 정확하게 이해하려면 가정용 난방 시스템의 물을 데우는 데 필요한 열 출력을 계산해야 합니다. 다음 계산 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

Qhor.v = V x 17 kW/년, 어디:

V – 50도로 가열된 물의 일일 소비량^영형 와 함께.

결과적으로 난방 및 온수 수요를 충족하는 데 드는 에너지 비용은 다음과 같습니다.

Q = Qyear + Qgv (kW/시간/년).

최대 부하 시 시스템의 집중적인 작동을 고려하여 얻은 결과에 10%를 더하는 것이 좋습니다. 가정 난방용 열펌프 용량에 대한 사전 계산을 통해 설치 용량을 정확하게 선택할 수 있습니다.

계산을 하려면 특수 계산기를 사용하면 되는데, 인터넷에서 많이 찾아볼 수 있습니다.

히트펌프의 종류

사용하는 열원에 따라 여러 종류의 장치가 있습니다. 가정용 난방 펌프의 작동 원리는 계절 내내 태양 에너지를 가장 잘 축적할 수 있는 열원에서 열을 끌어오는 것을 전제로 합니다.

히트펌프. 효율성에 대한 진실.

다음과 같은 종류의 기기를 구매하실 수 있습니다.

• 땅 (흙 - 물);
• 공기(공기 - 공기);
• 공기 - 물;
• 물 (물 - 물).

아래에서 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

공기 - 물

펌프 작동 방식 공기-물 이 과정은 열펌프 시스템 내의 냉매를 따뜻한 공기로 가열하는 것을 포함합니다. 팬이 주변의 따뜻한 공기를 시스템 내부로 불어넣습니다.

그곳에서 열은 냉매와 반응하여 냉매가 가열되고 기체로 변합니다. 이 기체는 압축기로 들어가 압력을 받아 내부 응축기로 보내지면서 물에 열을 전달합니다.

지구 - 물

토양은 가장 안정적이고 따라서 가장 널리 사용되는 열원입니다. 4~8미터 깊이에서는 온도가 영상 5~8도로 일정하게 유지되며, 10미터 깊이에서는 10도까지 상승합니다. 열에너지를 모으는 주요 방법은 두 가지입니다.

• 수평형 집진기를 사용하여;
• 수직 지열 탐사 장비를 이용하여.

첫 번째 유형은 냉각수를 운반하기 위해 수평으로 설치된 파이프 세트로 구성됩니다. 설치 깊이는 지형, 기후 및 기타 요소를 고려하여 각 사례별로 개별적으로 계산해야 합니다.

어떤 경우에는 파이프라인을 토양 동결 깊이(1.4~1.8m)에 설치하는 것이 바람직합니다. 2.5~3.5미터 (온도 차이를 줄이고 더 높은 안정성을 확보해야 하는 경우) 또는 1~1.3미터 (이 깊이에서는 봄에 토양이 더 빨리 따뜻해집니다.) 때로는 두 층으로 구성된 특수 집열기를 설치하기도 합니다.

이러한 유형의 집수관은 단면적이 25mm, 32mm 또는 40mm인 파이프를 사용합니다. 파이프는 나선형, 번개 모양, 뱀 모양, 고리 모양 등 다양한 패턴으로 설치할 수 있습니다. 뱀 모양으로 설치할 경우 파이프 간격은 0.6~1미터(일반적으로 80센티미터)로 유지해야 합니다.

파이프라인의 열전달률을 계산할 때는 토양의 종류를 고려해야 합니다. 건조한 모래나 점토의 경우 열전달률은 각각 미터당 10W와 20W입니다. 습한 점토의 경우 열전달률은 25W이고, 수분 함량이 높은 점토의 경우 열전달률은 35W입니다.

이러한 유형의 집열기의 단점은 대규모 시스템이 필요하다는 것입니다. 난방 대상 주택의 면적이 100제곱미터이고 토양이 습한 점토질인 경우, 집열 시스템을 설치하려면 400제곱미터 또는 약 500제곱미터의 부지가 필요합니다.

지상에는 건물이나 기타 물체를 설치할 수 없고(단지 1년생 식물이 심어진 잔디밭만 가능함), 모든 소유주가 충분한 여유 공간을 확보할 수 있는 것은 아닙니다.

이 경우 수직형 프로브가 더 적합한 해결책입니다. 이 방식은 열교환기로 구성되며, 파이프는 최대 200m 깊이까지 땅속에 묻힙니다. 설치되는 프로브의 수는 필요한 난방 용량에 따라 달라집니다.

얕은 시추공은 약 5~8미터 간격으로 뚫어야 합니다. 100~200미터 깊이로 하나의 파이프를 뚫는 것은 비용 효율적이지 않으며, 관련 당국의 허가도 필요합니다. 이를 피하기 위해 여러 개의 파이프를 설치하는 것이 좋습니다.

따라서 수직 구조물의 유일한 단점은 깊은 우물을 파는 데 드는 비용이 높다는 것입니다.

하지만 이러한 점에도 불구하고, 프로브는 설치 장소의 면적이나 기타 제한 요소에 구애받지 않고 충분한 효율성을 제공하기 때문에 더 널리 사용되는 솔루션입니다.

물은 물이다

가정 난방에 널리 사용되는 또 다른 열원은 물입니다. 이러한 시스템은 액체의 공급원에 따라 세 가지 유형으로 나뉩니다.

• 얼지 않는 개방된 수역 바닥에 설치하는 집열기 - 바다, 강, 호수;
• 하수도에 위치한 집수관;
• 우물이나 지하수를 이용하여 물을 공급합니다.

첫 번째 방법은 부동액 파이프를 물속에 넣는 것입니다. 파이프가 수면으로 떠오르는 것을 방지하기 위해 추가 무게추로 고정합니다. 냉각수의 온도가 높기 때문에 이 방법은 효과적이면서도 비용 효율적인 것으로 여겨집니다.

단점은 연못이 주택에서 50미터 이내에 위치해야만 이러한 구조물을 설치할 수 있다는 점입니다. 그렇지 않으면 설치 및 운영이 비경제적이 됩니다. 하지만 해안 지역 주민들에게 수열원 히트펌프는 최적의 난방 솔루션입니다.

처리된 폐수와 공장에서 배출되는 폐수를 이용하는 집수 시스템은 고층 건물과 산업 시설을 난방하고 온수를 공급할 수 있습니다. 하지만 이러한 시스템은 개인 주택 난방에는 거의 사용되지 않는데, 개인 주택은 중앙 하수 시스템에서 멀리 떨어져 있는 경우가 많기 때문입니다.

우물이나 지하수를 모으는 집열기는 다른 유형에 비해 사용 빈도가 낮습니다. 이는 주로 두 개의 구덩이를 파야 하기 때문입니다. 첫 번째 구덩이에서는 액체를 모아 열에너지를 냉매에 전달하고, 두 번째 구덩이에서는 냉각된 물을 받습니다.

경우에 따라서는 시추공 대신 침투정을 설치하기도 합니다. 배출정은 지하수면 하류에 위치해야 하며, 기존 시추공에서 20미터 떨어진 곳에 설치해야 합니다.

이 시스템은 상당히 설치 및 유지 관리가 어렵습니다.펌프 부품의 부식 및 오염 여부를 정기적으로 점검하는 것이 필수적입니다. 또한 유입되는 물의 수질을 모니터링하고 오염된 물을 즉시 여과하는 것도 중요합니다.

공기 - 공기

공기열원 히트펌프는 다른 유형의 히트펌프에 비해 뚜렷한 장점을 제공합니다. 공기열원 히트펌프는 열원으로 공기만을 사용하기 때문에 지하에 우물을 파거나 빗물 집수 장치를 설치할 필요가 없습니다. 결과적으로 공기열원 히트펌프는 가격이 훨씬 저렴합니다.

이 유형은 구조와 작동 원리가 가장 간단합니다. 공기가 증발기로 들어가 냉매에 열을 전달합니다. 이 열은 증발기에서 실내의 열매체로 직접 전달됩니다. 이러한 난방 방식의 예로는 환풍기(팬 코일)나 바닥 난방 시스템이 있습니다.

이 장치의 설치 비용은 수냉식이나 지열식 시스템에 비해 상대적으로 저렴하며, 효율성은 주로 기온에 따라 달라집니다. 겨울이 따뜻한 지역(최소 0°C 이상)에 거주하는 경우, 이 방식이 가장 비용 효율적인 것으로 간주됩니다.

기온이 -15도 이하로 떨어지면 펌프로는 실내를 충분히 난방할 수 없으므로 전기 난방이나 보일러를 사용하는 것이 더 적절합니다.

추운 겨울이 있는 지역에서 공기 펌프를 작동시키는 것이 중요하다면, 심한 서리가 내릴 때 연결할 수 있는 추가적인 보조 열원을 설치합니다.

기후가 건조하고 기온이 -도 이하로 떨어지지 않는 경우에는 에어컨 시스템을 설치하는 것도 가능합니다.15도.

습하고 서늘한 환경에서는 기기 본체에 얼음층이 형성되어 기기 작동을 방해하고 고장을 빠르게 유발할 수 있습니다.

가격 및 제조업체

해당 장비 및 설치의 대략적인 평균 시장 가치는 다음과 같습니다.

수평형 수집기:

• 펌프 – 4500달러;
• 설치비 - 2500달러;
• 운영 비용 - 연간 350달러.

지열 탐사 장비:

• 펌프 – 4500달러;
• 설치비 - 4,500달러;
• 운영 비용 - 연간 320달러.

가정용 공기:

• 펌프 – 6500달러;
• 설치비 - 400달러;
• 운영 비용 - 연간 480달러.

가정용 물 펌프:

• 히트펌프 – 4500달러;
• 설치비 - 3,500달러;
• 운영 비용 - 연간 280달러.

표시된 가격은 최종 가격이 아닙니다. 최종 비용은 장비의 국가 및 제조업체, 지형 유형, 기후, 시추 비용, 건설 조건 등에 따라 달라질 수 있습니다.

예를 들어, 러시아 제조업체의 공기 펌프 가격은 약 7,000달러인 반면, 외국 제조업체의 제품은 13,000달러입니다.

전기 요금도 잊지 마세요. 장비가 많은 전력을 소비하지는 않지만, 이러한 비용은 전체 예상 비용과 예산에 반드시 포함시켜야 합니다.

어떤 펌프를 선택해야 할까요?

어떤 기기를 선택할지 결정하려면 다음 요소를 고려해야 합니다.

• 예상 예산 – 소유주가 전체 시스템 설치 및 연결에 기꺼이 지출할 금액;
• 이 집의 기존 또는 계획된 난방 시스템은 무엇입니까? (바닥 난방, 라디에이터 등)
• 소유주는 집열기 설치를 위해 부지 내에 몇 제곱미터의 공간을 할애할 의향이 있습니까?
• 깊이 시추하는 것이 가능할까요?
• 지열 탐사를 계획하는 경우, 집열기를 얼마나 깊이 설치해야 하는지 결정하기 위해 지질 조사가 필요합니다.
• 여름철에 공기 흐름을 조절하는 것이 필요한가요?
• 공기 가열 장치가 설치될 예정인가요?

히트펌프를 선택할 때는 "열 변환 계수"(ϕ로 표시)를 주의 깊게 살펴보는 것이 좋습니다. 이 계수는 장치의 효율을 결정합니다. 예를 들어, 구매 시 ϕ=4로 명시된 제품을 선택하면 1kW의 전력 소비로 4kW의 열에너지를 생산하게 됩니다.

예산을 계획할 때는 펌프 구매 비용뿐만 아니라 향후 운영 비용도 고려하는 것이 중요합니다. 이 두 가지 요소는 종종 다릅니다.

예를 들어, 공기열원열 시스템은 설치 비용은 저렴하지만 효율이 낮아 운영 비용이 상당히 많이 듭니다. 운영 비용을 최소화해야 한다면 수직형 지열 히트펌프가 적합한 선택입니다.

지열 또는 수열 방식의 열 펌프 시스템은 설치 비용이 상당히 높아 초기 투자 비용이 많이 듭니다. 하지만 난방용으로 사용하는 열 펌프는 5~10년 안에 투자 비용을 회수할 수 있습니다. 따라서 열 펌프 구매 여부는 재정 상황과 건물의 건축 조건(위치, 기후 등)을 고려하여 결정해야 합니다.

예를 들어, 부지에 깊은 시추가 불가능하고, 수평형 집열기를 설치할 공간이 없으며, 근처에 수역도 없다면, 유일한 해결책은 공기열원 히트펌프를 설치하여 집을 난방하는 것입니다.

DIY 설치

주택 소유자가 장비의 작동 원리와 회로 설계에 대해 잘 알고 있다면 펌프를 직접 조립할 수 있습니다. 하지만 사전 계산이 필요하며, 이를 위해 냉각 시스템 최적화용 소프트웨어를 사용하는 것이 좋습니다.

히트펌프 간단하고 저렴함 1

가장 간단한 설치 방법은 자가 제작 공기열원 난방 시스템입니다. 이 시스템은 두 개의 덕트(하나는 공기 공급용, 하나는 배기용), 팬, 그리고 압축기로 구성됩니다.

새 압축기를 구입할 필요는 없습니다. 냉장고나 다른 장비에서 작동 중인 압축기를 사용할 수 있습니다. 스크롤 압축기를 권장합니다.

작업 단계:

1. 구리 파이프로 코일을 만드세요. 냉매가 흐르는 파이프를 그 위에 올려놓으세요.
2. 코일을 반으로 나뉜 플라스틱 용기에 장착하세요. 이것이 증발기 역할을 할 것입니다.
3. 온도 조절 밸브를 연결하고 절연 처리하십시오.
4. 모든 요소를 ​​하나의 블록으로 조립하고 기능을 확인하십시오.

이 절차는 일반인에게는 상당히 복잡하다는 점을 유의해야 합니다. 전문가가 아닌 사람은 모든 부품을 제대로 조립하고 온도 조절 밸브를 연결할 수 없을 것입니다.

작업 절차상의 오류는 장비 오작동이나 비효율적인 에너지 소비를 초래할 수 있으므로 전문가에게 맡기는 것이 가장 좋습니다.

따라서 히트펌프는 개인 주택 난방에 효과적인 방법입니다. 이러한 장비는 러시아와 CIS 국가에서는 널리 사용되지 않지만, 유럽과 미국에서는 난방용으로 널리 사용되고 있습니다.

적절한 열펌프를 선택할 때는 설치 및 운영 비용뿐만 아니라 사용 지역, 건축 조건, 부지 면적 등의 요소를 고려하는 것이 좋습니다.