Pompa ciepła do ogrzewania domu – zasada działania, rodzaje i montaż

Pompa ciepła to urządzenie służące do przesyłania energii cieplnej ze źródła do odbiorcy.

Ciepło jest spontanicznie przekazywane z ciała ciepłego do zimnego. Pompa przekazuje ciepło w przeciwnym kierunku.

Konstrukcja składa się ze sprężarki, zaworu rozprężnego, parownika i skraplacza. Typowym przykładem pompy ciepła jest klimatyzator.

Aby określić, jaki typ pompy wybrać do użytku domowego, zaleca się zapoznanie się z cechami każdego modelu i zasadą jego działania. Każdy typ ma również ograniczenia, o których warto wiedzieć.

Zasada działania pomp ciepła

Pompy ciepła dopiero zaczynają być szeroko stosowane w domach prywatnych. Jedną z głównych zalet tej metody ogrzewania jest niskie zużycie energii, ale wysoka generacja ciepłaKlasyfikacja opiera się na źródle ciepła.

Domowe urządzenie grzewcze działa w oparciu o zasadę, że substancja (czynnik chłodniczy) może uwalniać lub absorbować energię cieplną podczas zmiany stanu skupienia. Zasada ta leży u podstaw działania lodówki (dlatego tylna część urządzenia jest gorąca).

Działanie pompy ciepła jest następujące:

1. W sekcji parowania czynnik wlotowy zostaje schłodzony o 5 stopni dzięki energii pochodzącej z nośnika ciepła.
2. Schłodzony czynnik trafia do sprężarki, która w wyniku swojej pracy go spręża i ogrzewa.
3. Gorący gaz trafia do komory wymiany ciepła, gdzie oddaje ciepło systemowi grzewczemu.
4. Skroplony czynnik chłodniczy powraca na początek cyklu.

Dostępne są również modele z funkcją pracy w trybie odwróconym. Oznacza to, że można ich używać nawet latem do chłodzenia budynku. Ciepło jest magazynowane, a następnie wykorzystywane do ogrzewania w chłodniejszych miesiącach.

Urządzenie

Pompa ciepła służąca do ogrzewania domu składa się z kilku podstawowych elementów obwodu:

• obwód z czynnikiem chłodzącym, który przenosi energię ze źródła ciepła;
• obwód z freonem, który okresowo paruje, pobierając energię cieplną z pierwszego obwodu i ponownie osadza się jako kondensat, przekazując ciepło do trzeciego obwodu;
• obieg, w którym krąży ciecz, pełniąca funkcję nośnika ciepła w procesie ogrzewania.

Urządzenie pompy ciepła

Ogrzewanie domu za pomocą pompy ciepła jest opłacalne. Dzieje się tak, ponieważ urządzenie nie zużywa dużo energii (a zatem nie zużywa więcej prądu niż standardowe urządzenie gospodarstwa domowego), a jednocześnie wytwarza cztery razy więcej ciepła niż zużywa energii elektrycznej.

Nie ma również potrzeby tworzenia oddzielnej linii okablowania do podłączenia pompy.

Plusy i minusy

Zanim podejmiesz decyzję o zastosowaniu pompy ciepła, powinieneś zapoznać się z zaletami i wadami jej działania. Przyjrzyjmy się bliżej zaletom i wadom stosowania pompy ciepła..

Wykorzystanie elektrowni cieplnych na świecie

Praktyka stosowania takich urządzeń grzewczych na świecie jest od ponad 50 latGłówną siłą napędową tego zjawiska był rosnący koszt tradycyjnych źródeł energii i powszechne poparcie rządów wielu krajów dla korzystania z alternatywnych źródeł energii.

Dlatego liczba pomp ciepła stale rośnie w szybkim tempie – do 10–30% rocznie, pomimo wysokich kosztów instalacji. Liczba takich urządzeń wynosi obecnie ponad 270.

Systemy cieplne są najszerzej stosowane w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie, gdzie stanowią aż połowę instalacji wykorzystywanych na całym świecie.

Pomimo sprzyjających warunków dla wykorzystania pomp ciepła, Rosja pozostaje w tyle za światowymi trendami w ich wykorzystaniu. Wynika to prawdopodobnie z naszego przekonania o pełnej dostępności zasobów naturalnych.

Jednak nie wszystkie zaludnione obszary w kraju posiadają gazociągi. Globalne doświadczenia z pompami ciepła wskazują na pozytywne trendy w ich wykorzystaniu.

Obliczenia pompy ciepła

Jak już wspomnieliśmy powyżej, źródłami ciepła o niskim potencjale dla tego typu pomp są najczęściej następujące media:

1. Powietrze z przestrzeni zewnętrznej o średniej temperaturze od -15 do +25 stopni.
2. Powietrze pobierane jest z ogrzewanego pomieszczenia, jego temperatura wynosi +15 - +25 stopni.
3. Powietrze z sondy podziemnej ogrzało się do temperatury plus 4 - 10 stopni.
4. Powietrze pochodzące ze źródeł geotermalnych, którego temperatura może wynosić 10 stopni i więcej.
5. Powietrze z sond dolnych zbiorników wodnych niezamarzających o temperaturze 0–10 stopni, w tym uzyskane w sondach zainstalowanych w kanałach ścieków przemysłowych przedsiębiorstw.

Metoda obliczeniowa

Każde obliczenie termiczne to złożony proces, który mogą wykonać tylko wykwalifikowani specjaliści. Można jednak zaproponować uproszczoną metodologię, wystarczającą do uzyskania wyniku decydującego o wyborze konkretnego modelu urządzenia.

Obliczenia sprowadzają się do wykonania kilku kroków:

1. Określanie ilości ciepła traconego przez elementy obudowy budynku – ściany, sufity, poddasza, okna, drzwi itp. Można to osiągnąć, stosując następującą zależność:

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

S – łączna powierzchnia wszystkich elementów obudowy budynku, m²;

t вн – temperatura zewnętrzna, stopnie C;

t nar – temperatura powietrza w przestrzeni zewnętrznej, stopnie C;

n jest współczynnikiem uwzględniającym konstrukcję budynku; dla budynków otwartych wynosi on 1; dla budynków z poddaszami użytkowymi przyjmuje się jego wartość 0,9; dla pomieszczeń znajdujących się w piwnicy przyjmuje się go jako równy 0,75;

b – współczynnik dodatkowej utraty ciepła, w zależności od rodzaju budynku i jego lokalizacji w strefach klimatycznych Rosji, jego wartość może wahać się w granicach 0,05 – 0,27;

Rт to opór cieplny, który dodatkowo należy obliczyć korzystając ze wzoru:

Rt = 1( , m²xC/W, gdzie

• obliczone wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiałów konstrukcji obudowy;
• współczynnik rozpraszania ciepła z powierzchni wewnętrznych;
• to samo dotyczy powierzchni zewnętrznych.

Po przeprowadzeniu wstępnych obliczeń określamy całkowite straty ciepła z różnych czynników:

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, Gdzie

Qbl – całkowite ciepło przekazywane z pracy urządzeń gospodarstwa domowego i działalności człowieka;

Qi – koszty energii przeznaczonej na kompensację strat ciepła spowodowanych nieszczelnościami w konstrukcjach obudowy.

2. Na podstawie uzyskanych wyników możemy obliczyć roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną. W tym celu stosujemy następujący współczynnik:

Qrok = 24x0,63 x Qt.pot x ((dx (tin-toutdoor) : (tin-tout)) (kW/godzinę) rocznie, Gdzie:

• tvn - pożądana wartość temperatury wewnątrz domu;
• t nar – rzeczywista temperatura zewnętrzna;
• tнар.ср – średnia roczna temperatura w regionie;
• d – czas trwania sezonu grzewczego, dni.

3. Aby lepiej zrozumieć działanie pompy ciepła, należy obliczyć ilość ciepła potrzebną do podgrzania wody w domowym systemie grzewczym. Można to zrobić, korzystając z poniższego wzoru:

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

V – objętość dziennego zużycia wody podgrzanej do 50°C^O Z.

W efekcie koszty energii potrzebnej do zaspokojenia zapotrzebowania na ciepło i ciepłą wodę wyniosą:

Q = Qrok + Qgv, (kW/godzinę rocznie).

Zaleca się zwiększenie uzyskanego wyniku o 10%, biorąc pod uwagę intensywniejszą pracę systemu w okresach szczytowego obciążenia. Wstępne obliczenie wydajności pompy ciepła do ogrzewania domu pozwala na trafny dobór instalacji.

Do wykonania obliczeń można posłużyć się specjalnym kalkulatorem, których jest mnóstwo w Internecie.

Rodzaje pomp ciepła

Istnieje kilka rodzajów urządzeń w zależności od wykorzystywanego źródła ciepła. Zasada działania pompy ciepła opiera się na założeniu, że ciepło jest pobierane ze źródeł, które najlepiej akumulują energię słoneczną przez cały sezon.

W sprzedaży dostępne są następujące typy urządzeń:

• grunt (ziemia - woda);
• powietrze (powietrze - powietrze);
• powietrze - woda;
• woda (woda - woda).

Przyjrzyjmy się im bardziej szczegółowo poniżej.

Powietrze - woda

Jak działa pompa POWIETRZE-WODA Proces ten polega na podgrzewaniu czynnika chłodzącego w systemie pompy ciepła ciepłym powietrzem. Wentylator wtłacza ciepłe powietrze z otoczenia do systemu.

Pompa ciepła powietrze-woda

Tam wchodzi w interakcję z czynnikiem chłodniczym, który w wyniku tej interakcji nagrzewa się i przechodzi w stan gazowy. Następnie gaz trafia do sprężarki, gdzie pod ciśnieniem jest wtłaczany do wewnętrznego skraplacza, przekazując ciepło wodzie.

Ziemia - woda

Gleba jest najbardziej stabilnym, a zatem popularnym źródłem ciepła. Na głębokości od 4 do 8 metrów temperatura utrzymuje się na stałym poziomie 5 do 8 stopni powyżej zera, a na głębokości 10 metrów wzrasta do 10 stopni. Istnieją dwie główne metody pozyskiwania energii cieplnej:

• za pomocą kolektora poziomego;
• za pomocą pionowej sondy geotermalnej.

Pierwszy typ składa się z zestawu rur ułożonych poziomo, które transportują chłodziwo. Głębokość instalacji należy obliczyć indywidualnie dla każdego przypadku, w zależności od terenu, klimatu i innych czynników.

W niektórych sytuacjach wskazane jest ułożenie rurociągu na głębokości zamarzania gruntu (1,4 - 1,8 m), 2,5 - 3,5 metra (jeśli zachodzi potrzeba zmniejszenia różnicy temperatur i uzyskania większej stałości) lub 1 - 1,3 metra (Na tej głębokości gleba nagrzewa się wiosną szybciej.) Czasami montuje się nawet specjalny kolektor składający się z dwóch warstw.

W tym typie kolektora stosuje się rury o przekroju 25, 32 lub 40 mm. Można je układać w różne wzory: spiralny, piorunowy, serpentynowy, pętlowy itp. W przypadku układu serpentynowego, rury należy układać w odstępach od 0,6 do 1 metra (najczęściej 80 centymetrów).

Aby obliczyć współczynnik przenikania ciepła rurociągu, należy uwzględnić rodzaj gruntu. Dla suchego piasku lub gliny współczynnik przenikania ciepła wynosi odpowiednio 10 i 20 W na metr bieżący; dla mokrej gliny współczynnik przenikania ciepła wynosi 25 W; a dla gliny o wysokiej zawartości wilgoci współczynnik przenikania ciepła wynosi 35 W.

Wadą tego typu kolektorów jest konieczność zastosowania dużego systemu. Jeśli powierzchnia ogrzewanego domu wynosi 100 metrów kwadratowych, a gleba składa się z wilgotnej gliny, instalacja kolektorów będzie wymagała 400 metrów kwadratowych działki, czyli około 500 metrów kwadratowych.

Biorąc pod uwagę, że na powierzchni nie da się zlokalizować budynków ani innych obiektów (można umieścić jedynie trawnik z jednorocznymi roślinami), nie wszyscy właściciele będą mogli wygospodarować wystarczająco dużo wolnej przestrzeni.

W tym przypadku bardziej odpowiednim rozwiązaniem jest sonda pionowa. Składa się ona z wymiennika ciepła, w którym rury są zakopane w gruncie na głębokość do 200 m. Liczba zainstalowanych sond zależy od wymaganej mocy grzewczej.

Płytkie odwierty powinny być oddalone od siebie o około 5-8 metrów. Wiercenie pojedynczej rury na głębokość 100-200 metrów jest nieopłacalne i wymaga również uzyskania pozwoleń od odpowiednich organów. Aby tego uniknąć, zaleca się instalację wielu rur.

Jedyną wadą konstrukcji pionowych jest wysoki koszt wiercenia głębokich studni.

Mimo to jednak sonda jest rozwiązaniem bardziej popularnym, ponieważ zapewnia wystarczającą wydajność bez żadnych wymagań co do powierzchni terenu lub innych czynników ograniczających.

Woda to woda

Innym popularnym źródłem ciepła do ogrzewania domu jest woda. Istnieją trzy rodzaje takich systemów, w zależności od źródła cieczy:

• kolektor umieszczony na dnie otwartego zbiornika wodnego (nie powinien zamarzać) – morza, rzeki, jeziora;
• kolektor umieszczony w kanale;
• wykorzystując wodę ze studni lub wód gruntowych.

Pierwsza opcja polega na umieszczeniu rur z płynem niezamarzającym pod wodą. Aby zapobiec ich wynurzeniu, zabezpiecza się je dodatkowymi obciążnikami. Ze względu na wysoką temperaturę chłodziwa, metoda ta jest uważana za skuteczną, a jednocześnie ekonomiczną.

Wadą jest to, że taką konstrukcję można zbudować tylko wtedy, gdy staw znajduje się nie dalej niż 50 metrów od nieruchomości. W przeciwnym razie instalacja i eksploatacja będą nieekonomiczne. Jednak dla mieszkańców nadmorskich terenów optymalnym rozwiązaniem ogrzewania domu jest pompa ciepła zasilana wodą.

Wykorzystując oczyszczone ścieki i ścieki odprowadzane z instalacji procesowych, kolektor może ogrzewać budynki wielopiętrowe i zakłady przemysłowe oraz dostarczać ciepłą wodę. System ten jest rzadko wykorzystywany do ogrzewania domów prywatnych, ponieważ często znajdują się one daleko od centralnego systemu kanalizacyjnego.

Kolektory pobierające wodę ze studni lub wód gruntowych są stosowane rzadziej niż inne typy. Wynika to głównie z konieczności budowy dwóch zbiorników. Pierwszy zbiera ciecz, która następnie przekazuje swoją energię cieplną czynnikowi chłodniczemu, a drugi odbiera schłodzoną wodę.

W niektórych przypadkach zamiast odwiertu buduje się studnię przesiąkową. Studnia odprowadzająca powinna znajdować się poniżej poziomu wód gruntowych i 20 metrów od studni pierwotnej.

Ten system jest całkiem trudne w instalacji i utrzymaniuRegularne monitorowanie podzespołów pompy pod kątem korozji i zanieczyszczeń jest niezbędne. Ważne jest również monitorowanie jakości dopływającej wody i jej niezwłoczne filtrowanie.

Powietrze - powietrze

Pompy ciepła powietrze-woda oferują wyraźną przewagę nad innymi typami urządzeń. Pompa ciepła wykorzystuje wyłącznie powietrze jako źródło ciepła, eliminując potrzebę wiercenia studni gruntowych lub instalowania kolektorów wodnych. W rezultacie pompy ciepła powietrze-woda są znacznie tańsze.

Ten typ ogrzewania ma najprostszą konstrukcję i zasadę działania. Powietrze dostaje się do parownika, gdzie oddaje ciepło czynnikowi chłodniczemu. Ciepło to jest następnie przekazywane z parownika do nośnika ciepła bezpośrednio w budynku. Ten rodzaj ogrzewania może być reprezentowany na przykład przez konwektory wentylacyjne (wentylatorowe) lub ogrzewanie podłogowe.

Koszt instalacji tego urządzenia jest stosunkowo niski w porównaniu z systemami wodnymi lub gruntowymi, a jego wydajność zależy przede wszystkim od temperatury powietrza. Jeśli mieszkasz w regionie o ciepłych zimach (minimum 0°C), ta metoda jest uważana za najbardziej opłacalną.

Jeżeli temperatura spadnie poniżej -15 stopni, wówczas pompa nie będzie w stanie zapewnić wystarczającego ogrzania pomieszczenia, dlatego bardziej odpowiednie będzie zastosowanie ogrzewania elektrycznego lub kotłowego.

Jeśli eksploatacja pompy powietrza w regionach o mroźnych zimach ma duże znaczenie, należy zainstalować dodatkowe zapasowe źródło ciepła, które zostanie włączone w czasie silnych mrozów.

W niektórych przypadkach możliwe jest również zainstalowanie systemu wentylacyjnego, jeżeli klimat jest suchy i temperatura nie spada poniżej -15 stopni.

W wilgotnych i mroźnych warunkach na obudowie urządzenia tworzy się warstwa lodu, która utrudnia jego działanie i może spowodować szybką awarię.

Ceny i producenci

Przybliżona średnia wartość rynkowa sprzętu i jego instalacji wynosi:

Kolektor poziomy:

• Pompa – 4500 dolarów;
• instalacja — 2500 dolarów;
• koszt operacyjny - 350 dolarów rocznie.

Sonda geotermalna:

• Pompa – 4500 dolarów;
• instalacja — 4500 dolarów;
• koszt operacyjny - 320 dolarów rocznie.

Powietrze - dla domu:

• Pompa – 6500 dolarów;
• instalacja — 400 dolarów;
• koszt operacyjny - 480 dolarów rocznie.

Pompa woda-woda do domu:

• Pompa ciepła – 4500 dolarów;
• instalacja — 3500 dolarów;
• koszt operacyjny - 280 dolarów rocznie.

Podane ceny nie są ostateczne. Ostateczny koszt będzie zależał od kraju i producenta urządzenia, rodzaju terenu, klimatu, kosztów wiercenia, warunków budowlanych itp.

Przykładowo, cena pompy powietrza rosyjskiego producenta wyniesie około 7 tys. dolarów, natomiast zagranicznego – 13 tys. dolarów.

Nie zapomnij też o kosztach energii elektrycznej. Chociaż sprzęt nie pobiera dużo prądu, te wydatki zdecydowanie powinny zostać uwzględnione w ogólnym kosztorysie i budżecie.

Jaką pompę wybrać?

Aby podjąć decyzję, które urządzenie wybrać, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

• Szacowany budżet – ile pieniędzy właściciel jest skłonny wydać na instalację i podłączenie całego systemu;
• jaki jest istniejący lub planowany system ogrzewania wewnątrz domu - ogrzewanie podłogowe, grzejnikowe itp.;
• Ile metrów kwadratowych właściciel jest skłonny przeznaczyć na działce pod budowę kolektora?
• Czy możliwe jest wiercenie głębokie?
• konieczność przeprowadzenia badań geologicznych (jeśli planowane jest wykonanie sondy geotermalnej) w celu ustalenia głębokości, na jakiej powinien znajdować się kolektor;
• Czy latem trzeba kondycjonować przepływ powietrza?
• Czy zostaną zamontowane urządzenia do ogrzewania powietrza?

Przy wyborze pompy ciepła zaleca się zwrócenie uwagi na „współczynnik przekształcania ciepła” (oznaczony jako ϕ). Określa on sprawność urządzenia. Jeśli przy zakupie podano ϕ=4, to przy zużyciu energii elektrycznej 1 kW pompa ciepła wytworzy 4 kW energii cieplnej.

Planując budżet, ważne jest, aby wziąć pod uwagę nie tylko koszt zakupu pompy, ale także przyszłe koszty eksploatacji. Czynniki te często się różnią.

Na przykład instalacja systemu powietrze-woda będzie wiązała się z niskimi kosztami instalacji, ale będzie wiązała się ze znacznymi kosztami eksploatacyjnymi ze względu na niską sprawność. Jeśli chcesz zminimalizować koszty eksploatacyjne, pionowa pompa ciepła gruntowa będzie najlepszym rozwiązaniem.

Koszt systemu gruntowego lub wodnego oraz jego instalacji jest dość wysoki i wymaga znacznej inwestycji początkowej. Jednak pompa ciepła wykorzystywana do ogrzewania zwróci się w ciągu 5-10 lat. Dlatego decyzję o zakupie tego urządzenia należy podejmować w oparciu o możliwości finansowe oraz warunki zabudowy budynku (lokalizacja, klimat itp.).

Jeśli na przykład na działce nie ma możliwości wykonania głębokich odwiertów, jej powierzchnia nie pozwala na umieszczenie kolektora poziomego, a w pobliżu nie ma żadnych zbiorników wodnych, to jedynym rozwiązaniem jest zainstalowanie powietrznej pompy ciepła do ogrzewania domu.

Instalacja DIY

Jeśli właściciel domu dobrze zna zasady działania i konstrukcję układu, może samodzielnie zmontować pompę. Wymaga to jednak wstępnych obliczeń, do których warto wykorzystać gotowe oprogramowanie do optymalizacji systemów chłodzenia.

Najprostszą instalacją jest system ogrzewania powietrze-woda typu „zrób to sam”. Będzie się on składał z dwóch kanałów (jednego nawiewnego i jednego wywiewnego), wentylatora i sprężarki.

Nie musisz kupować nowej sprężarki; możesz użyć sprawnego urządzenia z lodówki lub innego sprzętu. Zalecana jest sprężarka spiralna.

Etapy pracy:

1. Zrób cewkę z rury miedzianej. Umieść rurę z czynnikiem chłodniczym na górze.
2. Zamontuj wężownicę w plastikowym pojemniku podzielonym na pół. Będzie on pełnił funkcję parownika.
3. Podłącz zawór termostatyczny i zaizoluj go.
4. Złóż wszystkie elementy w blok i sprawdź jego funkcjonalność.

Należy pamiętać, że procedura ta jest dość skomplikowana dla przeciętnego użytkownika. Osoba nieprofesjonalna nie będzie w stanie prawidłowo zmontować wszystkich części i podłączyć zaworu termostatycznego.

Najlepiej powierzyć tę pracę fachowcom, gdyż błędy w wykonaniu tej czynności mogą skutkować nieprawidłowym działaniem sprzętu lub nieefektywnym zużyciem energii.

Pompa ciepła to zatem skuteczny sposób ogrzewania domu. Chociaż tego typu urządzenia nie są powszechnie stosowane w Rosji i WNP, są one powszechnie stosowane do ogrzewania w Europie i USA.

Zaleca się, aby przy wyborze odpowiedniej pompy ciepła kierować się nie tylko kosztami instalacji i eksploatacji, ale także regionem użytkowania, warunkami budowlanymi, powierzchnią działki i innymi czynnikami.