Pompă de căldură pentru încălzirea locuințelor – principiu de funcționare, tipuri și instalare

O pompă de căldură este un dispozitiv pentru transferul de energie termică de la o sursă la un consumator.

Căldura este transferată spontan de la un corp fierbinte la unul rece. Pompa transferă căldura în direcția opusă.

Designul constă dintr-un compresor, o supapă de expansiune termică, un evaporator și un condensator. Un exemplu tipic de pompă de căldură este un aparat de aer condiționat.

Pentru a determina ce tip de pompă să alegeți pentru uz casnic, este recomandat să studiați caracteristicile fiecărui model și principiile lor de funcționare. Fiecare tip are, de asemenea, limitări de care este important să fiți conștienți.

Principiul de funcționare al pompelor de căldură

Pompele de căldură abia încep să fie utilizate pe scară largă în locuințele private. Unul dintre principalele avantaje ale acestei metode de încălzire este consum redus de energie, dar generare mare de căldurăClasificarea se bazează pe sursa de căldură.

Un aparat de încălzire pentru uz casnic funcționează pe principiul conform căruia o substanță (agentul frigorific) poate elibera sau absorbi energie termică în timpul unei schimbări de stare. Acest principiu stă la baza funcționării unui frigider (motiv pentru care partea din spate a aparatului este fierbinte).

Pompa de căldură pentru încălzire funcționează după cum urmează:

1. Agentul de intrare este răcit cu 5 grade în secțiunea de evaporare pe baza energiei de la agentul termic.
2. Agentul răcit intră în compresor, care îl comprimă și îl încălzește ca urmare a funcționării sale.
3. Gazul deja fierbinte intră în compartimentul de schimb de căldură, unde cedează propria căldură sistemului de încălzire.
4. Agentul frigorific condensat se întoarce la începutul ciclului.

Există, de asemenea, unele modele care pot funcționa în mod invers. Aceasta înseamnă că pot fi folosite chiar și vara pentru a răci clădirea. Căldura este trimisă la stocare și apoi utilizată pentru încălzire în lunile mai reci.

Dispozitiv

O pompă de căldură pentru încălzirea unei locuințe este alcătuită din mai multe elemente de circuit de bază:

• un circuit cu un agent de răcire care deplasează energia de la sursa de căldură;
• un circuit cu freon, care se evaporă periodic, preluând energie termică din primul circuit și se depune din nou sub formă de condens, transferând căldură către al treilea;
• un circuit în care circulă un lichid care acționează ca purtător de căldură pentru încălzire.

Dispozitiv cu pompă de căldură

Utilizarea unei pompe de căldură pentru încălzirea unei locuințe este rentabilă. Acest lucru se datorează faptului că dispozitivul nu necesită multă energie (și, prin urmare, nu consumă mai multă energie electrică decât un aparat electrocasnic standard), însă produce de patru ori mai multă căldură decât energia electrică consumată.

De asemenea, nu este nevoie să creați o linie de cabluri separată pentru conectarea pompei.

Argumente pro şi contra

Înainte de a decide dacă să utilizați sau nu o pompă de căldură, ar trebui să vă familiarizați cu avantajele și dezavantajele funcționării acesteia. Să analizăm mai îndeaproape avantajele și dezavantajele utilizării unei pompe de căldură..

Utilizarea centralelor termice în lume

Practica utilizării unor astfel de unități de încălzire în lume a fost de mai bine de 50 de aniPrincipalele forțe motrice din spatele acestui fenomen au fost creșterea costului resurselor energetice tradiționale și sprijinul larg al guvernelor din multe țări pentru utilizarea surselor alternative de energie.

Prin urmare, numărul pompelor de căldură este în continuă creștere într-un ritm rapid – până la 10–30% pe an, în ciuda costurilor ridicate de instalare. Numărul unor astfel de dispozitive este în prezent de peste 270.

Sistemele termice sunt cel mai utilizate în Statele Unite și Canada, reprezentând până la jumătate din instalațiile utilizate la nivel mondial.

În ciuda condițiilor favorabile pentru utilizarea pompelor de căldură, Rusia este în urma tendințelor globale în utilizarea acestora. Acest lucru se datorează probabil încrederii noastre în disponibilitatea completă a resurselor naturale.

Totuși, nu toate zonele populate din țară au conducte de gaz. Experiența globală cu pompele de căldură indică tendințe pozitive în utilizarea lor.

Calculul pompei de căldură

După cum am menționat mai sus, sursele de căldură cu potențial redus pentru astfel de pompe sunt cel mai adesea următoarele medii:

1. Aer din spațiul exterior cu o temperatură medie de -15 până la +25 grade.
2. Aerul provine dintr-o cameră încălzită, temperatura sa fiind de +15 - +25 grade.
3. Aerul din sonda subterană s-a încălzit la plus 4 - 10 grade.
4. Aer din formațiuni geotermale, a cărui temperatură poate fi de 10 grade sau mai mult.
5. Aer din sondele de fund ale corpurilor de apă neînghețate cu o temperatură de 0–10 grade, inclusiv cel obținut din sondele instalate în canalele de ape uzate industriale ale întreprinderilor.

Metoda de calcul

Orice calcul termic este un proces complex, care poate fi efectuat doar de către specialiști calificați. Cu toate acestea, se poate propune o metodologie simplificată, suficientă pentru a obține un rezultat care determină alegerea unui anumit model de unitate.

Calculul se reduce la efectuarea mai multor pași:

1. Determinarea pierderilor de căldură prin elementele împrejmuitoare ale unei clădiri – pereți, tavane, mansarde, ferestre, uși etc. Acest lucru se poate realiza folosind următoarea relație:

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

S – suprafața totală a tuturor elementelor de închidere a clădirii, m²;

t вн – temperatura exterioară, în grade Celsius;

t nar – temperatura aerului în spațiul exterior, în grade Celsius;

n este un coeficient care ia în considerare structura clădirii; pentru clădirile deschise este egal cu 1; pentru clădirile cu mansardă se aplică la o valoare de 0,9; pentru spațiile situate la subsol se consideră egal cu 0,75;

b – coeficientul de pierdere suplimentară de căldură, în funcție de tipul clădirii și de amplasarea acesteia în zonele climatice ale Rusiei, valoarea sa poate fluctua în intervalul 0,05 – 0,27;

Rт este rezistența termică, care trebuie calculată suplimentar folosind formula:

Rт = 1( , m²xC/W, unde

• valorile calculate ale conductivității termice a materialelor structurii de închidere;
• coeficientul de disipare a căldurii de pe suprafețele interne;
• același lucru și pentru suprafețele exterioare.

După efectuarea calculelor preliminare, determinăm pierderile totale de căldură din diverși factori:

Qт.пот = Qок+Qи-Qbl, Unde

Qbl – transferul total de căldură provenit din funcționarea aparatelor electrocasnice și din activitatea umană;

Qи – costuri energetice pentru compensarea pierderilor de căldură datorate scurgerilor din structurile de înconjurare.

2. Pe baza rezultatelor obținute, putem calcula cererea anuală de energie electrică. Pentru a face acest lucru, folosim următorul raport:

Qan = 24x0,63 x Qt.pot x ((dx (tin-toutout) : (tin-tout)) (kW/oră) pe an, Unde:

• tvn - valoarea temperaturii dorite în interiorul casei;
• t nar – temperatura exterioară efectivă;
• tнар.ср – temperatura medie anuală în regiune;
• d – durata perioadei de încălzire, în zile.

3. Pentru a înțelege mai bine ce înseamnă o pompă de căldură, trebuie să calculați cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea apei din sistemul de încălzire al locuinței dumneavoastră. Acest lucru se poate face folosind următoarea formulă de calcul:

Qhor.v = V x 17 kW/ pe an, Unde:

V – volumul consumului zilnic de apă încălzită la 50^O CU.

Prin urmare, costurile energiei pentru satisfacerea necesarului de căldură și apă caldă se vor ridica la:

Q = Qan + Qgv (kW/oră pe an).

Se recomandă creșterea rezultatului obținut cu 10%, ținând cont de funcționarea mai intensivă a sistemului în timpul sarcinilor de vârf. Un calcul preliminar al capacității pompei de căldură pentru încălzirea locuinței permite o selecție precisă a instalației.

Pentru a efectua calculul, puteți utiliza un calculator special, acestea fiind disponibile din abundență pe internet.

Tipuri de pompe de căldură

Există mai multe tipuri de dispozitive în funcție de sursa de căldură utilizată. Principiul de funcționare al unei pompe de încălzire pentru locuințe presupune căldura este extrasă din surse care sunt cele mai capabile să acumuleze energie solară pe tot parcursul sezonului.

Următoarele tipuri de dispozitive sunt disponibile pentru vânzare:

• pământ (pământ - apă);
• aer (aer - aer);
• aer - apă;
• apă (apă - apă).

Să le analizăm mai detaliat mai jos.

Aer - apă

Cum funcționează pompa AER-APĂ Procesul implică încălzirea agentului de răcire într-un sistem de pompă de căldură cu aer cald. Un ventilator împinge aer cald din mediul înconjurător în sistem.

Pompă de căldură aer-apă

Acolo, interacționează cu agentul frigorific, care se încălzește în urma acestei interacțiuni, transformându-se în gaz. Gazul intră apoi în compresor, unde este forțat sub presiune în condensatorul intern, transferându-și căldura apei.

Pământ - apă

Solul este cea mai stabilă și, prin urmare, populară sursă de căldură. La o adâncime de 4 până la 8 metri, temperatura este constantă la 5 până la 8 grade peste zero, iar la o adâncime de 10 metri, crește la 10 grade. Există două metode principale de colectare a energiei termice:

• folosind un colector orizontal;
• prin intermediul unei sonde geotermale verticale.

Primul tip constă dintr-un set de țevi așezate orizontal pentru a transporta lichidul de răcire. Adâncimea de instalare trebuie calculată individual pentru fiecare caz, în funcție de teren, climă și alți factori.

În unele situații, este recomandabil să amplasați conducta la adâncimea de îngheț a solului (1,4 - 1,8 m), 2,5 - 3,5 metri (dacă este necesar să se reducă diferența de temperatură și să se obțină o constanță mai mare) sau 1 - 1,3 metri (La această adâncime, solul se încălzește mai repede primăvara.) Uneori, se instalează chiar și un colector special format din două straturi.

Acest tip de colector folosește țevi cu o secțiune transversală de 25, 32 sau 40 mm. Acestea pot fi așezate în diverse modele: spirală, fulger, serpentină, buclă etc. Dacă se utilizează un model serpentin, țevile trebuie distanțate între 0,6 și 1 metru (cel mai frecvent, 80 de centimetri).

Pentru a calcula rata de transfer termic al unei conducte, trebuie luat în considerare tipul de sol. Pentru nisip uscat sau argilă, rata de transfer termic este de 10 și respectiv 20 W pe metru liniar; pentru argilă umedă, rata de transfer termic este de 25 W; iar pentru argilă cu un conținut ridicat de umiditate, rata de transfer termic este de 35 W.

Dezavantajul acestui tip de colector este necesitatea unui sistem mare. Dacă suprafața casei încălzite este de 100 de metri pătrați, iar solul este alcătuit din argilă umedă, atunci sistemul de colectare va necesita 400 de metri pătrați de teren, adică aproximativ 500 de metri pătrați.

Având în vedere că clădirile și alte obiecte nu pot fi amplasate la suprafață (se poate amplasa doar o peluză cu plante de 1 an), nu toți proprietarii vor putea aloca suficient spațiu liber.

În acest caz, o sondă verticală este o soluție mai potrivită. Aceasta constă dintr-un schimbător de căldură în care țevile sunt îngropate în pământ la o adâncime de până la 200 m. Numărul de sonde instalate depinde de puterea de încălzire necesară.

Forajele superficiale ar trebui să fie distanțate la aproximativ 5-8 metri una de cealaltă. Forarea unei singure conducte la o adâncime de 100-200 de metri nu este rentabilă și sunt necesare și autorizații de la autoritățile competente. Pentru a evita acest lucru, este recomandabil să se instaleze mai multe conducte.

Astfel, singurul dezavantaj al structurilor verticale este costul ridicat al forării puțurilor adânci.

Cu toate acestea, în ciuda acestui fapt, sonda este o soluție mai populară, deoarece oferă o eficiență suficientă fără cerințe pentru zona amplasamentului sau alți factori limitativi.

Apa este apă

O altă sursă populară de căldură pentru încălzirea locuințelor este apa. Există trei tipuri de astfel de sisteme, în funcție de sursa lichidului:

• un colector plasat pe fundul unei întinderi deschise de apă (nu trebuie să înghețe) – mări, râuri, lacuri;
• un colector situat în canalizare;
• folosind apa din fântâni sau din apele subterane.

Prima opțiune implică plasarea țevilor antigel sub apă. Pentru a preveni ridicarea lor la suprafață, acestea sunt fixate cu greutăți suplimentare. Datorită temperaturii ridicate a lichidului de răcire, această metodă este considerată eficientă, dar și rentabilă.

Dezavantajul este că o astfel de structură poate fi construită doar dacă iazul este situat la cel mult 50 de metri de proprietate. În caz contrar, instalarea și funcționarea vor fi neeconomice. Cu toate acestea, pentru locuitorii de pe coastă, o pompă de căldură bazată pe sursa de apă este o soluție optimă pentru încălzirea locuinței.

Folosind apele uzate epurate și apele uzate evacuate din instalațiile de procesare, un colector poate încălzi clădiri cu mai multe etaje și instalații industriale și poate furniza apă caldă. Acest sistem este rar utilizat pentru încălzirea locuințelor private, deoarece acestea sunt adesea amplasate departe de sistemul central de canalizare.

Un colector care colectează apă din fântâni sau din apele subterane este utilizat mai rar decât alte tipuri. Acest lucru se datorează în mare parte necesității de a construi două gropi. Prima colectează lichidul, care apoi își transferă energia termică agentului frigorific, în timp ce a doua primește apa răcită.

În unele cazuri, în loc de foraj se construiește o sondă de percolare. Sonda de evacuare trebuie amplasată în aval de nivelul pânzei subterane și la 20 de metri distanță de sonda originală.

Acest sistem este destul de dificil de instalat și întreținutMonitorizarea regulată a componentelor pompei pentru coroziune și contaminare este esențială. De asemenea, este important să se monitorizeze calitatea apei de intrare și să se filtreze prompt.

Aer - aer

Pompele de căldură cu sursă de aer oferă un avantaj distinct față de alte tipuri de unități. O pompă de căldură folosește doar aerul ca sursă de căldură, eliminând necesitatea forării de puțuri sau a instalării de colectoare de apă. Prin urmare, pompele de căldură cu sursă de aer sunt semnificativ mai puțin costisitoare.

Acest tip are cea mai simplă structură și principiu de funcționare. Aerul intră în evaporator, unde transferă căldură agentului frigorific. Această căldură este apoi transferată de la evaporator la agentul termic direct în casă. Acest tip de încălzire poate fi reprezentat, de exemplu, prin convectoare de ventilație (ventilatoare) sau un sistem de încălzire prin pardoseală.

Costul de instalare al acestui dispozitiv este relativ scăzut în comparație cu sistemele bazate pe apă sau terestre, iar eficiența sa depinde în primul rând de temperatura aerului. Dacă locuiți într-o zonă cu ierni calde (cel puțin 0°C), această metodă este considerată cea mai rentabilă.

Dacă temperatura scade sub -15 grade, atunci pompa nu va putea asigura o încălzire suficientă a încăperii, prin urmare, va fi mai potrivit să se utilizeze încălzirea electrică sau cu boiler a încăperii.

Dacă este important să se utilizeze o pompă de aer în regiuni cu ierni reci, atunci se instalează o sursă suplimentară de căldură de rezervă, care va fi conectată în timpul înghețurilor severe.

De asemenea, este posibilă în unele cazuri instalarea unui sistem de aer dacă clima este uscată și temperatura nu scade sub -15 grade.

În condiții de umiditate și ger, pe corpul dispozitivului se va forma un strat de gheață, care va interfera cu funcționarea acestuia și poate provoca defectarea rapidă a acestuia.

Prețuri și producători

Valoarea medie aproximativă de piață a echipamentului și a instalării acestuia este:

Colector orizontal:

• Pompă – 4500 USD;
• instalare — 2500 USD;
• cost de operare - 350 USD pe an.

Sondă geotermală:

• Pompă – 4500 USD;
• instalare — 4.500 USD;
• cost de operare - 320 USD pe an.

Aer - pentru casă:

• Pompă – 6500 USD;
• instalare — 400 USD;
• cost de operare - 480 USD pe an.

Pompă apă-apă pentru casă:

• Pompă de căldură – 4500 USD;
• instalare — 3.500 USD;
• cost de operare - 280 USD pe an.

Prețurile afișate nu sunt finale. Costul final va depinde de țara și producătorul dispozitivului, tipul de teren, climă, costurile de foraj, condițiile de construcție etc.

De exemplu, prețul unei pompe de aer de la un producător rus va fi de aproximativ 7.000 de dolari, în timp ce de la unul străin va fi de 13.000 de dolari.

Nu uitați nici de costul energiei electrice. Chiar dacă echipamentul nu consumă multă energie, aceste cheltuieli ar trebui neapărat luate în considerare în estimarea și bugetul general.

Ce pompă să aleg?

Pentru a decide ce dispozitiv să alegeți, trebuie să luați în considerare următorii factori:

• Buget estimat – câți bani este dispus să cheltuiască proprietarul pentru instalarea și conectarea întregului sistem;
• care este sistemul de încălzire existent sau planificat în interiorul casei - încălzire prin pardoseală, calorifere etc.;
• Câți metri pătrați este dispus proprietarul să aloce pe amplasament pentru crearea unui colector;
• Este posibil să se foreze adânc?
• necesitatea unui studiu geologic (dacă este planificată o sondă geotermală) pentru a determina la ce adâncime ar trebui amplasat colectorul;
• Este necesară condiționarea fluxului de aer vara?
• Vor fi instalate dispozitive de încălzire a aerului?

Atunci când alegeți o pompă de căldură, se recomandă să acordați atenție „coeficientului de transformare a căldurii” (notat cu ϕ). Acesta determină eficiența dispozitivului. Dacă la achiziție este specificat ϕ=4, atunci cu un consum de energie electrică de 1 kW, pompa de căldură va produce 4 kW de energie termică.

Atunci când vă planificați bugetul, este important să luați în considerare nu doar costul de achiziție al pompei, ci și costurile viitoare de funcționare. Acești factori diferă adesea.

De exemplu, instalarea unui sistem aer-apă va avea costuri de instalare reduse, dar va necesita costuri de operare semnificative din cauza eficienței sale scăzute. Dacă trebuie să minimizați costurile de operare, atunci o pompă de căldură geotermală verticală este soluția ideală.

Costul unui sistem bazat pe sol sau apă și instalarea acestuia este destul de ridicat, necesitând o investiție inițială semnificativă. Cu toate acestea, o pompă de căldură utilizată pentru încălzire se va amortiza în 5-10 ani. Prin urmare, decizia de achiziționare a acestui dispozitiv ar trebui să se bazeze pe capacitățile financiare și pe condițiile de construcție ale clădirii (amplasare, climă etc.).

Dacă, de exemplu, forajul adânc nu este posibil pe un amplasament, suprafața acestuia nu permite amplasarea unui colector orizontal și nu există ape în apropiere, singura soluție este instalarea unei pompe de căldură cu sursă de aer pentru încălzirea casei.

Instalare DIY

Dacă proprietarul casei cunoaște bine principiile de funcționare și proiectarea circuitelor echipamentului, poate asambla pompa singur. Cu toate acestea, sunt necesare calcule preliminare; pentru aceasta, utilizați software gata preparat pentru optimizarea sistemelor de răcire.

Cea mai puțin complicată instalare este un sistem de încălzire aer-apă pe care îl puteți face singuri. Acesta va consta din două conducte (una pentru alimentarea cu aer și una pentru evacuare), un ventilator și un compresor.

Nu trebuie să cumpărați un compresor nou; puteți folosi o unitate funcțională de la un frigider sau de la alt echipament. Se recomandă un compresor scroll.

Etapele lucrului:

1. Faceți o serpentina dintr-o țeavă de cupru. Așezați deasupra țeava care transportă agentul frigorific.
2. Montați bobina într-un recipient de plastic împărțit în jumătate. Acesta va acționa ca evaporator.
3. Conectați robinetul termostatic și izolați-l.
4. Asamblați toate elementele într-un bloc și verificați funcționalitatea acestuia.

Este important de menționat că această procedură este destul de complexă pentru o persoană obișnuită. O persoană neprofesionistă nu va putea asambla corect toate piesele și conecta robinetul termostatic.

Cel mai bine este să încredințați lucrarea unor profesioniști, deoarece erorile în procedură vor cauza funcționarea defectuoasă a echipamentului sau un consum ineficient de energie.

Prin urmare, o pompă de căldură este o modalitate eficientă de a încălzi o locuință privată. Deși acest tip de echipament nu este utilizat pe scară largă în Rusia și CSI, este utilizat pe scară largă pentru încălzire în Europa și SUA.

Se recomandă alegerea pompei de căldură adecvate nu numai în funcție de costul instalării și funcționării, ci și de regiunea de utilizare, condițiile de construcție, zona amplasamentului și alți factori.