Tepelné čerpadlo na vykurovanie domu – princíp činnosti, typy a inštalácia

Tepelné čerpadlo je zariadenie na prenos tepelnej energie zo zdroja k spotrebiteľovi.

Teplo sa spontánne prenáša z horúceho telesa na studené. Čerpadlo prenáša teplo v opačnom smere.

Konštrukcia pozostáva z kompresora, tepelného expanzného ventilu, výparníka a kondenzátora. Typickým príkladom tepelného čerpadla je klimatizácia.

Aby ste určili, ktorý typ čerpadla si vybrať na domáce použitie, odporúča sa preštudovať si vlastnosti každého modelu a jeho princípy fungovania. Každý typ má aj obmedzenia, ktoré je dôležité poznať.

Princíp fungovania tepelných čerpadiel

Tepelné čerpadlá sa v súkromných domoch len začínajú široko používať. Jednou z hlavných výhod tejto metódy vykurovania je má nízku spotrebu energie, ale vysokú tvorbu teplaKlasifikácia je založená na zdroji tepla.

Domáce vykurovacie zariadenie funguje na princípe, že látka (chladivo) môže uvoľňovať alebo absorbovať tepelnú energiu počas zmeny skupenstva. Tento princíp je základom fungovania chladničky (preto je zadná strana spotrebiča horúca).

Tepelné čerpadlo na vykurovanie funguje nasledovne:

1. Prichádzajúce médium sa v odparovacej sekcii ochladí o 5 stupňov na základe energie z teplonosnej látky.
2. Ochladené médium vstupuje do kompresora, ktorý ho v dôsledku svojej činnosti stláča a ohrieva.
3. Už horúci plyn vstupuje do priestoru na výmenu tepla, kde odovzdáva svoje vlastné teplo vykurovaciemu systému.
4. Kondenzované chladivo sa vracia na začiatok cyklu.

Existujú aj niektoré modely, ktoré dokážu pracovať v reverznom režime. To znamená, že ich možno použiť aj v lete na chladenie budovy. Teplo sa akumuluje a potom sa počas chladnejších mesiacov využíva na vykurovanie.

Zariadenie

Tepelné čerpadlo na vykurovanie domu pozostáva z niekoľkých základných prvkov obvodu:

• okruh s chladiacou kvapalinou, ktorá presúva energiu zo zdroja tepla;
• okruh s freónom, ktorý sa periodicky odparuje, odoberá tepelnú energiu z prvého okruhu a opäť sa usadzuje ako kondenzát, čím prenáša teplo do tretieho;
• okruh, v ktorom cirkuluje kvapalina, ktorá slúži ako nosič tepla na vykurovanie.

Zariadenie tepelného čerpadla

Používanie tepelného čerpadla na vykurovanie domu je nákladovo efektívne. Je to preto, že zariadenie nevyžaduje veľa energie (a preto nespotrebúva viac elektriny ako štandardný domáci spotrebič), no napriek tomu produkuje štyrikrát viac tepla, ako spotrebuje elektrina.

Taktiež nie je potrebné vytvárať samostatné vedenie na pripojenie čerpadla.

Výhody a nevýhody

Pred rozhodnutím, či použiť tepelné čerpadlo alebo nie, by ste sa mali oboznámiť s výhodami a nevýhodami jeho prevádzky. Pozrime sa bližšie na výhody a nevýhody používania tepelného čerpadla..

Využitie tepelných elektrární vo svete

Prax používania takýchto vykurovacích jednotiek vo svete bola viac ako 50 rokovHlavnými hnacími silami tohto javu boli rastúce ceny tradičných energetických zdrojov a široká podpora vlád v mnohých krajinách pre využívanie alternatívnych zdrojov energie.

Preto počet tepelných čerpadiel neustále rastie vysokým tempom – až 10 – 30 % ročne, a to aj napriek vysokým nákladom na inštaláciu. Počet takýchto zariadení v súčasnosti presahuje 270.

Tepelné systémy sa najčastejšie používajú v Spojených štátoch a Kanade, pričom tvoria až polovicu inštalácií používaných na celom svete.

Napriek priaznivým podmienkam pre využívanie tepelných čerpadiel Rusko zaostáva za svetovými trendmi v ich využívaní. Je to pravdepodobne spôsobené našou vierou v úplnú dostupnosť prírodných zdrojov.

Nie všetky obývané oblasti v krajine však majú plynovody. Celosvetové skúsenosti s tepelnými čerpadlami naznačujú pozitívne trendy v ich využívaní.

Výpočet tepelného čerpadla

Ako sme už spomenuli vyššie, nízkopotenciálnymi zdrojmi tepla pre takéto čerpadlá sú najčastejšie nasledujúce médiá:

1. Vzduch z vonkajšieho priestoru s priemernou teplotou -15 až +25 stupňov.
2. Vzduch pochádza z vykurovanej miestnosti, jeho teplota je +15 - +25 stupňov.
3. Vzduch z podložnej sondy ohriaty na plus 4 - 10 stupňov.
4. Vzduch z geotermálnych útvarov, ktorého teplota môže byť 10 stupňov alebo viac.
5. Vzduch zo spodných sond nemrznúcich vodných útvarov s teplotou 0–10 stupňov, vrátane vzduchu získaného zo sond inštalovaných v priemyselných odpadových vodných kanáloch podnikov.

Metóda výpočtu

Akýkoľvek tepelný výpočet je zložitý proces, ktorý môžu vykonávať iba kvalifikovaní odborníci. Možno však navrhnúť zjednodušenú metodiku, ktorá je dostatočná na dosiahnutie výsledku, ktorý určuje výber konkrétneho modelu jednotky.

Výpočet sa redukuje na vykonanie niekoľkých krokov:

1. Určenie množstva tepelných strát cez obvodové prvky budovy – steny, stropy, podkrovia, okná, dvere atď. To sa dá dosiahnuť pomocou nasledujúceho vzťahu:

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

S – celková plocha všetkých prvkov obvodového plášťa budovy, m²;

t vn – vonkajšia teplota, stupne C;

t nar – teplota vzduchu vo vonkajšom priestore, stupne C;

n je koeficient, ktorý zohľadňuje konštrukciu budovy; pre otvorené budovy sa rovná 1; pre budovy s podkrovnými priestormi sa uplatňuje s hodnotou 0,9; pre priestory umiestnené v suteréne sa berie ako rovný 0,75;

b – koeficient dodatočných tepelných strát, v závislosti od typu budovy a jej umiestnenia v klimatických pásmach Ruska, jeho hodnota môže kolísať v rozmedzí 0,05 – 0,27;

Rт je tepelný odpor, ktorý sa musí dodatočne vypočítať pomocou vzorca:

Rт = 1( , m²xC/W, kde

• vypočítané hodnoty tepelnej vodivosti materiálov uzatváracej konštrukcie;
• koeficient odvodu tepla z vnútorných povrchov;
• to isté platí pre vonkajšie povrchy.

Po vykonaní predbežných výpočtov určíme celkové tepelné straty z rôznych faktorov:

Qt.pot = Qok+Qi-Qbl, Kde

Qbl – celkový prenos tepla z prevádzky domácich spotrebičov a ľudskej činnosti;

Qi – náklady na energiu na kompenzáciu tepelných strát v dôsledku netesností v obvodových konštrukciách.

2. Na základe získaných výsledkov môžeme vypočítať ročnú spotrebu elektriny. Na to použijeme nasledujúci pomer:

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

• tvn - požadovaná hodnota teploty vo vnútri domu;
• t nar – skutočná vonkajšia teplota;
• tнар.ср – priemerná ročná teplota v regióne;
• d – trvanie vykurovacieho obdobia, dni.

3. Pre presnejšie pochopenie tepelného čerpadla je potrebné vypočítať množstvo tepelného výkonu potrebného na ohrev vody vo vykurovacom systéme vášho domu. To je možné vykonať pomocou nasledujúceho výpočtového vzorca:

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

V – objem dennej spotreby vody ohriatej na 50^O S.

V dôsledku toho budú náklady na energiu na uspokojenie potreby tepla a teplej vody predstavovať:

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

Odporúča sa zvýšiť získaný výsledok o 10 %, berúc do úvahy intenzívnejšiu prevádzku systému počas špičkového zaťaženia. Predbežný výpočet výkonu tepelného čerpadla na vykurovanie domu umožňuje presný výber inštalácie.

Na vykonanie výpočtu môžete použiť špeciálnu kalkulačku, ktorú je na internete k dispozícii v hojnom množstve.

Typy tepelných čerpadiel

Existuje niekoľko typov zariadení v závislosti od použitého zdroja tepla. Princíp fungovania domáceho vykurovacieho čerpadla predpokladá, že teplo sa odoberá zo zdrojov, ktoré sú najlepšie schopné akumulovať slnečnú energiu počas celej sezóny.

Na predaj sú k dispozícii nasledujúce typy zariadení:

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

Pozrime sa na ne podrobnejšie nižšie.

Vzduch - voda

Ako funguje čerpadlo VZDUCH-VODA Proces zahŕňa ohrev chladiacej kvapaliny v systéme tepelného čerpadla teplým vzduchom. Ventilátor vháňa teplý vzduch z okolitého prostredia do systému.

Tepelné čerpadlo vzduch-voda

Tam interaguje s chladivom, ktoré sa v dôsledku tejto interakcie zahrieva a mení sa na plyn. Plyn potom vstupuje do kompresora, kde je pod tlakom tlačený do vnútorného kondenzátora, kde odovzdáva svoje teplo vode.

Zem - voda

Pôda je najstabilnejším a preto obľúbeným zdrojom tepla. V hĺbke 4 až 8 metrov je teplota konštantná na úrovni 5 až 8 stupňov nad nulou a v hĺbke 10 metrov stúpa na 10 stupňov. Existujú dva hlavné spôsoby zhromažďovania tepelnej energie:

• použitie horizontálneho kolektora;
• pomocou vertikálnej geotermálnej sondy.

Prvý typ pozostáva zo sady potrubí uložených horizontálne na vedenie chladiacej kvapaliny. Hĺbka inštalácie sa musí vypočítať individuálne pre každý prípad na základe terénu, podnebia a ďalších faktorov.

V niektorých situáciách je vhodné umiestniť potrubie v hĺbke zamrznutia pôdy (1,4 - 1,8 m), 2,5 - 3,5 metra (ak je potrebné znížiť teplotný rozdiel a dosiahnuť väčšiu stálosť) alebo 1 – 1,3 metra (V tejto hĺbke sa pôda na jar rýchlejšie zahrieva.) Niekedy sa dokonca inštaluje špeciálny kolektor pozostávajúci z dvoch vrstiev.

Tento typ kolektora používa rúry s prierezom 25, 32 alebo 40 mm. Môžu byť uložené v rôznych vzoroch: špirála, blesk, hadovitý, slučkový atď. Ak sa používa hadovitý vzor, ​​rúry by mali byť od seba vzdialené 0,6 až 1 meter (najčastejšie 80 centimetrov).

Na výpočet rýchlosti prenosu tepla potrubia je potrebné zohľadniť typ pôdy. Pre suchý piesok alebo hlinu je rýchlosť prenosu tepla 10 a 20 W na lineárny meter; pre vlhkú hlinu je rýchlosť prenosu tepla 25 W; a pre hlinu s vysokým obsahom vlhkosti je rýchlosť prenosu tepla 35 W.

Nevýhodou tohto typu kolektora je potreba veľkého systému. Ak je plocha vykurovaného domu 100 metrov štvorcových a pôda pozostáva z vlhkej hliny, potom kolektorový systém bude vyžadovať 400 metrov štvorcových pôdy, teda približne 500 metrov štvorcových.

Vzhľadom na to, že budovy a iné objekty nemožno umiestniť na povrch (môže sa umiestniť iba trávnik s ročnými rastlinami), nie všetci majitelia si budú môcť vyhradiť dostatok voľného priestoru.

V tomto prípade je vhodnejším riešením vertikálna sonda. Pozostáva z výmenníka tepla, v ktorom sú potrubia zakopané v zemi do hĺbky až 200 m. Počet inštalovaných sond závisí od požadovaného vykurovacieho výkonu.

Plytké vrty by mali byť od seba vzdialené približne 5 – 8 metrov. Vŕtanie jedného potrubia do hĺbky 100 – 200 metrov nie je nákladovo efektívne a sú potrebné aj povolenia od príslušných orgánov. Aby sa tomu predišlo, je vhodné nainštalovať viacero potrubí.

Jedinou nevýhodou vertikálnych konštrukcií sú teda vysoké náklady na vŕtanie hlbokých vrtov.

Napriek tomu je však sonda obľúbenejším riešením, pretože poskytuje dostatočnú účinnosť bez akýchkoľvek požiadaviek na plochu lokality alebo iných obmedzujúcich faktorov.

Voda je voda

Ďalším obľúbeným zdrojom tepla na vykurovanie domácností je voda. Existujú tri typy takýchto systémov v závislosti od zdroja kvapaliny:

• kolektor umiestnený na dne otvorenej vodnej plochy (nesmel by zamrznúť) – moria, rieky, jazerá;
• kolektor umiestnený v kanalizácii;
• použitím vody zo studní alebo podzemnej vody.

Prvá možnosť spočíva v umiestnení nemrznúcich potrubí pod vodu. Aby sa zabránilo ich vynoreniu na povrch, sú zaistené dodatočnými závažiami. Vzhľadom na zvýšenú teplotu chladiacej kvapaliny sa táto metóda považuje za účinnú a zároveň nákladovo efektívnu.

Nevýhodou je, že takúto stavbu je možné postaviť iba vtedy, ak sa jazierko nachádza maximálne 50 metrov od pozemku. V opačnom prípade bude inštalácia a prevádzka neekonomická. Pre obyvateľov pobrežia je však tepelné čerpadlo voda-voda optimálnym riešením vykurovania domu.

Pomocou vyčistenej odpadovej vody a odpadovej vody vypúšťanej z úpravní môže kolektor vykurovať viacposchodové budovy a priemyselné zariadenia a zabezpečovať teplú vodu. Tento systém sa zriedka používa na vykurovanie súkromných domov, pretože sa často nachádzajú ďaleko od centrálneho kanalizačného systému.

Kolektor, ktorý zhromažďuje vodu zo studní alebo podzemnej vody, sa používa menej často ako iné typy. Je to do značnej miery spôsobené potrebou vybudovať dve jamy. Prvá zhromažďuje kvapalinu, ktorá potom prenáša svoju tepelnú energiu na chladivo, zatiaľ čo druhá prijíma ochladenú vodu.

V niektorých prípadoch sa namiesto vrtu buduje priesaková studňa. Výpustná studňa by mala byť umiestnená pod hladinou podzemnej vody a 20 metrov od pôvodnej studne.

Tento systém je celkom náročná inštalácia a údržbaPravidelné monitorovanie komponentov čerpadla, či nie sú korózne alebo kontaminované, je nevyhnutné. Dôležité je tiež monitorovať kvalitu privádzanej vody a včas ju filtrovať.

Vzduch - vzduch

Tepelné čerpadlá vzduch-voda ponúkajú oproti iným typom jednotiek výraznú výhodu. Tepelné čerpadlo využíva ako zdroj tepla iba vzduch, čím sa eliminuje potreba vŕtania zemných studní alebo inštalácie vodných kolektorov. V dôsledku toho sú tepelné čerpadlá vzduch-voda výrazne lacnejšie.

Tento typ má najjednoduchšiu štruktúru a princíp fungovania. Vzduch vstupuje do výparníka, kde odovzdáva teplo chladivu. Toto teplo sa potom prenáša z výparníka do teplonosného média priamo v dome. Tento typ vykurovania môžu predstavovať napríklad vetracie konvektory (fan coily) alebo podlahové vykurovanie.

Náklady na inštaláciu tohto zariadenia sú v porovnaní s vodnými alebo pozemnými systémami relatívne nízke a jeho účinnosť závisí predovšetkým od teploty vzduchu. Ak žijete v oblasti s teplými zimami (aspoň 0 °C), táto metóda sa považuje za najnákladovo efektívnejšiu.

Ak teplota klesne pod -15 stupňov, čerpadlo nebude schopné zabezpečiť dostatočné vykurovanie miestnosti, preto bude vhodnejšie použiť elektrické alebo kotlové vykurovanie miestnosti.

Ak je dôležité prevádzkovať vzduchové čerpadlo v oblastiach s chladnými zimami, nainštaluje sa ďalší záložný zdroj tepla, ktorý bude pripojený počas silných mrazov.

V niektorých prípadoch je tiež možné nainštalovať vzduchový systém, ak je podnebie suché a teplota neklesne pod -15 stupňov.

Vo vlhkých a mrazivých podmienkach sa na tele zariadenia vytvorí vrstva ľadu, ktorá bude narúšať jeho prevádzku a môže spôsobiť jeho rýchle zlyhanie.

Ceny a výrobcovia

Približná priemerná trhová hodnota zariadenia a jeho inštalácie je:

Horizontálny kolektor:

• Čerpadlo – 4 500 dolárov;
• inštalácia — 2 500 dolárov;
• prevádzkové náklady - 350 dolárov ročne.

Geotermálna sonda:

• Čerpadlo – 4 500 dolárov;
• inštalácia – 4 500 USD;
• prevádzkové náklady - 320 dolárov ročne.

Vzduch - pre domácnosť:

• Čerpadlo – 6 500 dolárov;
• inštalácia — 400 dolárov;
• prevádzkové náklady - 480 dolárov ročne.

Čerpadlo voda-voda pre domácnosť:

• Tepelné čerpadlo – 4 500 dolárov;
• inštalácia – 3 500 USD;
• prevádzkové náklady - 280 dolárov ročne.

Uvedené ceny nie sú konečné. Konečná cena bude závisieť od krajiny a výrobcu zariadenia, typu terénu, podnebia, nákladov na vŕtanie, stavebných podmienok atď.

Napríklad cena vzduchového čerpadla od ruského výrobcu bude približne 7 000 dolárov, zatiaľ čo od zahraničného to bude 13 000 dolárov.

Nezabudnite ani na náklady na elektrinu. Aj keď zariadenie nespotrebúva veľa energie, tieto výdavky by ste určite mali zohľadniť vo vašom celkovom odhade a rozpočte.

Ktoré čerpadlo si vybrať?

Pri výbere zariadenia by ste mali zvážiť nasledujúce faktory:

• Odhadovaný rozpočet – koľko peňazí je majiteľ ochotný minúť na inštaláciu a pripojenie celého systému;
• aký je existujúci alebo plánovaný vykurovací systém vo vnútri domu - podlahové kúrenie, radiátory atď.;
• Koľko metrov štvorcových je majiteľ ochotný prideliť na mieste na vytvorenie kolektora;
• Je možné vŕtať hlboko?
• potreba geologického prieskumu (ak sa plánuje geotermálna sonda) na určenie hĺbky umiestnenia kolektora;
• Je potrebné v lete upravovať prúdenie vzduchu?
• Budú nainštalované zariadenia na ohrev vzduchu?

Pri výbere tepelného čerpadla sa odporúča venovať pozornosť „koeficientu premeny tepla“ (označovanému ako ϕ). Ten určuje účinnosť zariadenia. Ak je pri kúpe špecifikované ϕ=4, potom pri spotrebe elektriny 1 kW tepelné čerpadlo vyrobí 4 kW tepelnej energie.

Pri plánovaní rozpočtu je dôležité zvážiť nielen obstarávaciu cenu čerpadla, ale aj budúce prevádzkové náklady. Tieto faktory sa často líšia.

Napríklad inštalácia systému vzduch-voda bude mať nízke inštalačné náklady, ale bude si vyžadovať značné prevádzkové náklady kvôli jeho nízkej účinnosti. Ak potrebujete minimalizovať prevádzkové náklady, potom je vertikálne tepelné čerpadlo zem-voda tou správnou voľbou.

Náklady na zemný alebo vodný systém a jeho inštaláciu sú pomerne vysoké a vyžadujú si značnú počiatočnú investíciu. Tepelné čerpadlo používané na vykurovanie sa však zaplatí v priebehu 5 – 10 rokov. Preto by sa rozhodnutie o kúpe tohto zariadenia malo zakladať na finančných možnostiach a stavebných podmienkach budovy (poloha, podnebie atď.).

Ak napríklad na pozemku nie je možné vykonať hlboké vŕtanie, jeho rozloha neumožňuje umiestnenie horizontálneho kolektora a v blízkosti sa nenachádzajú žiadne vodné plochy, jediným riešením je inštalácia tepelného čerpadla vzduch-voda na vykurovanie domu.

Inštalácia svojpomocne

Ak majiteľ domu dobre pozná princípy fungovania a zapojenie zariadenia, môže si čerpadlo zostaviť sám. Vyžadujú sa však predbežné výpočty, na to sa používa hotový softvér na optimalizáciu chladiacich systémov.

Najmenej komplikovaná inštalácia je svojpomocná inštalácia vykurovacieho systému vzduch-voda. Bude pozostávať z dvoch potrubí (jednoho na prívod vzduchu a jedného na odvod vzduchu), ventilátora a kompresora.

Nemusíte kupovať nový kompresor; môžete použiť funkčný kompresor z chladničky alebo iného zariadenia. Odporúča sa špirálový kompresor.

Fázy práce:

1. Vyrobte špirálu z medenej rúry. Navrch umiestnite rúru, ktorou tečie chladivo.
2. Namontujte cievku do plastovej nádoby rozdelenej na polovicu. Tá bude slúžiť ako výparník.
3. Pripojte termostatický ventil a zaizolujte ho.
4. Zostavte všetky prvky do bloku a skontrolujte jeho funkčnosť.

Je dôležité poznamenať, že tento postup je pre bežného človeka dosť zložitý. Neprofesionál nebude schopný správne zmontovať všetky diely a pripojiť termostatický ventil.

Najlepšie je zveriť prácu odborníkom, pretože chyby v postupe spôsobia poruchu zariadenia alebo neefektívnu spotrebu energie.

Tepelné čerpadlo je teda účinným spôsobom vykurovania súkromného domu. Zatiaľ čo tento typ zariadenia nie je v Rusku a SNŠ široko používaný, v Európe a USA sa hojne používa na vykurovanie.

Odporúča sa vybrať vhodné tepelné čerpadlo nielen na základe nákladov na inštaláciu a prevádzku, ale aj na základe regiónu použitia, stavebných podmienok, rozlohy lokality a ďalších faktorov.