Toplotna črpalka za ogrevanje doma – princip delovanja, vrste in namestitev

Toplotna črpalka je naprava za prenos toplotne energije od vira do porabnika.

Toplota se spontano prenaša z vročega telesa na hladnega. Črpalka prenaša toploto v nasprotni smeri.

Zasnova je sestavljena iz kompresorja, toplotnega ekspanzijskega ventila, uparjalnika in kondenzatorja. Tipičen primer toplotne črpalke je klimatska naprava.

Da bi ugotovili, katero vrsto črpalke izbrati za domačo uporabo, je priporočljivo preučiti značilnosti vsakega modela in njihova načela delovanja. Vsaka vrsta ima tudi omejitve, ki jih je pomembno poznati.

Načelo delovanja toplotnih črpalk

Toplotne črpalke se šele začenjajo široko uporabljati v zasebnih domovih. Ena glavnih prednosti te metode ogrevanja je ima nizko porabo energije, vendar veliko oddajanje toploteRazvrstitev temelji na viru toplote.

Naprava za ogrevanje doma deluje na principu, da lahko snov (hladilno sredstvo) med spremembo agregatnega stanja sprošča ali absorbira toplotno energijo. To načelo je osnova delovanja hladilnika (zato je zadnja stran aparata vroča).

Ogrevalna toplotna črpalka deluje na naslednji način:

1. Vhodni medij se v izhlapevalnem delu ohladi za 5 stopinj na podlagi energije iz nosilca toplote.
2. Ohlajeno sredstvo vstopi v kompresor, ki ga med delovanjem stisne in segreje.
3. Že vroč plin vstopi v prostor za izmenjavo toplote, kjer odda svojo toploto ogrevalnemu sistemu.
4. Kondenzirano hladilno sredstvo se vrne na začetek cikla.

Obstajajo tudi nekateri modeli, ki lahko delujejo v obratnem načinu. To pomeni, da jih je mogoče uporabljati tudi poleti za hlajenje stavbe. Toplota se pošlje v skladišče in se nato v hladnejših mesecih uporabi za ogrevanje.

Naprava

Toplotna črpalka za ogrevanje doma je sestavljena iz več osnovnih elementov vezja:

• tokokrog s hladilno tekočino, ki premika energijo iz vira toplote;
• vezje s freonom, ki periodično izhlapeva, pri čemer odvzema toplotno energijo iz prvega vezja in se ponovno useda kot kondenzat, ki prenaša toploto v tretje;
• krog, v katerem kroži tekočina, ki deluje kot nosilec toplote za ogrevanje.

Naprava s toplotno črpalko

Uporaba toplotne črpalke za ogrevanje doma je stroškovno učinkovita. To je zato, ker naprava ne potrebuje veliko energije (in zato ne porabi več elektrike kot standardni gospodinjski aparat), vendar proizvede štirikrat več toplote, kot jo porabi elektrika.

Prav tako ni treba ustvariti ločene napeljave za priključitev črpalke.

Prednosti in slabosti

Preden se odločite, ali boste uporabljali toplotno črpalko ali ne, se morate seznaniti s prednostmi in slabostmi njenega delovanja. Oglejmo si podrobneje prednosti in slabosti uporabe toplotne črpalke..

Uporaba termoelektrarn v svetu

Praksa uporabe takšnih grelnih enot v svetu je bila že več kot 50 letGlavni gonilni sili tega pojava so bili naraščajoči stroški tradicionalnih energetskih virov in široka podpora vlad v mnogih državah uporabi alternativnih virov energije.

Zato število toplotnih črpalk nenehno narašča z visoko stopnjo – do 10–30 % na leto, kljub visokim stroškom namestitve. Število takšnih naprav trenutno presega 270.

Termični sistemi se najpogosteje uporabljajo v Združenih državah Amerike in Kanadi, kjer predstavljajo do polovico vseh naprav, ki se uporabljajo po vsem svetu.

Kljub ugodnim pogojem za uporabo toplotnih črpalk Rusija zaostaja za svetovnimi trendi pri njihovi uporabi. To je verjetno posledica našega prepričanja o popolni razpoložljivosti naravnih virov.

Vendar pa vsa naseljena območja v državi nimajo plinovodov. Svetovne izkušnje s toplotnimi črpalkami kažejo na pozitivne trende v njihovi uporabi.

Izračun toplotne črpalke

Kot smo že omenili, so nizkopotencialni viri toplote za takšne črpalke najpogosteje naslednji mediji:

1. Zrak iz zunanjega prostora s povprečno temperaturo od -15 do +25 stopinj.
2. Zrak prihaja iz ogrevanega prostora, njegova temperatura je +15 - +25 stopinj.
3. Zrak iz podtalne sonde se je segrel na plus 4 - 10 stopinj.
4. Zrak iz geotermalnih formacij, katerega temperatura je lahko 10 stopinj ali več.
5. Zrak iz dna sond nezamrzovalnih vodnih teles s temperaturo 0–10 stopinj, vključno s tistim, pridobljenim v sondah, nameščenih v kanalih industrijskih odpadnih voda podjetij.

Metoda izračuna

Vsak toplotni izračun je zapleten postopek, ki ga lahko izvedejo le usposobljeni strokovnjaki. Vendar pa je mogoče predlagati poenostavljeno metodologijo, ki zadostuje za pridobitev rezultata, ki določa izbiro določenega modela enote.

Izračun se zreducira na izvedbo več korakov:

1. Določanje količine toplotnih izgub skozi obdajajoče elemente stavbe – stene, stropi, podstrešja, okna, vrata itd. To je mogoče doseči z naslednjim razmerjem:

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

S – skupna površina vseh elementov ograj stavbe, m²;

t vn – zunanja temperatura, stopinje C;

t nar – temperatura zraka v zunanjem prostoru, stopinje C;

n je koeficient, ki upošteva konstrukcijo stavbe; za odprte stavbe je enak 1; za stavbe s podstrešnimi prostori se uporablja pri vrednosti 0,9; za prostore, ki se nahajajo v kleti, se vzame kot enak 0,75;

b – koeficient dodatnih toplotnih izgub, odvisno od vrste stavbe in njene lokacije v podnebnih pasovih Rusije, njegova vrednost lahko niha v območju od 0,05 do 0,27;

Rт je toplotna upornost, ki jo je treba dodatno izračunati po formuli:

Rт = 1( , m²xC/W, kjer

• izračunane vrednosti toplotne prevodnosti materialov obdajajoče konstrukcije;
• koeficient odvajanja toplote z notranjih površin;
• enako velja za zunanje površine.

Po opravljenih predhodnih izračunih določimo skupne toplotne izgube iz različnih dejavnikov:

Qt.pot = Qok+Qi-Qbl, Kje

Qbl – skupni prenos toplote zaradi delovanja gospodinjskih aparatov in človeške dejavnosti;

Qi – stroški energije za kompenzacijo toplotnih izgub zaradi puščanja v obdajajočih konstrukcijah.

2. Na podlagi dobljenih rezultatov lahko izračunamo letno potrebo po električni energiji. Za to uporabimo naslednje razmerje:

Qleto = 24x0,63 x Qt.pot x ((dx (tin-toutdoor) : (tin-tout)) (kW/uro) na leto, Kje:

• tvn - želena vrednost temperature v notranjosti hiše;
• tnar – dejanska zunanja temperatura;
• tнар.ср – povprečna letna temperatura v regiji;
• d – trajanje ogrevalnega obdobja, dnevi.

3. Za natančnejše razumevanje toplotne črpalke morate izračunati količino toplotne moči, ki je potrebna za ogrevanje vode v ogrevalnem sistemu vašega doma. To lahko storite z naslednjo formulo za izračun:

Qhor.v = V x 17 kW/ na leto, Kje:

V – količina dnevne porabe vode, segrete na 50^O Z.

Posledično bodo stroški energije za zadovoljevanje potreb po ogrevanju in topli vodi znašali:

Q = Qleto + Qgv, (kW/uro na leto).

Priporočljivo je, da dobljeni rezultat povečate za 10 %, pri čemer upoštevate intenzivnejše delovanje sistema med največjimi obremenitvami. Predhodni izračun zmogljivosti toplotne črpalke za ogrevanje doma omogoča natančno izbiro namestitve.

Za izračun lahko uporabite poseben kalkulator, ki jih je na voljo v izobilju na internetu.

Vrste toplotnih črpalk

Glede na uporabljeni vir toplote obstaja več vrst naprav. Načelo delovanja hišne ogrevalne črpalke predpostavlja, da se toplota črpa iz virov, ki lahko najbolje akumulirajo sončno energijo skozi vso sezono.

V prodaji so naslednje vrste naprav:

• zemlja (zemlja - voda);
• zrak (zrak - zrak);
• zrak - voda;
• voda (voda - voda).

Oglejmo si jih podrobneje spodaj.

Zrak - voda

Kako deluje črpalka ZRAK-VODA Postopek vključuje segrevanje hladilne tekočine v sistemu toplotne črpalke s toplim zrakom. Ventilator potiska topel zrak iz okolice v sistem.

Toplotna črpalka zrak-voda

Tam pride v stik s hladilnim sredstvom, ki se zaradi te interakcije segreje in pretvori v plin. Plin nato vstopi v kompresor, kjer se pod pritiskom potisne v notranji kondenzator in prenese svojo toploto na vodo.

Zemlja - voda

Tla so najbolj stabilen in zato priljubljen vir toplote. Na globini od 4 do 8 metrov je temperatura konstantna pri 5 do 8 stopinjah nad ničlo, na globini 10 metrov pa se dvigne na 10 stopinj. Obstajata dva glavna načina zbiranja toplotne energije:

• z uporabo horizontalnega kolektorja;
• s pomočjo vertikalne geotermalne sonde.

Prva vrsta je sestavljena iz niza vodoravno položenih cevi za prenos hladilne tekočine. Globino namestitve je treba izračunati individualno za vsak primer glede na teren, podnebje in druge dejavnike.

V nekaterih primerih je priporočljivo, da se cevovod položi na globino zmrzovanja tal (1,4 - 1,8 m), 2,5 - 3,5 metra (če je treba zmanjšati temperaturno razliko in doseči večjo konstantnost) ali 1 - 1,3 metra (Na tej globini se tla spomladi hitreje segrejejo.) Včasih je celo nameščen poseben kolektor, sestavljen iz dveh plasti.

Ta vrsta kolektorja uporablja cevi s prečnim prerezom 25, 32 ali 40 mm. Polagajo se lahko v različnih vzorcih: spiralni, strelasti, serpentinski, zančasti itd. Če se uporablja serpentinski vzorec, morajo biti cevi razmaknjene od 0,6 do 1 metra narazen (najpogosteje 80 centimetrov).

Za izračun hitrosti prenosa toplote cevovoda je treba upoštevati vrsto tal. Za suh pesek ali glino je hitrost prenosa toplote 10 oziroma 20 W na linearni meter; za mokro glino je hitrost prenosa toplote 25 W; za glino z visoko vsebnostjo vlage pa je hitrost prenosa toplote 35 W.

Slabost te vrste kolektorja je potreba po velikem sistemu. Če je površina ogrevane hiše 100 kvadratnih metrov, tla pa so iz mokre gline, bo za kolektorski sistem potrebno 400 kvadratnih metrov zemlje oziroma približno 500 kvadratnih metrov.

Glede na to, da stavb in drugih predmetov ni mogoče postaviti na površino (postaviti je mogoče le trato z enoletnimi rastlinami), ne bodo vsi lastniki mogli dodeliti dovolj prostega prostora.

V tem primeru je primernejša rešitev vertikalna sonda. Sestavljena je iz toplotnega izmenjevalnika, v katerem so cevi zakopane v zemljo do globine 200 m. Število nameščenih sond je odvisno od potrebne ogrevalne moči.

Plitke vrtine morajo biti razmaknjene približno 5–8 metrov. Vrtanje ene same cevi globoko 100–200 metrov ni stroškovno učinkovito, potrebna pa so tudi dovoljenja pristojnih organov. Da bi se temu izognili, je priporočljivo namestiti več cevi.

Edina pomanjkljivost vertikalnih struktur je torej visoki stroški vrtanja globokih vrtin.

Vendar je kljub temu sonda bolj priljubljena rešitev, saj zagotavlja zadostno učinkovitost brez kakršnih koli zahtev glede površine lokacije ali drugih omejujočih dejavnikov.

Voda je voda

Drug priljubljen vir toplote za ogrevanje doma je voda. Obstajajo tri vrste takšnih sistemov, odvisno od vira tekočine:

• zbiralnik, nameščen na dnu odprtega vodnega telesa (ne sme zmrzovati) – morja, reke, jezera;
• zbiralnik, ki se nahaja v kanalizaciji;
• z uporabo vode iz vodnjakov ali podtalnice.

Prva možnost vključuje namestitev cevi proti zmrzovanju pod vodo. Da preprečimo njihov dvig na površino, jih pritrdimo z dodatnimi utežmi. Zaradi povišane temperature hladilne tekočine ta metoda velja za učinkovito in hkrati stroškovno ugodno.

Slaba stran je, da je takšno konstrukcijo mogoče zgraditi le, če ribnik ni oddaljen več kot 50 metrov od nepremičnine. V nasprotnem primeru bosta namestitev in delovanje neekonomična. Vendar pa je za obalne prebivalce toplotna črpalka voda-voda optimalna rešitev za ogrevanje doma.

Z uporabo prečiščene odpadne vode in odpadne vode, ki se odvaja iz procesnih naprav, lahko kolektor ogreva večnadstropne stavbe in industrijske objekte ter zagotavlja toplo vodo. Ta sistem se redko uporablja za ogrevanje zasebnih hiš, saj so pogosto oddaljene od centralnega kanalizacijskega sistema.

Zbiralnik, ki zbira vodo iz vodnjakov ali podtalnice, se uporablja manj pogosto kot druge vrste. To je predvsem posledica potrebe po izgradnji dveh jam. Prvi zbira tekočino, ki nato svojo toplotno energijo prenese na hladilno sredstvo, drugi pa sprejema ohlajeno vodo.

V nekaterih primerih se namesto vrtine zgradi precedilni vodnjak. Izpustni vodnjak mora biti nameščen dolvodno od gladine podtalnice in 20 metrov stran od prvotnega vodnjaka.

Ta sistem je precej težko namestiti in vzdrževatiRedno spremljanje komponent črpalke glede korozije in kontaminacije je bistvenega pomena. Pomembno je tudi spremljati kakovost dovodne vode in jo pravočasno filtrirati.

Zrak - zrak

Toplotne črpalke zrak-voda ponujajo izrazito prednost pred drugimi vrstami enot. Toplotna črpalka uporablja samo zrak kot vir toplote, zato ni treba vrtati zemeljskih vodnjakov ali nameščati vodnih zbiralnikov. Posledično so toplotne črpalke zrak-voda bistveno cenejše.

Ta tip ima najpreprostejšo strukturo in princip delovanja. Zrak vstopi v uparjalnik, kjer prenese toploto na hladilno sredstvo. Ta toplota se nato prenese iz uparjalnika na toplotni nosilec neposredno v hiši. To vrsto ogrevanja lahko predstavljajo na primer prezračevalni konvektorji (ventilatorski tuljavi) ali sistem talnega ogrevanja.

Stroški namestitve te naprave so relativno nizki v primerjavi z vodnimi ali zemeljskimi sistemi, njena učinkovitost pa je odvisna predvsem od temperature zraka. Če živite na območju s toplimi zimami (vsaj 0°C), velja ta metoda za najbolj stroškovno učinkovito.

Če temperatura pade pod -15 stopinj, črpalka ne bo mogla zagotoviti zadostnega ogrevanja prostora, zato bo bolj primerno uporabiti električno ali kotlovsko ogrevanje prostora.

Če je pomembno, da zračna črpalka deluje v regijah z mrzlimi zimami, je nameščen dodaten rezervni vir toplote, ki bo priključen med hudimi zmrzali.

V nekaterih primerih je mogoče namestiti tudi zračni sistem, če je podnebje suho in temperatura ne pade pod -15 stopinj.

V vlažnih in zmrzalnih razmerah se na ohišju naprave nabere plast ledu, ki bo motila delovanje naprave in lahko povzročila njeno hitro okvaro.

Cene in proizvajalci

Približna povprečna tržna vrednost opreme in njene namestitve je:

Horizontalni kolektor:

• Črpalka – 4500 $;
• namestitev — 2500 $;
• obratovalni stroški - 350 dolarjev na leto.

Geotermalna sonda:

• Črpalka – 4500 $;
• namestitev – 4.500 $;
• obratovalni stroški - 320 dolarjev na leto.

Zrak - za dom:

• Črpalka – 6500 $;
• namestitev — 400 $;
• obratovalni stroški - 480 dolarjev na leto.

Črpalka voda-voda za dom:

• Toplotna črpalka – 4500 $;
• namestitev – 3.500 $;
• obratovalni stroški - 280 dolarjev na leto.

Navedene cene niso dokončne. Končni stroški bodo odvisni od države in proizvajalca naprave, vrste terena, podnebja, stroškov vrtanja, gradbenih pogojev itd.

Na primer, cena zračne črpalke ruskega proizvajalca bo približno 7.000 dolarjev, tujega pa 13.000 dolarjev.

Ne pozabite tudi na stroške elektrike. Čeprav oprema ne porabi veliko energije, je treba te stroške vsekakor upoštevati pri skupni oceni in proračunu.

Katero črpalko izbrati?

Če želite izbrati napravo, morate upoštevati naslednje dejavnike:

• Ocenjeni proračun – koliko denarja je lastnik pripravljen porabiti za namestitev in priključitev celotnega sistema;
• kakšen je obstoječi ali načrtovani ogrevalni sistem v hiši - talno ogrevanje, radiator itd.;
• Koliko kvadratnih metrov je lastnik pripravljen nameniti na lokaciji za postavitev zbiralnika;
• Ali je mogoče vrtati globoko?
• potreba po geološkem pregledu (če je načrtovana geotermalna sonda), da se ugotovi, kako globoko naj bo nameščen kolektor;
• Ali je poleti potrebno uravnavati pretok zraka?
• Ali bodo nameščene naprave za ogrevanje zraka?

Pri izbiri toplotne črpalke je priporočljivo biti pozoren na "koeficient toplotne transformacije" (označen kot ϕ). Določa učinkovitost naprave. Če je ob nakupu določen ϕ=4, bo toplotna črpalka pri porabi električne energije 1 kW proizvedla 4 kW toplotne energije.

Pri načrtovanju proračuna je pomembno upoštevati ne le nakupne stroške črpalke, temveč tudi prihodnje obratovalne stroške. Ti dejavniki se pogosto razlikujejo.

Na primer, namestitev sistema zrak-voda bo imela nizke stroške namestitve, vendar bo zaradi nizke učinkovitosti zahtevala znatne obratovalne stroške. Če želite zmanjšati obratovalne stroške, je vertikalna toplotna črpalka zemlja-voda prava izbira.

Stroški zemeljskega ali vodnega sistema in njegove namestitve so precej visoki in zahtevajo znatno začetno naložbo. Vendar pa se bo toplotna črpalka, ki se uporablja za ogrevanje, povrnila v 5–10 letih. Zato bi morala odločitev za nakup te naprave temeljiti na finančnih zmožnostih in gradbenih pogojih stavbe (lokacija, podnebje itd.).

Če na primer na lokaciji ni mogoče globoko vrtanje, njena površina ne omogoča postavitve horizontalnega kolektorja in v bližini ni vodnih površin, je edina rešitev namestitev toplotne črpalke zrak/voda za ogrevanje hiše.

Namestitev samostojno

Če lastnik stanovanja dobro pozna načela delovanja in zasnovo vezja opreme, lahko črpalko sestavi sam. Vendar so potrebni predhodni izračuni; za to uporabite že pripravljeno programsko opremo za optimizacijo hladilnih sistemov.

Najmanj zapletena namestitev je samostojna namestitev ogrevalnega sistema zrak-voda. Sestavljen bo iz dveh kanalov (enega za dovod zraka in enega za odvod zraka), ventilatorja in kompresorja.

Ni vam treba kupiti novega kompresorja; lahko uporabite delujočo enoto iz hladilnika ali druge opreme. Priporočljiv je spiralni kompresor.

Faze dela:

1. Iz bakrene cevi naredite tuljavo. Cev, ki teče s hladilnim sredstvom, namestite na vrh.
2. Tuljavo namestite v plastično posodo, prepolovljeno. Ta bo delovala kot uparjalnik.
3. Priključite termostatski ventil in ga izolirajte.
4. Vse elemente sestavite v blok in preverite njegovo delovanje.

Pomembno je omeniti, da je ta postopek za povprečnega človeka precej zapleten. Nestrokovnjak ne bo mogel pravilno sestaviti vseh delov in priključiti termostatskega ventila.

Najbolje je, da delo zaupate strokovnjakom, saj bodo napake v postopku povzročile okvaro opreme ali neučinkovito porabo energije.

Toplotna črpalka je torej učinkovit način ogrevanja zasebne hiše. Čeprav ta vrsta opreme ni široko uporabljena v Rusiji in SND, se pogosto uporablja za ogrevanje v Evropi in ZDA.

Pri izbiri ustrezne toplotne črpalke je priporočljivo upoštevati ne le stroške namestitve in delovanja, temveč tudi regijo uporabe, gradbene pogoje, površino lokacije in druge dejavnike.