Топлотна пумпа за грејање куће – принцип рада, врсте и инсталација

Топлотна пумпа је уређај за пренос топлотне енергије од извора до потрошача.

Топлота се спонтано преноси са топлог тела на хладно. Пумпа преноси топлоту у супротном смеру.

Дизајн се састоји од компресора, термичког експанзионог вентила, испаривача и кондензатора. Типичан пример топлотне пумпе је клима уређај.

Да бисте утврдили коју врсту пумпе одабрати за кућну употребу, препоручује се проучавање карактеристика сваког модела и њихових принципа рада. Сваки тип такође има ограничења која је важно знати.

Принцип рада топлотних пумпи

Топлотне пумпе тек почињу да се широко користе у приватним кућама. Једна од главних предности овог начина грејања је има малу потрошњу енергије, али велику производњу топлотеКласификација се заснива на извору топлоте.

Уређај за грејање у кући ради на принципу да супстанца (расхладно средство) може да ослобађа или апсорбује топлотну енергију током промене агрегатног стања. Овај принцип је основа рада фрижидера (због чега је задња страна уређаја врућа).

Топлотна пумпа за грејање функционише на следећи начин:

1. Улазни агент се хлади за 5 степени у одељку за испаравање на основу енергије из носача топлоте.
2. Охлађени агент улази у компресор, који га услед рада компримује и загрева.
3. Већ врући гас улази у одељак за измену топлоте, где предаје сопствену топлоту систему грејања.
4. Кондензовано расхладно средство се враћа на почетак циклуса.

Постоје и неки модели који могу да раде у обрнутом режиму. То значи да се могу користити чак и лети за хлађење зграде. Топлота се шаље у складиште, а затим се користи за грејање током хладнијих месеци.

Уређај

Топлотна пумпа за грејање куће састоји се од неколико основних елемената кола:

• коло са расхладном течношћу која преноси енергију из извора топлоте;
• коло са фреоном, који периодично испарава, узимајући топлотну енергију из првог кола, и поново се таложи као кондензат, преносећи топлоту на треће;
• коло у коме циркулише течност која делује као носач топлоте за загревање.

Уређај за топлотну пумпу

Коришћење топлотне пумпе за грејање куће је исплативо. То је зато што уређај не захтева много енергије (и стога не троши више електричне енергије од стандардног кућног апарата), а ипак производи четири пута више топлоте него што се потроши електричне енергије.

Такође нема потребе за креирањем посебне кабловске линије за повезивање пумпе.

За и против

Пре него што одлучите да ли ћете користити топлотну пумпу или не, требало би да се упознате са предностима и манама њеног рада. Хајде да детаљније погледамо предности и мане коришћења топлотне пумпе..

Употреба термоелектрана у свету

Пракса коришћења таквих грејних јединица у свету је била више од 50 годинаГлавне покретачке снаге овог феномена биле су растућа цена традиционалних енергетских ресурса и широка подршка влада у многим земљама коришћењу алтернативних извора енергије.

Због тога, број топлотних пумпи стално расте великом брзином – до 10–30% годишње, упркос високим трошковима инсталације. Број таквих уређаја тренутно износи преко 270.

Термални системи се најшире користе у Сједињеним Државама и Канади, чинећи чак половину инсталација које се користе широм света.

Упркос повољним условима за коришћење топлотних пумпи, Русија заостаје за глобалним трендовима у њиховој употреби. То је вероватно због нашег веровања у потпуну доступност природних ресурса.

Међутим, немају сва насељена подручја у земљи гасоводе. Глобално искуство са топлотним пумпама указује на позитивне трендове у њиховој употреби.

Прорачун топлотне пумпе

Као што смо горе поменули, извори топлоте ниског потенцијала за такве пумпе најчешће су следећи медији:

1. Ваздух из спољашњег простора са просечном температуром од -15 до +25 степени.
2. Ваздух долази из загрејане просторије, његова температура је +15 - +25 степени.
3. Ваздух из подземне сонде загрејан на плус 4 - 10 степени.
4. Ваздух из геотермалних формација, чија температура може бити 10 степени или више.
5. Ваздух из доњих сонди незамрзнутих водених тела са температуром од 0–10 степени, укључујући и онај добијен у сондама инсталираним у каналима индустријских отпадних вода предузећа.

Метод израчунавања

Било који термички прорачун је сложен процес, који могу да изврше само квалификовани стручњаци. Међутим, може се предложити поједностављена методологија која је довољна да се добије резултат који одређује избор одређеног модела јединице.

Израчунавање се своди на извршавање неколико корака:

1. Одређивање количине губитка топлоте кроз елементе који затварају зграду – зидови, плафони, тавани, прозори, врата итд. Ово се може постићи коришћењем следећег односа:

Кок = С к (твн – т нар) к (1 + ?б) кн : Рт, Где

S – укупна површина свих елемената ограде зграде, м²;

t вн – спољашња температура, степени C;

t nar – температура ваздуха у спољашњем простору, степени C;

n је коефицијент који узима у обзир структуру зграде; за отворене зграде једнак је 1; за зграде са поткровним просторима примењује се са вредношћу од 0,9; за просторије које се налазе у подруму узима се једнак 0,75;

б – коефицијент додатног губитка топлоте, у зависности од врсте зграде и њене локације у климатским зонама Русије, његова вредност може да варира у распону од 0,05 – 0,27;

Rт је термичка отпорност, која се додатно мора израчунати помоћу формуле:

Rт = 1( , m²xC/W, где је

• израчунате вредности топлотне проводљивости материјала оградне конструкције;
• коефицијент одвођења топлоте са унутрашњих површина;
• исто важи и за спољне површине.

Након што извршимо прелиминарне прорачуне, одређујемо укупне губитке топлоте из различитих фактора:

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, Где

Qbl – укупан пренос топлоте од рада кућних апарата и људске активности;

Qи – трошкови енергије за компензацију губитака топлоте услед цурења у оградним конструкцијама.

2. На основу добијених резултата, можемо израчунати годишњу потражњу за електричном енергијом. Да бисмо то урадили, користимо следећи однос:

Qгод = 24x0,63 x Qt.pot x ((dx (tin-toutdoor) : (tin-tout)) (kW/сат) годишње, Где:

• твн - жељена вредност температуре у унутрашњости куће;
• t nar – стварна спољашња температура;
• tнар.ср – просечна годишња температура у региону;
• d – трајање грејног периода, дани.

3. Да бисте стекли прецизније разумевање топлотне пумпе, потребно је да израчунате количину топлотног излаза потребну за загревање воде у систему грејања вашег дома. То се може урадити помоћу следеће формуле за израчунавање:

Qhor.v = V x 17 kW/ годишње, Где:

V – запремина дневне потрошње воде загрејане на 50^О СА.

Као резултат тога, трошкови енергије за задовољавање потреба за грејањем и топлом водом износиће:

Q = Qгодина + Qгв, (kW/сат годишње).

Препоручује се повећање добијеног резултата за 10%, узимајући у обзир интензивнији рад система током вршних оптерећења. Прелиминарни прорачун капацитета топлотне пумпе за грејање куће омогућава тачан избор инсталације.

За израчунавање можете користити посебан калкулатор, који су доступни у изобиљу на интернету.

Врсте топлотних пумпи

Постоји неколико врста уређаја у зависности од коришћеног извора топлоте. Принцип рада кућне пумпе за грејање претпоставља да се топлота црпи из извора који најбоље акумулирају соларну енергију током целе сезоне.

Следеће врсте уређаја су доступне за продају:

• земља (земља - вода);
• ваздух (ваздух - ваздух);
• ваздух - вода;
• вода (вода - вода).

Хајде да их детаљније погледамо у наставку.

Ваздух - вода

Како пумпа ради ВАЗДУХ-ВОДА Процес подразумева загревање расхладне течности у систему топлотне пумпе топлим ваздухом. Вентилатор усмерава топли ваздух из околине у систем.

Топлотна пумпа ваздух-вода

Тамо долази у интеракцију са расхладним средством, које се загрева као резултат ове интеракције, претварајући се у гас. Гас затим улази у компресор, где се под притиском потискује у унутрашњи кондензатор, преносећи своју топлоту на воду.

Земља - вода

Земљиште је најстабилнији и стога популаран извор топлоте. На дубини од 4 до 8 метара, температура је константна на 5 до 8 степени изнад нуле, а на дубини од 10 метара расте на 10 степени. Постоје две главне методе сакупљања топлотне енергије:

• коришћење хоризонталног колектора;
• помоћу вертикалне геотермалне сонде.

Први тип се састоји од низа цеви постављених хоризонтално за пренос расхладне течности. Дубина уградње мора се израчунати појединачно за сваки случај, на основу терена, климе и других фактора.

У неким ситуацијама је препоручљиво поставити цевовод на дубини смрзавања тла (1,4 - 1,8 м), 2,5 - 3,5 метара (ако је потребно смањити температурну разлику и постићи већу константност) или 1 - 1,3 метра (На овој дубини, земљиште се брже загрева у пролеће.) Понекад се чак инсталира и посебан колектор који се састоји од два слоја.

Ова врста колектора користи цеви попречног пресека од 25, 32 или 40 мм. Могу се полагати у различитим облицима: спирално, муњевито, серпентински, петљасто итд. Ако се користи серпентински образац, цеви треба да буду размакнуте од 0,6 до 1 метра (најчешће 80 центиметара).

Да би се израчунала брзина преноса топлоте цевовода, мора се узети у обзир врста земљишта. За суви песак или глину, брзина преноса топлоте је 10 и 20 W по линеарном метру, респективно; за влажну глину, брзина преноса топлоте је 25 W; а за глину са високим садржајем влаге, брзина преноса топлоте је 35 W.

Мана ове врсте колектора је потреба за великим системом. Ако је површина куће која се греје 100 квадратних метара, а земљиште се састоји од влажне глине, онда ће за колекторски систем бити потребно 400 квадратних метара земљишта, односно око 500 квадратних метара.

С обзиром на то да се зграде и други објекти не могу налазити на површини (може се поставити само травњак са једногодишњим биљкама), неће сви власници моћи да издвоје довољно слободног простора.

У овом случају, вертикална сонда је погодније решење. Састоји се од измењивача топлоте у коме су цеви закопане у земљу до дубине до 200 м. Број инсталираних сонди зависи од потребне снаге грејања.

Плитке бушотине треба да буду размакнуте приближно 5-8 метара. Бушење једне цеви дубине 100-200 метара није исплативо и потребне су и дозволе надлежних органа. Да би се то избегло, препоручљиво је инсталирати више цеви.

Дакле, једини недостатак вертикалних структура је висока цена бушења дубоких бунара.

Међутим, упркос томе, сонда је популарније решење, јер пружа довољну ефикасност без икаквих захтева за површином локације или другим ограничавајућим факторима.

Вода је вода

Још један популаран извор топлоте за грејање куће је вода. Постоје три врсте таквих система, у зависности од извора течности:

• колектор постављен на дну отворене водене површине (не сме да се замрзне) – мора, реке, језера;
• колектор који се налази у канализацији;
• користећи воду из бунара или подземних вода.

Прва опција подразумева постављање цеви за антифриз под воду. Да би се спречило њихово избијање на површину, оне се осигуравају додатним теговима. Због повишене температуре расхладне течности, ова метода се сматра ефикасном, али и исплативом.

Мана је што се таква структура може изградити само ако се рибњак налази не даље од 50 метара од имања. У супротном, инсталација и рад ће бити неисплативи. Међутим, за становнике приобаља, топлотна пумпа са водом је оптимално решење за грејање дома.

Користећи пречишћене отпадне воде и отпадне воде испуштене из процесних постројења, колектор може да греје вишеспратне зграде и индустријске објекте и обезбеђује топлу воду. Овај систем се ретко користи за грејање приватних кућа, јер се оне често налазе далеко од централног канализационог система.

Колектор који сакупља воду из бунара или подземних вода користи се ређе од других типова. То је углавном због потребе за изградњом две јаме. Прва сакупља течност, која затим преноси своју топлотну енергију на расхладно средство, док друга прима охлађену воду.

У неким случајевима, уместо бушотине се гради перколациони бунар. Испусни бунар треба да се налази низводно од нивоа подземних вода и 20 метара од оригиналног бунара.

Овај систем је прилично тешко за инсталирање и одржавањеРедовно праћење компоненти пумпе због корозије и контаминације је неопходно. Такође је важно пратити квалитет долазне воде и благовремено је филтрирати.

Ваздух - ваздух

Топлотне пумпе ваздух-вода нуде значајну предност у односу на друге врсте јединица. Топлотна пумпа користи само ваздух као извор топлоте, елиминишући потребу за бушењем земљаних бунара или инсталирањем колектора воде. Сходно томе, топлотне пумпе ваздух-вода су знатно јефтиније.

Овај тип има најједноставнију структуру и принцип рада. Ваздух улази у испаривач, где преноси топлоту на расхладно средство. Ова топлота се затим преноси са испаривача на носач топлоте директно у кући. Овај тип грејања може бити представљен, на пример, вентилационим конвекторима (вентилаторским конвекторима) или системом подног грејања.

Трошкови инсталације овог уређаја су релативно ниски у поређењу са системима на води или земљи, а његова ефикасност зависи првенствено од температуре ваздуха. Ако живите у подручју са топлим зимама (најмање 0°C), ова метода се сматра најисплативијом.

Ако температура падне испод -15 степени, пумпа неће моћи да обезбеди довољно грејање просторије, па ће бити прикладније користити електрично или котловско грејање просторије.

Ако је важно користити ваздушну пумпу у регионима са хладним зимама, онда се инсталира додатни резервни извор топлоте, који ће бити повезан током јаких мразева.

Такође је могуће у неким случајевима инсталирати ваздушни систем ако је клима сува и температура не пада испод -15 степени.

У влажним и мразним условима, на кућишту уређаја ће се формирати слој леда, што ће ометати рад уређаја и може довести до његовог брзог квара.

Цене и произвођачи

Приближна просечна тржишна вредност опреме и њене инсталације је:

Хоризонтални колектор:

• Пумпа – 4500 долара;
• инсталација — 2500 долара;
• оперативни трошкови - 350 долара годишње.

Геотермална сонда:

• Пумпа – 4500 долара;
• инсталација — 4.500 долара;
• оперативни трошкови - 320 долара годишње.

Ваздух - за дом:

• Пумпа – 6500 долара;
• инсталација — 400 долара;
• оперативни трошкови - 480 долара годишње.

Пумпа вода-вода за кућу:

• Топлотна пумпа – 4500 долара;
• инсталација — 3.500 долара;
• оперативни трошкови - 280 долара годишње.

Наведене цене нису коначне. Коначна цена ће зависити од земље и произвођача уређаја, врсте терена, климе, трошкова бушења, услова градње итд.

На пример, цена ваздушне пумпе руског произвођача биће око 7.000 долара, док ће код страног бити 13.000 долара.

Не заборавите ни на трошкове струје. Иако опрема не троши много енергије, ове трошкове свакако треба узети у обзир приликом процене трошкова и буџета.

Коју пумпу одабрати?

Да бисте одлучили који уређај да изаберете, требало би да узмете у обзир следеће факторе:

• Процењени буџет – колико новца је власник спреман да потроши на инсталирање и повезивање комплетног система;
• какав је постојећи или планирани систем грејања унутар куће - подно грејање, радијатор итд.;
• Колико квадратних метара је власник спреман да издвоји на локацији за стварање колектора;
• Да ли је могуће бушити дубоко?
• потреба за геолошким истраживањем (ако се планира геотермална сонда) како би се утврдило колико дубоко треба поставити колектор;
• Да ли је потребно регулисати проток ваздуха лети?
• Да ли ће бити инсталирани уређаји за грејање ваздуха?

Приликом избора топлотне пумпе, препоручује се да обратите пажњу на „коефицијент трансформације топлоте“ (означен као ϕ). Он одређује ефикасност уређаја. Ако је приликом куповине наведено ϕ=4, онда ће са потрошњом електричне енергије од 1 kW, топлотна пумпа произвести 4 kW топлотне енергије.

Приликом планирања буџета, важно је узети у обзир не само трошкове куповине пумпе већ и будуће оперативне трошкове. Ови фактори се често разликују.

На пример, инсталирање система ваздух-вода имаће ниске трошкове инсталације, али ће захтевати значајне оперативне трошкове због ниске ефикасности. Ако треба да минимизирате оперативне трошкове, онда је вертикална геотермална топлотна пумпа прави избор.

Цена система заснованог на земљи или води и његове инсталације је прилично висока и захтева значајна почетна улагања. Међутим, топлотна пумпа која се користи за грејање исплатиће се у року од 5-10 година. Стога, одлука о куповини овог уређаја треба да буде заснована на финансијским могућностима и условима изградње зграде (локација, клима итд.).

Ако, на пример, дубоко бушење није могуће на локацији, њена површина не дозвољава постављање хоризонталног колектора, а у близини нема водених површина, једино решење је инсталирање топлотне пумпе ваздух-вода за грејање куће.

Уградња „уради сам“

Ако је власник куће добро упознат са принципима рада и шемом опреме, може сам да састави пумпу. Међутим, потребни су прелиминарни прорачуни; за то користите готов софтвер за оптимизацију система хлађења.

Најмање компликована инсталација је систем грејања ваздух-вода који можете сами да урадите. Састојаће се од два канала (један за довод ваздуха и један за издув), вентилатора и компресора.

Не морате да купујете нови компресор; можете користити исправан агрегат из фрижидера или друге опреме. Препоручује се спирални компресор.

Фазе рада:

1. Направите калем од бакарне цеви. Поставите цев која носи расхладно средство на врх.
2. Монтирајте завојницу у пластичну посуду подељену на пола. Ово ће служити као испаривач.
3. Повежите термостатски вентил и изолујте га.
4. Саставите све елементе у блок и проверите његову функционалност.

Важно је напоменути да је овај поступак прилично сложен за просечну особу. Нестручњак неће моћи правилно да састави све делове и повеже термостатски вентил.

Најбоље је поверити посао професионалцима, јер грешке у поступку могу довести до квара опреме или неефикасне потрошње енергије.

Дакле, топлотна пумпа је ефикасан начин грејања приватне куће. Иако се ова врста опреме не користи широко у Русији и ЗНД, она се широко користи за грејање у Европи и САД.

Препоручује се да се одговарајућа топлотна пумпа одабере не само на основу трошкова инсталације и рада, већ и на основу региона коришћења, услова градње, површине локације и других фактора.