Pompy ciepła do ogrzewania domu: rodzaje i zasada działania

Zasada działania pompy powietrze-woda

Jak już wspomniano, głównym źródłem energii cieplnej dla tego typu instalacji jest powietrze atmosferyczne. Podstawową podstawą działania pomp powietrznych jest fizyczna właściwość cieczy do pochłaniania i uwalniania ciepła podczas przejścia fazowego ze stanu ciekłego w gazowy i odwrotnie. W wyniku zmiany stanu następuje uwolnienie temperatury. System działa na zasadzie odwróconej lodówki.

Aby skutecznie wykorzystać te właściwości cieczy, niskowrzący czynnik chłodniczy (freon, freon) krąży w obiegu zamkniętym, którego konstrukcja obejmuje:

• kompresor z napędem elektrycznym;
• parownik dmuchany wentylatorem;
• zawór dławiący (rozprężny);
• płytowy wymiennik ciepła;
• miedziane lub metalowo-plastikowe rurki cyrkulacyjne łączące główne elementy obwodu.

Ruch czynnika chłodniczego w obwodzie odbywa się dzięki ciśnieniu wytwarzanemu przez sprężarkę.W celu zmniejszenia strat ciepła rury pokryte są warstwą termoizolacyjną ze sztucznego kauczuku lub pianki polietylenowej z ochronną powłoką metaliczną. Jako czynnik chłodniczy stosuje się freon lub freon, które mogą wrzeć w ujemnej temperaturze i nie zamarzać do -40 ° C.

Cały proces pracy składa się z następujących następujących po sobie cykli:

1. Chłodnica parownika zawiera ciekły czynnik chłodniczy, który jest chłodniejszy niż powietrze zewnętrzne. Podczas aktywnego nadmuchu grzejnika energia cieplna z powietrza o niskim potencjale jest przekazywana do freonu, który wrze i przechodzi w stan gazowy. Jednocześnie wzrasta jego temperatura.
2. Ogrzany gaz dostaje się do sprężarki, gdzie podczas procesu sprężania nagrzewa się jeszcze bardziej.
3. W stanie sprężonym i ogrzanym para czynnika chłodniczego jest podawana do płytowego wymiennika ciepła, w którym nośnik ciepła systemu grzewczego krąży w drugim obwodzie. Ponieważ temperatura chłodziwa jest znacznie niższa niż podgrzanego gazu, freon aktywnie kondensuje na płytach wymiennika ciepła, oddając ciepło do systemu grzewczego.
4. Schłodzona mieszanina parowo-cieczowa wchodzi do zaworu dławiącego, który umożliwia przepływ tylko schłodzonego ciekłego czynnika chłodniczego o niskim ciśnieniu do parownika. Następnie cały cykl się powtarza.

Aby zwiększyć wydajność wymiany ciepła przez rurę, na parownik nawinięte są żebra spiralne. Należy wziąć pod uwagę obliczenia systemu grzewczego, wybór pomp obiegowych i innych urządzeń opór hydrauliczny i współczynnik montaż płytowego wymiennika ciepła.

Przegląd wideo urządzenia systemowego i jego działania

Inwerterowe pompy ciepła

Obecność falownika w ramach instalacji pozwala na płynny rozruch urządzenia oraz automatyczną regulację trybów w zależności od temperatury zewnętrznej. Maksymalizuje to wydajność pompy ciepła poprzez:

• osiągnięcie sprawności na poziomie 95-98%;
• zmniejszenie zużycia energii o 20-25%;
• minimalizacja obciążeń w sieci elektrycznej;
• zwiększyć żywotność instalacji.

Dzięki temu temperatura w pomieszczeniu jest stabilnie utrzymywana na tym samym poziomie, niezależnie od zmian pogody. Jednocześnie obecność falownika wraz ze zautomatyzowaną jednostką sterującą zapewni nie tylko ogrzewanie zimą, ale także dostarczanie schłodzonego powietrza latem w czasie upałów.

Jednocześnie należy wziąć pod uwagę, że obecność dodatkowego sprzętu zawsze pociąga za sobą wzrost jego kosztu i wydłużenie okresu zwrotu.

Podział według rodzaju płynu roboczego

Nowoczesne pompy ciepła mogą korzystać ciało w stanie gazowym lub ciecz chemiczna roztwór amoniaku jako nośnik ciepła. Przydatność konkretnego schematu jest oceniana przez kilka czynników, cechy systemu.

1. Instalacje freonowe posiadają cykl pompy ciepła oparty na procesach sprężania i rozprężania gazu. Są one w jakiś sposób zbudowane na schemacie sprężarki. Sprzęt ma atrakcyjne wskaźniki wydajności, ale ma też wady. Chociaż średnie ważone zużycie systemu w czasie cyklu pracy jest stabilne, okablowanie jest mocno obciążone. Dodatkowo pompy ciepła z gazowym transporterem ciepła nie będą przydatne w regionach, w których nie ma scentralizowanej sieci elektrycznej lub źródła zasilania o wystarczającej nośności.
2. Instalacje typu wyparnego wykorzystujące roztwór amoniaku mają cykl pracy oparty na procesie parowania substancji w niskich temperaturach wrzenia. Skraplanie po przejściu zewnętrznego wymiennika ciepła następuje pod działaniem źródła energii. To jest palnik na ciepło. Można do tego użyć prawie każdego paliwa: stałego, benzyny, oleju napędowego, gazu, nafty, w niektórych przypadkach - alkoholu metylowego. Dlatego wyparne pompy ciepła są atrakcyjne w miejscach, w których nie ma prądu. Ponadto taniość paliwa określonego rodzaju w regionie może skłaniać do wyboru takiego sprzętu.

Charakter płynu roboczego stosowanego w systemie może wiele powiedzieć o wydajności instalacji i mocy wyjściowej. Tak więc pompy ciepła ze sprężarką freonową są zdolne do gwałtownego szarpnięcia, szybko nagrzewając pomieszczenie. Modele odparowywania amoniaku nie są zdolne do takich wyczynów. Preferowanym sposobem ich użytkowania jest stabilna, ciągła praca przy znamionowej mocy cieplnej.

Rodzaje pomp ciepła

Pompy ciepła dzielą się na kilka typów. Pierwszy typ (typ) w klasyfikacji według metody przekazywania energii cieplnej:

Kompresja. Głównymi elementami instalacji są sprężarki, skraplacze, ekspandery i parowniki. Pompa tego typu jest bardzo wysokiej jakości i wydajna, co sprawia, że ​​jest bardzo popularna na rynku.

Wchłanianie. Najnowsza generacja pomp ciepła. W swojej pracy wykorzystują chłonny freon. Dzięki temu kilkukrotnie podnosi się jakość pracy.

Można wyróżnić rodzaje pomp ciepła według źródeł ciepła, a mianowicie:

• Energia cieplna jest wytwarzana przez glebę (na zdjęciu);
• woda;
• Prądy powietrzne
• Ponowne ciepło. Pozyskiwane są ze spływów wody, brudnego powietrza lub ścieków.

Według typów obwodów wejścia-wyjścia:

• powietrze-powietrze. Pompa pobiera zimne powietrze, obniża jego temperaturę, odbiera wymagane ciepło, które przenosi je tam, gdzie jest potrzebne ogrzewanie.
• woda do wody. Pompa pobiera ciepło z wody gruntowej, która oddaje je wodzie do ogrzewania pomieszczenia.
• woda-powietrze. Od wody do powietrza. Stosowanie sond i studni do wody jest typowe, a ogrzewanie odbywa się poprzez system ogrzewania powietrznego.
• powietrze-woda. Od powietrza do wody. Pompy tego typu wykorzystują ciepło z atmosfery do podgrzewania wody.
• wody w glebie. W tej formie ciepło pobierane jest z rur z wodą ułożoną w ziemi. Ciepło pobierane jest z gruntu (gleby).
• Lodowata woda. Ciekawy typ pompy ciepła. Do podgrzewania wody do ogrzewania pomieszczeń stosuje się technikę produkcji lodu, w której uwalniana jest kolosalna energia cieplna. Jeśli zamrozisz do 200 litrów wody, uzyskasz energię, która może ogrzać średniej wielkości w ciągu 40-60 minut.

Zalety i wady pomp ciepła

Zasada praca pompy ciepła, w uproszczeniu, opiera się na zbieraniu niskiej jakości energii cieplnej i dalszym przekazywaniu jej do systemów grzewczych i klimatyzacyjnych, a także do systemów uzdatniania wody, ale w wyższej temperaturze. Prosty przykład można podać w forma butli gazowej – gdy jest wypełniony gazem, sprężarka rozgrzewa się poprzez jego sprężenie. A jeśli wypuścisz gaz z butli, butla ostygnie - spróbuj ostro wypuścić gaz z zapalniczki wielokrotnego użytku, aby zrozumieć istotę tego zjawiska.

W ten sposób pompy ciepła niejako odbierają energię cieplną z otaczającej przestrzeni - znajduje się ona w ziemi, w wodzie, a nawet w powietrzu. Nawet jeśli powietrze ma ujemną temperaturę, nadal jest w nim ciepło. Występuje również w każdym zbiorniku wodnym, który nie zamarza do samego dna, a także w głębokich warstwach gleby, które również nie są podatne na głębokie zamarzanie - chyba że jest to oczywiście wieczna zmarzlina.

Pompy ciepła mają dość skomplikowane urządzenie, o czym można się przekonać, próbując zdemontować lodówkę lub klimatyzatory. Te znane nam jednostki domowe są nieco podobne do wyżej wymienionych pomp, tyle że działają w przeciwnym kierunku - odbierają ciepło z lokalu i wysyłają je na zewnątrz. Jeśli położysz rękę na tylnym grzejniku lodówki, zauważymy, że jest ciepły. A to ciepło to nic innego jak energia pobrana z owoców, warzyw, mleka, zup, kiełbasek i innych produktów znajdujących się w komorze.

W podobny sposób działają klimatyzatory i systemy typu split – ciepło generowane przez jednostki zewnętrzne to energia cieplna gromadzona stopniowo w chłodzonych pomieszczeniach.

Zasada działania pompy ciepła jest odwrotnością działania lodówki. W tych samych ziarnach gromadzi ciepło z powietrza, wody lub gleby, po czym kieruje je do odbiorców – są to systemy grzewcze, akumulatory ciepła, systemy ogrzewania podłogowego, podgrzewacze wody. Wydawałoby się, że nic nie stoi na przeszkodzie, aby podgrzać chłodziwo lub wodę zwykłym elementem grzejnym – tak jest prościej. Ale porównajmy wydajność pomp ciepła i konwencjonalnych elementów grzejnych:

Przy wyborze pompy ciepła najważniejsza jest dostępność określonego naturalnego źródła energii.

• Konwencjonalny element grzejny - do produkcji 1 kW ciepła zużywa 1 kW energii elektrycznej (z wyłączeniem błędów;
• Pompa ciepła - do wyprodukowania 1 kW ciepła zużywa tylko 200 W energii elektrycznej.

Nie, nie ma tu sprawności równej 500% – prawa fizyki są niewzruszone. Działają tu tylko prawa termodynamiki. Pompa niejako gromadzi energię z kosmosu, „zagęszcza” ją i wysyła do odbiorców. Podobnie możemy zbierać krople deszczu przez dużą konewkę, uzyskując na wyjściu solidny strumień wody.

Podaliśmy już wiele analogii, które pozwalają nam zrozumieć istotę pomp ciepła bez zawiłych formuł ze zmiennymi i stałymi. Przyjrzyjmy się teraz ich zaletom:

• Oszczędność energii - jeśli standardowe ogrzewanie elektryczne to 100 mkw. m. doprowadzi do kosztów 20-30 tysięcy rubli miesięcznie (w zależności od temperatury powietrza na zewnątrz), wtedy system grzewczy z pompą ciepła obniży koszty do akceptowalnych 3-5 tysięcy rubli - musisz przyznać, to już jest całkiem solidne oszczędności. I to bez sztuczek, bez oszustwa i bez sztuczek marketingowych;
• Troska o środowisko – elektrownie węglowe, jądrowe i wodne szkodzą naturze. Dlatego zmniejszone zużycie energii elektrycznej zmniejsza ilość szkodliwych emisji;
• Szerokie zastosowanie - uzyskaną energię można wykorzystać do ogrzewania domu i przygotowania ciepłej wody.

Są też wady:

• Wysoki koszt pomp ciepła – ta wada nakłada ograniczenia na ich użytkowanie;
• Konieczność regularnej konserwacji – trzeba za nią zapłacić;
• Trudności w instalacji – dotyczy to w największym stopniu pomp ciepła z obiegami zamkniętymi;
• Brak akceptacji ze strony ludzi – niewielu z nas zgodziłoby się zainwestować w ten sprzęt w celu zmniejszenia obciążenia środowiska. Jednak niektórzy ludzie, którzy mieszkają daleko od sieci gazowej i są zmuszeni do ogrzewania domów alternatywnymi źródłami ciepła, zgadzają się wydać pieniądze na zakup pompy ciepła i obniżyć miesięczne rachunki za prąd;
• Zależność od sieci - jeśli dopływ prądu zostanie zatrzymany, sprzęt natychmiast zamarznie. Sytuację uratuje instalacja akumulatora ciepła lub zapasowego źródła zasilania.

Jak widać, niektóre wady są dość poważne.

Generatory na benzynę i olej napędowy mogą służyć jako zapasowe źródła zasilania dla pomp ciepła.

Porady & Triki

Pompa ciepła to skomplikowane technicznie i dość drogie urządzenie, dlatego do jej wyboru należy podchodzić z dużą odpowiedzialnością. Aby nie być bezpodstawnym, oto kilka bardzo konkretnych zaleceń.

1. Nigdy nie rozpoczynaj wyboru pompy ciepła bez uprzedniego wykonania obliczeń i stworzenia projektu. Brak projektu może spowodować fatalne błędy, które można naprawić tylko za pomocą ogromnych dodatkowych inwestycji finansowych.

2. Projektowanie, montaż i konserwację pompy ciepła i systemu grzewczego należy powierzać wyłącznie profesjonalistom. Jak upewnić się, że w tej firmie pracują profesjonaliści? Przede wszystkim przez dostępność całej niezbędnej dokumentacji, portfolio wdrożonych obiektów, certyfikatów od dostawców sprzętu.Bardzo pożądane jest, aby cały zakres niezbędnych usług wykonywała jedna firma, która w tym przypadku będzie w pełni odpowiedzialna za realizację projektu.

3. Radzimy preferować pompę ciepła produkcji europejskiej. Nie dajcie się zmylić tym, że jest droższy od sprzętu chińskiego czy rosyjskiego. Uwzględniając kosztorys instalacji, uruchomienia i debugowania całego systemu grzewczego, różnica w cenie pomp będzie prawie niezauważalna. Ale z drugiej strony, mając do dyspozycji „europejski”, będziesz pewien jego niezawodności, ponieważ wysoka cena pompy jest tylko wynikiem zastosowania nowoczesnych technologii i wysokiej jakości materiałów do jej stworzenia.

Główne odmiany

Wszystkie pompy obiegowe do systemów grzewczych są podzielone na dwa typy konstrukcji: urządzenia z wirnikiem „suchym” i pompy obiegowe z wirnikiem „mokrym”.

W pompach obiegowych pierwszego typu, co już wynika z ich nazwy, wirnik nie ma kontaktu z ciekłym czynnikiem roboczym - chłodziwem. Wirnik takich pomp jest oddzielony od wirnika i stojana uszczelniającymi pierścieniami stalowymi, dociskanymi do siebie specjalną sprężyną kompensującą zużycie tych elementów. Szczelność tego zespołu uszczelniającego podczas pracy pompy zapewnia cienka warstwa wody pomiędzy stalowymi pierścieniami, która powstaje na skutek różnicy ciśnień w układzie grzewczym iw środowisku zewnętrznym.

Pompy obiegowe do ogrzewania z „suchym” wirnikiem charakteryzują się dość wysoką sprawnością (89%) i wydajnością, ale maszyny hydrauliczne tego typu mają również wady, m.in. mocne hałas w pracy oraz złożoność obsługi, konserwacji i napraw.Z reguły przemysłowe instalacje grzewcze wyposażone są w tego typu pompy, rzadko są stosowane w domowych instalacjach grzewczych.

Jednostopniowa pompa obiegowa z „suchym” wirnikiem

Pompa obiegowa do instalacji grzewczych wyposażona w wirnik typu „mokrego” to urządzenie, którego wirnik i wirnik są w stałym kontakcie z chłodziwem. Czynnik roboczy, w którym obraca się wirnik i wirnik, działa jak smar i chłodziwo. Stojan i wirnik pomp tego typu są izolowane od siebie specjalną szybą wykonaną ze stali nierdzewnej. Szkło takie, wewnątrz którego obracający się w medium chłodzącym wirnik i wirnik chroni zasilane uzwojenie stojana przed dostaniem się na nie płynu roboczego.

Wydajność pomp tego typu jest raczej niska i wynosi tylko 55%, ale możliwości techniczne takiego urządzenia są wystarczające, aby zapewnić cyrkulację chłodziwa w systemach grzewczych nie za duże domy. Jeśli mówimy o zaletach pomp obiegowych z „mokrym” wirnikiem, to powinny one obejmować minimalną ilość hałasu emitowanego podczas pracy takich urządzeń, wysoką niezawodność, łatwość obsługi, konserwacji i naprawy.

Mokra pompa obiegowa

Wybór typu pompy ciepła

Głównym wskaźnikiem tego systemu grzewczego jest moc. Przede wszystkim od mocy będą zależeć koszty finansowe zakupu sprzętu i wyboru jednego lub drugiego źródła ciepła niskotemperaturowego.Im wyższa moc systemu pompy ciepła, tym większy koszt komponentów.

Przede wszystkim dotyczy to mocy kompresora, głębokości odwiertów na sondy geotermalne, czy miejsca na umieszczenie kolektora poziomego. Prawidłowe obliczenia termodynamiczne są rodzajem gwarancji, że system będzie działał sprawnie.

Jeśli w pobliżu twojego obszaru osobistego znajduje się zbiornik, najbardziej opłacalnym i produktywnym wyborem będzie woda pompy ciepła-woda

Najpierw musisz przestudiować obszar planowany do instalacji pompy. Idealnym warunkiem byłaby obecność zbiornika na tym terenie. Korzystanie z opcji woda-woda znacznie zmniejszy ilość prac wykopaliskowych.

Natomiast wykorzystanie ciepła ziemi wiąże się z dużą liczbą prac związanych z wykopaliskami. Za najbardziej wydajne uważane są systemy wykorzystujące wodę jako ciepło niskiej jakości.

Urządzenie pompy ciepła czerpiące energię cieplną z gruntu wymaga imponującej ilości robót ziemnych. Kolektor jest ułożony poniżej poziomu sezonowego zamarzania

Istnieją dwa sposoby wykorzystania energii cieplnej gleby. Pierwsza polega na wierceniu studni o średnicy 100-168 mm. Głębokość takich studni, w zależności od parametrów systemu, może sięgać 100 m lub więcej.

W tych studzienkach umieszcza się specjalne sondy. Druga metoda wykorzystuje kolektor rur. Taki kolektor jest umieszczony pod ziemią w płaszczyźnie poziomej. Ta opcja wymaga dość dużego obszaru.

Do układania kolektora za idealne uważane są obszary o mokrej glebie. Oczywiście wiercenie studni będzie kosztować więcej niż zbiornik poziomy.Jednak nie każda witryna ma wolne miejsce. Do jednego kW mocy pompy ciepła potrzebujesz od 30 do 50m² powierzchni.

Konstrukcja do poboru energii cieplnej przez jedną studnię głębinową może okazać się nieco tańsza niż kopanie dołu

Ale duży plus to znaczna oszczędność miejsca, co jest ważne dla właścicieli małych działek. W przypadku występowania na terenie wysoko położonego poziomu wód gruntowych wymienniki ciepła można rozmieścić w dwóch studniach znajdujących się w odległości około 15 m od siebie

W przypadku występowania na terenie wysoko położonego poziomu wód gruntowych wymienniki ciepła można rozmieścić w dwóch studniach znajdujących się w odległości około 15 m od siebie.

Pozyskiwanie energii cieplnej w takich systemach poprzez pompowanie wód gruntowych w obiegu zamkniętym, których części znajdują się w studniach. Taki system wymaga zainstalowania filtra i okresowego czyszczenia wymiennika ciepła.

Najprostszy i najtańszy schemat pompy ciepła oparty jest na pozyskiwaniu energii cieplnej z powietrza. Kiedyś stał się podstawą konstrukcji lodówek, później zgodnie z jej założeniami opracowywano klimatyzatory.

Najprostszy system pompy ciepła pozyskuje energię z masy powietrza. Latem zajmuje się ogrzewaniem, zimą klimatyzacją. Wadą systemu jest to, że w wersji niezależnej jednostka o niewystarczającej mocy

Efektywność różne rodzaje tego sprzętu nie ten sam. Pompy wykorzystujące powietrze mają najniższą wydajność. Ponadto wskaźniki te są bezpośrednio zależne od warunków pogodowych.

Gruntowe odmiany pomp ciepła mają stabilną wydajność. Współczynnik efektywności tych systemów waha się w granicach 2,8 -3,3.Najbardziej wydajne są systemy typu woda-woda. Wynika to przede wszystkim ze stabilności temperatury źródła.

Należy zauważyć, że im głębiej w zbiorniku znajduje się kolektor pompy, tym stabilniejsza będzie temperatura. Do uzyskania mocy systemu 10 kW potrzeba około 300 metrów rurociągu.

Głównym parametrem charakteryzującym sprawność pompy ciepła jest jej współczynnik konwersji. Im wyższy współczynnik konwersji, tym bardziej wydajna pompa ciepła jest brana pod uwagę.

Współczynnik konwersji pompy ciepła wyraża się stosunkiem przepływu ciepła do mocy elektrycznej zużytej na pracę sprężarki