Tepelná čerpadla pro vytápění domácností: typy a princip činnosti

Princip činnosti čerpadla vzduch-voda

Jak již bylo uvedeno, hlavním zdrojem tepelné energie pro zařízení tohoto typu je atmosférický vzduch. Základní princip vzduchových čerpadel je založen na fyzikální vlastnosti kapalin absorbovat a uvolňovat teplo při fázovém přechodu z kapalného do plynného stavu a zpět. V důsledku změny stavu se uvolňuje teplota. Systém funguje na principu chladničky v obráceném pořadí.

Aby se tyto vlastnosti kapaliny efektivně využily, cirkuluje snadno vroucí chladivo (freon, chladivo) v uzavřeném okruhu, jehož konstrukce zahrnuje:

• kompresor poháněný elektromotorem;
• výparník s ventilátorem;
• škrticí (expanzní) ventil;
• deskový výměník tepla;
• Měděné nebo plastové cirkulační trubky propojující hlavní prvky obvodu.

Pohyb chladiva v okruhu se uskutečňuje díky tlaku vyvíjenému kompresorem. Pro snížení tepelných ztrát jsou trubky potaženy tepelně izolační vrstvou z umělé pryže nebo pěnového polyethylenu s ochrannou metalizovanou vrstvou. Jako chladivo se používá chladon nebo freon, který může vřít při teplotách pod bodem mrazu a nezamrzá až do -40 °C.

Celý proces se skládá z následujících po sobě jdoucích cyklů:

1. Chladič výparníku obsahuje kapalné chladivo, jehož teplota je nižší než teplota venkovního vzduchu. Při aktivním chlazení chladiče se tepelná energie z nízkopotenciálního vzduchu předává chladivu, které se vaří a stává se plynným. To způsobí zvýšení jeho teploty.
2. Ohřátý plyn vstupuje do kompresoru, kde se během procesu komprese dále ohřívá.
3. Ve stlačeném a ohřátém stavu se páry chladiva přivádějí do deskového výměníku tepla, kde topné médium cirkuluje druhým okruhem. Protože teplota teplonosného média je mnohem nižší než teplota ohřívaného plynu, freon aktivně kondenzuje na deskách výměníku tepla a uvolňuje teplo do topného systému.
4. Ochlazená směs par a kapaliny proudí ke škrticímu ventilu, který propouští do výparníku pouze ochlazené kapalné chladivo s nízkým tlakem. Celý cyklus se pak opakuje.

Pro zvýšení účinnosti trubice pro přenos tepla jsou na výparníku navinuta spirálová žebra. Výpočet topného systému, volba oběhových čerpadel a dalšího vybavení musí zohlednit hydraulický odpor a součinitel přestupu tepla. součinitel přestupu tepla deskového výměníku tepla zařízení.

Videopřehled systému a jeho fungování

Invertorová tepelná čerpadla

Přítomnost měniče v instalaci umožňuje pozvolný start zařízení a automatickou regulaci režimů v závislosti na teplotě venkovního vzduchu. Umožňuje maximalizovat účinnost tepelného čerpadla tím, že:

• Dosahuje účinnosti 95-98 %;
• Snížení spotřeby energie o 20-25 %;
• minimalizovat zatížení energetické sítě;
• prodloužit životnost systému.

Díky tomu je teplota v interiéru trvale udržována na stejné úrovni bez ohledu na změny počasí. Kromě toho přítomnost měniče s automatickou řídicí jednotkou zajistí nejen vytápění v zimě, ale také chlazení vzduchu v létě, když je horké počasí.

Současně je třeba poznamenat, že dodatečné vybavení má vždy za následek vyšší náklady a delší dobu návratnosti.

Rozdělení podle typu teplonosného média

Moderní tepelná čerpadla mohou využívat plynné médium nebo chemická kapalina roztok amoniaku jako teplonosné médium. Vhodnost jedné nebo druhé varianty se posuzuje na základě několika faktorů a vlastností systému.

1. Freonové jednotky mají cyklus tepelného čerpadla založený na procesu komprese a expanze plynu. Tak či onak jsou postaveny na obvodu kompresoru. Zařízení má atraktivní výkonnostní parametry, ale také nevýhody. Přestože je vážená průměrná spotřeba systému v době pracovního cyklu stabilní, je elektroinstalace silně zatížena. Tepelná čerpadla s plynným teplonosným médiem navíc nebudou užitečná v regionech, kde není k dispozici centralizovaná elektrická síť nebo zdroj energie s dostatečným zatížením.
2. Odpařovací zařízení používající roztok čpavku mají provozní cyklus založený na procesu odpařování látky při nízkých bodech varu. Zkapalňování po průchodu vnějším výměníkem tepla probíhá pod vlivem zdroje energie. Jedná se o tepelný hořák. Lze pro něj použít prakticky jakékoli palivo: pevné palivo, benzín, naftu, plyn, parafín a v některých případech metylalkohol. Odpařovací tepelná čerpadla jsou proto atraktivní v místech, kde není k dispozici elektřina. Kromě toho může k volbě tohoto typu zařízení vést nízká cena určitého druhu paliva v regionu.

Povaha pracovní kapaliny použité v systému může hodně napovědět o výkonu systému a o výkonu. Například tepelná čerpadla s freonovým kompresorem jsou schopna náhlého přílivu tepla a rychle ohřívají místnost. Modely odpařování čpavku nejsou schopny takových výkonů. Jejich preferovaným způsobem použití je stabilní, konstantní provoz se jmenovitým tepelným výkonem.

Typy tepelných čerpadel

Tepelná čerpadla se dělí na několik typů. První typ (typ) v klasifikaci na způsob přenosu tepelné energie:

Komprese. Základními prvky instalace jsou kompresory, kondenzátory, expandéry a výparníky. Tento typ je velmi kvalitní a účinný, a proto je na trhu velmi oblíbený.

Absorpce. Nejnovější generace tepelných čerpadel. Při své práci používají absorpční chladicí kapalinu. To několikanásobně zvyšuje kvalitu provozu.

Existují typy tepelných čerpadel zdroje tepla, a to:

• Tepelnou energii vytváří země (na fotografii);
• Voda;
• Vzdušné proudy.
• Opakovaně použitelné teplo. Získané z vodních splachů, znečištěného vzduchu nebo odpadních vod.

Podle typu vstupně-výstupních obvodů:

• vzduch-vzduch. Čerpadlo nasává studený vzduch, snižuje jeho teplotu a přijímá potřebné teplo, které předává tam, kde je potřeba topit.
• voda-voda. Čerpadlo odebírá teplo ze spodní vody a předává ho vodě pro vytápění prostor.
• voda-vzduch. Z vody do vzduchu. Vyznačuje se použitím sond a vrtu na vodu a vytápění probíhá pomocí vzduchového topného systému.
• vzduch-voda. Ze vzduchu do vody. Čerpadla tohoto typu využívají k ohřevu vody teplo z atmosféry.
• půdní voda. V této formě se teplo odebírá z vodovodních trubek uložených v zemi. Teplo je odebíráno ze země (zeminy).
• ledová voda. Jedná se o zajímavý typ tepelného čerpadla. K ohřevu vody pro vytápění prostor se používá technika výroby ledu, která uvolňuje obrovské množství tepelné energie. Pokud se zmrazí až 200 litrů vody, je možné získat energii schopnou ohřát průměrnou velikost po dobu asi 40-60 minut.

Výhody a nevýhody tepelných čerpadel

Princip provoz tepelných čerpadelZjednodušeně řečeno, je založena na shromažďování nízkoenergetické tepelné energie a jejím dalším předávání do topných a klimatických systémů a také do systémů přípravy vody, ale již s vyšší teplotou. Jednoduchý příklad je ve tvaru v podobě plynové láhve - když je naplněn plynem, kompresor jej ohřívá stlačováním. A pokud plyn z lahve vypustíte, láhev se ochladí - abyste pochopili podstatu tohoto jevu, zkuste dramaticky vypustit plyn z opakovaně použitelného zapalovače.

Tepelná čerpadla odebírají tepelnou energii z okolního prostředí - ze země, z vody a dokonce i ze vzduchu. I když je vzduch pod bodem mrazu, stále je v něm teplo. Vyskytuje se také ve všech vodních nádržích, které nezamrzají až ke dnu, a v hlubokých vrstvách půdy, které také nezamrzají hluboko - pokud se ovšem nejedná o věčně zmrzlou půdu.

Tepelná čerpadla jsou poměrně složitá, jak se můžete přesvědčit, když se pokusíte rozebrat ledničku nebo klimatizaci. Tyto známé domácí jednotky jsou do jisté míry podobné výše zmíněným čerpadlům, pouze pracují v opačném směru - odebírají teplo z místnosti a posílají ho ven. Pokud přiložíte ruku k zadnímu chladiči chladničky, zjistíte, že je teplý. A toto teplo není nic jiného než energie odebraná ovoci, zelenině, mléku, polévce, uzeninám a dalším produktům ležícím v komoře.

Klimatizační jednotky a splitové systémy fungují stejným způsobem - teplo vyzařované venkovními jednotkami je tepelnou energií, kterou shromažďují zrna v chlazených místnostech.

Princip fungování tepelného čerpadla je opačný než u chladničky. Sbírá teplo ze vzduchu, vody nebo země a následně ho se stejnou granulací přesměrovává ke spotřebitelům - topným systémům, akumulačním kamnům, podlahovým topením a ohřívačům vody. Zdálo by se, že nám nic nebrání ohřívat teplonosné médium nebo vodu běžným topným tělesem - je to tak jednodušší. Porovnejme však produktivitu tepelných čerpadel a konvenčních sítí:

Při výběru tepelného čerpadla je nejdůležitější dostupnost konkrétního přírodního zdroje energie.

• Konvenční síť - na výrobu 1 kW tepla se spotřebuje 1 kW elektřiny (bez započtení chyb;
• Tepelné čerpadlo - k výrobě 1 kW tepla spotřebuje pouze 200 wattů elektřiny.

Ne, žádná účinnost 500 % neexistuje - fyzikální zákony jsou neotřesitelné. Jde jen o působení termodynamických zákonů. Je to, jako by čerpadlo ukládalo energii z vesmíru, "kondenzovalo" ji a posílalo spotřebitelům. Stejně tak můžeme sbírat dešťové kapky velkou konví, čímž se uvolní mohutný proud vody.

Již jsme uvedli mnoho analogií, jak pochopit tepelná čerpadla bez složitých vzorců s proměnnými a konstantami. Zvažme nyní jejich výhody:

• Úspora elektrické energie - pokud standardní elektrické vytápění domu o rozloze 100 m2. m. povede k nákladům 20-30 tisíc rublů měsíčně (v závislosti na venkovní teplotě), topný systém s tepelným čerpadlem sníží náklady na přijatelných 3-5 tisíc rublů - měli byste souhlasit, že je to docela solidní úspora. A to bez triků, podvodů a marketingových triků;
• Péče o životní prostředí - uhelné, jaderné a vodní elektrárny jsou pro přírodu škodlivé. Snížení spotřeby elektřiny proto snižuje množství škodlivých emisí;
• Široká škála využití - vyrobenou energii lze využít pro vytápění domácnosti a přípravu teplé vody.

Existují také nevýhody:

• Vysoká cena tepelných čerpadel - tato nevýhoda omezuje jejich použití;
• Potřeba pravidelné údržby - ta je nákladná;
• Obtížnost instalace - to platí především pro tepelná čerpadla s uzavřeným okruhem;
• Nedostatečné vnímání lidí - málokdo z nás by souhlasil s tím, že utratí peníze za toto zařízení, aby snížil zátěž životního prostředí. Někteří lidé, kteří žijí daleko od plynovodů a musí vytápět své domy alternativními zdroji tepla, však souhlasí s tím, že utratí peníze za tepelné čerpadlo a sníží si měsíční účty za elektřinu;
• Závislost na elektrické síti - pokud dojde k přerušení dodávky energie, zařízení okamžitě zamrzne. Situaci zachrání instalace akumulátoru tepla nebo záložního zdroje.

Jak vidíte, některé nevýhody jsou poměrně závažné.

Jako zdroj záložní energie pro tepelná čerpadla mohou sloužit benzinové a dieselové elektrické generátory.

Tipy a doporučení

Tepelné čerpadlo - zařízení je technicky složité a poměrně drahé, takže k jeho výběru je třeba přistupovat velmi zodpovědně. Abychom nezůstali bez odezvy, přinášíme několik zcela konkrétních doporučení.

1. Nikdy nezačínejte s výběrem tepelného čerpadla, aniž byste nejprve provedli výpočet a vytvořili projekt. Nedostatečný návrh může vést k fatálním chybám, které lze napravit pouze za cenu dalších velkých finančních investic.

2. Návrh, instalace a servis tepelného čerpadla a topného systému by měly být svěřeny pouze odborníkům. Jak si můžete být jisti, že ve firmě pracují profesionálové? Především mají veškerou potřebnou dokumentaci, portfolio realizovaných objektů, certifikáty od dodavatelů zařízení. Je velmi žádoucí, aby celý komplex potřebných služeb poskytovala jedna společnost, která bude v tomto případě plně zodpovědná za realizaci projektu.

3. Doporučujeme upřednostnit tepelné čerpadlo vyrobené v Evropě. Nenechte se vyvést z míry tím, že je dražší než čínské nebo ruské vybavení. Pokud do odhadu zahrnete náklady na instalaci, uvedení do provozu a uvedení celého topného systému do provozu, bude rozdíl v ceně čerpadla téměř zanedbatelný. U evropského čerpadla máte jistotu jeho spolehlivosti, protože vysoká cena čerpadla je pouze výsledkem použití moderních technologií a vysoce kvalitních materiálů při jeho konstrukci.

Základní odrůdy

Všechna oběhová čerpadla pro topné systémy se dělí na dva konstrukční typy: zařízení se "suchým" rotorem a oběhová čerpadla s "mokrým" rotorem.

U oběhových čerpadel prvního typu, jak vyplývá z jejich názvu, není rotor v kontaktu s kapalným pracovním médiem - teplonosnou látkou. Oběžné kolo těchto čerpadel je od rotoru a statoru odděleno těsnicími ocelovými kroužky, které jsou k sobě přitlačeny speciální pružinou, jež kompenzuje opotřebení těchto prvků. Těsnost této těsnicí jednotky během provozu zajišťuje tenká vrstva vody mezi ocelovými kroužky, která vzniká rozdílem mezi tlakem v topném systému a vnějším prostředím.

Oběhová čerpadla topení pracující nasucho mají dostatečně vysokou účinnost (89 %) a výkon, ale tento typ hydrauliky má i své nevýhody, mezi které patří silná provozní hluk Jejich obsluha, údržba a opravy jsou náročné. Tento typ čerpadla se zpravidla používá v topných systémech pro průmyslové účely, zatímco v domácích topných systémech se používá zřídka.

Jednostupňové oběhové čerpadlo se suchým rotorem

Oběhové čerpadlo pro topné systémy s mokrým rotorem je zařízení, jehož oběžné kolo a rotor jsou v trvalém kontaktu s teplonosným médiem. Médium, ve kterém rotor a oběžné kolo rotují, slouží jako mazivo a chladicí kapalina. Stator a rotor tohoto typu čerpadla jsou od sebe izolovány pomocí speciálního pouzdra z nerezové oceli. Ochranný plášť, ve kterém je umístěn rotor a oběžné kolo rotující v chladicím médiu, chrání statorové vinutí pod napětím před působením pracovní kapaliny.

Účinnost tohoto typu čerpadla je poměrně nízká a činí pouze 55 %, ale technické vlastnosti tohoto zařízení jsou pro zajištění cirkulace chladicí kapaliny v topných systémech zcela dostačující. V domech s malým půdorysem. Mezi výhody mokrých rotorových oběhových čerpadel patří minimální emise hluku, vysoká spolehlivost a snadná obsluha, údržba a opravy.

Oběhové čerpadlo s "mokrým" rotorem

Volba typu tepelného čerpadla

Rozhodujícím kritériem je výkon tohoto topného systému. O finančních nákladech na pořízení zařízení a volbě nízkoteplotního zdroje tepla rozhoduje především výkon. Čím vyšší je výkon systému tepelného čerpadla, tím vyšší jsou náklady na komponenty.

To se týká především výkonu kompresoru, hloubky vrtů pro geotermální sondy nebo plochy pro umístění horizontálního kolektoru. Správné termodynamické výpočty jsou jakousi zárukou, že systém bude fungovat efektivně.

Pokud se v blízkosti vašeho pozemku nachází rybník, je nejschůdnější a nejefektivnější volbou. tepelné čerpadlo voda-voda

Nejprve byste měli prozkoumat oblast, na kterou chcete čerpadlo instalovat. Ideálním předpokladem je, že se na pozemku nachází vodní plocha. Použití varianty voda-voda výrazně snižuje objem zemních prací.

Využití zemního tepla naopak vyžaduje velké množství výkopových prací. Za nejúčinnější se považují systémy, které využívají vodní médium jako nízký tepelný potenciál.

Výstavba tepelného čerpadla, které získává tepelnou energii ze země, vyžaduje značné množství výkopových prací. Kolektor musí být instalován pod úrovní sezónních mrazů.

Energii země je možné využít dvěma způsoby. První zahrnuje vrtání vrtů o průměru 100-168 mm. V závislosti na parametrech systému mohou být tyto vrty hluboké až 100 metrů a více.

Do těchto vrtů se umísťují speciální sondy. Druhá metoda využívá trubkový sběrač. Takový kolektor je umístěn pod zemí ve vodorovné rovině. Pro tuto variantu je nutná dostatečně velká plocha.

Ideálními místy pro položení kolektoru jsou oblasti s vlhkou půdou. Vrty jsou samozřejmě dražší než horizontální kolektory. Ne na každém pozemku je však volné místo. Pro jeden kW výkonu tepelného čerpadla potřebujete 30 až 50 m² podlahové plochy.

Výstavba hlubokého vrtu pro získávání tepelné energie může být o něco levnější než hloubení základové jámy.

Velkou výhodou je však značná úspora místa, která je důležitá pro majitele malých pozemků. V případě vysoké hladiny podzemní vody lze výměníky tepla instalovat do dvou vrtů vzdálených od sebe přibližně 15 m.

V případě vysoké hladiny podzemní vody v oblasti mohou být výměníky tepla umístěny ve dvou vrtech vzdálených od sebe přibližně 15 m.

Teplo se v těchto systémech získává čerpáním podzemní vody uzavřeným okruhem, jehož části jsou umístěny ve vrtech. Takový systém vyžaduje instalaci filtru a pravidelné čištění výměníku tepla.

Nejjednodušší a nejlevnější schéma tepelného čerpadla je založeno na získávání tepelné energie ze vzduchu. Jakmile se stal základem pro chladničky, byly podle jeho principů později vyvinuty klimatizace.

Nejjednodušší systém tepelného čerpadla získává energii ze vzduchové hmoty. V létě se používá k vytápění a v zimě ke klimatizaci. Nevýhodou systému je, že jednotka je sama o sobě nedostatečně výkonná.

Účinnost různých typů tohoto zařízení nejsou stejné. Čerpadla, která používají vzduchové médium, mají nejnižší účinnost. Tyto hodnoty jsou navíc přímo závislé na povětrnostních podmínkách.

Tepelná čerpadla země-voda mají stabilní výkon. Koeficient účinnosti těchto systémů se pohybuje od 2,8 do 3,3. Nejvyšší účinnost mají systémy voda-voda. To je dáno především stabilitou teploty zdroje.

Je třeba poznamenat, že čím hlouběji je kolektor čerpadla v nádrži, tím je teplota stabilnější. K dosažení výkonu systému 10 kW je zapotřebí přibližně 300 metrů potrubí.

Hlavním parametrem, který charakterizuje účinnost tepelného čerpadla, je jeho účinnost přeměny. Čím vyšší je konverzní faktor, tím je tepelné čerpadlo považováno za účinnější.

Konverzní faktor tepelného čerpadla je vyjádřen poměrem tepelného toku a elektrické energie spotřebované na provoz kompresoru.