Jak funguje tepelné čerpadlo voda-voda a jak si ho můžete vyrobit sami

Vlastnosti zařízení

V sedmdesátých letech v Americe představil pozoruhodný vynálezce Eugene Frenette světu svůj výtvor - tepelné čerpadlo Frenette, pojmenované po svém objeviteli.

Je pozoruhodný především tím, že jeho účinnost přesahuje 100 %. Někteří věří v 700 a 1000 procent, ale skeptici to nepodporují - je to přece jen přehnané.

Možnosti použití čerpadla Frenette se neomezují pouze na domácnost. Úspěšně se používá v průmyslu.

Kdysi bylo toto zařízení velmi populární, takže nadšenci studovali jeho schéma a stále více zlepšovali konstrukci tepelného čerpadla.

Základní princip zůstává stále stejný: tvůrce zařízení nabídl jednoduchý, ale ve své jednoduchosti geniální vynález. Vše je založeno na vzniku třecího tepla.

Když poprvé představil tepelné čerpadlo Frenette, bylo jeho schéma následující:

• Dva dokonale velké válce: menší ve větším. V malé mezeře mezi nimi je olej.
• Malý motor je na jedné straně vybaven ventilátorem a na druhé straně motorem (elektromotorem).
• Vnější plášť naznačoval vzduchové štěrbiny a jednotka byla optimalizována termostatem.

Nyní pochopíme, jak tato jednotka, která se svou konstrukcí liší od většiny běžných a nám známých klimatizačních zařízení, přibližně fungovala.

Otáčením malého válce se olej zahřívá. Ventilátor šíří teplý vzduch do místnosti.

Přestože se tento systém nazývá tepelné čerpadlo, je zařízení Frenette pouze topení ve správném slova smyslu.

Tepelné čerpadlo musí pracovat podle obráceného Carnotova principu a přeměňovat nízký potenciál okolního prostředí na vysoký potenciál tepelné energie. Nic takového zde neexistuje.

Mnozí se pokoušeli tento vynález přeměnit, včetně jeho samotného tvůrce. Proto lze nalézt různé typy čerpadel Frenette.

Strukturální odlišnosti od výše popsaných nuancí mohou být například následující:

Buben s válci je ve vodorovné poloze a jeho středem prochází hřídel, jejíž konec vyčnívá ven. Nemá ventilátor, obvykle je nahrazen chladičem nebo je chladicí kapalina přiváděna přímo do systému.

Je důležité zajistit, aby byl systém hermeticky uzavřen. Pohled na dva bubny s oběžným kolem mezi nimi. Zahřátý olej je z oběžného kola vypuzován do mezery mezi rotorem a tělesem čerpadla, což zajišťuje maximální výkon.
Netradiční typ čerpadla Frenette vyvinutý vědci z Chabarovska

Olej je nahrazen vodou, základem je prvek ve tvaru houby. Pára, která vzniká zahříváním a vařením, se pohybuje kanály rychlostí až 135 metrů za minutu. Tato konstrukce je schopna existovat bez jakéhokoli přívodu energie. Používá se pouze pro průmyslové účely

Zahřátý olej je z oběžného kola vytlačován do mezery mezi rotorem a tělesem čerpadla, což zajišťuje maximální výkon.
Netradiční typ čerpadla Frenette, vyvinutý vědci z Chabarovska. Olej je nahrazen vodou, základem je prvek ve tvaru houby. Pára, která vzniká zahříváním a vařením, se pohybuje kanály rychlostí až 135 metrů za minutu. Tato konstrukce je schopna existovat bez jakéhokoli přívodu energie. Používá se pouze pro průmyslové účely.

Technologie montáže tepelného čerpadla

Podívejme se podrobněji na schéma stvoření a sestavení:

1. Proveďte výpočet čerpadla. To lze provést pomocí speciální kalkulačky, která porovnává plochu vytápěných prostor s výkonem systému. Obecně je postup výpočtu následující: Kalkulátor použije zadané údaje (plocha místnosti a výška stropu), převede je na objem a vypíše doporučení o praktickém výkonu čerpadla pro daný případ.
2. Výběr vhodného kompresoru. Ihned upřesníme jeden moment (pro mistry "plechovkáře"): kompresor v tepelném čerpadle se nikdy nevytváří ručně, protože účinnost jeho práce bude záviset na pracovní kapacitě systému jako celku a i sebemenší závada bude stačit k poruše všech konstrukčních prvků čerpadla. Optimální volba by měla vycházet z vypočteného výkonu čerpadla: Výkon kompresoru by měl být přibližně 1/3 možného tepelného výkonu čerpadla.
3. Konstrukce výparníku. Tento proces je poměrně jednoduchý, pokud jej berete vážně a dáváte mu během provozu pozor. Jako tento prvek lze použít plastovou nádrž s víkem. Podél vnitřní strany nádrže je natažena měděná cívka, jejíž délka a průměr musí být předem určeny. Nejprve vypočítejte plochu potrubí podle vzorce P=M/0,8ΔT. M je výkon čerpadla a ΔT je rozdíl teplot. Výsledek se měří pomocí plochy jednoho metru potrubí. Položte řádně ohnutou trubku do nádrže, přičemž konce trubky vedete nahoře a dole. Poté namontujte dvě zásuvky (kovové konektory). Poté k nim připojte dvě hadice: tlakovou nahoře a výstupní dole (pro vypouštění vody).
4. Nyní můžete začít s montáží kondenzátoru. Mimochodem, je to téměř totožný postup jako při montáži výparníku, jen s tím rozdílem, že místo polymerové nádrže se použije nádrž z nerezové oceli a v konstrukci bude cirkulovat již ohřátá chladicí kapalina.
5. V neposlední řadě je to montáž všech součástí. Kompresor je tedy nejprve namontován na připravenou plošinu/základ. Poté je horní výstup kondenzátoru připojen k jeho výtlačnému připojení a spodní výstup kondenzátoru je připojen k výstupu výparníku. K tomuto účelu se používá měděná trubka, jejíž průměr musí odpovídat průměru cívek instalovaných uvnitř konstrukčních prvků systému. Zbývá připojit horní přípojku výparníku k přípojce sání kompresoru. Nyní je možné doplnit chladivo.

To je konec úvahy o vlastnostech tepelného čerpadla voda-voda a technologie jeho instalace vlastníma rukama. Při provádění všech prací buďte velmi pozorní. Hodně štěstí!

Tepelné čerpadlo vzduch/voda

Instalace a provoz tepelného čerpadla AIR-WATER

Vzduch jako zdroj nízkoteplotní tepelné energie

Teoreticky lze vzduch využít jako zdroj nízkoteplotní tepelné energie bez ohledu na jeho teplotu. V praxi jsou tepelná čerpadla vzduch-voda účinná při teplotách vzduchu až -15 °C. V současné době jsou v prodeji čerpadla, která pracují při teplotě -25 C, ale jejich cena je zatím příliš vysoká, což činí tento typ tepelného zařízení nedostupným pro běžného spotřebitele.

Ve své nejprimitivnější podobě lze tepelné čerpadlo "vzduch-voda" představit jako klimatizaci, která slouží k ochlazování prostředí a vypouštění "přebytečného" tepla do vytápěného prostoru.

Tepelné čerpadlo vzduch-voda nevyžaduje hloubení jam ani vrtání studní, pokládání potrubí na dno nádrží ani stavbu vertikálních kolektorů, které jsou nutné k aktivaci tepelných čerpadel voda-voda nebo země-voda. Snadno se používá a přitom poskytuje levné teplo pro vytápění domu.

Stejně jako klimatizační systémy mohou být i tepelná čerpadla tohoto typu navržena ve dvou provedeních:

• Jako dělený systém sestávající ze 2 jednotek propojených inženýrskými sítěmi.
• Jako monoblok

Monobloková jednotka je obvykle jedna jednotka instalovaná uvnitř nebo vně domu. Při instalaci v interiéru musí zůstat volný kanál pro přívod vzduchu. Venkovní instalace je vhodnější, protože umožňuje umístit kompresor jako zdroj hluku mimo budovu.

Mnoho výrobců dnes vyrábí tepelná čerpadla vzduch-voda ve formě monobloků. To je pohodlné a praktické, protože umožňuje volný pohyb čerpadla a jeho instalaci bez složité instalace a zapojování. Jedinou nevýhodou je nízký výkon tohoto typu čerpadla: od 3 do 16 kW.

Dělený systém je rozdělen na dvě jednotky, z nichž jedna obsahuje kondenzátor a automatický řídicí systém. Ten je instalován v interiéru. Druhý (vnější) blok obsahuje kompresor. Ekonomická proveditelnost instalace tepelných čerpadel vzduch-voda

Tepelná čerpadla vzduch-voda jsou účinná při kladných venkovních teplotách. Široké uplatnění našly v jižních oblastech naší země: na Kubáni, ve Stavropolském kraji atd., kde jsou silné mrazy vzácné a zimní teploty zřídka klesají pod nulu.

To neznamená, že v jiných oblastech naší země s drsnějšími klimatickými podmínkami nelze tepelná čerpadla tohoto typu používat. Vůbec ne. Jednoduše řečeno, účinnost čerpadla vzduch-voda klesá s klesající teplotou vzduchu a současně se zvyšují náklady na energii potřebnou k napájení čerpadla.

Proto musí vhodnost tepelného čerpadla pro teploty pod bodem mrazu, stejně jako výběr zařízení podle požadovaného výkonu, provádět kvalifikovaní tepelní technici.

K dnešnímu dni je nejlepší variantou využití tepelného čerpadla "vzduch-voda" pro vytápění a ohřev vody při kladných teplotách okolí a zapojení kotle nebo jiného zdroje tepla do práce při příchodu mrazů.

Další podmínkou použití tepelného čerpadla pro vytápění domu je vysoká tepelná účinnost konstrukce, absence tepelných ztrát spojených s nekvalitní tepelnou izolací a průvanem.

Jaký je princip tepelného čerpadla?

Tento systém se skládá z tepelného čerpadla a jednotky pro odběr a distribuci tepla. Vnitřní okruh tepelného čerpadla tvoří kompresor, výparník, škrticí ventil a kondenzátor. Elektrická energie je nutná pouze k provozu kompresoru.

Vývoj principu spotřebiče se datuje do 19. století. Už tehdy se mu říkalo "Carnotův cyklus". Čerpadlo funguje následovně:

• do rozdělovače se přivádí nemrznoucí směs, kterou může být voda s alkoholem, solanka nebo směs glykolu. Jeho úkolem je absorbovat tepelnou energii a následně ji dopravit do čerpadla;
• ve výparníku se energie předá chladivu, to začne vřít a změní se na páru;
• V důsledku zvýšení tlaku v kompresoru se zvýší teplota;
• Prostřednictvím kondenzátoru se veškerá tepelná energie předává topnému médiu uvnitř domu, přičemž se chladivo ochlazuje a převádí do kapalného stavu a vrací se zpět do kolektoru.

Výhody a nevýhody

Instalace čerpadla a jeho připojení k topnému systému má několik výhod:

• Autonomie - z centralizovaného prvku je třeba vyzdvihnout pouze připojení k elektrické síti.
• Výrazná úspora drahých energetických nosičů, které se používají k vytápění, vám umožní snížit finanční náklady na komunální služby. Z 1 kW elektřiny zařízení vyrobí 3 až 7 kW tepla - nejvyšší koeficienty mezi kotli, které fungují na různá paliva.
• Bezpečnost pro životní prostředí - zařízení nepoškozuje životní prostředí ani zdraví obyvatel.
• Požární odolnost a nehořlavost prvků. Takové čerpadlo se nepřehřívá, nehoří ani nevypouští oxid uhelnatý.

• Jednotka dokáže ochladit nebo zvýšit teplotu v místnosti a vytvořit tak vhodné vnitřní klima. Je vhodný pro zimní i letní provoz.
• Dlouhá životnost - průměrná životnost systému je 40-50 let, při správné instalaci a komfortních provozních podmínkách se životnost prodlužuje o několik dalších let.
• Tichý provoz - systém je řízen automaticky, což je velmi pohodlné.
• K instalaci čerpadla nepotřebujete povolení, jako je například instalace plynového zařízení. Kdykoli si můžete koupit a nainstalovat libovolný model zařízení, aniž byste museli procházet různými úřady a čekat na povolení.

Stejně jako všechna zařízení však mají i tato čerpadla své nevýhody:

• Pořízení a instalace zařízení je poměrně nákladná a ne každý si ji může dovolit. Návratnost investice závisí na intenzitě používání. Ale i v tom nejlepším případě se nákup vrátí nejméně za 5 let.
• Instalaci musí provést odborník a vyžaduje vrtání a další vybavení pro zřízení geotermálního čerpadla s vertikálním okruhem až do hloubky 200 m. Pokud máte potřebné znalosti a nástroje, můžete si ji nainstalovat sami.
• V oblastech, kde teploty v zimě klesají pod -15 stupňů, je nutné použít jiný zdroj tepla. Například bivalentní topný systém, kdy jednotka vytápí místnost, dokud je venku -20 stupňů. Když neplní své úkoly, zapne se elektrické topení nebo plynový kotel.

Oběhová čerpadla jsou žádaná u majitelů domů a firem, které sídlí v nízkopodlažních budovách. Tato zařízení si vysloužila pouze pozitivní ohlasy.

Použití tepelných čerpadel pro vytápění domů představuje především významnou finanční úsporu. Za nejúčinnější se považuje systém vytápění s tepelným čerpadlem země-voda. Měsíčně stojí mnohem méně než vytápění plynem nebo peletami. Instalací tepelného čerpadla získá uživatel klimatizaci i účinné vytápění domu v jednom provedení. Některé modely lze ovládat na dálku, například prostřednictvím chytrého telefonu přes internet nebo termostatu umístěného v domě. Instalací solárních kolektorů nebo baterií můžete zajistit plnou autonomii systému a nemusíte se vůbec starat o rostoucí účty za energii.

Základní druhy geotermálních tepelných čerpadel

Celkem existují čtyři typy specializovaných kolektorů, které dodávají tepelnou energii. Patří mezi ně:

• Horizontální tepelná čerpadla umístěná v hloubce přibližně jeden a půl metru - přesně v úrovni, která leží hlouběji než zemský mráz. Tato možnost se upřednostňuje u obytných nemovitostí.
• Vertikální tepelná čerpadla umístěná ve speciálních vrtech hlubokých přibližně sto padesát metrů. Toto řešení má význam v případě, že plocha pro horizontální okruh jednoduše není k dispozici.
• U vodních čerpadel se zdrojem země dochází k cirkulaci vody v systému geotermálního tepelného čerpadla, která slouží jako pracovní teplonosná kapalina. Po průchodu celým okruhem je posledním krokem jeho bezpečný návrat na zem.
• Vodní tepelná čerpadla jsou z hlediska nákladů nejatraktivnější variantou. Mohou být umístěny v jakékoli vodní nádrži, jejíž hloubka zamrznutí je vyšší než hloubka instalace. Také při instalaci je třeba dodržet stávající požadavky na objem vody v jezírku a velikost jezírka.

V současné době se poměrně hojně používají všechny čtyři typy kolektorů, které se vybírají podle provozních podmínek a možností uživatele - vlastností budovy, rozpočtu atd.

Doporučené vybavení

Výběr typu tepelného čerpadla

Nejdůležitějším parametrem tohoto topného systému je příkon. Výkon bude mít také zásadní vliv na finanční náklady na pořízení zařízení a na výběr nízkoteplotního zdroje tepla. 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 horizontálního kolektoru. Správné termodynamické výpočty jsou jakousi zárukou, že systém bude fungovat efektivně.

Pokud se v blízkosti soukromého pozemku nachází vodní plocha, je tepelné čerpadlo voda-voda cenově nejvýhodnější a nejefektivnější volbou.

Využití zemního tepla naopak vyžaduje velké množství výkopových prací. Za nejúčinnější se považují systémy, které využívají vodné médium jako nízkopotenciální teplo.

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. Tento kolektor je umístěn pod zemí ve vodorovné rovině. Tato varianta vyžaduje dostatečně velkou plochu.

Výstavba jednoho hlubokého vrtu pro odběr tepla nemusí být o mnoho levnější než hloubení jámy.

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

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. Kdysi byl základem pro chladničky a později byly podle jeho principů vyvinuty klimatizace.

Nejjednodušší systém tepelného čerpadla získává energii ze vzduchové hmoty. V létě se podílí na vytápění a v zimě na klimatizaci. Nevýhodou systému je, že v samostatném provedení je jednotka s nedostatečnou kapacitou

Účinnost různých typů tohoto zařízení není stejná. Čerpadla využívající vzduch mají nejnižší účinnost. Tyto hodnoty jsou navíc přímo závislé na povětrnostních podmínkách.

Zemní tepelná čerpadla 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.

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 jako poměr tepelného výkonu a elektrického výkonu potřebného k provozu kompresoru.

Výběr typu tepelného čerpadla

Hlavním ukazatelem tohoto typu topného systému je výkon. Kapacita bude mít také zásadní vliv na finanční náklady na nákup zařízení a na výběr nízkoteplotního zdroje tepla. Čím vyšší je výkon systému tepelného čerpadla, tím vyšší jsou náklady na komponenty.

Především se jedná o kapacitu kompresoru, hloubku vrtů pro geotermální sondy nebo plochu pro umístění horizontálního kolektoru. Správné termodynamické výpočty jsou jakousi zárukou, že systém bude fungovat efektivně.

Tepelné čerpadlo voda-voda je nákladově nejefektivnější a nejúčinnější volbou, pokud se v blízkosti soukromého pozemku nachází vodní plocha.

Nejprve je třeba zkontrolovat plánované umístění čerpadla. 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 nízkopotenciální teplo.

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

Energii země lze 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. Tento 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 kolektor. Ne na každém pozemku je však volné místo. Pro jeden kW výkonu tepelného čerpadla je zapotřebí plocha 30 až 50 m².

Výstavba jednoho hlubokého vrtu pro odběr tepla nemusí být o mnoho levnější než hloubení jámy.

Velkou výhodou je však značná úspora místa, což je důležité pro majitele malých pozemků. V případě vysoké hladiny podzemní vody na pozemku lze výměníky tepla vybudovat ve dvou studnách vzdálených od sebe přibližně 15 m.

V případě vysoké hladiny podzemní vody v oblasti mohou být výměníky tepla instalovány 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. Kdysi byl základem pro chladničky a později byly podle jeho principů 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 v samostatném provedení je jednotka s nedostatečnou kapacitou

Účinnost různých typů tohoto zařízení není stejná. Čerpadla využívající vzduch mají nejnižší účinnost. Tyto hodnoty jsou navíc přímo závislé na povětrnostních podmínkách.

Zemní tepelná čerpadla 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 jezírku, tím stabilnější je teplota. 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.

Použití tepelných čerpadel v ruském klimatu

Po přečtení výše uvedených popisů různých typů tepelných čerpadel si můžete snadno odpovědět na otázku, které čerpadlo je nejvhodnější pro použití v ruském klimatu.

Vzduchová tepelná čerpadla jsou vhodná pro použití pouze v omezeném počtu oblastí naší země - tam, kde zimní teploty téměř neklesají pod bod mrazu. Obyvatelé Sibiře, Dálného východu a severu evropského Ruska by samozřejmě neměli o tepelných čerpadlech na bázi vzduchu ani uvažovat.

Pro použití vodních tepelných čerpadel existuje mnoho omezení. O některých z nich jsme již hovořili, zbývá zmínit ještě jednu. Více než polovina území naší země se nachází v pásmu věčně zmrzlé půdy. I když má obyvatel východní Sibiře nebo severu Dálného východu "štěstí" a na jeho pozemku je podzemní voda, která není příliš hluboká, je stále ve formě ledu, a proto není vhodná pro použití v topném systému.

Většina našich spoluobčanů se tak musí spolehnout na jedinou, pro všechny výhodnou možnost - tepelné čerpadlo země-voda. V tomto případě je v podmínkách ruského klimatu vhodnější čerpadlo s geotermální sondou než horizontální kolektor, který umožňuje dosáhnout hloubky, kde je teplota země stabilnější.