Toplotne črpalke za ogrevanje doma: vrste in načelo delovanja

Načelo delovanja črpalke zrak-voda

Kot smo že omenili, je glavni vir toplotne energije za naprave te vrste atmosferski zrak. Temeljna osnova delovanja zračnih črpalk je fizikalna lastnost tekočin, da absorbirajo in sproščajo toploto med faznim prehodom iz tekočega v plinasto stanje in obratno. Zaradi spremembe stanja se temperatura sprosti. Sistem deluje po principu hladilnika v obratni smeri.

Za učinkovito uporabo teh lastnosti tekočine v zaprtem krogu kroži hladilno sredstvo z nizkim vreliščem (freon, freon), katerega zasnova vključuje:

• kompresor z električnim pogonom;
• ventilatorski uparjalnik;
• dušilni (ekspanzijski) ventil;
• ploščni toplotni izmenjevalec;
• bakrene ali kovinsko-plastične cirkulacijske cevi, ki povezujejo glavne elemente vezja.

Gibanje hladilnega sredstva vzdolž krogotoka poteka zaradi tlaka, ki ga razvije kompresor.Za zmanjšanje toplotnih izgub so cevi prekrite s toplotno izolacijskim slojem iz umetne gume ali polietilenske pene z zaščitno metalizirano prevleko. Kot hladilno sredstvo se uporablja freon ali freon, ki lahko vre pri negativni temperaturi in ne zmrzne do -40 ° C.

Celoten proces dela je sestavljen iz naslednjih zaporednih ciklov:

1. Radiator uparjalnika vsebuje tekoče hladilno sredstvo, ki je hladnejše od zunanjega zraka. Med aktivnim pihanjem radiatorja se toplotna energija iz zraka z nizkim potencialom prenese na freon, ki zavre in preide v plinasto stanje. Hkrati se njegova temperatura dvigne.
2. Ogreti plin vstopi v kompresor, kjer se med kompresijskim procesom še bolj segreje.
3. V stisnjenem in segretem stanju se hlapi hladilnega sredstva dovajajo v ploščni toplotni izmenjevalnik, kjer toplotni nosilec ogrevalnega sistema kroži skozi drugi krog. Ker je temperatura hladilne tekočine veliko nižja od temperature segretega plina, freon aktivno kondenzira na ploščah toplotnega izmenjevalnika in oddaja toploto v ogrevalni sistem.
4. Ohlajena mešanica hlapov in tekočine vstopi v dušilni ventil, ki omogoča prehod v uparjalnik le ohlajenega nizkotlačnega tekočega hladilnega sredstva. Nato se celoten cikel ponovi.

Za povečanje učinkovitosti prenosa toplote cevi so spiralna rebra navita na uparjalnik. Upoštevati je treba izračun ogrevalnega sistema, izbiro obtočnih črpalk in druge opreme hidravlični upor in koeficient namestitev ploščnega toplotnega izmenjevalnika.

Video pregled sistemske naprave in njenega delovanja

Inverterske toplotne črpalke

Prisotnost pretvornika kot dela namestitve omogoča nemoten zagon opreme in avtomatsko regulacijo načinov glede na zunanjo temperaturo. To poveča učinkovitost toplotne črpalke z:

• doseganje učinkovitosti na ravni 95-98%;
• zmanjšanje porabe energije za 20-25%;
• zmanjšanje obremenitev električnega omrežja;
• povečati življenjsko dobo obrata.

Zaradi tega se notranja temperatura stabilno ohranja na isti ravni, ne glede na vremenske spremembe. Hkrati bo prisotnost pretvornika skupaj z avtomatizirano krmilno enoto zagotovila ne le ogrevanje pozimi, temveč tudi oskrbo s ohlajenim zrakom poleti v vročem vremenu.

Hkrati je treba upoštevati, da prisotnost dodatne opreme vedno pomeni povečanje njenih stroškov in podaljšanje vračilne dobe.

Delitev po vrsti delovne tekočine

Uporabljajo se lahko sodobne toplotne črpalke plinasto telo ali kemična tekočina raztopina amoniaka kot prenosnik toplote. Primernost določene sheme se ocenjuje z več dejavniki, značilnostmi sistema.

1. Freonske instalacije imajo cikel toplotne črpalke, ki temelji na procesih stiskanja in ekspanzije plina. Nekako so zgrajene na shemi kompresorja. Oprema ima privlačne kazalnike delovanja, vendar ima tudi slabosti. Čeprav je tehtana povprečna poraba sistema v času obratovalnega cikla stabilna, je ožičenje močno obremenjeno. Poleg tega toplotne črpalke s plinastim prenosnikom toplote ne bodo uporabne v regijah, kjer ni centraliziranega električnega omrežja ali vira energije z zadostno nosilnostjo.
2. Naprave izhlapevalnega tipa, ki uporabljajo raztopino amoniaka, imajo obratovalni cikel, ki temelji na procesu izhlapevanja snovi pri nizkem vrelišču. Utekočinjanje po prehodu zunanjega toplotnega izmenjevalnika se pojavi pod delovanjem vira energije. To je toplotni gorilnik. Za to je mogoče uporabiti skoraj vsako gorivo: trdno, bencin, dizel, plin, kerozin, v nekaterih primerih - metilni alkohol. Zato so evaporativne toplotne črpalke privlačne na mestih, kjer ni elektrike. Poleg tega lahko poceni gorivo določene vrste v regiji spodbudi izbiro takšne opreme.

Narava delovne tekočine, ki se uporablja v sistemu, lahko veliko pove o zmogljivosti instalacije in izhodni moči. Torej so toplotne črpalke freonskega kompresorja sposobne ostrega sunka in hitro segrejejo prostor. Modeli z izhlapevanjem amoniaka niso zmožni takšnih podvigov. Njihov prednostni način uporabe je stabilno, neprekinjeno delovanje pri nazivni toplotni moči.

Vrste toplotnih črpalk

Toplotne črpalke delimo na več vrst. Prva vrsta (tip) v razvrstitvi glede na način prenosa toplotne energije:

Stiskanje. Glavni inštalacijski elementi so kompresorji, kondenzatorji, ekspanderji in uparjalniki. Ta vrsta črpalk je zelo kakovostna in učinkovita, kar vodi v dejstvo, da je na trgu zelo priljubljena.

Absorpcija. Najnovejša generacija toplotnih črpalk. Pri svojem delu uporabljajo vpojni freon. Zahvaljujoč temu se kakovost dela večkrat poveča.

Lahko se razlikuje vrste toplotnih črpalk glede na vire toplote, in sicer:

• Toplotno energijo ustvarjajo tla (na sliki);
• voda;
• Zračni tokovi
• Ponovno ogrevanje. Pridobivajo se iz odtoka vode, umazanega zraka ali odplak.

Po vrstah vhodno-izhodnih vezij:

• zrak-zrak. Črpalka jemlje hladen zrak, znižuje njegovo temperaturo, sprejema potrebno toploto, ki jo prenaša tja, kjer je potrebno ogrevanje.
• voda-voda. Črpalka jemlje toploto iz podtalnice, ki jo daje vodi za ogrevanje prostora.
• voda-zrak. Iz vode v zrak. Značilna je uporaba sond in vodnjakov za vodo, ogrevanje pa poteka preko zračnega ogrevalnega sistema.
• zrak-voda. Od zraka do vode. Črpalke te vrste uporabljajo toploto iz ozračja za ogrevanje vode.
• zemlja-voda. V tej obliki se toplota odvzame iz cevi z vodo, položeno v tla. Toplota se jemlje iz tal (tal).
• ledena voda. Zanimiva vrsta toplotne črpalke. Za ogrevanje vode za ogrevanje prostorov se uporablja tehnika proizvodnje ledu, pri kateri se sprosti ogromna toplotna energija. Če zamrznete do 200 litrov vode, lahko dobite energijo, ki lahko segreje srednjo velikost v 40-60 minutah.

Prednosti in slabosti toplotnih črpalk

Načelo delovanje toplotne črpalke, preprosto povedano, temelji na zbiranju nizke toplotne energije in njenem nadaljnjem prenosu v ogrevalne in klimatske sisteme ter v sisteme za čiščenje vode, vendar pri višji temperaturi. Lahko navedemo preprost primer v obliki plinske jeklenke – ko je napolnjen s plinom, se kompresor segreje s stiskanjem. In če spustite plin iz jeklenke, se bo jeklenka ohladila - poskusite ostro sprostiti plin iz vžigalnika za ponovno polnjenje, da boste razumeli bistvo tega pojava.

Tako toplotne črpalke tako rekoč odvzemajo toplotno energijo iz okoliškega prostora – ta je v tleh, v vodi in celo v zraku. Tudi če ima zrak negativno temperaturo, je v njem še vedno toplota. Najdemo ga tudi v vseh vodnih telesih, ki ne zmrznejo do samega dna, pa tudi v globokih plasteh tal, ki tudi niso primerne za globoko zmrzovanje - razen če seveda ne gre za permafrost.

Toplotne črpalke imajo precej zapleteno napravo, kot lahko vidite, če poskušate razstaviti hladilnik ali klimatsko napravo. Te gospodinjske enote, ki jih poznamo, so nekoliko podobne zgoraj omenjenim črpalkam, le da delujejo v nasprotni smeri - jemljejo toploto iz prostorov in jo pošiljajo ven. Če položite roko na zadnji radiator hladilnika, bomo opazili, da je topel. In ta toplota ni nič drugega kot energija, pridobljena iz sadja, zelenjave, mleka, juh, klobas in drugih izdelkov, ki so v komori.

Klimatske naprave in split sistemi delujejo na podoben način – toplota, ki jo ustvarijo zunanje enote, je toplotna energija, ki se po delih zbira v ohlajenih prostorih.

Načelo delovanja toplotne črpalke je nasprotno od delovanja hladilnika. Toploto iz zraka, vode ali zemlje zbira v istih zrnah, nato pa jo preusmeri k porabnikom – to so ogrevalni sistemi, toplotni akumulatorji, sistemi talnega ogrevanja, grelniki vode. Zdi se, da nam nič ne preprečuje segrevanja hladilne tekočine ali vode z navadnim grelnim elementom - tako je lažje. Toda primerjajmo produktivnost toplotnih črpalk in običajnih grelnih elementov:

Pri izbiri toplotne črpalke je najpomembnejša razpoložljivost določenega naravnega energenta.

• Običajni grelni element - za proizvodnjo 1 kW toplote porabi 1 kW električne energije (brez napak;
• Toplotna črpalka – za proizvodnjo 1 kW toplote porabi le 200 W električne energije.

Ne, tukaj ni učinkovitosti, enake 500 % - zakoni fizike so neomajni. Tukaj delujejo samo zakoni termodinamike. Črpalka tako rekoč nabira energijo iz vesolja, jo "zgosti" in pošilja potrošnikom. Podobno lahko zbiramo dežne kapljice skozi veliko zalivalko, pri čemer dobimo trden tok vode na izhodu.

Podali smo že veliko analogij, ki nam omogočajo, da razumemo bistvo toplotnih črpalk brez nejasnih formul s spremenljivkami in konstantami. Poglejmo zdaj njihove prednosti:

• Prihranek energije - če je standardno električno ogrevanje 100 kvadratnih metrov. m. bo povzročilo stroške v višini 20-30 tisoč rubljev na mesec (odvisno od zunanje temperature zraka), potem bo ogrevalni sistem s toplotno črpalko zmanjšal stroške na sprejemljivih 3-5 tisoč rubljev - morate priznati, to je že kar soliden prihranek. In to brez trikov, brez prevare in brez marketinških trikov;
• Skrb za okolje – premog, jedrske in hidroelektrarne škodujejo naravi. Zato zmanjšana poraba električne energije zmanjša količino škodljivih emisij;
• Široka paleta uporab - pridobljeno energijo lahko uporabimo za ogrevanje doma in pripravo tople vode.

Obstajajo tudi slabosti:

• Visoki stroški toplotnih črpalk - ta pomanjkljivost nalaga omejitev njihove uporabe;
• Potreba po rednem vzdrževanju - za to morate plačati;
• Težave pri namestitvi - to v največji meri velja za toplotne črpalke z zaprtim krogom;
• Nesprejemljivost s strani ljudi – malokdo izmed nas bi pristal na vlaganje v to opremo, da bi zmanjšali obremenitev okolja. Toda nekateri ljudje, ki živijo daleč od plinovoda in so prisiljeni ogrevati svoje domove z alternativnimi viri toplote, se strinjajo, da bodo porabili denar za nakup toplotne črpalke in zmanjšali mesečne račune za elektriko;
• Odvisnost od omrežja - če se oskrba z električno energijo ustavi, bo oprema takoj zamrznila. Situacijo bomo rešili z namestitvijo toplotnega akumulatorja ali rezervnega vira napajanja.

Kot lahko vidite, so nekatere pomanjkljivosti precej resne.

Bencinski in dizelski generatorji lahko služijo kot rezervni vir energije za toplotne črpalke.

Nasveti in triki

Toplotna črpalka je tehnično zapletena in precej draga oprema, zato je treba k njeni izbiri pristopiti z veliko odgovornostjo. Da ne bi bili neutemeljeni, je tukaj nekaj zelo konkretnih priporočil.

1. Nikoli se ne lotite izbire toplotne črpalke, ne da bi prej naredili izračune in izdelali projekt. Odsotnost projekta lahko povzroči usodne napake, ki jih je mogoče popraviti le s pomočjo ogromnih dodatnih finančnih vložkov.

2. Načrtovanje, montaža in vzdrževanje toplotne črpalke in ogrevalnega sistema naj se zaupajo samo strokovnjakom. Kako zagotoviti, da v tem podjetju delajo strokovnjaki? Najprej z razpoložljivostjo vse potrebne dokumentacije, portfelja izvedenih objektov, certifikatov dobaviteljev opreme.Zelo zaželeno je, da celotno paleto potrebnih storitev izvaja eno podjetje, ki bo v tem primeru v celoti odgovorno za izvedbo projekta.

3. Svetujemo vam, da daste prednost toplotni črpalki evropske proizvodnje. Naj vas ne zmede dejstvo, da je dražja od kitajske ali ruske opreme. Ob vključitvi v oceno stroškov namestitve, zagona in odpravljanja napak celotnega ogrevalnega sistema bo razlika v ceni črpalk skoraj neopazna. Po drugi strani pa boste, če imate na razpolago "evropejko", prepričani v njeno zanesljivost, saj je visoka cena črpalke le rezultat uporabe sodobnih tehnologij in visokokakovostnih materialov za njeno izdelavo.

Glavne sorte

Vse obtočne črpalke za ogrevalne sisteme so razdeljene na dve konstrukcijski vrsti: naprave s "suhim" rotorjem in obtočne črpalke z "mokrim" rotorjem.

V obtočnih črpalkah prvega tipa, kar je že razvidno iz njihovega imena, rotor ne pride v stik s tekočim delovnim medijem - hladilno tekočino. Propeler takšnih črpalk je ločen od rotorja in statorja s tesnilnimi jeklenimi obroči, ki so pritisnjeni drug proti drugemu s pomočjo posebne vzmeti, ki kompenzira obrabo teh elementov. Tesnost tega tesnilnega sklopa med delovanjem črpalke zagotavlja tanek sloj vode med jeklenimi obroči, ki nastane zaradi razlike med tlaki v ogrevalnem sistemu in v zunanjem okolju.

Obtočne črpalke za ogrevanje s "suhim" rotorjem odlikujejo dokaj visoka učinkovitost (89%) in produktivnost, vendar imajo hidravlični stroji te vrste tudi slabosti, vključno z močnimi hrup pri delu in zapletenost pri delovanju, vzdrževanju in popravilu.Industrijski ogrevalni sistemi so praviloma opremljeni s tovrstnimi črpalkami, v domačih ogrevalnih sistemih se redko uporabljajo.

Enostopenjska obtočna črpalka s "suhim" rotorjem

Obtočna črpalka za ogrevalne sisteme, opremljena z "mokrim" rotorjem, je naprava, katere rotor in rotor sta v stalnem stiku s hladilno tekočino. Delovni medij, v katerem se vrtita rotor in rotor, deluje kot mazivo in hladilno sredstvo. Stator in rotor črpalk te vrste sta ločena drug od drugega s posebnim steklom iz nerjavnega jekla. Takšno steklo, znotraj katerega sta rotor in rotor, ki se vrtita v hladilnem mediju, ščiti navitje statorja pod napetostjo pred vdorom delovne tekočine nanj.

Učinkovitost črpalk te vrste je precej nizka in je le 55%, vendar so tehnične zmogljivosti takšne naprave dovolj za zagotovitev kroženja hladilne tekočine v ogrevalnih sistemih. ne prevelike hiše. Če govorimo o prednostih obtočnih črpalk z "mokrim" rotorjem, bi morale vključevati najmanjšo količino hrupa, ki se oddaja med delovanjem takšnih naprav, visoko zanesljivost, enostavnost delovanja, vzdrževanja in popravila.

Mokra obtočna črpalka

Izbira vrste toplotne črpalke

Glavni kazalnik tega ogrevalnega sistema je moč. Prvič, finančni stroški za nakup opreme in izbira enega ali drugega vira nizkotemperaturne toplote bodo odvisni od moči.Večja kot je moč sistema toplotne črpalke, višji so stroški komponent.

Najprej se to nanaša na moč kompresorja, globino vrtin za geotermalne sonde ali območje za namestitev horizontalnega kolektorja. Pravilni termodinamični izračuni so nekakšno zagotovilo, da bo sistem deloval učinkovito.

Če je v bližini vašega osebnega prostora rezervoar, bo najbolj stroškovno učinkovita in produktivna izbira toplotna črpalka voda-voda

Najprej morate preučiti območje, ki je načrtovano za namestitev črpalke. Idealen pogoj bi bila prisotnost rezervoarja na tem območju. Uporaba možnosti voda-voda bo znatno zmanjšala količino dela izkopa.

Uporaba toplote zemlje, nasprotno, vključuje veliko število del, povezanih z izkopavanjem. Sistemi, ki uporabljajo vodo kot toploto nizke stopnje, veljajo za najučinkovitejše.

Naprava toplotne črpalke, ki črpa toplotno energijo iz tal, vključuje impresivno količino zemeljskih del. Kolektor je položen pod stopnjo sezonskega zmrzovanja

Obstajata dva načina za uporabo toplotne energije tal. Prvi vključuje vrtanje vrtin s premerom 100-168 mm. Globina takšnih vrtin, odvisno od parametrov sistema, lahko doseže 100 m ali več.

V te vrtine so nameščene posebne sonde. Druga metoda uporablja zbiralnik cevi. Tak kolektor je nameščen pod zemljo v vodoravni ravnini. Ta možnost zahteva precej veliko območje.

Za polaganje kolektorja so idealna območja z mokro zemljo.Seveda bo vrtanje vrtine stalo več kot vodoravni rezervoar. Vendar pa vsako spletno mesto nima prostega prostora. Za en kW moči toplotne črpalke potrebujete površine od 30 do 50 m².

Konstrukcija za vnos toplotne energije z enim globokim vodnjakom se lahko izkaže za malo ceneje kot kopanje jame

Toda pomemben plus je v znatnem prihranku prostora, kar je pomembno za lastnike majhnih parcel. V primeru prisotnosti visoko ležečega obzorja podzemne vode na mestu je mogoče toplotne izmenjevalnike razporediti v dveh vrtinah, ki se nahajata na razdalji približno 15 m drug od drugega.

V primeru prisotnosti visoko ležečega obzorja podzemne vode na mestu je mogoče toplotne izmenjevalce razporediti v dveh vrtinah, ki se nahajata na razdalji približno 15 m drug od drugega.

Črpanje toplotne energije v takšnih sistemih s črpanjem podzemne vode v zaprtem krogu, katerega deli se nahajajo v vrtinah. Tak sistem zahteva namestitev filtra in občasno čiščenje toplotnega izmenjevalnika.

Najenostavnejša in najcenejša shema toplotne črpalke temelji na črpanju toplotne energije iz zraka. Ko je postal osnova za gradnjo hladilnikov, so se kasneje po njegovih principih razvijale tudi klimatske naprave.

Najpreprostejši sistem toplotne črpalke pridobiva energijo iz zračne mase. Poleti je vključen v ogrevanje, pozimi v klimatsko napravo. Pomanjkljivost sistema je, da je v neodvisni različici enota z nezadostno močjo

Učinkovitost različne vrste te opreme ni enako. Črpalke, ki uporabljajo zrak, imajo najnižjo zmogljivost. Poleg tega so ti kazalniki neposredno odvisni od vremenskih razmer.

Mletje vrste toplotnih črpalk imajo stabilno delovanje. Koeficient učinkovitosti teh sistemov se giblje med 2,8 -3,3. Sistemi voda-voda so najučinkovitejši. To je predvsem posledica stabilnosti temperature vira.

Upoštevati je treba, da globlje ko se zbiralnik črpalke nahaja v rezervoarju, bolj stabilna bo temperatura. Za pridobitev sistemske moči 10 kW je potrebnih približno 300 metrov cevovoda.

Glavni parameter, ki označuje učinkovitost toplotne črpalke, je njen pretvorbeni faktor. Višji kot je pretvorbeni faktor, bolj učinkovita je toplotna črpalka.

Faktor pretvorbe toplotne črpalke je izražen z razmerjem toplotnega toka in električne energije, porabljene za delovanje kompresorja.