Toplinske pumpe za grijanje doma: vrste i princip rada

Princip rada pumpe zrak-voda

Kao što je već spomenuto, glavni izvor toplinske energije za instalacije ovog tipa je atmosferski zrak. Temeljna osnova rada zračnih pumpi je fizikalno svojstvo tekućina da apsorbiraju i oslobađaju toplinu tijekom faznog prijelaza iz tekućeg u plinovito stanje, i obrnuto. Kao rezultat promjene stanja, temperatura se oslobađa. Sustav radi na principu obrnutog hladnjaka.

Za učinkovito korištenje ovih svojstava tekućine, rashladno sredstvo niskog vrenja (freon, freon) cirkulira u zatvorenom krugu, čiji dizajn uključuje:

• kompresor s električnim pogonom;
• isparivač s ventilatorom;
• prigušni (ekspanzijski) ventil;
• pločasti izmjenjivač topline;
• bakrene ili metalno-plastične cirkulacijske cijevi koje povezuju glavne elemente kruga.

Kretanje rashladnog sredstva duž kruga vrši se zbog tlaka koji razvija kompresor.Kako bi se smanjili gubici topline, cijevi su prekrivene toplinski izolacijskim slojem od umjetne gume ili polietilenske pjene sa zaštitnim metaliziranim premazom. Kao rashladno sredstvo koristi se freon ili freon, koji može ključati na negativnoj temperaturi i ne smrzava se do -40 ° C.

Cijeli proces rada sastoji se od sljedećih uzastopnih ciklusa:

1. Radijator isparivača sadrži tekuće rashladno sredstvo koje je hladnije od vanjskog zraka. Tijekom aktivnog puhanja radijatora toplinska energija iz niskopotencijalnog zraka prenosi se na freon, koji ključa i prelazi u plinovito stanje. Istodobno, njegova temperatura raste.
2. Zagrijani plin ulazi u kompresor, gdje se tijekom kompresije još više zagrijava.
3. U komprimiranom i zagrijanom stanju, para rashladnog sredstva se dovodi u pločasti izmjenjivač topline, gdje nosač topline sustava grijanja cirkulira kroz drugi krug. Budući da je temperatura rashladne tekućine mnogo niža od temperature zagrijanog plina, freon se aktivno kondenzira na pločama izmjenjivača topline, odajući toplinu u sustav grijanja.
4. Ohlađena smjesa para i tekućina ulazi u prigušni ventil, koji dopušta da samo ohlađeno niskotlačno tekuće rashladno sredstvo prođe u isparivač. Zatim se cijeli ciklus ponavlja.

Kako bi se povećala učinkovitost prijenosa topline cijevi, na isparivač su namotane spiralne peraje. Treba uzeti u obzir izračun sustava grijanja, izbor cirkulacijskih crpki i druge opreme hidraulički otpor i koeficijent instalacija pločastog izmjenjivača topline za prijenos topline.

Video pregled uređaja sustava i njegovog rada

Inverterske toplinske pumpe

Prisutnost pretvarača kao dijela instalacije omogućuje nesmetano pokretanje opreme i automatsku regulaciju načina rada ovisno o vanjskoj temperaturi. Time se maksimizira učinkovitost toplinske pumpe:

• postizanje učinkovitosti na razini od 95-98%;
• smanjenje potrošnje energije za 20-25%;
• minimiziranje opterećenja na električnoj mreži;
• povećati vijek trajanja postrojenja.

Kao rezultat toga, unutarnja temperatura se stabilno održava na istoj razini, bez obzira na vremenske promjene. Istodobno, prisutnost pretvarača u kompletu s automatiziranom upravljačkom jedinicom osigurat će ne samo grijanje zimi, već i opskrbu ohlađenog zraka ljeti u vrućem vremenu.

Istodobno, treba uzeti u obzir da prisutnost dodatne opreme uvijek podrazumijeva povećanje njezine cijene i povećanje razdoblja povrata.

Podjela prema vrsti radnog fluida

Mogu se koristiti moderne dizalice topline plinovito tijelo ili kemijska tekućina otopina amonijaka kao prijenosnik topline. Prikladnost određene sheme ocjenjuje se s nekoliko čimbenika, značajki sustava.

1. Freonske instalacije imaju ciklus toplinske pumpe koji se temelji na procesima kompresije i ekspanzije plina. Oni su nekako izgrađeni na shemi kompresora. Oprema ima atraktivne pokazatelje izvedbe, ali ima i nedostatke. Iako je ponderirana prosječna potrošnja sustava u vrijeme radnog ciklusa stabilna, ožičenje je jako opterećeno. Osim toga, dizalice topline s plinovitim prijenosnikom topline neće biti korisne u regijama gdje ne postoji centralizirana električna mreža ili izvor energije dovoljnog kapaciteta.
2. Postrojenja evaporativnog tipa koji koriste otopinu amonijaka imaju ciklus rada koji se temelji na procesu isparavanja tvari pri niskim točkama vrelišta. Ukapljivanje nakon prolaska vanjskog izmjenjivača topline događa se pod djelovanjem izvora energije. Ovo je toplinski plamenik. Za to se može koristiti gotovo svako gorivo: kruto, benzin, dizel, plin, kerozin, u nekim slučajevima - metilni alkohol. Stoga su evaporativne toplinske pumpe atraktivne na mjestima gdje nema struje. Osim toga, jeftinost goriva određene vrste u regiji može potaknuti izbor takve opreme.

Priroda radnog fluida koji se koristi u sustavu može puno reći o performansama instalacije i izlaznoj snazi. Dakle, freonske kompresorske dizalice topline sposobne su oštrog trzaja, brzo zagrijavajući sobu. Modeli isparavanja amonijaka nisu sposobni za takve podvige. Njihov preferirani način korištenja je stabilan, kontinuirani rad pri nazivnoj toplinskoj snazi.

Vrste toplinskih pumpi

Toplinske pumpe se dijele na nekoliko tipova. Prva vrsta (tip) u klasifikaciji prema načinu prijenosa toplinske energije:

Kompresija. Glavni elementi instalacije su kompresori, kondenzatori, ekspanderi i isparivači. Ova vrsta pumpi je vrlo kvalitetna i učinkovita, što dovodi do činjenice da je vrlo popularna na tržištu.

Apsorpcija. Najnovija generacija toplinskih pumpi. U svom radu koriste upijajući freon. Zahvaljujući tome, kvaliteta rada se povećava nekoliko puta.

Može se razlikovati vrste toplinskih pumpi prema izvorima topline i to:

• Toplinsku energiju stvara tlo (na slici);
• voda;
• Zračne struje
• Ponovno zagrijavanje. Dobivaju se otjecanjem vode, prljavim zrakom ili kanalizacijom.

Po vrstama ulazno-izlaznih krugova:

• zrak-zrak. Pumpa uzima hladan zrak, snižava njegovu temperaturu, prima potrebnu toplinu koja je prenosi tamo gdje je potrebno grijanje.
• voda-voda. Pumpa uzima toplinu iz podzemne vode, koja je daje vodi za zagrijavanje prostorije.
• voda-zrak. Iz vode u zrak. Tipična je uporaba sondi i bunara za vodu, a grijanje se odvija kroz sustav grijanja zraka.
• zrak-voda. Od zraka do vode. Pumpe ovog tipa koriste toplinu iz atmosfere za zagrijavanje vode.
• tlo-voda. U ovom obliku toplina se uzima iz cijevi s vodom položenom u zemlju. Toplina se uzima iz zemlje (tla).
• ledena voda. Zanimljiva vrsta toplinske pumpe. Za zagrijavanje vode za grijanje prostora koristi se tehnika proizvodnje leda u kojoj se oslobađa kolosalna toplinska energija. Ako zamrznete do 200 litara vode, možete dobiti energiju koja može zagrijati srednje veličine unutar 40-60 minuta.

Prednosti i nedostaci toplinskih pumpi

Načelo rad toplinske pumpe, jednostavnije rečeno, temelji se na prikupljanju toplinske energije niske kvalitete i njenom daljnjem prijenosu u sustave grijanja i klimatizacije, kao i na sustave za pročišćavanje vode, ali na višoj temperaturi. Može se navesti jednostavan primjer obliku plinskog cilindra – kada se napuni plinom, kompresor se zagrijava kompresijom. A ako ispustite plin iz cilindra, tada će se cilindar ohladiti - pokušajte oštro otpustiti plin iz upaljača koji se može ponovno puniti kako biste razumjeli bit ovog fenomena.

Dakle, dizalice topline, takoreći, oduzimaju toplinsku energiju iz okolnog prostora – nalazi se u zemlji, u vodi, pa čak iu zraku. Čak i ako zrak ima negativnu temperaturu, još uvijek ima topline u njemu. Također se nalazi u svim vodenim tijelima koja se ne smrzavaju do samog dna, kao iu dubokim slojevima tla koji također nisu podložni dubokom zamrzavanju - osim ako, naravno, nije permafrost.

Toplinske pumpe imaju prilično kompliciran uređaj, kao što možete vidjeti pokušavajući rastaviti hladnjak ili klima-uređaj. Ove nam poznate kućne jedinice donekle su slične gore spomenutim pumpama, samo što rade u suprotnom smjeru - uzimaju toplinu iz prostora i šalju je van. Stavite li ruku na stražnji radijator hladnjaka, primijetit ćemo da je topao. A ta toplina nije ništa drugo nego energija uzeta iz voća, povrća, mlijeka, juha, kobasica i drugih proizvoda koji se nalaze u komori.

Klima uređaji i split sustavi rade na sličan način - toplina koju stvaraju vanjske jedinice je toplinska energija koja se skuplja malo po malo u hlađenim prostorijama.

Princip rada dizalice topline suprotan je principu rada hladnjaka. Skuplja toplinu iz zraka, vode ili tla u istim zrnima, nakon čega je preusmjerava potrošačima - to su sustavi grijanja, akumulatori topline, sustavi podnog grijanja, bojleri. Čini se da nas ništa ne sprječava da grijemo rashladnu tekućinu ili vodu običnim grijaćim elementom - tako je lakše. Ali usporedimo produktivnost toplinskih pumpi i konvencionalnih grijaćih elemenata:

Prilikom odabira toplinske pumpe najvažnija je dostupnost određenog prirodnog izvora energije.

• Konvencionalni grijaći element - za proizvodnju 1 kW topline troši 1 kW električne energije (bez pogrešaka;
• Toplinska pumpa – troši samo 200 W električne energije za proizvodnju 1 kW topline.

Ne, ovdje nema učinkovitosti jednake 500% - zakoni fizike su nepokolebljivi. Ovdje samo djeluju zakoni termodinamike. Pumpa, takoreći, akumulira energiju iz svemira, "zgušnjava" je i šalje potrošačima. Slično, možemo skupljati kapi kiše kroz veliku kantu za zalijevanje, dobivajući čvrst mlaz vode na izlazu.

Već smo dali mnoge analogije koje nam omogućuju razumijevanje suštine dizalica topline bez nejasnih formula s varijablama i konstantama. Pogledajmo sada njihove prednosti:

• Ušteda energije - ako je standardno električno grijanje od 100 četvornih metara. m. dovest će do troškova od 20-30 tisuća rubalja mjesečno (ovisno o temperaturi zraka vani), tada će sustav grijanja s toplinskom pumpom smanjiti troškove na prihvatljivih 3-5 tisuća rubalja - morate priznati, to je već sasvim solidna ušteda. I to bez trikova, bez obmane i bez marketinških trikova;
• Briga za okoliš – ugljen, nuklearne i hidroelektrane štete prirodi. Stoga smanjena potrošnja električne energije smanjuje količinu štetnih emisija;
• Širok raspon namjena - dobivena energija može se koristiti za grijanje doma i pripremu tople vode.

Tu su i nedostaci:

• Visoka cijena dizalica topline - ovaj nedostatak nameće ograničenje njihove uporabe;
• Potreba za redovitim održavanjem - to morate platiti;
• Poteškoće u ugradnji - to se u najvećoj mjeri odnosi na dizalice topline sa zatvorenim krugovima;
• Neprihvaćenost ljudi – malo tko bi od nas pristao ulagati u ovu opremu kako bismo smanjili opterećenje okoliša. No, neki ljudi koji žive daleko od plinovoda i prisiljeni su grijati svoje domove alternativnim izvorima topline pristaju potrošiti novac na kupnju dizalice topline i smanjiti svoje mjesečne račune za struju;
• Ovisnost o mreži - ako prestane opskrba električnom energijom, oprema će se odmah smrznuti. Situacija će se spasiti ugradnjom akumulatora topline ili rezervnog izvora napajanja.

Kao što možete vidjeti, neki od nedostataka su prilično ozbiljni.

Benzinski i dizelski generatori mogu poslužiti kao rezervni izvori energije za toplinske pumpe.

savjeti i trikovi

Toplinska pumpa je tehnički složena i prilično skupa oprema, pa se njenom izboru treba pristupiti s velikom odgovornošću. Kako ne bismo bili neutemeljeni, evo nekoliko vrlo konkretnih preporuka.

1. Nikada nemojte započeti odabir toplinske pumpe bez prethodnog proračuna i izrade projekta. Nedostatak projekta može uzrokovati fatalne pogreške, koje se mogu ispraviti samo uz pomoć ogromnih dodatnih financijskih ulaganja.

2. Projektiranje, ugradnju i održavanje dizalice topline i sustava grijanja treba povjeriti samo profesionalcima. Kako osigurati da u ovoj tvrtki rade profesionalci? Prije svega, dostupnošću sve potrebne dokumentacije, portfelja izvedenih objekata, certifikata dobavljača opreme.Vrlo je poželjno da cijeli niz potrebnih usluga pruža jedna tvrtka, koja će u ovom slučaju biti u potpunosti odgovorna za provedbu projekta.

3. Savjetujemo vam da date prednost toplinskoj pumpi europske proizvodnje. Neka vas ne zbuni činjenica da je skuplji od kineske ili ruske opreme. Kada se uključi u procjenu troškova instalacije, puštanja u rad i otklanjanja pogrešaka cijelog sustava grijanja, razlika u cijeni crpki bit će gotovo neprimjetna. No, s druge strane, imajući na raspolaganju "Europeanku", bit ćete sigurni u njezinu pouzdanost, jer je visoka cijena crpke samo rezultat korištenja suvremenih tehnologija i visokokvalitetnih materijala za njezinu izradu.

Glavne sorte

Sve cirkulacijske crpke za sustave grijanja podijeljene su u dvije izvedbene vrste: uređaji sa "suhim" rotorom i cirkulacijske crpke s "mokrim" rotorom.

U cirkulacijskim crpkama prvog tipa, što je već jasno iz njihovog naziva, rotor ne dolazi u dodir s tekućim radnim medijem - rashladnom tekućinom. Propeler takvih crpki odvojen je od rotora i statora brtvenim čeličnim prstenovima, pritisnutim jedan na drugi pomoću posebne opruge koja kompenzira trošenje ovih elemenata. Nepropusnost ovog brtvenog sklopa tijekom rada crpke osigurava se tankim slojem vode između čeličnih prstenova, koji nastaje zbog razlike tlakova u sustavu grijanja i u vanjskom okruženju.

Cirkulacijske pumpe za grijanje sa "suhim" rotorom odlikuju se prilično visokom učinkovitošću (89%) i produktivnošću, ali hidraulički strojevi ovog tipa također imaju nedostatke, uključujući jake buka na poslu i složenost u radu, održavanju i popravku.Industrijski sustavi grijanja u pravilu su opremljeni pumpama ovog tipa, rijetko se koriste u sustavima grijanja u kućanstvu.

Jednostupanjska cirkulacijska pumpa sa "suhim" rotorom

Cirkulacijska pumpa za sustave grijanja opremljena rotorom "mokrog" tipa je uređaj čiji su impeler i rotor u stalnom kontaktu s rashladnom tekućinom. Radni medij u kojem se rotor i impeler okreću djeluje kao mazivo i rashladno sredstvo. Stator i rotor crpki ovog tipa izolirani su jedan od drugog pomoću posebnog stakla od nehrđajućeg čelika. Takvo staklo, unutar kojeg se rotor i propeler koji se okreću u rashladnom mediju, štiti namot statora pod naponom od ulaska radne tekućine na njega.

Učinkovitost crpki ove vrste je prilično niska i iznosi samo 55%, ali tehničke mogućnosti takvog uređaja sasvim su dovoljne da osiguraju cirkulaciju rashladne tekućine u sustavima grijanja ne prevelike kuće. Ako govorimo o prednostima cirkulacijskih crpki s "mokrim" rotorom, onda bi one trebale uključivati ​​minimalnu količinu buke koja se emitira tijekom rada takvih uređaja, visoku pouzdanost, jednostavnost rada, održavanja i popravka.

Mokra cirkulacijska pumpa

Odabir vrste toplinske pumpe

Glavni pokazatelj ovog sustava grijanja je snaga. Prije svega, financijski troškovi za kupnju opreme i izbor jednog ili drugog izvora niskotemperaturne topline ovisit će o snazi.Što je veća snaga sustava toplinske pumpe, to je veća cijena komponenti.

Prije svega, to se odnosi na snagu kompresora, dubinu bušotina za geotermalne sonde ili područje za smještaj horizontalnog kolektora. Ispravni termodinamički izračuni svojevrsno su jamstvo da će sustav raditi učinkovito.

Ako postoji rezervoar u blizini vašeg osobnog prostora, najisplativiji i najproduktivniji izbor će biti toplinska pumpa voda-voda

Prvo morate proučiti područje koje je planirano za ugradnju crpke. Idealan uvjet bio bi postojanje rezervoara na ovom području. Korištenje opcije voda-voda značajno će smanjiti količinu iskopa.

Korištenje topline zemlje, naprotiv, uključuje veliki broj radova povezanih s iskopima. Sustavi koji koriste vodu kao toplinu niske razine smatraju se najučinkovitijima.

Uređaj toplinske pumpe koja izvlači toplinsku energiju iz zemlje uključuje impresivnu količinu zemljanih radova. Kolektor se postavlja ispod razine sezonskog smrzavanja

Postoje dva načina korištenja toplinske energije tla. Prvi uključuje bušenje bušotina promjera 100-168 mm. Dubina takvih bunara, ovisno o parametrima sustava, može doseći 100 m ili više.

U te se jažice postavljaju posebne sonde. Druga metoda koristi sakupljač cijevi. Takav se kolektor postavlja pod zemljom u vodoravnoj ravnini. Ova opcija zahtijeva prilično veliko područje.

Za polaganje kolektora idealnim se smatraju područja s mokrim tlom.Naravno, bušenje bušotina koštat će više od horizontalnog rezervoara. Međutim, nema svako mjesto slobodnog prostora. Za jedan kW snage toplinske pumpe, trebate površine od 30 do 50 m².

Izgradnja za unos toplinske energije s jednim dubokim bunarom može se pokazati malo jeftinijom od kopanja jame

Ali značajan plus leži u značajnoj uštedi prostora, što je važno za vlasnike malih parcela. U slučaju prisutnosti visokog horizonta podzemne vode na mjestu, izmjenjivači topline mogu se postaviti u dva bunara koji se nalaze na udaljenosti od oko 15 m jedan od drugog.

U slučaju prisutnosti visokog horizonta podzemne vode na mjestu, izmjenjivači topline mogu se postaviti u dvije bušotine koje se nalaze na udaljenosti od oko 15 m jedna od druge.

Ekstrakcija toplinske energije u takvim sustavima crpljenjem podzemne vode u zatvorenom krugu, čiji se dijelovi nalaze u bušotinama. Takav sustav zahtijeva ugradnju filtera i periodično čišćenje izmjenjivača topline.

Najjednostavnija i najjeftinija shema dizalice topline temelji se na izvlačenju toplinske energije iz zraka. Nakon što je postao temelj za izgradnju hladnjaka, kasnije su se prema njegovim principima razvijali i klima uređaji.

Najjednostavniji sustav toplinske pumpe dobiva energiju iz zračne mase. Ljeti je uključen u grijanje, zimi na klimatizaciju. Nedostatak sustava je što je, u neovisnoj verziji, jedinica nedovoljne snage

Učinkovitost razne vrste ove opreme nije isto. Crpke koje koriste zrak imaju najniži učinak. Osim toga, ovi pokazatelji izravno ovise o vremenskim uvjetima.

Mljevene vrste toplinskih pumpi imaju stabilne performanse. Koeficijent učinkovitosti ovih sustava varira unutar 2,8 -3,3. Sustavi voda-voda su najučinkovitiji. To je prvenstveno zbog stabilnosti temperature izvora.

Treba napomenuti da što se kolektor pumpe dublje nalazi u rezervoaru, to će temperatura biti stabilnija. Za dobivanje snage sustava od 10 kW potrebno je oko 300 metara cjevovoda.

Glavni parametar koji karakterizira učinkovitost dizalice topline je njezin faktor pretvorbe. Što je faktor pretvorbe veći, toplinska pumpa se smatra učinkovitijom.

Faktor pretvorbe toplinske crpke izražava se omjerom protoka topline i električne energije utrošene na rad kompresora