Zde zjistíte:
- Jak fungují tepelná čerpadla vzduch-voda
- Specifičnost aplikace a práce
- Výhody a nevýhody tepelných čerpadel se vzduchovým zdrojem
- Top 5 výhod pro majitele rostlin
- Jak si vybrat tepelné čerpadlo vzduch-voda
- Algoritmus pro sestavení domácí jednotky
- Vlastnosti údržby jednotky
Tepelné čerpadlo vzduch-voda se používá k vytápění domácích a průmyslových prostor v jižních oblastech a ve středním Rusku. Můžete si takové zařízení koupit nebo si ho vyrobit sami, například z klimatizace.
Co potřebujete vědět
Můžete říci, že jelikož jsou tepelná čerpadla tak účinná, proč jsou tak špatně používána. Celá věc spočívá ve vysokých nákladech na vybavení a instalaci. Z tohoto prostého důvodu mnoho lidí toto řešení odmítá a volí například elektrické nebo uhelné kotle. Přesto se neoplatí zahodit tuto možnost z mnoha důvodů, které v tomto článku určitě zmíníme. Jakmile jsou tepelná čerpadla nainstalována, stávají se velmi ekonomickými, protože využívají energii půdy. Čerpadlo zemního zdroje je 3 v 1. Kombinuje nejen topný kotel a systém teplé vody, ale také klimatizaci. Podívejme se blíže na toto zařízení a zvažte všechny jeho silné a slabé stránky.
Princip činnosti
Pro ty, kteří tomuto tématu nerozumí, stojí za to vysvětlit, co je tepelné čerpadlo vzduch-voda. Ve skutečnosti jde o „reverzní ledničku“ - zařízení, které ochlazuje vzduch venku a ohřívá vodu v nádrži. Tuto vodu pak lze použít k zásobování teplou vodou nebo k vytápění domu.
Schéma vnitřního uspořádání tepelného čerpadla vzduch-voda
Tepelné čerpadlo využívá uzavřený cyklus a spotřebovává pouze elektřinu. Jeho účinnost se měří jako poměr spotřebované elektrické energie k přijaté tepelné energii. Účinnost tepelných čerpadel se také měří v COP (koeficient výkonu). COP 2 odpovídá účinnosti 200% a znamená, že za 1 kW elektřiny dá 2 kW tepla.
Princip jednotky
Princip činnosti tepelného čerpadla pro vytápění je založen na využití potenciálního rozdílu tepelné energie. Proto lze takové zařízení použít v jakémkoli prostředí. Hlavní věc je, že jeho teplota je alespoň 1 stupeň Celsia.
Máme chladicí kapalinu, která se pohybuje potrubím, kde se ve skutečnosti ohřívá o 2-5 stupňů. Poté chladicí kapalina vstupuje do tepelného výměníku (vnitřní okruh), kde vydává shromážděnou energii. V tomto okamžiku je ve vnějším okruhu chladivo, které má nízkou teplotu varu. Podle toho se mění na plyn. Při vstupu do kompresoru je plyn stlačován, v důsledku čehož se jeho teplota ještě zvyšuje. Poté plyn jde do kondenzátoru, kde ztrácí teplo a předává jej do topného systému. Chladivo se stává kapalným a proudí zpět do vnějšího okruhu.
Výhody a nevýhody tepelných čerpadel
Tepelná čerpadla pro vytápění domácností lze ovládat pomocí speciálně instalovaných termostatů. Čerpadlo se automaticky zapne, když teplota média klesne pod nastavenou hodnotu, a vypne se, pokud teplota překročí nastavenou hodnotu. Zařízení tedy udržuje v místnosti konstantní teplotu - to je jedna z výhod zařízení.
Výhodou zařízení je jeho ekonomika - čerpadlo spotřebovává malé množství elektřiny a šetrnost k životnímu prostředí nebo absolutní bezpečnost pro životní prostředí. Hlavní výhody zařízení:
- Spolehlivost.Životnost přesahuje 15 let, všechny části systému mají vysoký pracovní zdroj, kapky energie systému nepoškozují.
- Bezpečnostní. Žádné saze, žádný výfuk, žádný otevřený plamen, žádný únik plynu.
- Pohodlí. Provoz čerpadla je tichý, útulnost a pohodlí v domě pomáhají vytvořit klimatizaci a automatický systém, jehož provoz závisí na povětrnostních podmínkách.
- Flexibilita. Zařízení má moderní stylový design, lze jej kombinovat s každým topným systémem v domě.
- Všestrannost. Používá se v soukromé, civilní výstavbě. Protože má široký rozsah výkonu. Díky tomu může poskytnout teplo místnostem jakékoli oblasti - od malého domku po chatu.
Složitá struktura čerpadla určuje jeho hlavní nevýhodu - vysoké náklady na zařízení a jeho instalaci. K instalaci zařízení je nutné provádět výkopové práce ve velkých objemech.
Stručně o typech tepelných čerpadel
Dnes je známo několik populárních návrhů geotermálních čerpadel. V každém případě však lze jejich princip fungování srovnávat s prací chladicích zařízení. Proto lze čerpadlo v létě bez ohledu na typ použít jako klimatizační zařízení. Tepelná čerpadla jsou tedy klasifikována podle toho, kde mohou čerpat teplo z:
- Ze země;
- Z nádrže;
- Do vzduchu.
První typ je nejvýhodnější v chladných oblastech. Faktem je, že teplota vzduchu často klesá na -20 a níže (například Ruská federace), ale hloubka zamrzání půdy je obvykle zanedbatelná. Pokud jde o nádrže, nejsou všude a není příliš vhodné je používat. V každém případě je lepší zvolit pro vytápění domu tepelné čerpadlo země. Trochu jsme prozkoumali princip fungování jednotky, takže jdeme dále.
Jak funguje tepelné čerpadlo země? Princip činnosti.
K získání tepla ze země je zapotřebí zemní výměník tepla. K tomu se jednoduše umístí trubka do země a vytvoří smyčku, ve které cirkuluje kapalina - lidově se jí říká solanka. Smyčka (v praxi je jich několik) prochází výparníkem tepelného čerpadla, kde teplota solanky klesá a je nižší než teplota země. Při dalším procházení trubkou v zemi se solanka postupně zahřívá. Na konci opět vstupuje do výparníku, kde vydává teplo.
Solanka tedy zprostředkovává teplotní rozdíl mezi půdou a výparníkem čerpadla.
Výměník tepla může být vodorovný nebo svislý. Velikost pozemku pomáhá při výběru řešení - na výrobu horizontálního výměníku tepla je potřeba několik stovek metrů čtverečních a několik desítek na vertikální sondy.
Je důležité, aby objem výměníku tepla byl velký - po celou topnou sezónu čerpá čerpadlo ze země několik megawatthodin tepla. Pokud je příliš malý, je vystaven nadměrnému chlazení a v důsledku toho nemůže čerpadlo správně fungovat. Řídicí systém tepelného čerpadla země-zdroj jej zpravidla vypne, když teplota solanky klesne na -7 ° C, protože pod touto hodnotou je průběh procesů v okruhu nadměrně narušen.
Tepelné čerpadlo země s horizontálním výměníkem tepla.
V případě tepelného výměníku z vodorovně umístěných trubek je optimální hloubka 0,2 - 0,5 m pod linií mrazu. Pokud však existuje vodní tok v relativně malé hloubce, je nejlepším řešením umístit do něj potrubí. Tepelné čerpadlo pak dosahuje vyššího faktoru účinnosti Kp.
Trubky vodorovného výměníku tepla se pokládají do předem připravené jámy o rozměrech odpovídajících požadované ploše výměníku tepla. Jsou vedeny ve formě cívky (ohyby) po celém povrchu jámy, přičemž se dodržují určité intervaly mezi sousedními úseky.Intervaly by neměly být menší než 0,4 ma nejvýše 1,2 m, s přihlédnutím k typu půdy, z níž vyplývá její schopnost „regenerace“ (přidání tepla). Čím déle je povrch země zamrzlý, tím větší by měl být interval.
Je třeba si uvědomit, že tepelný výkon výměníku tepla neteče z délky potrubí, pouze z povrchu země, na kterou je položen. Malé mezery neumožňují přijímat z něj více tepla, kvůli nutnosti použití dlouhé trubky. To se promítá do vyšších investičních a provozních nákladů, protože k čerpání solanky dlouhým potrubím je zapotřebí oběhové čerpadlo s vyšším výkonem. Kvůli této příliš velké mezeře mezi trubkami se stává, že teplo nevstupuje v navrženém množství, takže výkon tepelného výměníku je menší.
Projekt pozemního výměníku tepla.
Návrh vhodně dimenzovaného zemního výměníku tepla je klíčem ke správnému provozu tepelného čerpadla. Pro výpočet požadované hodnoty jsou vyžadovány informace o požadovaném výkonu tepelného čerpadla. Pokud to není v technických charakteristikách zařízení, stačí vědět, že odpovídá tepelnému výkonu sníženému o výkon kompresoru. Pokud nevíme, jakou kapacitu má kompresor, ale máme informace o kapacitním faktoru Kp, potom se chladicí výkon vypočítá s dostatečnou přesností podle vzorce:
Qcool = (Kp - 1) / Kp • Qtopl.
Je nutné dbát na to, aby byly dosažené hodnoty dosaženy při teplotě odpovídající té, která vládne jak v půdě, tak v topném systému během provozu čerpadla na plný výkon (například 0/35 - teplota solanky 0 stupňů Celsia, topný systém 35 stupňů Celsia).
Výpočet povrchu tepelného výměníku horizontálního tepelného čerpadla země.
Síla, s jakou zemní výměník tepla přenáší teplo, závisí na typu půdy, zejména na jejím obsahu vlhkosti. V závislosti na tom se pro výpočet povrchu horizontálního výměníku tepla berou následující hodnoty tepelného výkonu půdy qg (pro polyetylénové trubky):
- písčitá suchá - 10 W / m2
- písčitá, mokrá - 15-20 W / m2
- jílovitý suchý - 20-25 W / m2
- jílovitá, mokrá - 25-30 W / m2
- mokrý (aquifer) - 35-40 W / m2.
Jde samozřejmě o orientační hodnoty.
Je obtížné posoudit, zda je půda stejná na celé ploše určené pro výměník tepla, dokud ji nezačnou stavět, proto je lepší pro výpočet vzít nižší hodnotu. Ve správně vyrobeném systému běží kompresor tepelného čerpadla od 1 800 do 2 400 hodin ročně, tepelný výkon půdy vede k prodloužení pracovní doby.
Povrch výměníku tepla se vypočítá podle vzorce:
A = Q / qg
Příklad: spotřeba energie pro vytápění domu je 14 kW a čerpadlo je uspokojí v plném rozsahu (musí fungovat v monovalentním systému). Vybrané zařízení přijímá tepelný výkon (topení) 14 kW pro parametry 0/35, přičemž dosahuje koeficientu účinnosti Kp = 4,5. Chladicí výkon je tedy Qcool = (4,5-1) / 4,5 • 14 = 10,9 kW, tj. 10 900 W. Výměník tepla musí být vyroben v suché jílovité půdě, proto musí být jeho plocha A = 10 900/20 = 545 m2. Je třeba upozornit na skutečnost, že v případě vodonosné půdy může být výměník tepla dvakrát menší, ale pokud je půda písčitá, bude její plocha zabírat více než 1 000 m2. V takové situaci je nejlepším řešením umístit potrubí svisle.
Výměník tepla vertikálního zemního tepelného čerpadla.
Tepelné čerpadlo dosahuje vyššího faktoru účinnosti Kp, když jsou trubky výměníku tepla umístěny svisle v zemi - v hloubce 40–150 m.To je způsobeno skutečností, že v hloubce pod 10 m je teplota země po celý rok asi 10 stupňů Celsia - to znamená, že v zimě je to téměř o deset více než v hloubce 1,5 metru.
Provedení vertikálního tepelného výměníku je však zjevně dražší než horizontální. Jedná se o svislé úseky potrubí, které tvoří smyčku (potrubí prochází otvory, dole se otáčí a stoupá). Nazývají se geotermální sondy. V tomto případě se nepočítají podle plochy, ale podle celkové délky tepelného výměníku, který se obvykle skládá z více než jedné sondy.
Ve svislých jamkách jsou umístěny jeden nebo dva páry trubek (sonda U nebo Y). Zasunutí trubky vrtu je usnadněno hlavou, prvkem spojujícím stoupačky, který může být upraven pro uložení další plnicí trubky. Hlava je tlačena do otvorů a spolu s ní i trubky výměníku tepla. Poté se do studny nalije tekutý beton.
Ve výměníku tepla typu Y proudí kapalina dolů k hlavě v jedné trubici a vrací se z hlavy do druhé. Ve výměníku tepla s dvojitým U proudí dvěma trubkami dolů a dvěma nahoru.
Vzdálenost mezi vrtnými body do hloubky 50 m by neměla být menší než 5 m, v případě hlubších od 8 do 15 metrů. Musí být umístěn na přímce kolmé ke směru toku vody.
Výpočet délky tepelného výměníku vertikálního zemního tepelného čerpadla.
V tomto případě je důležité, jak se vlastnosti půdy mění s hloubkou. Informace mohou být poskytnuty geologickými mapami a dokumentací vrtů dříve provedených v okolí. Na tomto základě je možné odhadnout tloušťku jednotlivých vrstev půdy a vypočítat průměrnou hodnotu součinitele tepelné vodivosti pro oblast, do které mají být trubky tepelného výměníku umístěny.
Výpočty však nejsou schopny zohlednit všechny pohyby podzemních vod a v praxi se často stává, že získaný výsledek se výrazně liší od reality. Abyste si byli jisti, že vertikální výměník tepla bude správně fungovat, je nutné provést průzkum půdy v místě, kde se má vrtat. V tomto případě je produktivita tepla půdy qg záleží také na jeho typu.
U trubek PE80 je to:
- suchá písčitá půda - 10-12 W / m;
- písčitá mokrá - 12-16 W / m;
- středně suchý jíl - 16-18 W / m;
- středně vlhký jíl mokrý - 19-21 W / m;
- těžký jílovitý suchý - 18-19 W / m;
- těžký jíl mokrý - 20–22 W / m;
- mokrý (aquifer) - 25-30 W / m.
Je nutné vzít v úvahu tloušťku jednotlivých vrstev určitého typu půdy a na tomto základě vypočítat celkový výkon každé sondy.
Tepelný výkon půdy, ve které jsou obě vrstvy suché, jako vodonosné vrstvy, je při použití dvojitých sond U (čtyři trubky ve studni) v průměru asi 50 W / m. Lze předběžně předpokládat, že v případě tepelného čerpadla žadatelů jsou v příkladu výpočtu horizontálního výměníku tepla (chladicí výkon 10,9 kW) vyžadovány otvory o celkové délce L = 10 900/50 = 218 m, že jsou například čtyři po 55 metrech.
„Podzemní voda“: jak nejlépe ji umístit?
Získávání tepla ze země je považováno za nejvhodnější a nejracionálnější. To je způsobeno skutečností, že v hloubce 5 metrů prakticky nedochází k žádným výkyvům teploty. Jako nosič tepla se používá speciální kapalina. To se běžně nazývá solanka. Je zcela šetrný k životnímu prostředí.
Pokud jde o metodu umístění, tj. Horizontální a vertikální. První typ se vyznačuje tím, že plastové trubky představující vnější obrys jsou položeny vodorovně na náměstí. To je velmi problematické, protože pokládací práce musí být prováděny na ploše 25-50 metrů čtverečních. V případě vertikálních vrtů jsou vyvrtány vertikální vrty v hloubce 50–150 metrů.Čím hlouběji jsou sondy umístěny, tím efektivnější bude geotermální tepelné čerpadlo fungovat. Už jsme uvažovali o principu fungování a nyní budeme hovořit o důležitých detailech.
Tepelné čerpadlo "voda-voda": princip činnosti
Rovněž se okamžitě nezbavte možnosti využití kinetické energie vody. Faktem je, že ve velkých hloubkách zůstává teplota poměrně vysoká a pohybuje se v malém rozsahu, pokud k tomu vůbec dojde. Můžete jít několika způsoby a použít:
- Otevřené vodní plochy, jako jsou řeky a jezera.
- Podzemní voda (studna, studna).
- Odpadní voda z průmyslových cyklů (přívod zpětné vody).
Z ekonomického a technického hlediska je nejjednodušším způsobem nastavit provoz geotermálního čerpadla v otevřené nádrži. Současně neexistují žádné významné strukturální rozdíly mezi čerpadly „půda-voda“ a „voda-voda“. V druhém případě jsou trubky ponořené do otevřené nádrže napájeny zátěží. Pokud jde o využívání podzemní vody, je návrh a instalace složitější. Pro vypouštění vody je nutné přidělit samostatnou studnu.
Princip činnosti tepelného čerpadla vzduch-voda
Tento typ čerpadla je považován za jeden z nejméně účinných z různých důvodů. Za prvé, v chladném období teplota vzduchových hmot výrazně klesá. To nakonec vede ke snížení výkonu čerpadla. Možná nebude schopen zvládnout vytápění velkého domu. Zadruhé, design je složitější a méně spolehlivý. Náklady na instalaci a údržbu jsou však výrazně sníženy. Důvodem je skutečnost, že na své letní chatě nepotřebujete nádrž, studnu a nemusíte kopat příkopy pro potrubí.
Systém je umístěn na střeše budovy nebo na jiném vhodném místě. Stojí za zmínku, že tento design má jedno významné plus. Spočívá v možnosti využití výfukových plynů, vzduchu, který opět opouští místnost. To může kompenzovat nedostatečnou kapacitu zařízení v zimě.
Čerpadla vzduch-vzduch a další
Taková zařízení jsou z méně důvodů ještě méně běžná než „vzduch-voda“. Jak jste asi uhodli, v našem případě se jako nosič tepla používá vzduch, který se ohřívá z teplejší vzduchové hmoty z prostředí. Existuje mnoho nevýhod takového systému, od nízké produktivity po vysoké náklady. Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch, jehož princip znáte, není špatný pouze v teplých oblastech.
I zde existují silné stránky. Za prvé, nízké náklady na chladicí kapalinu. Je pravděpodobné, že nenarazíte na únik vzduchu. Zadruhé, účinnost takového řešení je v období jaro-podzim extrémně vysoká. V zimě je nepraktické používat vzduchové tepelné čerpadlo, jehož princip fungování jsme zvážili.
DIY vzduchové tepelné čerpadlo: schéma montáže
Na rozdíl od poměrně složitých geotermálních a hydrotermálních systémů je tepelné čerpadlo vzduch-voda k dispozici pro výrobu i samostatně.
Navíc pro výrobu vzduchového systému potřebujeme relativně levnou sadu, která se skládá z následujících dílů a sestav:
Externí jednotka tepelného čerpadla vzduch-voda
- Kompresor s děleným systémem - lze jej zakoupit v servisním středisku nebo v opravně
- 100litrová nádrž z nerezové oceli - lze ji vyjmout z jakékoli staré pračky
- Polymerní nádoba se širokými ústy - bude to běžná plechovka nebo polypropylen.
- Měděné trubky s průměrem průchodu více než 1 milimetr. Budete si je muset koupit, ale toto je jediný drahý nákup v celém projektu.
- Sada uzavíracích a regulačních ventilů, která bude zahrnovat vypouštěcí kohout, ventil pro leptání vzduchem, bezpečnostní ventil.
- Spojovací materiál - držáky, spony, svorky a další.
Kromě toho budeme potřebovat nejlevnější chladivo - freon a alespoň nejjednodušší řídicí jednotku, bez níž bude použití tepelných čerpadel velmi obtížné, kvůli potřebě synchronizovat provoz kompresoru s teplotou na povrchu výparník a kondenzátor.
Montáž jednotky
Samotný proces sestavení je následující:
- Vyrábíme cívku z měděné trubky, jejíž rozměry musí odpovídat průřezu a výšce ocelové nádrže.
- Namontujeme cívku do nádrže a ponecháme mimo ni vývody měděných trubek. Dále nádrž uzavřeme a vybavíme ji vstupním (spodní) a výstupním (horní) šroubením. Díky tomu je získán první prvek systému - kondenzátor - s hotovými kohouty pro potrubí přímého topení (horní armatura) a zpětný tok (spodní armatura)
- Namontujeme kompresor na zeď (pomocí držáku). Připojte tlakovou přípojku kompresoru k hornímu výstupu měděné trubky.
- Vyrábíme druhou cívku z měděné trubky, jejíž rozměry se shodují s průřezem a výškou polymerní plechovky.
- Cívku namontujeme do plechovky a na její konec namontujeme ventilátor, který fouká vzduch na cívku. Z plechovky by navíc měly vyjít dva problémy. Ve výsledku je celá tato konstrukce, která je výparníkem systému, namontována na fasádu nebo do větrací šachty.
- Spojíme spodní výstup z nádrže (kondenzátor) se spodním výstupem z plechovky (výparník) tak, že do tohoto potrubí vyřízneme regulační tlumivku.
- Spojujeme horní výstup plechovky se sací trubkou kompresoru.
To je v podstatě ono. Systém založený na principu provozu vzduchového tepelného čerpadla je téměř kompletní. Zbývá pouze nalít chladivo do kompresoru a připojit škrticí ventil k řídicí jednotce.
Domácí tepelné čerpadlo
Studie ukázaly, že doba návratnosti zařízení přímo závisí na vytápěné ploše. Pokud mluvíme o domě o rozloze 400 metrů čtverečních, pak je to přibližně 2-2,5 roku. Ale pro ty, kteří mají menší bydlení, je docela možné použít domácí čerpadla. Může se zdát, že je těžké takové zařízení vyrobit, ale ve skutečnosti to tak není. Stačí zakoupit potřebné součásti a můžete pokračovat v instalaci.
Prvním krokem je nákup kompresoru. Ten můžete vzít na klimatizaci. Stejným způsobem jej namontujte na stěnu budovy. Kromě toho je zapotřebí kondenzátor. Můžete si je postavit sami nebo si je koupit. Pokud použijete první metodu, budete potřebovat měděnou cívku o tloušťce nejméně 1 mm, která je umístěna v pouzdře. Může to být nádrž vhodné velikosti. Po instalaci je nádrž svařena a jsou provedena potřebná závitová připojení.
Síla a účinnost
Pokud účinnost geotermálních a vodních tepelných čerpadel prakticky nezávisí na ročním období, pak je situace u vzduchových tepelných čerpadel jiná. Výkon přímo závisí na venkovní teplotě, čím je chladnější, tím nižší je COP (účinnost).
Mnoho lidí si myslí, že kolik tepla dokáže vyprodukovat, závisí na výkonu tepelného čerpadla, ale není tomu tak. Charakterizuje spotřebu energie a množství generovaného tepla závisí na účinnosti. V souladu s tím - z teploty vzduchu mimo dům.
Závěrečná část práce
V každém případě budete v konečné fázi muset najmout odborníka. Je to znalý člověk, který musí pájet měděné trubky, pumpovat freon a také poprvé spustit kompresor. Po sestavení celé konstrukce je napojena na vnitřní topný systém. Venkovní okruh je nainstalován jako poslední a jeho vlastnosti závisí na typu použitého tepelného čerpadla.
Nepřehlédněte tak důležitý bod, jako je výměna zastaralých nebo poškozených elektroinstalací v domě. Odborníci doporučují instalovat měřič s kapacitou nejméně 40 ampér, což by mělo být dostačující pro provoz tepelného čerpadla.Nebude nadbytečné poznamenat, že v některých případech takové vybavení nesplňuje očekávání. To je způsobeno zejména nepřesnými termodynamickými výpočty. Aby se nestalo, že jste utratili spoustu peněz za vytápění a v zimě jste museli instalovat kotel na uhlí, obraťte se na důvěryhodné organizace s kladnými recenzemi.
Bezpečnost a šetrnost k životnímu prostředí
Topení pomocí čerpadel popsaných v tomto článku je jednou z nejekologičtějších metod. Důvodem je zejména snížení emisí oxidu uhličitého do atmosféry a zachování neobnovitelných zdrojů energie. Mimochodem, v našem případě se používají obnovitelné zdroje, takže se nemusíte bát, že teplo najednou skončí. Díky použití látky, která vaří při nízkých teplotách, bylo možné realizovat reverzní termodynamický cyklus a při menší energii dostat do domu dostatečné množství tepla. Pokud jde o požární bezpečnost, pak je vše jasné. Neexistuje možnost úniku plynu nebo topného oleje, exploze, žádná nebezpečná místa pro skladování hořlavých materiálů a mnoho dalšího. V tomto ohledu jsou tepelná čerpadla velmi dobrá.
