Термопомпи за домашно отопление: видове и принцип на действие

Принцип на действие на въздушно-водната помпа

Както вече беше споменато, основният източник на топлинна енергия за инсталации от този тип е атмосферният въздух. Основният принцип на въздушните помпи се основава на физическото свойство на течностите да поглъщат и отделят топлина по време на фазовия преход от течно в газообразно състояние и обратно. В резултат на промяната на състоянието се освобождава температура. Системата работи на принципа на хладилника в обратна посока.

За да се използват ефективно тези свойства на течността, лесно кипящият хладилен агент (фреон, охлаждаща течност) циркулира в затворен кръг, чиято конструкция включва:

• компресор, задвижван от електрически двигател;
• изпарител с помощта на вентилатор;
• дроселова (разширителна) клапа;
• пластинчат топлообменник;
• Циркулационни тръби от мед или пластмаса към метал, свързващи основните елементи на веригата.

Движението на хладилния агент по веригата се осъществява благодарение на налягането, развивано от компресора. За да се намалят топлинните загуби, тръбите се покриват с топлоизолационен слой от изкуствен каучук или пенополиетилен със защитно метализирано покритие. Използваният хладилен агент е хладон или фреон, който може да кипи при отрицателни температури и не замръзва до -40°C.

Целият процес се състои от следните последователни цикли:

1. Радиаторът на изпарителя съдържа течен хладилен агент, чиято температура е по-ниска от тази на външния въздух. По време на активното охлаждане на радиатора топлинната енергия от нископотенциалния въздух се предава на хладилния агент, който кипи и става газообразен. Това води до повишаване на температурата му.
2. Нагретият газ постъпва в компресора, където се нагрява допълнително по време на процеса на компресиране.
3. В сгъстено и загрято състояние парите на хладилния агент се транспортират до пластинчатия топлообменник, където отоплителната среда циркулира през втория кръг. Тъй като температурата на топлоносителя е много по-ниска от тази на нагрятия газ, фреонът активно кондензира върху плочите на топлообменника, като отделя топлина в отоплителната система.
4. Охладената смес от пара и течност се насочва към дроселовата клапа, която позволява само на охладения течен хладилен агент с ниско налягане да достигне до изпарителя. След това целият цикъл се повтаря.

За да се повиши ефективността на тръбата за пренос на топлина, върху изпарителя се навиват спирални ребра. При изчисляването на отоплителната система, избора на циркулационни помпи и друго оборудване трябва да се вземат предвид хидравличното съпротивление и коефициента на топлопреминаване коефициент на топлопреминаване на пластинчатия топлообменник на инсталацията.

Видео преглед на системата и нейното функциониране

Инверторни термопомпи

Наличието на инвертор в инсталацията позволява плавно стартиране на оборудването и автоматично регулиране на режимите в зависимост от температурата на външния въздух. Тя позволява да се увеличи ефективността на термопомпата чрез:

• Постигане на ефективност от 95-98%;
• Намаляване на потреблението на енергия с 20-25%;
• минимизиране на натоварването на електропреносната мрежа;
• да се увеличи експлоатационният живот на системата.

В резултат на това температурата в помещението се поддържа постоянно на едно и също ниво, независимо от промените във времето. Освен това наличието на инвертор с автоматичен блок за управление ще осигури не само отопление през зимата, но и охлаждане на въздуха през лятото, когато времето е горещо.

В същото време трябва да се отбележи, че допълнителното оборудване винаги води до по-високи разходи и по-дълъг период на откупуване.

Класификация според вида на средата за пренос на топлина

Съвременните термопомпи могат да използват газообразна среда или химическа течност разтвор на амоняк като среда за пренос на топлина. Пригодността на единия или другия вариант се оценява въз основа на няколко фактора и характеристики на системата.

1. Фреоновите агрегати имат термопомпен цикъл, основан на процесите на сгъстяване и разширяване на газа. По един или друг начин те се основават на компресорна верига. Оборудването има атрактивни показатели, но и недостатъци. Въпреки че среднопретеглената консумация на системата по време на работния цикъл е стабилна, окабеляването е силно натоварено. Освен това термопомпите с газообразен топлоносител няма да бъдат полезни в региони, където няма централизирана електрическа мрежа или електрозахранване с достатъчна товароносимост.
2. Изпарителните инсталации, използващи амонячен разтвор, имат работен цикъл, основан на процеса на изпаряване на веществото при ниски температури на кипене. След преминаване през външен топлообменник втечняването се извършва под въздействието на енергиен източник. Това е топлинна горелка. За него може да се използва почти всяко гориво: твърдо гориво, бензин, дизелово гориво, газ, парафин и в някои случаи метилов алкохол. Поради това изпарителните термопомпи са привлекателни на места, където няма електричество. Освен това ниската цена на определен вид гориво в региона може да доведе до избора на този вид оборудване.

Характерът на работната течност, използвана в системата, може да ви каже много за работата на системата и мощността. Термопомпите с фреонов компресор например могат да произвеждат внезапен прилив на топлина и бързо да затоплят помещението. Моделите за изпарение на амоняк не са способни на такива постижения. Предпочитаният начин на използване е стабилна, постоянна работа с номинална топлинна мощност.

Видове термопомпи

Термопомпите се разделят на няколко вида. Първият тип (тип) в класификацията според метода на предаване на топлинна енергия:

Компресия. Основните елементи на инсталацията са - компресори, кондензатори, разширители и изпарители. Този тип е много качествен и ефективен, което обяснява защо е много популярен на пазара.

Абсорбция. Най-новото поколение термопомпи. Те използват абсорбираща охлаждаща течност при работата си. Това повишава многократно качеството на работа.

Има видове термопомпи източници на топлина, а именно:

• Топлинната енергия се създава от земята (на снимката);
• Вода;
• Въздушни течения.
• Топлина за многократна употреба. Извлича се от водни течения, мръсен въздух или отпадни води.

По тип входно-изходни вериги:

• въздух-въздух. Помпата засмуква студен въздух, понижава температурата му и получава необходимата топлина, която предава на мястото, където е необходимо отопление.
• вода-в-вода. Помпата отнема топлината от подпочвените води и я предава на водата за отопление на помещенията.
• вода-въздух. От водата към въздуха. Характеризира се с използването на сонди и сондаж за вода, а отоплението се осъществява чрез въздушна отоплителна система.
• въздух-вода. От въздуха до водата. Помпите от този тип използват топлина от атмосферата за загряване на водата.
• вода в почвата. При тази форма топлината се взема от водопроводни тръби, положени в земята. Топлината се отнема от земята (земята).
• ледена вода. Това е интересен тип термопомпа. За затопляне на водата за отопление на помещенията се използва методът на ледогенерация, при който се отделя огромна топлинна енергия. Ако се замразят до 200 литра вода, може да се получи енергия, която да отоплява средно голям апартамент за около 40-60 минути.

Предимства и недостатъци на термопомпите

Принцип експлоатация на термопомпиС прости думи, тя се основава на събирането на нискокачествена топлинна енергия и нейното по-нататъшно прехвърляне в отоплителни и климатични системи, както и в системи за подготовка на вода, но вече с по-висока температура. Един прост пример е под формата на под формата на газова бутилка - когато се напълни с газ, компресорът го загрява, като го компресира. А ако изпуснете газта от бутилката, тя ще изстине - опитайте се да изпуснете рязко газта от запалка за многократна употреба, за да разберете същността на това явление.

Топлинните помпи вземат топлинна енергия от околната среда - от земята, водата и дори от въздуха. Дори ако въздухът е отрицателен, в него все още има топлина. Той се съдържа и във всички водни басейни, които не замръзват до дъното, както и в дълбоките земни пластове, които също не замръзват дълбоко - освен ако не са вечно замръзнали.

Термопомпите са доста сложни, както можете да се убедите, ако се опитате да разглобите хладилник или климатик. Тези познати домакински устройства са донякъде подобни на гореспоменатите помпи, само че работят в обратна посока - отнемат топлината от помещенията и я изпращат навън. Ако допрете ръка до задния радиатор на хладилника, ще забележите, че е топъл. А тази топлина не е нищо друго освен енергията, която се отнема от плодовете, зеленчуците, млякото, супата, колбасите и другите продукти, намиращи се в камерата.

Климатиците и сплит-системите работят по един и същи начин - топлината, излъчвана от външните тела, е топлинната енергия, събрана от зърната в охлажданите помещения.

Принципът на работа на термопомпата е обратен на този на хладилника. Той събира топлина от въздуха, водата или земята и след това я пренасочва към потребителите - отоплителни системи, акумулатори на топлина, системи за подово отопление и бойлери - като използва същата гранулометрия. Изглежда, че нищо не ни пречи да нагряваме топлоносителя или водата с обикновен нагревателен елемент - така е по-лесно. Но нека да сравним производителността на термопомпите и конвенционалните ТЕЦ:

При избора на термопомпа най-важното е наличието на определен природен източник на енергия.

• Конвенционална ТЕЦ - за производството на 1 kW топлина се консумира 1 kW електроенергия (без да се отчитат грешките;
• Термопомпа - тя консумира само 200 вата електроенергия, за да произведе 1 kW топлина.

Не, няма ефективност от 500% - законите на физиката са непоклатими. Тук действат просто законите на термодинамиката. Помпата сякаш съхранява енергия от космоса, "кондензира" я и я изпраща на потребителите. По подобен начин можем да събираме дъждовни капки в голяма лейка, като по този начин освобождаваме огромна струя вода.

Вече цитирахме много аналогии, за да разберем термопомпите без сложни формули с променливи и константи. Нека сега разгледаме техните предимства:

• Икономия на електроенергия - ако стандартното електрическо отопление на къща от 100 кв. м. ще доведе до разходи от 20-30 хил. рубли на месец (в зависимост от външната температура), то отоплителната система с термопомпа ще намали разходите до приемливите 3-5 хил. рубли - съгласете се, че това е доста солидна икономия. При това без трикове, измами и маркетингови похвати;
• Грижа за околната среда - въглищните, ядрените и водноелектрическите електроцентрали са вредни за природата. Следователно намаленото потребление на електроенергия намалява количеството на вредните емисии;
• Широка гама от приложения - генерираната енергия може да се използва за отопление на дома и за приготвяне на топла вода.

Съществуват и недостатъци:

• Високата цена на термопомпите - този недостатък ограничава използването им;
• Необходимостта от редовна поддръжка - тя е скъпа;
• Трудност при монтажа - това се отнася най-вече за термопомпите със затворени кръгове;
• Липса на човешко възприятие - малцина от нас ще се съгласят да харчат за това оборудване, за да намалят тежестта върху околната среда. Но някои хора, които живеят далеч от газопреносната мрежа и трябва да отопляват домовете си с алтернативни източници на топлина, са съгласни да отделят пари за закупуване на термопомпа и да намалят месечните си сметки за електроенергия;
• Зависи от електропреносната мрежа - ако електрозахранването бъде прекъснато, оборудването веднага ще замръзне. Ситуацията ще бъде спасена чрез инсталиране на топлинен акумулатор или резервно захранване.

Както виждате, някои от недостатъците са доста сериозни.

Като източник на резервно захранване за термопомпите могат да действат бензиновите и дизеловите електрически генератори.

Съвети и препоръки

Термопомпата - оборудването е технически сложно и доста скъпо, така че към избора трябва да се подходи с голяма отговорност. За да не бъдем голословни, ето няколко съвсем конкретни препоръки.

1. Никога не започвайте да избирате термопомпа, без да сте направили изчисление и да сте създали проект. Липсата на проектиране може да доведе до фатални грешки, които могат да бъдат поправени само с огромни допълнителни финансови инвестиции.

2. Проектирането, инсталирането и обслужването на термопомпи и отоплителни системи трябва да се поверява само на професионалисти. Как можете да сте сигурни, че във фирмата работят професионалисти? На първо място те разполагат с цялата необходима документация, портфолио от реализирани обекти, сертификати от доставчиците на оборудване. Много е желателно целият комплекс от необходими услуги да се предоставя от една компания, която в този случай ще носи пълна отговорност за реализацията на проекта.

3. Съветваме ви да предпочетете термопомпа, произведена в Европа. Не се смущавайте от факта, че е по-скъп от китайското или руското оборудване. Ако включите в оценката разходите за монтаж, пускане в експлоатация и въвеждане в експлоатация на цялата отоплителна система, разликата в цената на помпата ще бъде почти незначителна. Но при европейската помпа сте сигурни в нейната надеждност, тъй като високата цена на помпата е резултат единствено от използването на съвременни технологии и висококачествени материали в нейната конструкция.

Основни разновидности

Всички циркулационни помпи за отоплителни системи се разделят на два конструктивни типа: устройства със "сух" ротор и циркулационни помпи с "мокър" ротор.

При циркулационните помпи от първия тип, както става ясно от името им, роторът не е в контакт с течната работна среда - топлоносителя. Работното колело на тези помпи е отделено от ротора и статора чрез уплътнителни стоманени пръстени, които са притиснати един към друг от специална пружина, компенсираща износването на тези елементи. Херметичността на този уплътнителен блок по време на работа се осигурява от тънък слой вода между стоманените пръстени, който се образува от разликата между налягането в отоплителната система и външната среда.

Циркулационните помпи за отопление със сух ход имат доста висока ефективност (89%) и производителност, но този тип хидравлика има и недостатъци, включително силна работен шум Те са трудни за експлоатация, поддръжка и ремонт. По правило този тип помпи се използват в отоплителни системи за промишлени цели, докато в битови отоплителни системи се използват рядко.

Едностъпална циркулационна помпа със сух ротор

Циркулационна помпа за отоплителни системи с мокър ротор е устройство, чието работно колело и ротор са в постоянен контакт с топлоносителя. Средата, в която се въртят роторът и работното колело, действа като смазочна и охлаждаща течност. Статорът и роторът на този тип помпи са изолирани един от друг чрез специална втулка от неръждаема стомана. Защитната обвивка, в която са поставени роторът и работното колело, въртящи се в охлаждаща среда, предпазва статорната намотка под напрежение от въздействието на работната течност.

Ефективността на този тип помпи е доста ниска и е само 55%, но техническите характеристики на това устройство са напълно достатъчни за осигуряване на циркулацията на охлаждащата течност в отоплителните системи. В къщи с малка площ. Предимствата на циркулационните помпи с мокър ротор включват минимални шумови емисии, висока надеждност и лесна експлоатация, поддръжка и ремонт.

Циркулационна помпа с "мокър" ротор

Избор на тип термопомпа

Решаващият критерий е мощността на тази отоплителна система. Мощността е основното, което определя финансовите разходи за закупуване на оборудването и избора на нискотемпературен източник на топлина. Колкото по-висока е мощността на термопомпената система, толкова по-висока е цената на компонентите.

Това се отнася най-вече до капацитета на компресора, дълбочината на сондажите за геотермални сонди или площта на хоризонталния колектор. Правилните термодинамични изчисления са своеобразна гаранция, че системата ще работи ефективно.

Ако в близост до вашия парцел има езеро, най-рентабилният и ефективен избор е термопомпа за вода-вода

Първо трябва да проучите района, в който искате да инсталирате помпата. Идеалното условие е на територията на парцела да има водоем. Използването на варианта "вода-вода" значително намалява земните работи.

От друга страна, използването на земна топлина е свързано с много изкопни работи. За най-ефективни се считат системите, които използват водната среда като нисък топлинен потенциал.

Изграждането на термопомпа, която извлича топлинна енергия от земята, е свързано с впечатляващо количество изкопни работи. Колекторът трябва да се монтира под нивото на сезонното замръзване.

Енергията на земята може да се използва по два начина. Първият включва пробиване на сондажи с диаметър 100-168 mm. В зависимост от параметрите на системата тези сондажи могат да бъдат дълбоки до 100 и повече метра.

В тези сондажи се поставят специални сонди. При втория метод се използва тръбен колектор. Такъв колектор се поставя под земята в хоризонтална равнина. За този вариант е необходима достатъчно голяма площ.

Идеалните места за полагане на колектора са местата с влажна почва. Естествено, сондажите са по-скъпи от хоризонталните колектори. Не всеки парцел обаче разполага със свободно място. За един kW мощност на термопомпата са необходими 30 до 50 м² подова площ.

Изграждането на дълбок кладенец за добив на топлинна енергия може да бъде малко по-евтино от изкопаването на яма за основи.

Но големият плюс е значителното спестяване на място, което е важно за собствениците на малки парцели. В случай на високо ниво на подпочвените води топлообменниците могат да се монтират в два кладенеца, разположени на около 15 m един от друг.

В случай на високо ниво на подпочвените води в района топлообменниците могат да бъдат разположени в два кладенеца на разстояние около 15 m един от друг.

Топлината се извлича в такива системи чрез изпомпване на подпочвени води през затворен кръг, чиито части са разположени в сондажите. Такава система изисква монтиране на филтър и периодично почистване на топлообменника.

Най-простата и най-евтина схема на термопомпа се основава на извличане на топлинна енергия от въздуха. След като се превръща в основа на хладилниците, по-късно по неговите принципи са разработени климатици.

Най-простата термопомпена система получава енергия от въздушната маса. През лятото се използва за отопление, а през зимата - за климатизация. Недостатъкът на системата е, че устройството е недостатъчно мощно само по себе си.

Ефективност на различните видове оборудване не са равни. Помпите, които използват въздушна среда, са с най-ниска ефективност. Освен това тези стойности са в пряка зависимост от метеорологичните условия.

Термопомпите с наземно захранване имат стабилна работа. Коефициентът на ефективност на тези системи варира от 2,8 до 3,3. Системите вода-вода са с най-висока ефективност. Това се дължи главно на стабилността на температурата на източника.

Трябва да се отбележи, че колкото по-дълбоко е разположен колекторът на помпата в резервоара, толкова по-стабилна ще бъде температурата. За да се получи мощност на системата от 10 kW, са необходими около 300 метра тръбопроводи.

Основният параметър, който характеризира ефективността на термопомпата, е нейният коефициент на преобразуване. Колкото по-висок е коефициентът на преобразуване, толкова по-ефективна е термопомпата.

Коефициентът на преобразуване на термопомпата се изразява в съотношението между топлинния поток и електрическата енергия, използвана за работата на компресора.