Ръководство за термопомпа – общи аспекти

ТЕРМОПОМПИ – ВЪВЕДЕНИЕ

Ограничените горивни ресурси и световната ориентация към опазване на околната среда са аспекти, които насочиха вниманието към възможността за използване на възобновяеми енергийни източници. Днес тези термопомпи представляват безопасно, ефективно и иновативно отоплително оборудване, с икономична работа по отношение на консумацията на електроенергия.

Термопомпи – са съоръжения, които осигуряват необходимите технически предпоставки за ефективно използване на слънчевата енергия, акумулирана в подпочвените води, в почвата или във въздуха, под формата на екологична топлина, за отопление или охлаждане на помещения и за приготвяне на битова гореща вода.

Термопомпата получава приблизително три четвърти от необходимата енергия от околната среда, а за останалата част термопомпата използва електрически ток като задвижваща енергия.
Съвременните термопомпи предлагат ефективни технически възможности за намаляване на консумацията на енергия и емисиите на CO2. При модернизиране на стари сгради, както и при нови сгради, термопомпата е добра алтернатива.

Тази статия се занимава с основните принципи на термопомпената технология, основните технически варианти и илюстрира най-важните аспекти на приложенията, които интегрират тези съоръжения.

ЗАЩО ТЕРМОПОМПА?

1. Икономическа мотивация

1.1 Намалени експлоатационни разходи

• в зависимост от вида на термопомпата, до 3/4 от топлинната енергия може да бъде получена от околната среда (безплатно)
• с помощта на компресор (с електрическо задвижване) термопомпата повишава температурата на топлинния агент, взет от околната среда, до необходимата температура в системата за отопление на дома
• с термопомпа акумулираната в околната среда слънчева енергия може да се използва през цялата година!

1.2 Независимост от изкопаемите горива

Енергийните източници, използвани от термопомпата, са достъпни точно на прага ни, напълно независимо от наличността или цената на изкопаемите горива.

2. Комфорт

Отоплителната система с термопомпи предлага най-висока степен на комфорт и най-лесна работа. Системата за разпределение на топлината, която обикновено се използва в комбинация с термопомпи (подово отопление, стенно отопление, нискотемпературни отоплителни системи) гарантира комфортен и здравословен климат.

Реверсивните модели термопомпи (вода-вода или почва-вода) също могат да осигурят нуждите от охлаждане през лятото.

Термопомпените системи обикновено са много тихи, напълно автоматизирани и не изискват периодични операции по поддръжка.

Няма нужда от депо за гориво, няма пепелопочистване и почистване на комини.

3. Сигурност за бъдещето

Изборът на отоплителна система е решение за много години. Термопомпите са най-модерната технология за отопление, която съществува днес.

Днес термопомпите заместват не само системите за отопление на дърва, течно гориво или въглища, но все повече и системи, използващи природен газ.

Освен това възниква въпросът дали ще можем да си позволим разходите за парното след 20 години? С всяко покачване на цените на изкопаемите горива цената на отоплението с термопомпи става все по-изгодна в сравнение с отоплението на газ, течни горива или пелети.

Независимо от поскъпването на тока, с термопомпа 3/4 от изразходваната енергия е и остава безплатна.

4. Безопасна работа

Термопомпите произвеждат топлинна енергия чрез термодинамичен цикъл, без да изгарят гориво. Този аспект значително намалява риска от злополуки! Освен това термопомпите работят с незапалими хладилни агенти.

5. Идеален както за нови сгради, така и за рехабилитация на съществуващи сгради

Термопомпите могат да се използват за отопление и охлаждане на нови сгради и конструкции с ниска консумация на енергия (където повечето конвенционални системи не са налични или не са удобни за изпълнение технически или икономически поради ниски топлинни мощности). Също така, когато вече има модерна отоплителна система, която използва изкопаеми горива и е желателно намаляване на разходите, термопомпите могат да се използват като допълнителни отоплителни системи (бивалентна работа).

6. Множество функции

Термопомпите могат да осигурят отопление през целия студен сезон, охлаждане през топлия сезон (с малки модификации) и битова гореща вода през цялата година.

7. Екологичен

Изгарянето на изкопаеми горива за отопление на домове и офиси днес представлява един от най-големите източници на производство на CO2. Термопомпите произвеждат топлинна енергия без замърсители, използвайки енергия от околната среда.

КАК РАБОТИ ТЕРМОПОМПАТА?

Работата на термопомпата – прост принцип с изключителни резултати!

Независимо от техния тип, тези термопомпи могат да се разглеждат като оборудване, което повишава температурата на работната среда, като използва допълнително количество енергия за производство на полезна енергия.

Начинът, по който работи термопомпата, е основно същият като този на част от оборудването, което използваме всеки ден: хладилникът. Същата техника, само с обратна употреба; в случая на хладилника охлаждащият агент отнема топлината от храната и я предава на околната среда. Термопомпата отнема топлината от околната среда (почва, вода или въздух) и я предава на отоплителната система под формата на топлинна енергия.

1. Изпарителят - отнемане на топлина от околната среда (почва, вода, въздух)

В изпарителя има течен работен агент при ниско налягане (хладилен агент). Това е вещество, което има ниска точка на кипене. Температурата на източника (почва, вода или въздух) е по-висока от температурата на кипене, съответстваща на налягането на хладилния агент. Тази температурна разлика води до предаване на топлина от околната среда към работния агент и той кипи и се изпарява. Топлината, необходима за изпаряването му, идва от външния източник на топлина (почва, вода, въздух).

2. Компресорът - покачване на температурата

Парите, получени от работния агент, се засмукват непрекъснато от изпарителя от компресора. Хладилният агент се компресира, докато достигне температурата, необходима за отопление и подготовка на битова гореща вода.

Процесът на компресия е от съществено значение за ефективността на термопомпата. За цялата гама термопомпи се използват Compliant Scroll компресори, те се състоят от две спирали (една неподвижна и една подвижна), които непрекъснато компресират работния агент. Съвместимите компресори са напълно херметични, имат много по-дълъг живот и са по-тихи от буталните модели, използвани в миналото за термопомпи.

3. Кондензаторът – Топлопредаване към отоплителната инсталация

Парите на работния агент (хладилния агент) достигат до кондензатора на термопомпата, който е заобиколен от топлинния агент. Температурата на термичния агент е по-ниска от температурата на кондензация на работния агент, така че парите се охлаждат и кондензират.

Енергията (топлината), взета от изпарителя плюс топлината, генерирана по време на процеса на компресия (в компресора), се освобождава в кондензатора и се прехвърля към топлинния агент под формата на полезна енергия за отопление.

4. Разширителен вентил – веригата се затваря

По-късно работният агент се връща в изпарителя през разширителен вентил. Така работният агент преминава от високото налягане на кондензатора към ниското налягане на изпарителя. На входа на изпарителя се достигат началните стойности на налягането и температурата. Така веригата е затворена.

ТЕРМОПОМПИ – ОСНОВНИ КОМПОНЕНТИ
КЪДЕ ВЗЕМАМЕ ТОПЛИНА?

Почвата, водата и въздухът са налични в неограничени количества елементи, които могат да се използват като източник за термопомпа.

Във всеки отделен случай най-изгодният източник на енергия зависи от местните условия, местоположението на сградата и нейните нужди от топлина.

За практическото си използване енергийните източници трябва да отговарят на няколко условия:

• наличност в достатъчно количество
• максимален капацитет за съхранение
• възможно най-високо ниво на температурата
• достатъчна регенерация
• икономическо улавяне

Земята

Почвата има свойството да акумулира и поддържа слънчева енергия за по-дълъг период от време, което води до приблизително постоянно температурно ниво през цялата година и по този начин до работа на термопомпи с висок коефициент на полезно действие.

Температурата в почвата е между 7 и 13°C през цялата година (на дълбочина 2 m).
Топлината, взета от околната среда, се предава към изпарителя на термопомпата почва-вода чрез смес вода-антифриз (солена вода); точката на замръзване на този разтвор е приблизително -15°C.
Акумулираната в почвата топлина се отвежда през хоризонтално монтирани топлообменници – наричани още почвени колектори – или чрез вертикално монтирани топлообменници – почвени сонди.

Колектори поставени в земята - хоризонтални колектори

Топлината от почвата се отнема посредством пластмасови тръби - полиетиленови - монтирани в почвата на голяма повърхност.

Тръбите се поставят успоредно, в земята, на дълбочина от 1,2 до 1,5m и в зависимост от диаметъра на тръбата, на разстояние от прибл. 0,3 до 0,7 m, така че на всеки квадратен метър повърхност за улавяне прибл. 1,43 до 2 м тръба.

Количеството топлина, което може да се използва и следователно размерът на необходимата повърхност зависи много от качеството на почвата. По отношение на този аспект определящи количества са: на първо място количеството вода в почвата, количествата на минералните компоненти и размера на порите, пълни с въздух. Капацитетът на натрупване и топлопроводимостта са по-високи, колкото повече почвата е навлажнена с вода и колкото по-голямо е количеството на минералните компоненти, и колкото по-малък е броят на порите. Стойностите на специфичната извличаща мощност за почвата са между 10 и 35 W/m2.

При използване на хоризонтални колектори около тръбите не трябва да се засаждат растения с много дълбоки корени. Регенерацията на почвата вече се извършва от втората половина на отоплителния сезон чрез слънчева радиация и по-обилни валежи, така че е необходимо да се гарантира, че почвеният "акумулатор" е отново готов за отопление за следващия сезон.

Почвени сонди

Поради големите площи, необходими за инсталиране на хоризонтални колектори, понякога е трудно да се реализира системата поради липса на пространство.

За малки земни площи почвените сонди са алтернатива на колектора, поставен хоризонтално в почвата. Могат да се поставят на дълбочина от 50 до 150 m.

Сондите обикновено се изработват от полиетиленови тръби и обикновено се монтират четири успоредни тръби (сонда с двойна тръба с U профил).

Водно-антифризната смес се стича до най-ниското ниво през две тръби и се връща към изпарителя на термопомпата през другите две. По този начин рамката се взема от земята, по цялата дължина на тръбите. Пространствата между тръбите и почвата трябва да бъдат запълнени с материал с добра топлопроводимост (бентонит).

Екстракционната мощност варира значително, между 20 и 100 W/m дължина на сондата.

Подземни води

Подземните води също са добър акумулатор на слънчева енергия. Дори и в най-студените зимни дни температурата му е между 7 и 12°C. Подпочвените води обаче не са налични в достатъчни количества и с подходящо качество във всички райони.

За използване на топлината трябва да се направят два кладенеца: един смукателен и един поглъщащ (отводняващ); между тях трябва да се осигури разстояние най-малко 5 метра, като мястото трябва да бъде избрано така, че посоката на водния поток да е от смукателния кладенец към поглъщащия.

Водата от езера и реки също е подходяща за използване като източник на топлина, тъй като те действат и като акумулатор на топлина.

Въздухът

Въздухът е най-евтиният вариант, когато се използва като източник за термопомпа.

Термопомпите въздух-вода използват външния въздух като източник на топлина, който се насочва през въздуховоди, чрез вентилатор, вграден в устройството, към изпарителя, който извлича топлината от въздуха.

Отпадна топлина

Сред източниците, които могат да се използват с термопомпа, отпадната топлина е най-ефективната, осигуряваща най-високи параметри на работа. Въпреки това, той има недостатъка на много ограничена наличност.

Името на термопомпата се дава от работната среда на първичния и вторичния кръг. Под първи контур тук разбираме източника на топлина (въздух, почва, вода), а втори контур е отоплителната инсталация.

*Термопомпите почва-вода могат да бъдат намерени и под наименованието „термопомпи солена вода-вода“. Това име идва от средата, използвана в първичната верига (източник) за пренос на топлина; за това се използва смес от вода и антифриз (tyfocor), наречена "brine" на английски или "sole" на немски. Режимът на работа на термопомпите се адаптира към съществуващата отоплителна система в сградата, при по-стари сгради, за които се правят модернизации. В този случай трябва да се вземе предвид максималната температура, която термопомпите могат да постигнат за един цикъл (между 55 и 65°C).

За системи, които вече са оразмерени над това температурно ниво, термопомпите могат да работят само заедно с друг генератор на топлина. В новите сгради можете да изберете системата за разпределение на топлината. В този случай, като се вземат предвид най-високите годишни външни температурни параметри, ще бъде избрана отоплителна система с максимална температура на кръг от 35°C (подово отопление, стенно отопление и др.).

От техническа гледна точка могат да се разграничат следните режими на работа:

• Моновалентен режим на работа – термопомпата трябва да осигурява топлинните нужди на цялата сграда като единствен топлогенератор
• Моноенергиен режим на работа – термопомпата се използва в комбинация с друга отоплителна система, работеща на ток
• Бивалентен режим на работа – термопомпата се използва в комбинация с друг топлоизточник, работещ с твърдо, течно или газообразно гориво.

За оценката на термопомпа или цялостна термопомпена система най-важните фактори са коефициентът на ефективност и коефициентът на годишна ефективност.

Коефициент на ефективност и годишен коефициент на ефективност

Съотношението между използваемата топлинна енергия и електрическата задвижваща енергия, поета от компресора, се нарича "моментен индекс на мощност" или "коефициент на ефективност".

Коефициент на ефективност (COP) = указано от производителя, лабораторна стойност

Годишен коефициент на изпълнение (FPA) = съотношението между добитата топлина за една година и общата консумирана енергия за една година

Като цяло, коефициентът на ефективност се увеличава, когато температурната разлика между източника и отоплителната система намалява.

Емпирична формула:

• Един градус повишаване на температурата в отоплителния кръг води до намаляване на COP с 2,5%
• Повишаването с един градус на температурата на източника води до повишаване на COP с 2,7%.