Wszystko o pompie ciepła

Termocasa

Pompa ciepła pochodzi z początku wieku. XX, wraz z wynalezieniem lodówki.

Szereg zjawisk i praw fizyki konkuruje ze sobą u podstaw działania pompy ciepła: II zasada termodynamiki: „Ciepło nigdy nie może przejść samoistnie z ciała o niższej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze” (wypowiedź Clausiusa), a także odkrycie fizyka Watta: sprężony gaz oddaje ciepło i odwrotnie, rozprężony – pochłania ciepło.

Dlaczego interesuje nas pompa ciepła?

W ciągłym poszukiwaniu najlepszych rozwiązań wytwarzania energii, w tym artykule analizujemy pompę ciepła we wszystkich jej wariantach.

Wszystkie wysiłki specjalistów zmierzające do znalezienia niezanieczyszczających lub przynajmniej nieznacznie zanieczyszczających zasoby cieplne i przejście do ich masowego wykorzystania, do ogrzewania domów, zwróciły uwagę na wdrożenie wymiany ciepła i pojawienie się coraz bardziej znanej pompy ciepła. Pompa ciepła, ze względu na swoją wydajność i wykorzystanie mniej zanieczyszczających środowisko zasobów niż inne systemy ogrzewania lub chłodzenia, jest jednym z preferowanych rozwiązań jako alternatywny system instalacyjny dla projektów, domów lub budynków o prawie zerowym zużyciu i w zależności od sytuacji lokalizacyjnej jest używany do aktywnego domu.

Co to jest pompa ciepła?

W kilku słowach można powiedzieć, że pompa ciepła pobiera i oddaje ciepło z jednego ze źródeł do jakich jest przeznaczona (czy mowa o gruncie, wodzie czy powietrzu) i za pomocą sprężarki dokładnie na zasadzie chłodziarki, podnosi temperaturę czynnika chłodniczego o bardzo niskiej temperaturze wrzenia (gdzieś w okolicach -2°C), przenosząc temperaturę czynnika termicznego, który krąży w instalacji grzewczej niezależnie od układu, na stosowane ciała statyczne (grzałki, podłoga, wentylacja itp.). Pompa ciepła charakteryzuje się bardzo prostym trybem pracy bardzo zbliżonym do lodówek ze sprężarką: sprężony gaz oddaje ciepło, a rozprężony w przeciwnym kierunku pochłania ciepło.

Jak działa pompa ciepła

Pompa ciepła wymaga stałego źródła energii elektrycznej. Obowiązkowe jest podłączenie do stałego źródła, jeśli to możliwe do sieci publicznej, jeśli nie, to najlepiej, ze względu na niskie zużycie, do systemu paneli fotowoltaicznych lub, dlaczego nie, do turbin wiatrowych, systemów alternatywnych itp. Źródło energii elektrycznej będzie napędzać sprężarkę, która spręża czynnik chłodniczy do temperatury potrzebnej do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Gdy para czynnika chłodniczego dotrze do skraplacza w pompie ciepła, zostanie otoczona ciepłem. Temperatura czynnika grzewczego jest niższa niż temperatura czynnika chłodzącego w stanie pary, więc para będzie się ochładzać i skraplać. W tym momencie ciepło przejmuje parownik, w tym ciepło wytwarzane podczas procesu sprężania, którego znaczna ilość uwalniana jest w skraplaczu i przekazywana do czynnika grzewczego w postaci energii użytecznej do ogrzewania. Środek przenoszący jest następnie zawracany do odparowywacza przez większość czasu za pomocą zaworu rozprężnego. W ten sposób czynnik chłodniczy przechodzi z wysokiego ciśnienia w skraplaczu do niskiego ciśnienia w parowniku. Wraz z wejściem do waporyzatora, tutaj ponownie osiągane są wartości znalezione na początku procesu, a obwód się zamyka.

Lodówki, podobnie jak klimatyzatory, to klasyczne przykłady pomp ciepła już istniejących w gospodarstwach domowych i działających wyłącznie w trybie chłodzenia. Lodówka to tak naprawdę dobrze izolowane pudełko z podłączonym systemem pompy ciepła. Wężownica parownika znajduje się wewnątrz i zwykle znajduje się w komorze przeznaczonej do zamrażania. Ciepło jest pochłaniane z zamrażarki i wysyłane na zewnątrz, zwykle za lub pod jednostką, w której znajduje się wężownica skraplacza. Klimatyzator, który przenosi ciepło z wnętrza domu na zewnątrz, działa w podobny sposób. Tak więc system pompy ciepła mamy w naszych domach od jakiegoś czasu, ale nie był on używany w obie strony.

Pompa ciepła może być używana bez obecności lub wspomagania innych źródeł ciepła.

Według kryterium działania spotykamy pompy ciepła z reżimem

Monowalentny: pompa ciepła jest jedynym źródłem ciepła – do pracy sprężarki wykorzystuje energię elektryczną z sieci publicznej lub innych źródeł
Biwalentny - równoległy: może być montowany i używany równolegle z pompą ciepła i innym źródłem ciepła; gdy równoległym źródłem ciepła jest energia elektryczna, układ nazywamy biwalentnym - monoenergetycznym równoległym
Biwalentny - alternatywny: pompa ciepła pracuje naprzemiennie z innym źródłem ciepła;
Biwalentny – częściowy – równoległy: pompa ciepła pracuje równolegle lub zamiennie z innym źródłem ciepła.

Pompa ciepła ma w pełni odwracalny cykl i może zapewnić kontrolę nad środowiskiem wewnętrznym w celu ogrzewania zimą i chłodzenia lub osuszania, jeśli to konieczne, latem. Ponieważ grunt lub powietrze na zewnątrz zawsze zawiera ciepło, dlaczego nie użyć pompy ciepła do ogrzewania i chłodzenia domu? Jedną z zasad stosowanych w pompie ciepła jest to, że powietrze o temperaturze -18°C zawiera około 85% energii zawartej w temperaturze 21°C.

Jakie są rodzaje pomp ciepła?

Istnieją dwa główne typy pomp ciepła, nazwane zgodnie z zastosowanym systemem

Sprężarkowa pompa ciepła, która zawsze pracuje wykorzystując energię mechaniczną poprzez energię elektryczną
Absorpcyjna pompa ciepła, która może również wykorzystywać ciepło jako źródło energii (poprzez energię elektryczną lub paliwa).

Szereg źródeł zostało wykorzystanych jako źródła ciepła do ogrzewania.

Powietrzna pompa ciepła (pobiera ciepło z powietrza zewnętrznego)

pompa ciepła powietrze-powietrze (przenosi energię cieplną powietrza w pomieszczeniu)
pompa ciepła powietrze/woda (przekazuje energię cieplną do zbiornika wody)

Geotermalna pompa ciepła (pobiera ciepło z gruntu lub podobnych źródeł)

geotermalno-powietrzna pompa ciepła (przekazuje energię cieplną do powietrza w pomieszczeniu)
pompa ciepła grunt-powietrze (ziemia jest źródłem ciepła)
pompa ciepła powietrze-skała (źródłem ciepła jest skała)
pompa ciepła woda-powietrze (woda jako źródło ciepła)

Pompa ciepła woda geotermalna (przekazuje ciepło do zbiornika wody)

pompa ciepła gruntowo-wodna (ziemia jest źródłem ciepła)
pompa ciepła woda-kamień (źródłem ciepła jest skała)
pompa ciepła woda/woda (zbiornik wodny jako źródło ciepła)

Pompy ciepła gruntowo-wodne

Roztwór przeciw zamarzaniu zwany glikolem krąży w obwodzie rur zakopanych w gruncie źródła ciepła i przejmuje ciepło gruntu za pomocą poziomego lub pionowego wymiennika ciepła. Ciepło to jest przekazywane do systemu grzewczego domu za pomocą sprężarki i transportowane do skraplacza. W skraplaczu woda układu wymiany ciepła obejmuje ciepło pochłonięte przez parownik i jest dostarczana z energią do sprężarki.

W zależności od sposobu rozmieszczenia kolektorów wyróżniamy kilka typów pomp ciepła z kolektorami:

płaskie: posiadają system kolektorów o różnych kształtach (U lub spirale) zakopanych na średniej głębokości 1-2m. Jest to system ekonomiczny o dużej wydajności, ale nie da się go zakopać w żadnej glebie i wymaga powiększenia prawie dwukrotnie powierzchni mieszkalnej.
głębokości: składają się z sond montowanych na głębokości 50-100m i charakteryzują się bardzo wysoką wydajnością. Koszty instalacji są znaczne ze względu na odwierty, które mają zmienne ceny między 100-300 lei / metr. Nadają się do użytku tylko wtedy, gdy gleba na to pozwala.
z waporyzacją bezpośrednią: oprócz płaskich posiadają specjalny układ wychwytujący, dzięki czemu są wydajniejsze lub zajmują mniej miejsca.

Pompy ciepła woda-woda

Ciepło z pompowanych wód gruntowych lub powierzchniowych jest wykorzystywane do wymiany ciepła, transportowane przez sprężarkę do skraplacza. Tam używany jest system pompy gruntowo-wodnej. Są to najbardziej efektywne wykorzystanie ciepła ze źródeł geotermalnych o temperaturach powyżej 8 st. Pompa ciepła woda/woda odgrywa szczególnie ważną rolę w przemyśle lub przy maksymalnym wykorzystaniu źródeł geotermalnych. Ścieki lub woda geotermalna o temp. z powodzeniem można wykorzystać maksima 28-30ºC. W przypadku wód geotermalnych źródło można zwielokrotnić stosując kilka PDC w kaskadzie. Oczywiście jakość wody będzie brana pod uwagę, przeszkody tej można uniknąć stosując odpowiednie wymienniki ciepła (zabezpieczające przed korozją).

Pompa ciepła woda/woda może być również wykorzystana do wykorzystania wody z jezior, rzek, wód tunelowych, zapór (które mają temperaturę >8ºC). System woda-woda jest również nazywany systemem przechwytywania w pętli otwartej. Prędkość przepływu wody przez parownik nie może przekraczać 0,8m/s. Ten typ pompy ciepła może osiągnąć najwyższy współczynnik COP ze wszystkich typów, o których mowa. Taki układ wodno-wodny może z łatwością osiągnąć COP=5, a nawet go przekroczyć, jeśli jest dobrze wykonany i odpowiednio zwymiarowany. Może również zapewnić imponujące moce sięgające tysięcy kW, na jednym urządzeniu lub poprzez połączenie kilku mniejszych jednostek. Jednak do tej pory, przynajmniej w Europie, nie jest to najbardziej rozpowszechniona pompa ciepła. Powodów jest kilka: jakość wody musi praktycznie odpowiadać jakości wody pitnej; woda pobierana z warstw freatycznych musi być ponownie wtłoczona do gruntu (studnia iniekcyjna musi znajdować się co najmniej 15m poniżej kierunku przepływu wody w wodach gruntowych) dla każdego zainstalowanego kW cieplnego minimalna objętość wody 160 litrów/ wymagana jest godzina, tj. 0,16 mc/h (przy min. 8ºC), przy czym przepływ musi być zapewniony przez cały czas przez otwór wydobywczy; w UE obowiązują bardzo restrykcyjne przepisy dotyczące tego typu odwiertów.

Pompy ciepła powietrze-woda

Ciepło z powietrza zewnętrznego, doprowadzonego wentylatorem lub powietrzem z instalacji wentylacyjnej, transportowane jest przez parownik do czynnika grzewczego, a następnie przez sprężarkę do skraplacza. Ten system wymiany ciepła składa się z obiegu cieczy, używanego do ogrzewania domu i/lub do produkcji ciepłej wody użytkowej. Systemy te nie są zbyt wydajne, w obecnej wersji pompy ciepła typu woda/woda mają najniższy współczynnik sprawności, więc i koszt jest niższy. Pompy te nie mogą pracować monowalentnie w temperaturach poniżej 15 stopni Celsjusza.

Pompy ciepła powietrze-powietrze

Ciepło z powietrza zewnętrznego nawiewanego wentylatorem lub powietrza z instalacji wentylacyjnej dostarczane jest przez parownik do czynnika grzewczego i transportowane przez sprężarkę do skraplacza. System wymiany ciepła składa się z systemu kanałów powietrznych lub określonych urządzeń służących do ogrzewania budynku. Stosowane są w rzadkich przypadkach, w systemach grzewczych, ze względu na małą wydajność czynnika grzewczego powietrza (układy zwane ogólnie „klimatyzacją” to tak naprawdę pompy ciepła powietrze-powietrze, a ich COP jest poniżej 3).

Pompy ciepła z wymiennikami Ultraflex

System Ultraflex nie posiada już wymiennika pośredniego, jaki występuje w większości pomp ciepła na rynku, dzięki czemu system posiada bardzo wysoki współczynnik COP w porównaniu z pozostałymi pompami ciepła, znacznie zwiększoną niezawodność oraz bardzo długi okres eksploatacji i wydłużone okresy gwarancyjne, a cena ich zakupu jest bardzo atrakcyjna. Charakteryzuje się jednak niezwykle szerokim zróżnicowaniem mocy (takie systemy obecnie nie są ograniczone mocą i oferują niezrównaną wydajność).

wielkość ogrzewanego obiektu (powierzchnia użytkowa i ogrzewana, średnia wysokość pomieszczeń). Dostępna (niezabudowana) przestrzeń wokół celu;
obszar geograficzny, w którym znajduje się cel;
możliwości instalacji innych systemów grzewczych (gaz, paliwo płynne, gaz skroplony itp.);
lokalne możliwości wykorzystania „źródła zimna” (woda, powietrze, gleba);
istnienie innych źródeł ogrzewania (w celu ustalenia trybu pracy pompy ciepła);
warunki zasilania energią elektryczną (sieć jedno- lub trójfazowa, maksymalna moc elektryczna dozwolona na przyłączu elektrycznym).

Ile kosztuje pompa ciepła?

Bez wątpienia koszt użytkowania systemu grzewczego z pompą ciepła jest znacznie niższy niż w przypadku klasycznego systemu grzewczego. Różnica polega na zużyciu 1 kW energii elektrycznej, aby pompa ciepła była przetwarzana lub mogła wytworzyć 3 – 5 kW mocy cieplnej. Bardzo dobry współczynnik w porównaniu do innych klasycznych rozwiązań. Wydajność energetyczna obserwowana w pompie ciepła jest określana przez COP i jest definiowana jako stosunek ilości ciepła usuwanego w skraplaczu do energii elektrycznej zużywanej przez sprężarkę. Z punktu widzenia ochrony środowiska, w porównaniu z pompą ciepła, ale także mając na uwadze komfort użytkowania, można powiedzieć, że pozostałości po ogrzewaniu paliwami stałymi wcale nie są nieistotne, ani perspektywa ich stałego i przewidywanego wzrostu cen gazu ziemnego, paliw płynnych lub energii elektrycznej.

W różnych programach zachęcających do odpowiedzialnej konsumpcji, takich jak „Casa Verde”, właściciele, którzy wyposażyli swoje domy w system oparty na pompie ciepła, mogli skorzystać z dofinansowania od państwa, ostatnio było to 8000 lei. Do rozliczenia kwalifikowały się również wydatki związane z instalacją lub uruchomieniem systemu, a także podatek od towarów i usług, VAT od tych wydatków.

Cena pompy ciepła typu Sol-Air waha się od 2400 euro za moc około 7,5 kW do 12.000 50 euro za pompę około 280 kW. Można rozważyć cenę około XNUMX euro / Kw w zależności od potrzeb i powierzchni, która ma być ogrzewana.

Cena pompy ciepła woda-woda jest przeciętna w porównaniu z innymi pompami ciepła i wynosi od 1900 euro za małe pompy o mocy 6 kW i może osiągnąć 15.000 50 euro za pompy o mocy 260 kW. Można rozważyć cenę około XNUMX euro / kW w zależności od potrzeb i powierzchni, która ma być ogrzewana.

Cena pompy ciepła powietrze-woda jest najniższa w porównaniu z innymi systemami pomp ciepła i waha się od 2100 euro / 6 kW do 9000 euro za 35 kW. Można rozważyć cenę około 240 euro / Kw w zależności od potrzeb i powierzchni, która ma być ogrzewana.

Inne ważne obserwacje

Zgodnie z normami europejskimi obliczenie niezbędnego obciążenia cieplnego odnoszone jest do metra kwadratowego powierzchni [W/m²] przy uwzględnieniu maksymalnej wysokości pomieszczenia H=3m (typowa wysokość większości pomieszczeń – w nietypowych przypadkach zostaną wprowadzone niezbędne poprawki).

Na przykład, jeśli zapotrzebowanie cieplne budynku wynosi 50 W/m², a powierzchnia mieszkalna do ogrzania wynosi 350 m² (H=3m), moc cieplna ciepłowni (niezależnie od jej typu) wyniesie 250mpx50W/m² = 12500 W = 12.5 kW. (Wysokość jest podawana tylko w nietypowych przypadkach).

Właściwy dobór pompy ma zasadnicze znaczenie dla jej żywotności. Przewymiarowana pompa ciepła, oprócz tego, że jest droższa, ma nieprawidłowy tryb pracy z częstszymi uruchomieniami i zatrzymaniami. Niewymiarowa pompa ciepła, pracuje dłużej iz małymi przerwami. Jednakże, jeśli nie ma alternatywy, lepiej jest zmniejszyć rozmiar pompy (w pewnych granicach) niż ją przewymiarować.

Dla domu o powierzchni użytkowej 200 m8, gdzie wystarczy gruntowo-powietrzna pompa ciepła o mocy 10-60.000 Kw, całkowity koszt to około XNUMX XNUMX lei i różni się w zależności od wybranej marki.

Ze względu na stosunkowo wysoką cenę pomp ciepła nieekonomiczne jest ogrzewanie słabo ocieplonych pomieszczeń, które wymagają dużych mocy cieplnych. Lepiej ocieplić budynek niż zwiększać moc źródła ciepła. Przy określaniu mocy rewersyjnej pompy ciepła uwzględnia się wydajność chłodzenia (EER). Moc chłodzenia jest zawsze większa niż moc ogrzewania.

Na przykład normy DIN 4701 dotyczące warunków, jakie muszą spełniać ogrzewane budynki w Niemczech, w swojej ewolucji:

45-60 W/m2002 nowe konstrukcje (rozporządzenie z XNUMX r.)
50-60 W/m1995 nowe konstrukcje (rozporządzenie z XNUMX r.)
Konstrukcje 70-90 W/m1995 wykonane przed XNUMX rokiem
120 W/mXNUMX stare budynki wykonane bez żadnych przepisów

W przypadku budynku o bardzo słabej izolacji termicznej inwestycja w pompę ciepła jest nieopłacalna.

Kotły z pompą ciepła

Oprócz tego, co zostało powiedziane wcześniej w tym artykule, uważamy, że ważne jest osobne traktowanie kotłów z pompą ciepła ze względu na szeroki potencjał, jaki oferują. Działają na zasadzie pomp ciepła powietrze-powietrze, gdzie podgrzana woda magazynowana jest w bojlerze, który tworzy wspólny korpus z pompą ciepła. Pompa ciepła powietrze-powietrze osiąga maksymalną wydajność, gdy temperatura otoczenia przekracza 15 stopni Celsjusza, ale może pracować również przy temperaturach -5 stopni Celsjusza. Przy odpowiednim doborze miejsca zainstalowania kotła z pompą ciepła w pomieszczeniu, w którym znajduje się również ciepłownia lub inny sprzęt wytwarzający ciepło, od lodówki po serwery itp., optymalna praca tych kotłów może być zapewniona zapewnione pompami ciepła przez całą zimę przy niskich kosztach. Kotły są również wyposażone w grzałki elektryczne do sytuacji, w których wymagane jest szybkie podgrzanie wody. Inną przydatną opcją jest to, że strumień powietrza wywiewanego można wykorzystać do obniżenia wilgotności powietrza lub schłodzenia o kilka stopni pomieszczenia, w którym zainstalowany jest kocioł z pompą ciepła.

Źródła wykorzystane w tym artykule

Remus Rădulet i in. Rumuński Leksykon Techniczny, Bukareszt: Wydawnictwo Techniczne, 1957-1966.
Tom Systems and Equipment w ASHRAE Handbook, ASHRAE, Inc., Atlanta, GA, 2004
Podstawy termodynamiki inżynierskiej, Howell i Buckius, McGraw-Hill, Nowy Jork
Pompa ciepła – pełne dane

KONTAKT – RUMUNIA

Str. Zorelelor, NIE. 5, kod pocztowy – 410583, Oradea, Bihor, RUMUNIA, tel. 0757010000

KONTAKT - AMERYKA PÓŁNOCNA

TERMOCASA Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością
16113 WINDHAM ROAD, CALIFORNIA 92503 USA, TEL: 001 951 785 1085 E-mail: office@termocasa.ro