Pompa de căldură pentru încălzirea unei case: principiul funcționării, soiurile și utilizarea

În situația de agravare a mediului în lume și (mai importantă pentru consumatorul mediu), creșterea rapidă a tarifelor la gaze și energie electrică, tot mai mulți europeni încearcă să introducă sisteme care utilizează surse alternative de energie în viața lor de zi cu zi. Una dintre opțiunile pentru astfel de sisteme este așa-numita pompă de căldură, prin care îți poți încălzi locuința în timpul iernii și să încălzești apa în scopuri menajere, cheltuind un minim de energie electrică.

De asemenea, în casele compatrioților noștri din ultimii ani, puteți întâlni din ce în ce mai mult acest miracol al ingineriei. Desigur, pentru ruși, problema prețurilor mari pentru sursele tradiționale de energie nu este atât de acută ca în Europa, dar, în primul rând, este doar deocamdată și, în al doilea rând, nu vreau să rămân în urma lumii civilizate ...

Deci, pompa de căldură ... Ce este? Pe ce se bazează principiul acțiunii sale? Unde, unde și cum transferă căldura? Hai să înțelegem.

Principiul de funcționare al pompei de căldură

Principiul de funcționare al pompelor de căldură se bazează pe capacitatea unei substanțe (agent frigorific) de a absorbi sau a emite căldură atunci când starea de agregare se schimbă. În esență, astfel de pompe nu sunt foarte diferite de unitățile de refrigerare. (Această afirmație ciudată, la prima vedere, nu te va surprinde deloc dacă ai atins vreodată peretele din spate fierbinte al unui frigider obișnuit.)

Schematic, o pompă de căldură poate fi reprezentată ca un sistem format din trei circuite. Primul este un lichid de răcire care transferă energia dintr-o sursă de căldură potențială mică. În cel de-al doilea circuit, circulă agentul frigorific (freon), care se evaporă periodic, preluând căldură din primul circuit, apoi se condensează din nou, dând-o celui de-al treilea circuit. Și, în sfârșit, radiatorul „curge” de-a lungul celui de-al treilea circuit, în cazul nostru, apă care transferă căldura prin sistemul de încălzire.

Ciclul de funcționare al pompei de căldură în termeni generali poate fi descris după cum urmează. Agentul frigorific lichid intră în evaporator, unde trece în stare gazoasă. Energia necesară curgerii acestui proces este preluată din lichidul de răcire care circulă în circuitul primar. În plus, agentul frigorific gazos încălzit cu mai multe grade este aspirat în compresor, scopul principal fiind compresia de gaz (desigur, aceasta consumă energie electrică).

Presiunea gazului crește de mai multe ori, în timp ce se încălzește semnificativ: dacă temperatura agentului frigorific la intrarea în compresor este de 6-10 ° C, atunci la ieșire este deja aproximativ 60 ° C. În următoarea etapă, gazul încălzit este trimis în condensator, unde dă căldura primită sistemului de încălzire, în timp ce se condensează, adică. trece în stare lichidă. Suprapresiunea este apoi ușurată cu ajutorul unei supape de accelerație și ciclul începe din nou.

După cum puteți vedea, dispozitivul pompei de căldură nu diferă fundamental de dispozitivul răcitorului. Doar că scopul principal al unităților de refrigerare este acela de a genera frig, astfel că acolo căldura este extrasă de evaporator, iar condensatorul aruncă doar această căldură în spațiul înconjurător.În pompa de căldură, contrariul este adevărat: condensatorul este un schimbător de căldură care oferă căldură consumatorului, iar evaporatorul este un schimbător de căldură care utilizează căldura cu potențial redus a resurselor de energie secundare.

Cu alte cuvinte, o pompă de căldură este un „frigider invers”. În același timp, „invers” nu este doar un dispozitiv, ci și un rezultat. Dacă în cazul unui frigider, căldura preluată din produsele depozitate în interior este irosită, atunci energia generată de pompa de căldură aduce beneficii reale - este cheltuită pentru încălzirea țintită a casei.

Soiuri și sisteme de pompe de căldură

Energia termică cheltuită la încălzirea clădirii și a sistemului de apă caldă este rezultatul conversiei energiei de mediu prin utilizarea unei pompe de căldură. Pompa concentrează această energie cu potențial redus (temperatură scăzută) și o transferă în sistemul de încălzire.

Rămâne să înțelegem ce se înțelege în acest caz prin energia mediului. Majoritatea pompelor de căldură menajere vă permit să folosiți căldura soarelui și căldura internă a pământului, acumulate de straturile superioare ale scoarței terestre și ale apei pe tot parcursul anului.

După tipul de proiectare a primului circuit al schimbătorului de căldură, toate pompele de căldură sunt împărțite în sol, apă și aer.

Pompe de căldură la sol

Pompele de căldură la sol primesc căldura necesară pentru încălzirea refrigerentului din evaporator de la sol. Temperatura acestuia din urmă la o adâncime de câțiva metri nu este practic supusă fluctuațiilor sezoniere. Într-un sistem închis de conducte plasate în pământ, circulă o „saramură”. Nu întâmplător am luat cuvântul „murături” în ghilimele: sarea, după cum se poate aștepta de la nume, nu o conține. De fapt, este un antigel pe bază de etilen glicol sau propilenglicol, mai puțin adesea etanol apos. Țevile schimbătorului de căldură pot fi așezate pe pământ atât pe orizontală (colector orizontal) cât și pe verticală (sondă geotermală).

Țevile colectorului orizontal sunt așezate în pământ la o adâncime sub nivelul de înghețare a solului în această regiune (de obicei 1,5-2 m). Sistemul de schimb de căldură de acest tip ocupă o suprafață destul de mare. De exemplu, pentru a furniza căldură unei case relativ mici, cu o suprafață de 100 m² va fi necesar să se aloce 2-3 acri de teren. Trebuie avut în vedere faptul că pe teritoriul ocupat de colector, pot fi plantați doar acei arbori și arbuști ale căror rădăcini nu intră prea adânc în sol și este complet imposibil să așezați clădiri aici.

O sondă geotermală este un schimbător de căldură ale cărui conducte sunt plasate vertical și cufundate în sol la o adâncime de 100-200 m. Numărul de sonde instalate depinde de capacitatea necesară a instalației. Pentru a încălzi casa, pe care am considerat-o deja mai sus, ca exemplu, două sonde cu o lungime de aproximativ 80 m situate la o distanță de 5 m unele de altele.

După cum vedeți, acest sistem nu necesită suprafețe mari, puteți găuri puțuri în orice parte a site-ului dvs. - oriunde vă este convenabil. Principalul dezavantaj al pompelor de căldură din sol cu ​​sonde geotermale este costul ridicat al forajului. Cu toate acestea, în ciuda acestui fapt, majoritatea utilizatorilor preferă aceste sisteme, deoarece sondele geotermale sunt mai eficiente decât colectorii orizontali și au mai puține restricții.

Perforarea unei sonde pentru o sondă geotermală.

Pompe de căldură cu apă

Pompa de căldură cu apă „atrage” energia apei subterane, pe care o pompează prin evaporatorul său. Un sistem similar se caracterizează printr-o eficiență crescută și o stabilitate bună: prima caracteristică este rezultatul transferului de căldură ridicat al apei, al doilea se datorează constanței temperaturii apelor subterane.

Desigur, pentru a utiliza acest tip de instalație, este necesar ca aceste aceleași ape subterane să fie disponibile pe teritoriul dvs. și într-o cantitate suficient de mare. Este foarte de dorit ca acviferul să fie localizat la o adâncime mai mică de 30-40 m. Îndeplinirea simultană a acestor două condiții este un fenomen rar. O altă condiție, a cărei eșec poate deveni un obstacol în instalarea unei pompe de căldură cu apă în casa sau cabana dvs., este conținutul redus de săruri de fier și alte impurități din apele subterane.

Folosirea apei de calitate scăzută va face ca echipamentul să se defecteze rapid, deoarece schimbătorul de căldură se blochează pur și simplu. Prezența atâtor restricții este motivul pentru care astfel de pompe de căldură, în ciuda atractivității lor, sunt instalate rar (aproximativ 5% din toate proiectele implementate).

Pompe de căldură cu aer

În ceea ce privește ușurința instalării, pompele de căldură cu aer au un avantaj uriaș față de „frații” lor. Pentru a utiliza aerul înconjurător ca sursă de căldură, nu trebuie să găuriți puțuri sau să efectuați alte lucrări la sol pe scară largă. Drept urmare, dacă introduceți estimarea costului instalării echipamentelor, o pompă de aer vă va costa mult mai puțin decât o pompă de apă sau de sol.

În ciuda unui avantaj atât de important, acest tip de echipament climatic nu poate fi numit ideal, deoarece are și un dezavantaj semnificativ. O astfel de pompă funcționează eficient numai atunci când temperatura ambiantă este peste -15 ° C ... –20 ° C. O scădere a temperaturii sub această frontieră, care nu este neobișnuită în majoritatea regiunilor țării noastre în timpul iernii, duce la o scădere semnificativă a coeficientului de eficiență al unei pompe de căldură cu aer.

Raportul de eficiență al pompei de căldură

Un pic mai mare, am folosit noul termen - „coeficient de eficiență”. Ar fi greșit să nu explici ce este, mai ales că este o caracteristică importantă a pompelor de căldură care îți permite să compari diferite tipuri de pompe între ele.

Coeficientul de eficiență (numit și coeficient de transformare) este raportul dintre energia termică generată de pompă și energia electrică consumată de aceasta. De fapt, aceasta este eficiența pompei de căldură. În cazul pompelor de căldură cu apă, acest coeficient este de 5, indiferent de perioada anului. Aceasta înseamnă că atunci când se consumă 1 kW * h de energie electrică, instalația generează 5 kW * h de energie termică.

În pompele de sol, valoarea coeficientului de eficiență este puțin mai mică - de la 4 la 4,5. Și, în sfârșit, pompele de căldură cu aer sunt caracterizate de cel mai mic coeficient, iar eficiența lor depinde puternic de temperatura ambiantă: la 0 ° C coeficientul este ~ 3,5, iar la -20 ° C nu depășește 1,5 (la o eficiență atât de scăzută, pompa pur și simplu nu este plătit și are sens să ne gândim la achiziționarea de echipamente climatice mai ieftine, cum ar fi un cazan electric).

Unii manageri, care fac publicitate pompelor de căldură pe care le vând, asigură potențialilor clienți că acest echipament are o eficiență de 400-500%. Desigur, nu se vorbește despre nicio încălcare a legilor termodinamicii. Doar că, în acest caz, calculele sunt făcute în mod intenționat greșit: sursele de energie, altele decât energia electrică consumată, nu sunt luate în considerare - aer, apă sau sol, încălzite de Soare și procese geotermale. Atunci când se calculează eficiența, se ia în considerare doar energia electrică și se uită de sursa de căldură de grad scăzut, rezultatul este mai mare de 100%.

Utilizarea pompelor de căldură în climatul rusesc

După ce ați făcut cunoștință cu descrierile de mai sus ale diferitelor tipuri de pompe de căldură, puteți răspunde cu ușurință întrebării care este cea mai potrivită pentru funcționarea în climatul rusesc.

Pompele de căldură cu aer sunt potrivite pentru utilizare numai într-un număr limitat de regiuni ale țării noastre - unde temperatura aerului în timpul iernii aproape că nu scade sub zero. Desigur, locuitorii din Siberia, Orientul Îndepărtat, nordul părții europene a Rusiei nu ar trebui să se gândească nici la pompele de căldură din aer.

Există multe limitări la utilizarea pompelor de căldură cu apă. Am vorbit deja despre unele dintre ele, rămâne să menționăm încă unul. Mai mult de jumătate din teritoriul țării noastre se află în zona permafrost. Dacă chiar și un rezident din Siberia de Est sau de la nordul Orientului îndepărtat este „norocos” și în secțiunea sa există ape subterane care nu se află prea adânc, atunci aceste ape subterane sunt sub formă de gheață, ceea ce înseamnă că nu este potrivită pentru utilizarea în sistemul de încălzire .

Astfel, majoritatea compatrioților noștri trebuie să se bazeze pe singura opțiune, câștigătoare, o pompă de căldură la sol. În același timp, într-un climat rusesc, este mai potrivită o pompă cu un colector orizontal, dar cu o sondă geotermală, care permite atingerea unei adâncimi unde temperatura solului este mai stabilă.

Aplicația pompei de căldură pentru răcire

Un avantaj uriaș al pompelor de căldură este că sunt capabile nu numai să încălzească casa, ci și să o răcească dacă este necesar. Vara scurtă a noastră rusă este uneori foarte fierbinte, iar când casa ta devine literalmente fierbinte, propunerea de a transforma încălzitorul într-un climatizor va fi foarte utilă.

O soluție tehnică la această problemă poate fi integrată la pompa de căldură inițial, în faza de fabricație și aproape toți producătorii au o gamă de pompe care pot condiționa camera (modul de răcire naturală). Dacă pompa de căldură nu are astfel de abilități, totul nu este încă pierdut - o pompă obișnuită poate funcționa pentru răcire. Echipamentul suplimentar necesar sub formă de decuplare hidraulică va fi montat în afara pompei. Ambele opțiuni nu necesită investiții mari.

Puteți transporta frigul generat de pompa de căldură direct în cameră în diverse moduri. Această funcție poate fi atribuită panourilor reci de pe pereți sau tavane, încălzire în pardoseală, radiatoare cu flux de aer bun sau ventilator - un dispozitiv în care un schimbător de căldură este placat de un ventilator.

Utilizarea unei pompe de căldură pentru apă caldă

Orice pompă de căldură nu numai că vă poate încălzi casa, dar vă oferă și apă caldă pe tot parcursul anului. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că acest sistem este temperatură scăzută, ceea ce înseamnă că temperatura apei din cazan nu va depăși 45-55 ° C. Rezultă că volumul cazanului trebuie să fie mai mare decât atunci când utilizați un sistem de încălzire standard, altfel, dvs. și gospodăria dvs., va trebui să trăiți în condiții de austeritate a apei calde.

Acest fapt ar trebui să fie luat în considerare atunci când alocăm spațiu pentru o cameră de cazane, adică chiar în faza de proiectare a unei case. De asemenea, atunci când alegeți un cazan, trebuie să țineți cont de faptul că acesta ar trebui să fie un echipament special conceput să funcționeze cu instalațiile pompei de căldură. Principala diferență între acest cazan și cel obișnuit este suprafața mărită a schimbătorului de căldură necesar pentru cel mai eficient transfer de căldură de la pompa de căldură.

Pompe de căldură cu element de încălzire integrat

Adesea, producătorii integrează încălzitoare electrice suplimentare în pompele de căldură. Încălzitorul încorporat permite, dacă este necesar, trecerea la o sursă alternativă de energie din punctul de vedere al pompei de căldură - electricitatea. Pentru ce este vorba? În ce cazuri este necesară utilizarea TEN?

Selecția unei pompe de căldură pentru încălzirea unei case se realizează ținând cont de diverși parametri, inclusiv caracteristicile climatice ale regiunii. În acest caz, se consideră practic practic instalarea unei pompe cu putere excesivă.Cert este că zilele extrem de reci nu se întâmplă foarte des, cel puțin în partea central-europeană a Rusiei. Practica arată că o opțiune mai economică este „obținerea” puterii necesare cu electricitate în aceste perioade înghețate decât instalarea inițială a unei pompe mai puternice. Prezența unui element de încălzire elimină necesitatea de a face sistemul mai puternic decât cere cea mai mare parte a sezonului de încălzire.

Pentru proprietarii de pompe de apă și de căldură la sol, un încălzitor integrat este mai mult decât un necesar. Situația cu pompele de căldură cu aer arată complet diferită. La o temperatură a aerului de -20 ° C sau mai mică, o astfel de pompă, dacă nu se oprește, va fi ineficientă. Și deși nu sunt foarte multe zile și nopți reci în an, nu vreau să stau într-o casă înghețată rapid într-un moment minunat. Prezența unui generator de căldură duplicat în acest caz nu poate fi numită lux.

Pompa de caldura cu aer.

Sfaturi și trucuri

O pompă de căldură este un echipament sofisticat din punct de vedere tehnic și destul de scump, așa că ar trebui să îl abordați cu mare responsabilitate. Pentru a nu fi nefondate, oferim câteva recomandări foarte specifice.

1. Nu începeți niciodată să alegeți o pompă de căldură fără să faceți mai întâi calcule și să creați un proiect. Lipsa unui proiect poate provoca erori fatale, care pot fi corectate doar cu ajutorul unor investiții financiare suplimentare suplimentare.

2. Doar profesioniștii ar trebui să încredințeze proiectarea, instalarea și întreținerea pompei de căldură și a sistemului de încălzire. Cum să vă asigurați că profesioniștii lucrează în această companie? În primul rând, în funcție de disponibilitatea întregii documentații necesare, un portofoliu de obiecte vândute, certificate de la furnizorii de echipamente. Este foarte de dorit ca întreaga gamă de servicii necesare să fie furnizată de o singură companie, care în acest caz va fi pe deplin responsabilă pentru implementarea proiectului.

3. Vă recomandăm să acordați preferință unei pompe de căldură fabricate la nivel european. Nu vă confundați prin faptul că este mai scump decât echipamentele chineze sau rusești. Când includeți în estimarea costurilor de instalare, punere în funcțiune și depanare a întregului sistem de încălzire, diferența de preț a pompelor va fi aproape invizibilă. Dar atunci, având un „european” la dispoziție, veți fi sigur de fiabilitatea acesteia, deoarece prețul ridicat al pompei este doar rezultatul folosirii tehnologiilor moderne și a materialelor de înaltă calitate la crearea acesteia.