Princip činnosti, zařízení a opravy oběhového tepelného čerpadla

Náklady na provoz tradičních zdrojů tepla – topidla, kotle na různé druhy paliv atd. – se každým rokem zvyšují, obvyklý komfort – teplá voda a vytápění – je stále dražší. Majitelé bytů a zejména soukromých domů mají obavy, jak snížit náklady, ale zatím se jim to nedaří. Existuje ale alternativa – tepelné čerpadlo.

Co je tepelné čerpadlo

Tepelné čerpadlo je jednotka stlačující páru, která přenáší teplo ze studených, nekvalitních zdrojů tepla na horké, vysoce kvalitní. Teplo se předává v důsledku kondenzace a odpařování chladiva, které se nejčastěji používá jako freon, cirkulující v uzavřeném okruhu. Elektřina, ze které tepelné čerpadlo funguje, se využívá pouze pro tento nucený oběh.

Princip činnosti tepelného čerpadla je založen na tzv. Carnotově cyklu, který je vám dobře známý z provozu chladicích zařízení. Domácí chladnička ve vaší kuchyni je ve skutečnosti také tepelným čerpadlem. Když do ní vložíte potraviny, i když jsou studené, ale jejichž teplota je stále vyšší než teplota v komoře chladničky, podle zákona zachování energie teplo, které uvolňují, nikam neodchází.

Vzhledem k tomu, že teplota uvnitř by se neměla zvyšovat, je teplo vyfukováno ven přes mřížku chladiče a ohřívá vzduch v kuchyni. Čím více potravin současně vložíte do chladničky, tím větší bude přenos tepla. Nejjednodušší verzí tepelného čerpadla by byla otevřená chladnička umístěná venku s radiátorem v místnosti. Nechte ale lednici plnit své přímé povinnosti, protože už existují speciální zařízení – tepelná čerpadla, která mají mnohem vyšší účinnost. Princip jejich fungování je poměrně jednoduchý.

Jak funguje tepelné čerpadlo

Každé tepelné čerpadlo se skládá z výparníku, kondenzátoru, expandéru, který snižuje tlak, a kompresoru, který tlak zvyšuje. Všechna tato zařízení jsou propojena v jednom uzavřeném okruhu potrubím. Chladivo, inertní plyn s velmi nízkým bodem varu, cirkuluje potrubím, takže v jedné části okruhu, studené, je kapalné a ve druhé, teplé, přechází do plynného stavu.

Při dalším pohybu se plyn pohybuje do kompresoru, kde je působením vysokého tlaku stlačován a jeho teplota stoupá. Po zahřátí plyn vstupuje do kondenzátoru, který je také výměníkem tepla. V něm se teplo přenáší z horkého plynu do chladicí kapaliny zpětného potrubí zahrnutého do topného systému domu.

Po vydání tepla se plyn ochladí a opět přejde do kapalného stavu, zatímco ohřátá chladicí kapalina vstupuje do systému přívodu teplé vody a vytápění. Procházejícím expanzním ventilem expandéru vstupuje zkapalněný plyn opět do výparníku – cyklus je uzavřen.

V chladném období pracují tepelná čerpadla na vytápění domu a v horku na jeho chlazení. V tomto případě je princip fungování stejný, pouze v létě teplo vstupuje do chladicí kapaliny z interiéru a nikoli zvenčí.

Konstrukční vlastnosti tepelných čerpadel

V současné době se používají tepelná čerpadla různých provedení.

Čerpadlo s otevřeným cyklem se tedy používá, když je dům umístěn vedle nádrže. V tomto případě chladicí kapalina, voda, vstupuje do otevřeného okruhu, prochází celým cyklem a po chlazení se opět spojuje do nádrže.

Geotermální čerpadla uzavřeného typu čerpají chladicí kapalinu – vzduch nebo vodu, potrubím uloženým hluboko do země a položeným podél dna nádrže. Uzavřený cyklus je ekologicky bezpečnější. Uzavřený typ zahrnuje čerpadla s vertikálním a horizontálním výměníkem tepla, která se používají, když v blízkosti nejsou žádné vodní plochy. Vertikální tepelná čerpadla se používají tam, kde je plocha pozemku, na kterém se dům nachází, malá. Někdy jsou vertikální čerpadla instalována ve studnách vrtaných poblíž.

Druhy tepelných čerpadel a systémů

Tepelná čerpadla země-voda

Množství tepelné energie přijaté ze země je dostatečné k zahřátí chladiva na úroveň, kdy změní svůj stav agregace a přemění se na páru. Pohodlně v hloubce několika metrů nejsou pozorovány sezónní výkyvy teplot. To vám umožní používat zařízení po celý rok a v domě bude vždy teplá voda.

Existují dva způsoby, jak umístit potrubí do země:

1. Horizontální rozdělovač je horizontálně ležící okruhový systém.
2. Geotermální sonda – přijímače jsou umístěny vertikálně a vzájemně propojené.

Geotermální čerpadla s horizontálním kolektorem naznačují hloubku jeden a půl až dva metry. Hlavní věcí je projít značkou úrovně zamrznutí půdy. Pro každý region má své. V průměru je to 1,2 metru. Pokud chcete vytápět budovu do 100 m2. m., budete muset vykopat jámu nebo vykopat síť příkopů o rozloze 3-XNUMX akrů. To nemusí být provedeno pod samotnou budovou. Hlavní věcí je nevysazovat rostliny s kořeny, které jdou hluboko do země v postižené oblasti.

Vodní tepelná čerpadla

Pro použití takového tepelného čerpadla je princip fungování stejný. Ale typ zdroje je jiný.

V tomto případě se jedná o podzemní vody. Hloubka jejich výskytu by přirozeně měla být v regionu dostupná. Ale pokud je to možné, je systém tepelně stabilní, protože podzemní voda má konstantní teplotu po celý rok. Díky tomu je zařízení vhodné pro použití ve všech čtyřech ročních obdobích. Před instalací se provádí geologický průzkum, aby se zajistilo, že voda teče v hloubce 30-40 metrů.

Nutná je však i chemická analýza. Pokud je ve složení málo solí železa a řada dalších nečistot, lze instalovat geotermální sondu.

Jinak je to nepraktické kvůli riziku předčasného selhání a špatného výkonu.

V tomto případě se používá zemní tepelné čerpadlo nebo vzduchové tepelné čerpadlo. Právě tento požadavek je důvodem, že z celé masy aktuálně provozovaných instalací jsou vodní tepelná čerpadla využívána méně často – cca 5 % případů.

Tepelná čerpadla vzduchu

Hlavní výhodou tohoto způsobu organizace vytápění a dodávky teplé vody je, že není třeba provádět výstavbu v plném rozsahu.

Není třeba vrtat studny pro geotermální sondy. Není potřeba kopat příkopy, jako je tomu u tepelného čerpadla země-voda. Všechny uzly jsou umístěny na povrchu. V důsledku toho jsou odhadované náklady mnohem nižší. Méně času stráveného instalací a uspořádáním. Ale přes všechen zdánlivý komfort má toto zařízení k dokonalosti daleko.

Práce budou účinné při teplotě vzduchu ne nižší než -15 °C.

Schematicky lze tepelné čerpadlo znázornit jako systém, který má tři okruhy:

• Primární okruh obsahuje nosič tepla, který přenáší energii ze zdroje nekvalitního tepla.
• Další cirkuluje chladivo. Může se odpařovat, odebírat tepelnou energii z primárního okruhu, nebo znovu kondenzovat a přenášet teplo do třetího okruhu.
• V posledním okruhu cirkuluje chladič (obvykle voda), který předává teplo přes baterie k vytápění domu.

Základní pohledy

Tepelná energie vynaložená na vytápění venkovského domu a na zásobování teplou vodou je výsledkem přeměny energie z vnějšího prostředí pomocí tepelného čerpadla. Čerpadlo koncentruje tuto nízkoteplotní energii a dopravuje ji topným systémem.

Nejčastěji domácí čerpadla využívají teplo slunečního záření nebo teplo zemského povrchu, které se během roku akumuluje ve svrchních částech zemské kůry nebo podzemních vod. To znamená, že podle návrhu lze všechna tepelná čerpadla rozdělit na vzduch, voda a země.

Půdní čerpadla

Chladicí čerpadla

Tento typ čerpacího zařízení přijímá teplo ze země. Teplota Země v hloubce více než 3 m téměř nepodléhá sezónním změnám. Etanol nebo nemrznoucí směs cirkuluje uzavřenou smyčkou potrubí uložených v zemi. Potrubí výměníku může být uloženo vodorovně nebo svisle do země.

Potrubí s horizontálním systémem musí být instalováno v zemi pod zamrznutím půdy (nejčastěji je to 1,6-2,1 m). Tento typ výměníku tepla zabírá významnou plochu. Takže pro vytápění domu o rozloze 100 m² je zapotřebí přibližně 10-20 m² půdy.

Na místě, které je obsazeno kolektorem, lze vysadit pouze rostliny, jejichž kořenový systém nesahá příliš hluboko do země, je také zakázáno stavět jakékoli kapitálové budovy.

Při instalaci vertikálního výměníku jsou trubky instalovány kolmo k úrovni terénu a zapuštěny do země cca 150–220 m. Počet namontovaných sond bude záviset na výkonu topného systému. To znamená, že pro vytápění domu o rozloze 100 m² budete potřebovat 2 sondy dlouhé přibližně 90 m, umístěné ve vzdálenostech 4-6 m od sebe.

Druhy tepelných čerpadel

Tento typ čerpadel „bere“ energii z podzemní vody. Toto tepelné čerpadlo se vyznačuje vysokou účinností a dobrou stabilitou. Je to dáno vynikajícím přenosem tepla v rámci systému a stálým tepelným režimem podzemní vody.

Vzdušné jednotky

Vzduchová čerpadla

Z hlediska snadné instalace má vzduchové tepelné čerpadlo pro vytápění domu značnou výhodu oproti svým protějškům. Pro využití vzduchu jako zdroje tepelné energie není nutné vrtat studny ani provádět jiné rozsáhlé zemní práce. To znamená, že vzduchové čerpadlo v instalaci je mnohem levnější než ostatní dva typy čerpadel.

Přes tuto obrovskou výhodu má vzduchová zařízení jednu vážnou nevýhodu. Toto čerpadlo může efektivně pracovat pouze při teplotách vzduchu nad -17C. Pokles teploty pod stanovený limit, k němuž v zimě v mnoha regionech často dochází, vede k výraznému snížení koeficientu účinnosti tohoto zařízení.

Odkud čerpá čerpadlo teplo?

Tepelné čerpadlo funguje díky provozu přírodních nekvalitních zdrojů tepelné energie, včetně:

• okolni vzduch;
• nádrže (řeky, jezera, moře);
• půda a podzemní artézské a termální vody.

Chladivo, které odebírá teplo z okolí, cirkuluje po vnějším okruhu. Vstupuje do výparníku čerpadla a uvolňuje přibližně 4-7 °C do chladiva, přestože jeho bod varu je -10 °C. V důsledku toho se chladivo vaří a poté přechází do plynného stavu. Již ochlazená chladicí kapalina ve vnějším okruhu je odeslána do další spirály k nastavení teploty.

Funkční okruh tepelného čerpadla se skládá z:

• výparník;
• chladivo;
• elektrický kompresor;
• kondenzátor;
• kapilární;
• termostatické ovládací zařízení.

Proces fungování tepelného čerpadla je asi tento:

• chladivo po varu, pohybující se potrubím, vstupuje do kompresoru, který pracuje s pomocí elektřiny. Toto zařízení stlačuje chladivo v plynném stavu na vysoký tlak, což způsobí zvýšení jeho teploty;
• horký plyn vstupuje do dalšího výměníku tepla (kondenzátoru), ve kterém je teplo chladiva předáváno nosiči tepla cirkulujícímu ve vnitřním okruhu topného systému nebo vzduchu v místnosti;
• ochlazením přechází chladivo do kapalného stavu, načež prochází kapilárním redukčním ventilem, ztrácí tlak a poté se opět ocitne ve výparníku;
• tím je cyklus dokončen a proces je připraven k opakování.

Přibližný výpočet tepelného výkonu

Během hodiny projde čerpadlem přes externí kolektor 2,5-3 kubických metrů chladiva, které je země schopna ohřát o ∆t = 5-7 °C (čtěte také: „Důležité vědět: jak přemýšlet nad výpočet tepelného čerpadla“). Pro výpočet tepelného výkonu tohoto obvodu byste měli použít vzorec:

Q = (T1 – T2) x V, kde: V – průtok teplonosného média za hodinu (m3/h); T1 – T2 – rozdíl teplot na vstupu a výstupu (°C) .

Typy tepelných čerpadel

V závislosti na typu spotřebovaného rozptýleného tepla jsou tepelná čerpadla:

• země-voda – pro jejich práci v systému ohřevu vody se používají uzavřené obrysy země nebo geotermální sondy umístěné v hloubce (podrobněji: „Geotermální tepelná čerpadla pro vytápění: princip návrhu systému“);
• voda-voda – princip fungování tepelného čerpadla pro vytápění domu je v tomto případě založen na použití otevřených studní pro příjem a vypouštění podzemní vody (přečtěte si: „Jak si vybrat vodní čerpadlo pro vytápění“). Současně není vnější okruh zacyklen a topný systém v domě je voda;
• voda-vzduch – instalujte vnější vodní okruhy a použijte topné konstrukce vzduchového typu;
• vzduch-vzduch – ke svému provozu využívají odváděné teplo vnějších vzduchových hmot plus systém ohřevu vzduchu domu.

Výhody tepelných čerpadel

1. Ekonomika a efektivita. Princip činnosti tepelných čerpadel zobrazených na fotografii není založen na výrobě tepelné energie, ale na jejím přenosu. Účinnost tepelného čerpadla tedy musí být větší než jedna. Ale jak je to možné? Ve vztahu k provozu tepelných čerpadel se používá veličina, která se nazývá koeficient přeměny tepla, zkráceně CTC. Charakteristiky jednotek tohoto typu jsou porovnávány právě tímto parametrem. Fyzikální význam veličiny je určit poměr mezi množstvím přijatého tepla a energií vynaloženou na jeho získání. Pokud je například koeficient KPT 4,8, znamená to, že 1 kW elektřiny spotřebované čerpadlem vám umožní získat 4,8 kW tepla, a to přirozeně zdarma.
2. Univerzální univerzální použití. Při absenci elektrického vedení pro spotřebitele je provoz kompresoru čerpadla zajištěn pomocí dieselového pohonu. Vzhledem k tomu, že přirozené teplo je všude, princip fungování tohoto zařízení umožňuje jeho použití všude.
3. Šetrnost k životnímu prostředí. Princip činnosti tepelného čerpadla je založen na nízké spotřebě energie a absenci spalin. Chladivo používané jednotkou neobsahuje chlorované uhlovodíky a je zcela bezpečné pro ozón.
4. Obousměrný režim provozu. V topném období je tepelné čerpadlo schopno objekt vytápět a v létě chladit. Teplo odebrané z prostor lze využít k zásobování domu teplou vodou, a pokud je k dispozici bazén, ohřívat vodu v něm.
5. Bezpečný provoz. Při provozu tepelných čerpadel nedochází k nebezpečným procesům – nedochází k otevřenému ohni a neuvolňují se látky škodlivé lidskému zdraví. Chladicí kapalina nemá vysokou teplotu, díky čemuž je zařízení bezpečné a zároveň užitečné v každodenním životě.
6. Automatické řízení procesu vytápění prostoru.

Princip fungování tepelného čerpadla, poměrně podrobné video:

Některé funkce provozu čerpadla

Pro zajištění efektivního provozu tepelného čerpadla musí být splněna řada podmínek:

• místnost musí být dobře izolovaná (tepelná ztráta nesmí překročit 100 W / m²);
• tepelné čerpadlo je výhodné použít pro nízkoteplotní topné systémy. Toto kritérium splňuje systém podlahového vytápění, protože jeho teplota je 35-40°C. CPT do značné míry závisí na poměru mezi teplotou vstupního a výstupního okruhu.

Principem činnosti tepelných čerpadel je předávání tepla, což umožňuje získat koeficient přeměny energie 3 až 5. Jinými slovy, každý 1 kW spotřebované elektřiny přináší do domu 3-5 kW tepla.

Princip

1. Chladivo vstupuje do okruhu výparníku a mění svůj stav agregace. Při přechodu z kapalného skupenství do plynného skupenství dochází k absorpci tepla z prostředí.
2. Pomocí kompresoru se místo toho pohybuje plyn pod značným tlakem, kde je potřeba odevzdat teplo. V tomto případě se teplota samotného chladiva mnohonásobně zvýší.
3. Stlačený plyn ve výměníku tepla kondenzuje a uvolňuje nahromaděnou energii.
4. Uvolněné teplo se předává kapalině, která cirkuluje v topném systému domu.

Zařízení schopné podporovat proces přenosu tepla tímto způsobem se nazývá tepelné čerpadlo. Energie se dokáže neustále bez omezení přesouvat ze zařízení, kde je odebírána do topných radiátorů, takže tento proces připomíná způsob čerpání jakýchkoli kapalných nebo plynných látek. I když tepelné čerpadlo používané k vytápění domu spotřebovává značné množství elektřiny, v konečném důsledku bude tento způsob vytápění mnohem levnější než použití klasických kamen a kotlů.