Tepelná čerpadla jsou navržena tak, aby přenášela tepelnou energii ze zdroje do přijímače a v závislosti na účelu chladila nebo ohřívala fyzická tělesa nebo vnitřní prostor. Konstrukce čerpadel umožňuje využití různých druhů energií (palivo, elektřina, přebytečné teplo) a díky nízké spotřebě použití takových zařízení výrazně šetří finanční náklady na vytápění či chlazení finálního objektu. Tepelné jednotky jsou široce používány pro přenos tepla z přírodních zdrojů (půda, voda, vzduch), technických objektů (spalování průmyslového a domovního odpadu) a průmyslových procesů (hutnictví, energetika). Tepelná čerpadla lze využít i pro chlazení: v tomto případě se teplota zdroje snižuje odebíráním tepla a jeho předáváním do přijímače.

Účinnost tepelného čerpadla

Tepelná čerpadla mají díky své konstrukci a principu činnosti vysoký koeficient výkonu (COP). K provozu zařízení je zapotřebí externí energie, jejíž náklady jsou ve srovnání s produktivitou neúměrně malé. Spotřeba elektrické energie tepelným čerpadlem s elektrickým pohonem pro zajištění tepla objektů pro různé účely se pohybuje od 3 do 40 kW/h a jejich produktivita dosahuje 100 kW. K udržení provozu čerpadla je potřeba ¼ elektřiny z částky, která se vynakládá na jiné druhy vytápění.

Vysoká šetrnost k životnímu prostředí

Oproti klasickým topným systémům, které k vytápění využívají kapalná, plynná i pevná paliva, tepelná čerpadla nezatěžují životní prostředí. Při provozu topné jednotky se neuvolňují žádné škodlivé látky a plyny ve formě CO2 (oxid uhličitý), SO2 (oxid siřičitý), NOx (oxidy dusíku), které jsou typické při provozu kotlů na plyn, tuhá a kapalná paliva. Ekologická „čistota“ tepelných čerpadel se zvyšuje, když využívají elektřinu získanou z vodních elektráren nebo obnovitelných zdrojů energie.

Typy tepelných čerpadel

V současné době jsou nejrozšířenější dvě třídy čerpadel:

  • termoelektrický (Peltierův jev);
  • odpařovací – mechanický kompresor a absorpce (difúze).

První třída jednotek využívající Peltierův jev využívá připravený polovodičový wafer s přivedeným malým stejnosměrným napětím. V důsledku toho se jedna strana desky zahřívá a druhá ochlazuje. Taková čerpadla se vyznačují jednoduchostí konstrukce, absencí pohyblivých prvků, vnitřním prouděním plynů a kapalin, tichým provozem, kompaktností, odolností vůči vibracím a nízkou spotřebou elektrické energie. Významnou nevýhodou tohoto typu čerpadla je nízká účinnost. Hlavními oblastmi použití jsou elektronický průmysl a výroba malých chladniček.

ČTĚTE VÍCE
Co hořčice obsahuje?

Princip činnosti kompresních tepelných čerpadel je založen na pohlcování a dalším uvolňování tepelné energie při procesech vypařování a kondenzace kapalin, jakož i při změnách tlaku a dalších změnách teplotní hodnoty kondenzace a vypařování. Jednotka nutí teplo pohybovat se opačným směrem, v rozporu s fyzikálním zákonem šíření tepla.

Typy tepelných čerpadel se dělí podle typu zdroje tepla:

  • vzduch – vzduch;
  • voda – vzduch;
  • voda – voda;
  • půda – voda;
  • ledová voda.

Tepelná jednotka může zajistit obytný dům, průmyslový, administrativní nebo obchodní objekt s vytápěním, ohřevem teplé vody a klimatizací.

Nízká spotřeba energie, vysoká účinnost a šetrnost k životnímu prostředí poskytují tepelným čerpadlům široké uplatnění a umožňují umístění procesu jako technologie budoucnosti.

Konstrukce a provoz tepelného čerpadla

Hlavní prvky kompresního tepelného čerpadla jsou:

  • kompresor
  • expanzní ventil;
  • výparník;
  • kondenzátor.

Všechny uzly jsou spojeny do uzavřeného okruhu, kterým cirkuluje chladicí kapalina.

Kompresor cirkuluje chladicí kapalinu v celém okruhu. Při průchodu expanzním ventilem chladicí kapalina zvětšuje svůj objem, mění se v plyn a odpařuje se absorpcí tepla. Pracovní médium (vzduch, voda) procházející výparníkem (výměníkem tepla) se ochlazuje. Při dalším pohybu se plyn pod vysokým tlakem, který zajišťuje kompresor, stlačuje, kondenzuje na kapalinu a uvolňuje teplo v kondenzátoru. Pracovní médium procházející kondenzátorem je ohříváno a podle účelu čerpadla je odváděno ven nebo přiváděno do objektu. Proces se opakuje a zajišťuje konstantní chlazení nebo ohřev chladicí kapaliny.

Absorpční (difuzní) tepelné čerpadlo

Princip činnosti absorpčního tepelného čerpadla je podobný pracovnímu cyklu odpařovacích jednotek. Hlavním rozdílem je způsob vytváření tlaku a podtlaku v okruhu zařízení. Jestliže v kompresorových jednotkách je vakuum potřebné k odpaření chladiva vytvářeno kompresorem, pak v absorpčních čerpadlech prochází chladivo z výparníku do absorpční jednotky, kde je absorbováno absorbentem. Z výparníku se odvádí pára chladiva a vzniká v něm podtlak nutný pro odpařování nových objemů chladiva.

Nezbytnou podmínkou procesu je kompatibilita chladiva a absorbentu pro vytvoření potřebné absorpční síly. Což zajistí účinné vakuum ve výparníku. Běžným párem chladiva a absorbentu je amoniak (NH3) a voda, někdy působí jako absorbent bromid lithný.

Konstrukce absorpčního tepelného čerpadla se skládá z několika hlavních prvků:

  • generátor;
  • absorbér;
  • expanzní ventil;
  • čerpadlo pro cirkulaci roztoku;
  • výparník;
  • kondenzátor;
  • ohřívač.
ČTĚTE VÍCE
Kdy oříznout klerodendrum?

Hlavní výhodou adsorpčních tepelných čerpadel je schopnost pracovat s jakýmkoli zdrojem tepla: přehřátá nebo odpadní pára, elektřina, plamen benzínových nebo plynových hořáků, solární energie. Dalšími výhodami jsou absence pohyblivých částí a šetrnost k životnímu prostředí instalací.

Tepelné čerpadlo je zařízení kompresního typu poháněné mechanickou prací, kterou vykonává kompresor spotřebou elektřiny.

Princip činnosti tepelného čerpadla neboli princip činnosti tepelného čerpadla je termodynamicky podobný chladicímu stroji. Pracovní tekutinou v kompresních tepelných čerpadlech je chladivo (freon), které předává teplo ze zdroje ke spotřebiteli díky práci vykonávané kompresorem tepelného čerpadla.

Pokud nejdete hluboko do fyziky procesu, můžete jednoduše říci, že díky vlastnosti pohlcování a uvolňování tepla při fázových přechodech freonu z kapalného do plynného skupenství a naopak dochází k magii při přenosu teplo od zdroje ke spotřebiteli.

Prudký nárůst teploty freonu na 70-110 °C nastává v důsledku komprese freonu v kompresoru tepelného čerpadla.

Teplota varu a kondenzace freonu závisí na vlastnostech samotných freonů, ale rozsahy provozních teplot freonů v tepelných čerpadlech závisí na typu a účelu konkrétního tepelného čerpadla.

O principech fungování a provozu tepelných čerpadel si můžete podrobně přečíst v otevřených internetových zdrojích, například Wikipedii. Tím je úvod do teorie fungování tepelného čerpadla ukončen a přecházíme k nejzajímavější části – principu činnosti tepelného čerpadla pro vytápění.

Nyní víme, že jakékoli tepelné čerpadlo funguje pouze k přenosu tepla ze zdroje ke spotřebiteli. Protože ale zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo jsou různá média, dělí se tepelná čerpadla podle typu zdroje tepla na vzduch a vodu (geotermální).

Spotřebiče tepla se zase také dělí na vzduch a vodu. Odtud podmíněné rozdělení tepelných čerpadel na tři hlavní typy podle zdroje a spotřebitele tepla.

Hlavní typy tepelných čerpadel:

  • vzduch-vzduch
  • vzduch-voda
  • voda-voda

Existují tepelná čerpadla, která odebírají teplo z horních vrstev země prostřednictvím uzavřeného geotermálního okruhu (konstrukčně lze takový okruh považovat za běžnou vodou vytápěnou podlahu).

Vzduchová tepelná čerpadla mohou předávat teplo přímo spotřebiteli, stejně jako klimatizace. Taková tepelná čerpadla se nazývají tepelná čerpadla vzduch-vzduch. Ale tepelná čerpadla mohou přenášet teplo do topné kapaliny, jako je voda v hydronickém topném systému. Taková tepelná čerpadla se nazývají vzduch-voda (jedná se o nejběžnější a nejuniverzálnější tepelná čerpadla).

ČTĚTE VÍCE
Jak ošetřit květinové cibulky?

Většina čtenářů má rozumnou otázku – dobře, dobře, řekněme, že voda má kladnou teplotu, ale odkud se ve vzduchu bere teplo, když je jeho teplota pod nulou, řekněme -25 ° C?

Všichni si z našeho školního kurzu fyziky pamatujeme, že zima ve fyzice prostě neexistuje. Existuje pouze teplo a jeho potenciál. Teplo je vždy a všude pod 0 K (Kelvin), což je teplota, která je nedosažitelná. Připomínám, že teplota 0 K je téměř -273 °C.

Osvěžili jsme si vzpomínku na to, že teplo je vždy a všude. Nyní je čas přejít k hlavnímu tajemství kouzla tepelného čerpadla – jeho účinnosti neboli COP (Coefficient Of Performance), který je VŽDY větší než 1 (jednota).

Podmíněná účinnost tepelného čerpadla je hodnota, která není shodná s fyzikální účinností, která je vždy menší než 1, ale pouze ukazatelem přeměny elektrické energie spotřebované tepelným čerpadlem na výkon práce přenosu tepla z tepelného čerpadla. zdroj pro spotřebitele.

Účinnost (COP) tepelného čerpadla je vždy větší než 1. Rozsah provozních hodnot COP moderních tepelných čerpadel je 3-5.

Například při faktoru účinnosti (COP) tepelného čerpadla rovném 3 spotřebuje tepelné čerpadlo na přenos 1 kW tepla ze zdroje ke spotřebiteli pouze 3 kW elektrické energie.

Skutečnost: Geotermální tepelná čerpadla předávají teplo nikoli z jádra naší planety, ale ze Slunce, které ohřívá vrchní vrstvy půdy a vodu v ní obsaženou. Všechna domácí tepelná čerpadla tak předávají solární teplo.

Princip činnosti tepelného čerpadla pro vytápění domu

Jak tepelné čerpadlo funguje, už víme. Nyní pochopíme princip fungování tepelného čerpadla pro vytápění domu.

Při vytápění domu funguje tepelné čerpadlo jako kotel v topném systému domu. Podle toho si povíme, jak funguje tepelné čerpadlo v topném systému.

Jako každý kotel v hydronickém topném systému ohřívá tepelné čerpadlo vodu cirkulující v topném systému. Hydraulické zapojení tepelného čerpadla se neliší od klasického kotle.

Schémata zapojení tepelného čerpadla pro vytápění:

  • schéma zapojení tepelného čerpadla pro vytápění přes zásobník
  • schéma zapojení tepelného čerpadla pro vytápění prostřednictvím nepřímotopného kotle
  • schéma přímého zapojení tepelného čerpadla pro vytápění
ČTĚTE VÍCE
Jak často by se měl kůň mýt?

Ukázalo se, že připojení tepelného čerpadla se zásadně neliší od připojení klasického kotle. Každý typ tepelného čerpadla má však své vlastní připojovací prvky, které ovlivňují jeho účinnost.

Podívejme se postupně na principy fungování tří hlavních typů bytových tepelných čerpadel.

Princip činnosti tepelného čerpadla vzduch-vzduch

Princip činnosti tepelného čerpadla vzduch-vzduch se neliší od principu činnosti běžné domácí klimatizace. Jediný rozdíl je v tom, že hlavním provozním režimem tepelného čerpadla je vytápění, zatímco u klimatizace je to chlazení. Jinak je vše úplně stejné.

Přes jednoduchost takového tepelného čerpadla a řadu jeho nepopiratelných výhod má i řadu nevýhod, které omezují možnosti jeho využití pro vytápění domácnosti.

  • přijatelná cena (jedná se o nejlevnější tepelná čerpadla)
  • relativně jednoduchá instalace (jako u běžné klimatizace)
  • vysoká účinnost v důsledku nízké teploty ohřevu 25-30 °C
  • rychlá splatnost
  • ohřívá vzduch pouze v jedné místnosti
  • přítomnost freonového okruhu mezi venkovní a vnitřní jednotkou
  • omezený tepelný výkon
  • Vyžaduje se invertorové řízení výkonu kompresoru
  • hluk vnitřní jednotky (jako klimatizace)

omezení minimální provozní teploty venkovního vzduchu

Celkově se jedná o nejdostupnější způsob vytápění domu pomocí tepelného čerpadla, který je však vhodný pouze pro malé domácnosti. Organizovat rovnoměrné vytápění velkého domu nebude snadný úkol a jedno tepelné čerpadlo stačit nebude.

Princip činnosti tepelného čerpadla vzduch-voda

Pro kompletní vytápění domu jakékoliv velikosti se nejlépe hodí systém ohřevu vody a zde je ideální tepelné čerpadlo vzduch-voda. Na rozdíl od čistě vzduchového tepelného čerpadla využívá tepelné čerpadlo vzduch-voda stejný princip ohřevu vody jako běžný kotel v systému ohřevu vody.

Princip činnosti tepelného čerpadla vzduch-voda umožňuje vytápět velké plochy prakticky bez omezení. Ale i to má své pro a proti.

  • rozumnou cenu
  • jednoduchá instalace (jako u klasického elektrokotle)
  • velký výkonový rozsah
  • ohřívá vodu (chladicí kapalinu) v topném systému
  • lze instalovat v jakékoli vzdálenosti od spotřebitele
  • vysoká účinnost

rychlá splatnost
Nevýhody:

  • omezení minimální provozní teploty venkovního vzduchu

Obecně se jedná o nejpreferovanější typ tepelného čerpadla pro řešení problému snižování nákladů na vytápění domu v jakémkoli klimatu, včetně Arktidy. Ideální pro modernizaci stávajícího hydronického topného systému nebo jako alternativa při přechodu na jiný zdroj tepla.

ČTĚTE VÍCE
Který smrk nejlépe zakořeňuje?

Princip činnosti tepelného čerpadla voda-voda

Vše je zde velmi složité, nepřehledné a nejednoznačné. Tento typ tepelného čerpadla je předmětem nejčastějších experimentů na způsobu odebírání tepla z horních vrstev půdy. Na internetu je k této věci spousta informací.

Zaměříme se pouze na ty z nich, které jsou široce používány v každodenním životě, mají vysokou spolehlivost a ověřenou účinnost.

Nejjednodušším a nejefektivnějším tepelným čerpadlem voda-voda je tepelné čerpadlo s otevřeným primárním okruhem, které čerpá vodu mezi studnami nebo jímkami (zásobníky).

Složitější a dražší tepelná čerpadla voda-voda pro vytápění domu jsou tepelná čerpadla s uzavřenou smyčkou, která se nejčastěji nazývají geotermální nebo solanková, protože jejich primární okruh je umístěn pod zemí a nemrznoucí chladicí kapalina (vodný roztok propylenglykolu) cirkuluje uvnitř okruhu., který se někdy nazývá solanka.

  • průměrná sezónní účinnost může být vyšší (ale v praxi často nižší) než vzduchové modely
  • velký výkonový rozsah
  • ohřívá vodu v topném systému
  • nejvyšší cena na klíč mezi všemi typy tepelných čerpadel
  • složitá instalace
  • vysoká hlučnost (pokud je v domě instalováno tepelné čerpadlo)
  • potřeba koordinace s komunálními službami
  • dlouhá doba návratnosti
  • náročná údržba
  • vysoká rizika ztráty/poškození geotermálního okruhu

V těchto dvou parametrech spočívá hlavní chyba, která nezkušeného kupujícího čeká. Pro takové kupující bude nejlepší volbou tepelné čerpadlo vzduch-vzduch.

Vzhledem k tomu, že tepelné čerpadlo, jako každý kotel, nemůže být jediným zdrojem tepla v topném systému, je bezpodmínečně nutné zajistit záložní zdroj tepla, jak doporučují stavební zákony a předpisy (SNiP), na který však často zapomínáme. snaha o optimalizaci nákladů.

Přistoupíme-li k návrhu otopné soustavy důkladně, pak u tepelných čerpadel je nutné zpočátku navrhnout nízkoteplotní otopnou soustavu s provozními teplotami v rozmezí 30-45 °C.

U každého tepelného čerpadla se vždy řiďte zlatým pravidlem – čím nižší je teplota ohřevu chladicí kapaliny, tím vyšší je účinnost tepelného čerpadla a tím vyšší jsou vaše úspory.

Nemůžeme regulovat teplotu zdroje tepla, ale přesto můžeme snížit teplotu v topném systému! Například stačí vyměnit radiátory za fancoilové jednotky nebo teplovodní podlahy.