Принцип на топлинна помпа за домашно отопление и примери за изчисление

От дълго време и много успешно се използват термопомпи в битови и промишлени хладилници и климатици.

Днес тези устройства се използват и за изпълнение на функция от противоположната природа - отопление на дома през студения сезон.

Нека видим как се използват термопомпите за загряване на частни домове и какво трябва да знаете, за да се изчислят правилно всички негови компоненти.

Топлинна помпа. Дизайнът на отоплението на къщата

Единствената разлика е, че котелът гори гориво и TN "подава" топлинна енергия от източници, които на пръв поглед изобщо не са богати.

Наземна и речна вода с температура от 5 - 7 градуса, или дори мразовит зимен въздух, чиято температура е обикновено под нулата.

Такива източници се наричат ​​нисък потенциал и макар че те не са свързани с концепцията за топлината, TN успява да "изстиска" от тях впечатляващо количество жизненодаваща енергия. Към това трябва да се добави топлината, излъчвана от електрическия мотор на компресора TN: тук, за разлика от хладилника и климатика, той не изчезва за нищо.

Останалата част от системата за отопление на базата на VT не се различава от обичайното: използва охлаждаща течност - вода или въздух, който се загрява от преминаващ през топлообменник, и след това се разпространява топлината цялата къща. Тя осигурява циркулационна помпа (за подгряване на вода) или вентилатор (за въздух). Точно както традиционен източник на топлина, TN може едновременно да се свърже с контура на гореща вода (БГВ) и с двете резервоара за съхранение (котел), и без него.

Принцип на действие на термопомпите

Във всяко VT има работна среда, наречена охлаждаща течност. Обикновено Фреон действа по този начин и амонякът е по-рядък. Самото устройство се състои само от три компонента:

• изпарителя;
• компресор;
• кондензатор.

Изпарителят и кондензаторът са два резервоара, които приличат на дълги извити тръби - намотки. Кондензаторът е свързан в единия край към изхода на компресора и изпарителя към входа. Краищата на серпентините се съединяват и в съединението между тях се монтира клапан за намаляване на налягането. Изпарителят контактува директно или индиректно с изходната среда и кондензатора с отоплителната система или с топла вода.

Принцип на работа на термопомпата

Работата на TH се основава на взаимозависимостта на обема, налягането и температурата на газа. Ето какво се случва в устройството:

1. Амоняк, фреон или друг хладилен агент, движещи се покрай изпарителя, се загряват от изходната среда, да кажем, до температура от +5 градуса.
2. При преминаването на изпарителя газът достига до компресора, който го подава в кондензатора.
3. Хладилният агент на компресора се задържа в кондензатора чрез вентил за намаляване на налягането, така че налягането му е по-високо от това в изпарителя. Както е известно, при повишаване на налягането температурата на всеки газ се увеличава. Това се случва с хладилния агент - той се загрява до 60-70 градуса. Тъй като кондензаторът се измива от топлоносителя, който циркулира в отоплителната система, той също се нагрява.
4. Чрез вентила за освобождаване на налягането охладителят се изпуска на малки порции в изпарителя, където налягането му отново пада. Газът се разширява и охлажда и като част от вътрешната енергия се губи за тях в резултат на топлообмен в предишния етап, температурата му спада под оригиналните +5 градуса. Следвайки изпарителя, той отново се загрява, след това се изпомпва в кондензатора от компресора - и така нататък в кръг. По научен начин този процес се нарича цикъл на Carnot.

Видове проекти на термопомпи

Типът VT обикновено се обозначава с комбинация от думи, показваща изходната среда и отоплителната среда на отоплителната система.

Има следните разновидности:

• Air-air TH;
• ТН "въздух - вода";
• TN "почви - вода";
• TH "вода - вода".

Първият вариант е конвенционална сплит система, работеща в режим на отопление. Изпарителят е монтиран на улицата, а в къщата е монтиран блок с кондензатор. Последният се издухва от вентилатор, така че в стаята се подава топлинен въздух.

Ако такава система е снабдена със специален топлообменник с дюзи, ще се получи тип въздух-вода тип TH. Той е свързан с отоплителната система.

Изпарителят от тип въздух-въздух или въздух-вода може да бъде поставен не на улицата, а в канала за изгорели газове (той трябва да бъде принуден). В този случай ефективността на TH ще се увеличи няколко пъти.

Водо-водните и почва-водните термопомпи използват т.нар. Външен топлообменник или, както се нарича и колектор за извличане на топлина.

Схематична схема на термопомпата

Това е дълга цилиндрична тръба, обикновено пластмаса, по която циркулира течната среда, циркулираща изпарителя. И двете версии на VT са едно и също устройство: в един случай колекторът се потапя в дъното на повърхностния резервоар, а във втория - в земята. Кондензаторът на такава VT се намира в топлообменник, свързан към система за отопление на водата.

Свързването на ВТ в схемата за водата и водата е много по-малко трудоемко от подземните води, тъй като няма нужда от изкопни работи. В дъното на резервоара тръбата се полага в спирала. Разбира се, за тази схема е подходящо само езерце, което не замръзва до дъното.

Работата на термопомпата при работа по схемата "почви-вода"

Поставянето на колектора в земята може да се извърши по три начина.

Хоризонтална опция

Тръбите са положени в окопи "змия" на дълбочина, надхвърляща дълбочината на замръзване на земята (средно - от 1 до 1,5 м).

За такъв колекционер ще се изисква достатъчно голяма площ от земя, но всеки собственик на жилища може да го построи - няма да са необходими никакви умения, с изключение на възможността за работа с лопата.

Трябва обаче да се има предвид, че изграждането на топлообменник на ръка е доста труден процес.

Вертикална версия

Колекторни тръби под формата на бримки, имащи формата на буквата "U", са потопени в кладенци с дълбочина от 20 до 100 м. Ако е необходимо, могат да се построят няколко такива кладенци. След инсталирането на тръбите, кладенците се изсипват с циментова замазка.

Предимството на вертикалния колектор е, че за неговата конструкция се изисква много малка площ. Въпреки това, за пробиване на кладенци с дълбочина повече от 20 м независимо няма възможност - ще е необходимо да наемете екип от водосточни машини.

Комбинирана опция

Този колектор може да се счита за хоризонтален, но ще му бъде нужно много по-малко пространство.

Сайтът изкопава кръгла сондажна дълбочина от 2 м.

Тръбите на топлообменника се поставят в спирала, така че контурът е вертикална пружина, каквато е.

След приключване на монтажа, кладенецът заспива. Както и в случая на хоризонтален топлообменник, необходимото количество работа може да се извърши ръчно.

Колекторът се напълва с антифриз - антифриз - етанол или разтвор на етилен гликол. За да осигури циркулацията си, специална помпа се врязва в кръга. След като абсорбира топлината на почвата, антифризът отива към изпарителя, където се извършва топлообмен между него и охлаждащата течност.

Трябва да се отбележи, че неограниченото избиране на топлина от земята, особено във вертикалното местоположение на резервоара, може да доведе до нежелани последствия за геологията и екологията на обекта. Поради това през летния период типът "почви-вода" TN е силно желателно да работи в обратим режим - климатизация.

Изчисляване на хоризонталното заглавие на термопомпата

Ефективността на хоризонталния колектор зависи от температурата на средата, в която е потопена, неговата топлопроводимост, както и от зоната на контакт с повърхността на тръбата. Процесът на изчисление е доста сложен, поради което в повечето случаи се използват средните данни.

Смята се, че всеки метър от топлообменника осигурява TH със следната топлинна мощност:

• 10 W - когато е погребан на суха пясъчна или камениста почва;
• 20 W - в суха глинена почва;
• 25 W - на влажна глинена почва;
• 35 W - в много влажна глинена почва.

По този начин, за да се изчисли дължината на колектора (L), изискваната топлинна мощност (Q) трябва да бъде разделена на калорийната стойност на почвата (p):

L = Q / p.

Тези стойности могат да се считат за валидни само ако са изпълнени следните условия:

• Парцелът над колектора не е изграден, не е засенчен и не е засаден с дървета или храсти.
• Разстоянието между съседни бобини на спиралата или зоните на "змията" е най-малко 0.7 м.

Пример за изчисление на термопомпа

Избираме VT за отоплителната система на едноетажна къща с обща площ от 70 кв.м. м със стандартна височина на тавана (2,5 м), рационална архитектура и топлоизолация на заграждащи конструкции, които отговарят на изискванията на съвременните строителни кодове. При отопление на 1 кв. m от такъв обект, съгласно общоприетите норми, е необходимо да се изразходват 100 W топлина. По този начин, за отопление на цялата къща ще ви трябва:

Q = 70 х 100 = 7000 W = 7 kW топлинна енергия.

Избираме термопомпа марка "TeploDarom" (модел L-024-WLC) с топлинна мощност W = 7.7 kW. Компресорът на уреда консумира N = 2,5 kW електрическа мощност.

Изчисляване на резервоара

Земята в площадката, предназначена за изграждането на резервоара, е глина, масата на подземните води е висока (вземаме калорийна стойност p = 35 W / m).

Ние определяме мощността на колектора по формулата:

Qk = W - N = 7,7 - 2,5 = 5,2 kW.

L = 5200/35 = 148,5 м (приблизително).

Въз основа на факта, че дължината на купчина път над 100м практичен, поради прекомерно завишени хидравлично съпротивление приеме следното: помпа колектор топлина се състои от две вериги - с дължина 100 м и 50 m.

Площта на обекта, която ще трябва да се поеме под резервоара, се определя от формулата:

S = L х A,

Където А е стъпалото между съседни секции на контура. Приет: A = 0,8 m.

След това S = 150 x 0,8 = 120 квадратни метра. м.

Изчисляване на вертикалния колектор

На дълбочина повече от 15 м, температурата на почвата остава стабилна на + 10 градуса през цялата година. Ето защо ефикасността на вертикалния колектор е по-висока - средно от един метров участък е възможно да се изстреля до 50 W топлина. За да се изчисли дължината на топлообменника, е необходимо да се вземе предвид и видът на средата. Така че от 1 метър тръба е възможно да се получи такава топлинна мощност:

• 20 W - когато са потопени в утайка (суха);
• 50 W - в камениста или влажна утайка;
• 70 W - твърди скали (камък);
• 80 W - подземни води.

Използване на вертикална сонда за термопомпа

При изграждането на кладенци трябва да се спазва условието: разстоянието между тях трябва да бъде най-малко 5 м.

За да работите с термопомпата от горния пример, се изисква колектор с дължина L = 5200/50 = 140 m.

Поради това ще са необходими два дълбочини от 70 м за оборудването на резервоара. Във всяка от тях ще трябва да се монтират две U-образни контури, за които ще е необходимо да се закупят 4x140 = 560 м тръби.