Grijanje i hlađenje toplotnom pumpom - 1. dio

Uvod

Ako istražujete mogućnosti za grijanje i hlađenje vašeg doma ili smanjenje računa za energiju, možda biste trebali razmisliti o sistemu toplinske pumpe. Toplotne pumpe su dokazana i pouzdana tehnologija u Kanadi, sposobna da obezbijedi kontrolu udobnosti tokom cijele godine u vašem domu snabdijevanjem toplinom zimi, hlađenjem ljeti, a u nekim slučajevima i grijanjem tople vode za vaš dom.

Toplotne pumpe mogu biti odličan izbor u raznim primjenama, kako za nove domove tako i za rekonstrukciju postojećih sistema grijanja i hlađenja. Oni su također opcija prilikom zamjene postojećih klimatizacijskih sistema, budući da je inkrementalni trošak prelaska sa sistema samo za hlađenje na toplotnu pumpu često prilično nizak. S obzirom na bogatstvo različitih tipova i opcija sistema, često može biti teško odrediti da li je toplotna pumpa prava opcija za vaš dom.

Ako razmišljate o toplotnoj pumpi, vjerovatno imate niz pitanja, uključujući:

• Koje vrste toplotnih pumpi su dostupne?
• Koliko mojih godišnjih potreba za grijanjem i hlađenjem može obezbijediti toplotna pumpa?
• Koja veličina toplotne pumpe mi je potrebna za moj dom i primjenu?
• Koliko koštaju toplotne pumpe u poređenju sa drugim sistemima i koliko mogu da uštedim na svom računu za energiju?
• Hoću li morati izvršiti dodatne izmjene na svom domu?
• Koliko servisiranja će biti potrebno za sistem?

Ova brošura pruža važne činjenice o toplotnim pumpama koje će vam pomoći da budete više informisani, podržavajući vas da napravite pravi izbor za svoj dom. Koristeći ova pitanja kao vodič, ova brošura opisuje najčešće tipove toplotnih pumpi i razmatra faktore koji su uključeni u odabir, instaliranje, rad i održavanje toplotne pumpe.

Predviđena publika

Ova brošura je namenjena vlasnicima kuća koji traže osnovne informacije o tehnologijama toplotnih pumpi kako bi podržali donošenje odluka u vezi sa odabirom i integracijom sistema, radom i održavanjem. Ovdje navedene informacije su općenite, a specifični detalji mogu varirati ovisno o vašoj instalaciji i tipu sistema. Ova knjižica ne smije zamijeniti rad sa izvođačem ili energetskim savjetnikom, koji će osigurati da vaša instalacija ispunjava vaše potrebe i željene ciljeve.

Napomena o upravljanju energijom u kući

Toplotne pumpe su vrlo efikasni sistemi grijanja i hlađenja i mogu značajno smanjiti vaše troškove energije. U razmišljanju o domu kao sistemu, preporučuje se da se gubici toplote iz vašeg doma svedu na minimum iz oblasti kao što su curenje vazduha (kroz pukotine, rupe), loše izolovani zidovi, plafoni, prozori i vrata.

Prvo rješavanje ovih problema može vam omogućiti da koristite manju veličinu toplotne pumpe, čime se smanjuju troškovi opreme za toplotnu pumpu i omogućavaju vašem sistemu da radi efikasnije.

Brojne publikacije koje objašnjavaju kako to učiniti dostupni su od Natural Resources Canada.

Šta je toplotna pumpa i kako radi?

Toplotne pumpe su dokazana tehnologija koja se koristi decenijama, kako u Kanadi tako i širom svijeta, za efikasno grijanje, hlađenje, a u nekim slučajevima i toplu vodu u zgradama. U stvari, vjerovatno je da svakodnevno komunicirate s tehnologijom toplinske pumpe: hladnjaci i klima uređaji rade po istim principima i tehnologiji. Ovaj odeljak predstavlja osnove rada toplotne pumpe i predstavlja različite tipove sistema.

Osnovni koncepti toplotne pumpe

Toplotna pumpa je uređaj na električni pogon koji izvlači toplinu iz mjesta niske temperature (izvor) i isporučuje je na mjesto s višom temperaturom (sudoper).

Da biste razumjeli ovaj proces, razmislite o vožnji biciklom preko brda: nije potreban nikakav napor da se ide od vrha brda do dna, jer će se bicikl i vozač prirodno kretati s visokog mjesta na niže. Međutim, uspon uzbrdo zahtijeva mnogo više posla, jer se bicikl kreće suprotno prirodnom smjeru kretanja.

Na sličan način, toplota prirodno teče sa mesta sa višom temperaturom na mesta sa nižim temperaturama (npr. zimi se toplota iz unutrašnjosti zgrade gubi ka spoljašnjosti). Toplotna pumpa koristi dodatnu električnu energiju kako bi se suprotstavila prirodnom protoku topline i pumpala energiju dostupnu na hladnijem mjestu na toplije.

Dakle, kako toplotna pumpa grije ili hladi vaš dom? Kako se energija izvlači iz izvora, temperatura izvora se smanjuje. Ako se dom koristi kao izvor, toplotna energija će biti uklonjena, hladeći ovaj prostor. Ovako radi toplotna pumpa u režimu hlađenja, a isti je princip koji koriste klima uređaji i frižideri. Slično, kako se energija dodaje u sudoper, njegova temperatura raste. Ako se dom koristi kao sudoper, dodavat će se toplinska energija, zagrijavajući prostor. Toplotna pumpa je potpuno reverzibilna, što znači da može i grijati i hladiti vaš dom, pružajući udobnost tijekom cijele godine.

Izvori i ponori za toplotne pumpe

Odabir izvora i ponora za vaš sistem toplotne pumpe uvelike utiče na određivanje performansi, kapitalnih troškova i operativnih troškova vašeg sistema. Ovaj odjeljak pruža kratak pregled uobičajenih izvora i ponora za stambene aplikacije u Kanadi.

Izvori: Za grijanje domova toplotnim pumpama u Kanadi najčešće se koriste dva izvora toplinske energije:

• Izvor vazduha: Toplotna pumpa crpi toplotu iz spoljašnjeg vazduha tokom grejne sezone i odbija toplotu spolja tokom letnje sezone hlađenja.
• Može biti iznenađujuće znati da čak i kada su vanjske temperature niske, još uvijek je na raspolaganju dobar dio energije koji se može izvući i isporučiti u zgradu. Na primjer, sadržaj topline zraka na -18°C jednak je 85% topline sadržane na 21°C. Ovo omogućava toplotnoj pumpi da obezbedi dobar deo grejanja, čak i tokom hladnijeg vremena.
• Sistemi izvora vazduha su najčešći na kanadskom tržištu, sa preko 700.000 instaliranih jedinica širom Kanade.
• O ovom tipu sistema detaljnije se govori u odjeljku Toplotne pumpe za zrak.
• Prizemni izvor: Toplotna pumpa iz zemlje koristi zemlju, podzemnu vodu ili oboje kao izvor topline zimi, i kao rezervoar za odbacivanje topline odvedene iz kuće ljeti.
• Ove toplotne pumpe su manje uobičajene od jedinica sa izvorom vazduha, ali se sve više koriste u svim provincijama Kanade. Njihova primarna prednost je što nisu podložni ekstremnim temperaturnim fluktuacijama, koristeći tlo kao izvor konstantne temperature, što rezultira energetski najefikasnijim tipom sistema toplotne pumpe.
• O ovom tipu sistema detaljnije se govori u odjeljku Toplotne pumpe iz zemlje.

Umivaonici: Za grijanje domova toplotnim pumpama u Kanadi najčešće se koriste dva sudopera za toplinsku energiju:

• Vazduh u zatvorenom prostoru se zagreva pomoću toplotne pumpe. To se može učiniti kroz: Voda unutar zgrade se grije. Ova voda se zatim može koristiti za opsluživanje terminalnih sistema kao što su radijatori, zračeći pod ili ventilokonvektori preko hidrauličkog sistema.
  • Sistem sa centralnim kanalima ili
  • Unutrašnja jedinica bez kanala, kao što je zidna jedinica.

Uvod u efikasnost toplotnih pumpi

Peći i kotlovi omogućavaju grijanje prostora dodavanjem topline u zrak sagorijevanjem goriva kao što je prirodni plin ili lož ulje. Iako se efikasnost stalno poboljšava, ona i dalje ostaje ispod 100%, što znači da se ne koristi sva raspoloživa energija iz sagorijevanja za zagrijavanje zraka.

Toplotne pumpe rade na drugom principu. Ulaz električne energije u toplinsku pumpu koristi se za prijenos toplinske energije između dvije lokacije. Ovo omogućava da toplotna pumpa radi efikasnije, sa tipičnom efikasnošću

100%, tj. proizvodi se više toplotne energije od količine električne energije koja se koristi za njeno pumpanje.

Važno je napomenuti da efikasnost toplotne pumpe u velikoj meri zavisi od temperature izvora i ponora. Baš kao što strmije brdo zahtijeva više napora za penjanje na biciklu, veće temperaturne razlike između izvora i ponora toplinske pumpe zahtijevaju da radi jače i može smanjiti efikasnost. Određivanje prave veličine toplotne pumpe kako bi se maksimizirala sezonska efikasnost je kritična. Ovi aspekti su detaljnije razmotreni u odjeljcima Toplotne pumpe zraka i Toplotne pumpe iz zemlje.

Terminologija efikasnosti

U katalozima proizvođača koriste se različite metrike efikasnosti, što može učiniti da razumijevanje performansi sistema bude pomalo zbunjujuće za kupca koji prvi put kupuje. Ispod je pregled nekih uobičajenih termina efikasnosti:

Stacionarni pokazatelji: Ove mjere opisuju efikasnost toplotne pumpe u 'stabilnom stanju', tj. bez stvarnih fluktuacija u sezoni i temperaturi. Kao takve, njihova vrijednost može se značajno promijeniti kako se mijenjaju temperature izvora i ponora, te drugi operativni parametri. metrika stabilnog stanja uključuje:

Koeficijent performansi (COP): COP je odnos između brzine kojom toplotna pumpa prenosi toplotnu energiju (u kW) i količine električne energije potrebne za pumpanje (u kW). Na primjer, ako toplotna pumpa koristi 1 kW električne energije za prijenos 3 kW topline, COP bi bio 3.

Odnos energetske efikasnosti (EER): EER je sličan COP i opisuje efikasnost hlađenja toplotne pumpe u stabilnom stanju. Određuje se dijeljenjem kapaciteta hlađenja toplinske pumpe u Btu/h sa uloženom električnom energijom u vatima (W) na određenoj temperaturi. EER je striktno povezan s opisivanjem efikasnosti hlađenja u stacionarnom stanju, za razliku od COP koji se može koristiti za izražavanje efikasnosti toplotne pumpe u grijanju i hlađenju.

Sezonski pokazatelji učinka: Ove mjere su dizajnirane da daju bolju procjenu učinka tokom sezone grijanja ili hlađenja, uključivanjem varijacija u temperaturama u "stvarnom životu" tokom sezone.

Sezonska metrika uključuje:

• Faktor sezonskih performansi grijanja (HSPF): HSPF je omjer količine energije koju toplotna pumpa isporučuje zgradi tokom cijele sezone grijanja (u Btu), prema ukupnoj energiji (u vat-satima) koju koristi u istom periodu.

Karakteristike vremenskih podataka dugoročnih klimatskih uslova koriste se za predstavljanje sezone grijanja u proračunu HSPF-a. Međutim, ovaj proračun je obično ograničen na jednu regiju i možda neće u potpunosti predstavljati učinak u cijeloj Kanadi. Neki proizvođači mogu dati HSPF za drugu klimatsku regiju na zahtjev; međutim, tipično se HSPF-ovi prijavljuju za Region 4, koji predstavlja klimu sličnu srednjozapadnoj SAD. Regija 5 pokrivala bi većinu južne polovine provincija u Kanadi, od unutrašnjosti BC do New BrunswickFootnote1.

• Omjer sezonske energetske efikasnosti (SEER): SEER mjeri efikasnost hlađenja toplotne pumpe tokom cijele sezone hlađenja. Određuje se dijeljenjem ukupnog hlađenja tokom sezone hlađenja (u Btu) sa ukupnom energijom koju toplotna pumpa koristi za to vrijeme (u vat-satima). SEER se zasniva na klimi sa prosječnom ljetnom temperaturom od 28°C.

Važna terminologija za sisteme toplotnih pumpi

Evo nekoliko uobičajenih pojmova na koje možete naići dok istražujete toplotne pumpe.

Komponente sistema toplotne pumpe

Rashladno sredstvo je fluid koji cirkuliše kroz toplotnu pumpu, naizmjenično upija, prenosi i oslobađa toplinu. U zavisnosti od lokacije, fluid može biti tečan, gasovit ili mešavina gasa i pare

Reverzni ventil kontrolira smjer protoka rashladnog sredstva u toplotnoj pumpi i menja toplotnu pumpu iz režima grejanja u režim hlađenja ili obrnuto.

Zavojnica je petlja ili petlje od cijevi u kojoj se odvija prijenos topline između izvora/svoboda i rashladnog sredstva. Cijev može imati rebra za povećanje površine raspoložive za izmjenu topline.

Isparivač je zavojnica u kojoj rashladno sredstvo apsorbira toplinu iz svoje okoline i ključa da postane para niske temperature. Kako rashladno sredstvo prolazi od reverznog ventila do kompresora, akumulator sakuplja višak tekućine koja nije isparila u plin. Međutim, nemaju sve toplotne pumpe akumulator.

Kompresor stišće molekule rashladnog plina zajedno, povećavajući temperaturu rashladnog sredstva. Ovaj uređaj pomaže u prijenosu toplinske energije između izvora i sudopera.

Kondenzator je zavojnica u kojoj rashladno sredstvo odaje toplotu svojoj okolini i postaje tečnost.

Ekspanzioni uređaj snižava pritisak koji stvara kompresor. To uzrokuje pad temperature, a rashladno sredstvo postaje mješavina pare/tečnosti niske temperature.

Vanjska jedinica je mjesto gdje se toplina prenosi na/sa vanjskog zraka u toplotnoj pumpi zraka. Ova jedinica uglavnom sadrži izmjenjivač topline, kompresor i ekspanzioni ventil. Izgleda i radi na isti način kao i vanjski dio klima uređaja.

Unutarnji kalem je mjesto gdje se toplina prenosi na/iz unutrašnjeg zraka u određenim vrstama toplotnih pumpi sa izvorom zraka. Generalno, unutrašnja jedinica sadrži izmjenjivač topline, a može uključivati ​​i dodatni ventilator za cirkulaciju zagrijanog ili ohlađenog zraka u zauzeti prostor.

Plenum, koji se vidi samo u kanalnim instalacijama, dio je mreže za distribuciju zraka. Plenum je vazdušni prostor koji čini deo sistema za distribuciju zagrejanog ili ohlađenog vazduha kroz kuću. Obično je to veliki odjeljak neposredno iznad ili oko izmjenjivača topline.

Ostali uslovi

Jedinice mjere za kapacitet ili potrošnju energije:

• Btu/h, ili britanska termalna jedinica po satu, je jedinica koja se koristi za mjerenje toplotne snage sistema grijanja. Jedan Btu je količina toplotne energije koju daje tipična rođendanska svijeća. Ako bi se ova toplotna energija oslobodila u toku jednog sata, to bi bilo ekvivalentno jednom Btu/h.
• kW, ili kilovat, jednak je 1000 vati. Ovo je količina energije koja je potrebna za deset sijalica od 100 vati.
• Tona je mjera kapaciteta toplotne pumpe. To je ekvivalentno 3,5 kW ili 12 000 Btu/h.

Toplotne pumpe za vazduh

Toplotne pumpe sa izvorom vazduha koriste spoljašnji vazduh kao izvor toplotne energije u režimu grejanja, i kao ponor za odbijanje energije kada su u režimu hlađenja. Ove vrste sistema se generalno mogu klasifikovati u dve kategorije:

Toplotne pumpe vazduh-vazduh. Ove jedinice zagrijavaju ili hlade zrak u vašem domu i predstavljaju veliku većinu integracija toplotnih pumpi izvora zraka u Kanadi. Mogu se dalje klasificirati prema vrsti instalacije:

• Kanal: Unutarnji kalem toplotne pumpe nalazi se u kanalu. Zrak se zagrijava ili hladi prolaskom preko zavojnice, prije nego što se distribuira kroz kanalizaciju na različite lokacije u kući.
• Bez kanala: Unutrašnji kalem toplotne pumpe nalazi se u unutrašnjoj jedinici. Ove unutrašnje jedinice se uglavnom nalaze na podu ili zidu zauzetog prostora i direktno griju ili hlade zrak u tom prostoru. Među ovim jedinicama možete vidjeti pojmove mini- i multi-split:
  • Mini-Split: Jedna unutrašnja jedinica nalazi se unutar kuće, a opslužuje je jedna vanjska jedinica.
  • Multi-Split: Više unutrašnjih jedinica nalazi se u kući, a opslužuje ih jedna vanjska jedinica.

Vazdušno-vazdušni sistemi su efikasniji kada je razlika između unutrašnje i spoljašnje temperature manja. Zbog toga, toplotne pumpe vazduh-vazduh uglavnom pokušavaju da optimizuju svoju efikasnost obezbeđivanjem veće količine toplog vazduha i zagrevanjem tog vazduha na nižu temperaturu (obično između 25 i 45°C). Ovo je u suprotnosti sa sistemima peći, koji isporučuju manju zapreminu vazduha, ali taj vazduh zagrevaju na više temperature (između 55°C i 60°C). Ako prelazite na toplinsku pumpu iz peći, to možete primijetiti kada počnete koristiti svoju novu toplinsku pumpu.

Toplotne pumpe vazduh-voda: Manje uobičajene u Kanadi, toplotne pumpe vazduh-voda greju ili hlade vodu, a koriste se u kućama sa hidrauličkim (baziranim na vodi) distributivnim sistemima kao što su niskotemperaturni radijatori, zračeći podovi ili ventilator konvektori. U režimu grejanja, toplotna pumpa obezbeđuje toplotnu energiju hidrauličnom sistemu. Ovaj proces je obrnut u režimu hlađenja, a toplotna energija se izvlači iz hidrauličkog sistema i odbacuje u spoljašnji vazduh.

Radne temperature u hidrauličnom sistemu su kritične kada se ocenjuje toplotne pumpe vazduh-voda. Toplotne pumpe vazduh-voda rade efikasnije kada se voda zagreva na niže temperature, tj. ispod 45 do 50°C, i kao takve se bolje uklapaju sa zračećim podovima ili sistemima ventilator konvektora. Treba biti oprezan ako razmišljate o njihovoj upotrebi s visokotemperaturnim radijatorima koji zahtijevaju temperaturu vode iznad 60°C, jer te temperature općenito premašuju granice većine toplinskih pumpi za stanovanje.

Glavne prednosti toplotnih pumpi sa vazdušnim izvorom

Instalacija toplotne pumpe sa izvorom vazduha može vam ponuditi niz prednosti. Ovaj odjeljak istražuje kako toplotne pumpe sa izvorom zraka mogu imati koristi od energetskog otiska vašeg domaćinstva.

Efikasnost

Glavna prednost upotrebe toplotne pumpe sa izvorom vazduha je visoka efikasnost koju može da pruži u grejanju u poređenju sa tipičnim sistemima kao što su peći, bojleri i električne ploče. Na 8°C, koeficijent učinka (COP) toplotnih pumpi sa izvorom vazduha obično se kreće između 2,0 i 5,4. To znači da se za jedinice sa COP od 5, 5 kilovat sati (kWh) toplote prenosi za svaki kWh električne energije isporučenoj toplotnoj pumpi. Kako vanjska temperatura zraka pada, COP su niži, jer toplotna pumpa mora raditi na većoj temperaturnoj razlici između unutrašnjeg i vanjskog prostora. Na –8°C, COP se može kretati od 1,1 do 3,7.

Na sezonskoj osnovi, faktor sezonskog učinka grijanja (HSPF) jedinica dostupnih na tržištu može varirati od 7,1 do 13,2 (Regija V). Važno je napomenuti da se ove procjene HSPF odnose na područje sa klimom sličnom Ottawi. Stvarne uštede u velikoj mjeri zavise od lokacije vaše instalacije toplinske pumpe.

Ušteda energije

Veća efikasnost toplotne pumpe može dovesti do značajnog smanjenja potrošnje energije. Stvarne uštede u vašoj kući će zavisiti od brojnih faktora, uključujući vašu lokalnu klimu, efikasnost vašeg trenutnog sistema, veličinu i tip toplotne pumpe i strategiju upravljanja. Dostupni su mnogi online kalkulatori koji pružaju brzu procjenu koliko uštede energije možete očekivati ​​za vašu konkretnu aplikaciju. NRCan-ov ASHP-Eval alat je besplatno dostupan i mogu ga koristiti instalateri i mašinski dizajneri kako bi vam pomogli u savjetovanju o vašoj situaciji.

Kako radi toplotna pumpa sa vazdušnim izvorom?

Transkript

Toplotna pumpa sa izvorom vazduha ima tri ciklusa:

• Ciklus grijanja: obezbjeđivanje toplinske energije za zgradu
• Ciklus hlađenja: Uklanjanje toplotne energije iz zgrade
• Ciklus odmrzavanja: Uklanjanje mraza
• nakupljanje na vanjskim zavojnicama

Ciklus grijanja

Napomena:

Neki od članaka preuzeti su sa interneta. Ako postoji bilo kakvo kršenje, kontaktirajte nas da ga izbrišemo. Ako ste zainteresovani za proizvode toplotnih pumpi, slobodno kontaktirajte kompaniju OSB toplotnih pumpi, mi smo vaš najbolji izbor.