Ogrzewanie i chłodzenie za pomocą pompy ciepła – część 1

Wstęp

Jeśli rozważasz możliwości ogrzewania i chłodzenia domu lub zmniejszenia rachunków za energię, możesz rozważyć system pompy ciepła. Pompy ciepła to sprawdzona i niezawodna technologia stosowana w Kanadzie, zdolna do zapewnienia całorocznej kontroli komfortu w domu poprzez dostarczanie ciepła zimą, chłodzenie latem, a w niektórych przypadkach podgrzewanie ciepłej wody w domu.

Pompy ciepła mogą być doskonałym wyborem w różnorodnych zastosowaniach, zarówno w przypadku nowych domów, jak i modernizacji istniejących systemów ogrzewania i chłodzenia. Można je również zastosować w przypadku wymiany istniejących systemów klimatyzacji, ponieważ przyrostowy koszt przejścia z systemu wyłącznie chłodzącego na pompę ciepła jest często dość niski. Biorąc pod uwagę bogactwo różnych typów systemów i opcji, często może być trudno określić, czy pompa ciepła jest odpowiednią opcją dla Twojego domu.

Jeśli zastanawiasz się nad pompą ciepła, prawdopodobnie masz wiele pytań, w tym:

• Jakie rodzaje pomp ciepła są dostępne?
• Jaką część mojego rocznego zapotrzebowania na ogrzewanie i chłodzenie może pokryć pompa ciepła?
• Jakiej wielkości pompy ciepła potrzebuję do mojego domu i zastosowania?
• Ile kosztują pompy ciepła w porównaniu z innymi systemami i ile mogę zaoszczędzić na rachunkach za energię?
• Czy będę musiał dokonać dodatkowych modyfikacji w moim domu?
• Ile serwisowania będzie wymagał system?

Niniejsza broszura zawiera ważne informacje na temat pomp ciepła, dzięki którym uzyskasz więcej informacji i pomożesz w dokonaniu właściwego wyboru dla swojego domu. Korzystając z tych pytań, w niniejszej broszurze opisano najpopularniejsze typy pomp ciepła i omówiono czynniki związane z wyborem, instalacją, obsługą i konserwacją pompy ciepła.

Grupa docelowa

Niniejsza broszura jest przeznaczona dla właścicieli domów poszukujących ogólnych informacji na temat technologii pomp ciepła, aby pomóc im w podejmowaniu świadomych decyzji dotyczących wyboru i integracji systemu, obsługi i konserwacji. Podane tutaj informacje mają charakter ogólny, a szczegółowe informacje mogą się różnić w zależności od instalacji i typu systemu. Niniejsza broszura nie powinna zastępować współpracy z wykonawcą lub doradcą ds. energii, który zapewni, że Twoja instalacja spełni Twoje potrzeby i zamierzone cele.

Uwaga na temat zarządzania energią w domu

Pompy ciepła to bardzo wydajne systemy ogrzewania i chłodzenia, które mogą znacznie obniżyć koszty energii. Myśląc o domu jako o systemie, zaleca się minimalizację strat ciepła z domu z takich obszarów, jak wyciek powietrza (przez pęknięcia, dziury), słabo izolowane ściany, sufity, okna i drzwi.

Rozwiązanie tych problemów w pierwszej kolejności może pozwolić na zastosowanie pompy ciepła o mniejszym rozmiarze, zmniejszając w ten sposób koszty sprzętu pompy ciepła i umożliwiając wydajniejsze działanie systemu.

W Natural Resources Canada dostępnych jest wiele publikacji wyjaśniających, jak to zrobić.

Co to jest pompa ciepła i jak działa?

Pompy ciepła to sprawdzona technologia stosowana od dziesięcioleci, zarówno w Kanadzie, jak i na całym świecie, do wydajnego ogrzewania, chłodzenia, a w niektórych przypadkach ciepłej wody do budynków. Tak naprawdę jest prawdopodobne, że na co dzień masz styczność z technologią pomp ciepła: lodówki i klimatyzatory działają w oparciu o te same zasady i technologię. W tej części przedstawiono podstawy działania pompy ciepła oraz różne typy systemów.

Podstawowe pojęcia dotyczące pomp ciepła

Pompa ciepła to urządzenie napędzane elektrycznie, które pobiera ciepło z miejsca o niskiej temperaturze (źródło) i dostarcza je do miejsca o wyższej temperaturze (zlew).

Aby zrozumieć ten proces, pomyśl o przejażdżce rowerem po wzniesieniu: zejście ze szczytu wzniesienia na dół nie wymaga żadnego wysiłku, ponieważ rower i rowerzysta będą naturalnie przemieszczać się z wyższego miejsca na niższe. Wjazd pod górę wymaga jednak dużo więcej pracy, gdyż rower porusza się w kierunku przeciwnym do naturalnego kierunku ruchu.

W podobny sposób ciepło w sposób naturalny przepływa z miejsc o wyższej temperaturze do miejsc o niższej temperaturze (np. zimą ciepło z wnętrza budynku jest tracone na zewnątrz). Pompa ciepła wykorzystuje dodatkową energię elektryczną, aby przeciwdziałać naturalnemu przepływowi ciepła i pompować energię dostępną w zimniejszym miejscu do cieplejszego.

W jaki sposób pompa ciepła ogrzewa lub chłodzi Twój dom? W miarę pobierania energii ze źródła temperatura źródła spada. Jeśli jako źródło wykorzystany zostanie dom, energia cieplna zostanie usunięta, chłodząc tę ​​przestrzeń. W ten sposób działa pompa ciepła w trybie chłodzenia i na tej samej zasadzie działają klimatyzatory i lodówki. Podobnie, gdy energia jest dodawana do zlewu, jego temperatura wzrasta. Jeśli dom będzie używany jako zlew, energia cieplna zostanie dodana, ogrzewając przestrzeń. Pompa ciepła jest w pełni odwracalna, co oznacza, że ​​może zarówno ogrzewać, jak i chłodzić dom, zapewniając komfort przez cały rok.

Źródła i odbiorniki dla pomp ciepła

Wybór źródła i odbiornika dla systemu pompy ciepła ma duży wpływ na określenie wydajności, kosztów kapitałowych i kosztów operacyjnych systemu. Ta sekcja zawiera krótki przegląd typowych źródeł i odbiorników do zastosowań mieszkaniowych w Kanadzie.

Źródła: W Kanadzie do ogrzewania domów za pomocą pomp ciepła najczęściej wykorzystuje się dwa źródła energii cieplnej:

• Źródło powietrza: Pompa ciepła pobiera ciepło z powietrza zewnętrznego w sezonie grzewczym i odrzuca je na zewnątrz w letnim sezonie chłodniczym.
• Zaskakujący może być fakt, że nawet gdy temperatury na zewnątrz są niskie, nadal dostępna jest duża ilość energii, którą można wydobyć i dostarczyć do budynku. Na przykład zawartość ciepła w powietrzu w temperaturze -18°C równa się 85% ciepła zawartego w temperaturze 21°C. Dzięki temu pompa ciepła może zapewnić odpowiednią ilość ciepła nawet w chłodniejsze dni.
• Systemy źródła powietrza są najpopularniejsze na rynku kanadyjskim – w całej Kanadzie zainstalowano ponad 700 000 urządzeń.
• Ten typ systemu omówiono bardziej szczegółowo w rozdziale Powietrzne pompy ciepła.
• Gruntowe źródło ciepła: Gruntowa pompa ciepła wykorzystuje ziemię, wody gruntowe lub jedno i drugie jako źródło ciepła zimą oraz jako zbiornik do odrzucania ciepła usuwanego z domu latem.
• Te pompy ciepła są mniej powszechne niż jednostki powietrzne, ale są coraz szerzej stosowane we wszystkich prowincjach Kanady. Ich podstawową zaletą jest to, że nie podlegają ekstremalnym wahaniom temperatury, wykorzystując grunt jako źródło stałej temperatury, co skutkuje najbardziej energooszczędnym typem systemu pompy ciepła.
• Tego typu systemy omówiono bardziej szczegółowo w rozdziale Gruntowe pompy ciepła.

Zlewozmywaki: W Kanadzie do ogrzewania domów za pomocą pomp ciepła najczęściej stosuje się dwa odbiorniki energii cieplnej:

• Powietrze w pomieszczeniu jest podgrzewane przez pompę ciepła. Można tego dokonać poprzez: Ogrzewanie wody wewnątrz budynku. Wodę tę można następnie wykorzystać do obsługi systemów końcowych, takich jak grzejniki, promienniki podłogowe lub klimakonwektory, za pośrednictwem układu hydraulicznego.
  • System z kanałami centralnymi lub
  • Bezkanałowa jednostka wewnętrzna, np. jednostka naścienna.

Wprowadzenie do wydajności pomp ciepła

Piece i kotły zapewniają ogrzewanie pomieszczeń poprzez dodawanie ciepła do powietrza poprzez spalanie paliwa, takiego jak gaz ziemny lub olej opałowy. Chociaż efektywność stale się poprawia, nadal pozostaje poniżej 100%, co oznacza, że ​​nie cała dostępna energia ze spalania jest wykorzystywana do ogrzewania powietrza.

Pompy ciepła działają na innej zasadzie. Energia elektryczna dostarczana do pompy ciepła służy do przesyłania energii cieplnej pomiędzy dwoma lokalizacjami. Dzięki temu pompa ciepła może pracować wydajniej, z typowymi wydajnościami znacznie powyżej

100%, czyli wytwarza się więcej energii cieplnej niż ilość energii elektrycznej użytej do jej przepompowania.

Należy pamiętać, że wydajność pompy ciepła zależy w dużym stopniu od temperatury źródła i odbiornika. Tak jak wspinanie się na rowerze na bardziej strome wzniesienie wymaga większego wysiłku, tak większe różnice temperatur między źródłem a odbiornikiem pompy ciepła wymagają od niej cięższej pracy i mogą zmniejszyć wydajność. Określenie odpowiedniej wielkości pompy ciepła, aby zmaksymalizować efektywność sezonową, ma kluczowe znaczenie. Aspekty te zostały omówione bardziej szczegółowo w rozdziałach Powietrzne pompy ciepła i Gruntowe pompy ciepła.

Terminologia dotycząca wydajności

W katalogach producentów zastosowano różnorodne wskaźniki wydajności, co może sprawić, że zrozumienie wydajności systemu będzie nieco mylące dla kupującego po raz pierwszy. Poniżej znajduje się zestawienie niektórych powszechnie używanych terminów dotyczących efektywności:

Wskaźniki stanu ustalonego: Miary te opisują wydajność pompy ciepła w „stanie ustalonym”, tj. bez rzeczywistych wahań pory roku i temperatury. W związku z tym ich wartość może znacznie się zmieniać wraz ze zmianą temperatury źródła i odbiornika oraz innych parametrów operacyjnych. Wskaźniki stanu ustalonego obejmują:

Współczynnik wydajności (COP): COP to stosunek szybkości, z jaką pompa ciepła przekazuje energię cieplną (w kW) do ilości energii elektrycznej wymaganej do pompowania (w kW). Na przykład, jeśli pompa ciepła zużyła 1 kW energii elektrycznej do przekazania 3 kW ciepła, współczynnik COP wyniósłby 3.

Współczynnik efektywności energetycznej (EER): EER jest podobny do COP i opisuje wydajność chłodzenia pompy ciepła w stanie ustalonym. Oblicza się ją poprzez podzielenie wydajności chłodniczej pompy ciepła w Btu/h przez pobór energii elektrycznej w watach (W) w określonej temperaturze. EER jest ściśle powiązany z opisem wydajności chłodzenia w stanie ustalonym, w przeciwieństwie do COP, który można wykorzystać do wyrażenia wydajności pompy ciepła zarówno w trybie ogrzewania, jak i chłodzenia.

Sezonowe wskaźniki wydajności: Miary te mają na celu lepsze oszacowanie wydajności w sezonie grzewczym lub chłodniczym poprzez uwzględnienie „rzeczywistych” zmian temperatur w ciągu sezonu.

Dane sezonowe obejmują:

• Współczynnik sezonowej wydajności grzewczej (HSPF): HSPF to stosunek ilości energii dostarczanej przez pompę ciepła do budynku w ciągu całego sezonu grzewczego (w Btu) do całkowitej energii (w watogodzinach) zużywanej przez nią w tym samym okresie.

Charakterystyki danych pogodowych dotyczących długoterminowych warunków klimatycznych są wykorzystywane do reprezentowania sezonu grzewczego przy obliczaniu HSPF. Jednak obliczenia te są zwykle ograniczone do jednego regionu i mogą nie w pełni odzwierciedlać wyniki w całej Kanadzie. Niektórzy producenci mogą na żądanie dostarczyć HSPF dla innego regionu klimatycznego; jednak zazwyczaj HSPF są zgłaszane dla Regionu 4, reprezentującego klimat podobny do środkowo-zachodniego stanu USA. Region 5 obejmowałby większość południowej części prowincji Kanady, od wnętrza BC po Nowy BrunszwikPrzypis 1.

• Sezonowy współczynnik efektywności energetycznej (SEER): SEER mierzy efektywność chłodzenia pompy ciepła w całym sezonie chłodniczym. Oblicza się ją poprzez podzielenie całkowitego chłodzenia zapewnionego w sezonie chłodniczym (w Btu) przez całkowitą energię zużytą przez pompę ciepła w tym czasie (w watogodzinach). SEER opiera się na klimacie, w którym średnia temperatura w lecie wynosi 28°C.

Ważna terminologia dotycząca systemów pomp ciepła

Oto kilka typowych terminów, na które możesz natknąć się podczas badania pomp ciepła.

Elementy systemu pompy ciepła

Czynnik chłodniczy to płyn, który krąży w pompie ciepła, na przemian pochłaniając, transportując i oddając ciepło. W zależności od lokalizacji płyn może być cieczą, gazem lub mieszaniną gazu i pary

Zawór odwracający steruje kierunkiem przepływu czynnika chłodniczego w pompie ciepła i przełącza pompę ciepła z trybu ogrzewania na tryb chłodzenia i odwrotnie.

Wężownica to pętla lub pętle rurek, w których następuje wymiana ciepła pomiędzy źródłem/odpływem a czynnikiem chłodniczym. Rurka może mieć żebra zwiększające powierzchnię dostępną do wymiany ciepła.

Parownik to wężownica, w której czynnik chłodniczy pochłania ciepło z otoczenia i wrze, tworząc parę o niskiej temperaturze. Gdy czynnik chłodniczy przepływa z zaworu zmiany kierunku do sprężarki, akumulator zbiera nadmiar cieczy, która nie odparowała i nie przekształciła się w gaz. Nie wszystkie pompy ciepła posiadają jednak akumulator.

Sprężarka ściska razem cząsteczki gazowego czynnika chłodniczego, zwiększając jego temperaturę. Urządzenie to pomaga w przekazywaniu energii cieplnej pomiędzy źródłem a pochłaniaczem.

Skraplacz to wężownica, w której czynnik chłodniczy oddaje ciepło otoczeniu i staje się cieczą.

Urządzenie rozprężne obniża ciśnienie wytwarzane przez sprężarkę. Powoduje to spadek temperatury, a czynnik chłodniczy staje się niskotemperaturową mieszaniną pary i cieczy.

Jednostka zewnętrzna to miejsce, w którym ciepło jest przekazywane do/z powietrza zewnętrznego w powietrznej pompie ciepła. Urządzenie to zazwyczaj zawiera wężownicę wymiennika ciepła, sprężarkę i zawór rozprężny. Wygląda i działa w taki sam sposób, jak zewnętrzna część klimatyzatora.

Wężownica wewnętrzna służy do przekazywania ciepła do/z powietrza w pomieszczeniu w niektórych typach powietrznych pomp ciepła. Ogólnie rzecz biorąc, jednostka wewnętrzna zawiera wężownicę wymiennika ciepła i może być również wyposażona w dodatkowy wentylator zapewniający cyrkulację ogrzanego lub schłodzonego powietrza do zajmowanej przestrzeni.

Plenum, spotykane tylko w instalacjach kanałowych, jest częścią sieci dystrybucji powietrza. Plenum to komora powietrzna stanowiąca część systemu rozprowadzania ogrzanego lub schłodzonego powietrza w domu. Zwykle jest to duża komora bezpośrednio nad lub wokół wymiennika ciepła.

Inne warunki

Jednostki miary pojemności lub zużycia energii:

• Btu/h, czyli brytyjska jednostka ciepła na godzinę, to jednostka używana do pomiaru mocy cieplnej systemu grzewczego. Jeden Btu to ilość energii cieplnej wydzielanej przez typową świeczkę urodzinową. Gdyby ta energia cieplna została uwolniona w ciągu jednej godziny, byłaby to równowartość jednego Btu/h.
• kW lub kilowat jest równy 1000 watów. Jest to ilość energii wymaganej przez dziesięć 100-watowych żarówek.
• Tona jest miarą wydajności pompy ciepła. Odpowiada to 3,5 kW lub 12 000 Btu/h.

Powietrzne pompy ciepła

Powietrzne pompy ciepła wykorzystują powietrze zewnętrzne jako źródło energii cieplnej w trybie ogrzewania oraz jako pochłaniacz energii w trybie chłodzenia. Tego typu systemy można ogólnie podzielić na dwie kategorie:

Pompy ciepła powietrze-powietrze. Jednostki te ogrzewają lub chłodzą powietrze w domu i stanowią zdecydowaną większość integracji powietrznych pomp ciepła w Kanadzie. Można je dalej klasyfikować ze względu na rodzaj instalacji:

• Kanałowe: Wężownica wewnętrzna pompy ciepła jest umieszczona w kanale. Powietrze jest podgrzewane lub schładzane poprzez przepływ przez wężownicę, a następnie rozprowadzane kanałami do różnych miejsc w domu.
• Bezkanałowe: Wężownica wewnętrzna pompy ciepła znajduje się w jednostce wewnętrznej. Te jednostki wewnętrzne są zazwyczaj umieszczane na podłodze lub ścianie zajmowanego pomieszczenia i bezpośrednio ogrzewają lub chłodzą powietrze w tym pomieszczeniu. Wśród tych jednostek możesz spotkać się z terminami mini- i multi-split:
  • Mini-Split: pojedyncza jednostka wewnętrzna znajduje się wewnątrz domu i jest obsługiwana przez jedną jednostkę zewnętrzną.
  • Multi-Split: w domu znajduje się wiele jednostek wewnętrznych, które są obsługiwane przez jedną jednostkę zewnętrzną.

Systemy powietrze-powietrze są bardziej wydajne, gdy różnica temperatur pomiędzy wnętrzem i otoczeniem jest mniejsza. Z tego powodu pompy ciepła typu powietrze-powietrze zazwyczaj starają się zoptymalizować swoją wydajność, dostarczając większą ilość ciepłego powietrza i podgrzewając je do niższej temperatury (zwykle pomiędzy 25 a 45°C). Kontrastuje to z systemami piecowymi, które dostarczają mniejszą ilość powietrza, ale podgrzewają je do wyższych temperatur (od 55°C do 60°C). Jeśli przełączasz się na pompę ciepła z pieca, możesz to zauważyć, gdy zaczniesz używać nowej pompy ciepła.

Pompy ciepła powietrze-woda: Mniej popularne w Kanadzie pompy ciepła powietrze-woda podgrzewają lub chłodzą wodę i są stosowane w domach z wodnymi (wodnymi) systemami dystrybucji, takimi jak grzejniki niskotemperaturowe, promienniki podłogowe lub klimakonwektory. W trybie ogrzewania pompa ciepła dostarcza energię cieplną do układu hydraulicznego. W trybie chłodzenia proces ten ulega odwróceniu, a energia cieplna jest pobierana z układu hydraulicznego i odprowadzana do powietrza zewnętrznego.

Temperatury robocze w układzie hydraulicznym mają kluczowe znaczenie przy ocenie pomp ciepła typu powietrze-woda. Pompy ciepła powietrze-woda działają wydajniej podczas podgrzewania wody do niższych temperatur, tj. poniżej 45 do 50°C, dlatego lepiej sprawdzają się w przypadku ogrzewania podłogowego lub klimakonwektorów. Należy zachować ostrożność, rozważając ich zastosowanie z grzejnikami wysokotemperaturowymi, które wymagają temperatury wody powyżej 60°C, ponieważ temperatury te zazwyczaj przekraczają wartości graniczne dla większości domowych pomp ciepła.

Główne zalety powietrznych pomp ciepła

Instalacja powietrznej pompy ciepła może przynieść wiele korzyści. W tej części omówiono, w jaki sposób powietrzne pompy ciepła mogą korzystnie wpłynąć na ślad energetyczny Twojego gospodarstwa domowego.

Efektywność

Główną zaletą stosowania powietrznej pompy ciepła jest wysoka wydajność, jaką może ona zapewnić podczas ogrzewania w porównaniu z typowymi systemami, takimi jak piece, bojlery i elektryczne listwy przypodłogowe. Przy temperaturze 8°C współczynnik wydajności (COP) powietrznych pomp ciepła zazwyczaj mieści się w zakresie od 2,0 do 5,4. Oznacza to, że w przypadku jednostek o współczynniku COP wynoszącym 5, na każdą kWh energii elektrycznej dostarczonej do pompy ciepła przesyłanych jest 5 kilowatogodzin (kWh) ciepła. Gdy temperatura powietrza na zewnątrz spada, współczynniki COP są niższe, ponieważ pompa ciepła musi pracować przy większej różnicy temperatur pomiędzy przestrzenią wewnętrzną i zewnętrzną. W temperaturze –8°C współczynnik COP może wynosić od 1,1 do 3,7.

W ujęciu sezonowym współczynnik sezonowej wydajności grzewczej (HSPF) jednostek dostępnych na rynku może wahać się od 7,1 do 13,2 (Region V). Należy zauważyć, że szacunki HSPF dotyczą obszaru o klimacie podobnym do Ottawy. Rzeczywiste oszczędności w dużym stopniu zależą od lokalizacji instalacji pompy ciepła.

Oszczędność energii

Wyższa efektywność pompy ciepła może przełożyć się na znaczną redukcję zużycia energii. Rzeczywiste oszczędności w Twoim domu będą zależeć od wielu czynników, w tym od lokalnego klimatu, wydajności obecnego systemu, wielkości i typu pompy ciepła oraz strategii sterowania. Dostępnych jest wiele kalkulatorów online, które umożliwiają szybkie oszacowanie, jakich oszczędności energii można się spodziewać w przypadku konkretnego zastosowania. Narzędzie ASHP-Eval firmy NRCan jest ogólnodostępne i może być używane przez instalatorów i projektantów mechanicznych, aby pomóc Ci doradzić w Twojej sytuacji.

Jak działa powietrzna pompa ciepła?

Transkrypcja

Powietrzna pompa ciepła ma trzy cykle:

• Cykl grzewczy: Dostarczanie energii cieplnej do budynku
• Cykl chłodzenia: Usuwanie energii cieplnej z budynku
• Cykl rozmrażania: usuwanie szronu
• gromadzenie się na wężownicach zewnętrznych

Cykl grzewczy

Uwaga:

Część artykułów została zaczerpnięta z Internetu. Jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby je usunąć. Jeśli interesują Cię produkty z pompami ciepła, skontaktuj się z firmą produkującą pompy ciepła OSB, jesteśmy najlepszym wyborem.