Термопомпени системи за сгради

Системите с термопомпи са едни от най-добрите възможни варианти за осигуряването на отопление, охлаждане и топла вода за една сграда. Те могат да се прилагат в много ситуации, при които нискотемпературната топлина е свободнодостъпна и има товар, който да приеме тази топлина при по-висока температура. Повечето термопомпени системи, използвани за отопление на помещения, също имат способността да осигуряват охлаждане и изсушаване. По този начин изборът на термопомпа за отопление на помещенията често измества необходимостта от отделна охладителна система, каквато би била необходима за хидравличните системи, използващи котли.

Най-често срещаният тип термопомпена система е с източник въздух. Тя пренася топлината между сградата и външния въздух, осигурявайки ефективно отопление и охлаждане. Когато е инсталирана правилно, термопомпата с въздушен източник може да доставя от 1,5 до 3 пъти повече топлинна енергия, отколкото консумираната от нея електроенергия. Това е възможно, защото термопомпата премества топлината, вместо да я произвежда от гориво, както прави отоплителните системи с горене.

Повечето термопомпи са разделени системи, т.е. имат една серпентина вътре и една отвън. Захранващите и обратните тръбопроводи се свързват към централния вентилатор на закрито. Контейнерните системи обикновено имат две серпентини и вентилатор на открито. Отопляваният или охлаждан въздух се доставя във вътрешността от тръбопровода, който минава през стена или покрив на сграда.

Еднозоновите системи са предназначени за единично помещение с един външен кондензатор, пригоден за едно вътрешно тяло. Многозоновите инсталации могат да имат две или повече вътрешни тела, свързани към един външен кондензатор. Те се различават по размер и стил и всяко тяло създава своя собствена „зона“ на комфорт, което позволява да се отопляват или охлаждат отделни помещения, коридори и открити пространства.

Термопомпената система се състои от компресор и две серпентини, изработени от медни тръби (една на закрито и една отвън), които са заобиколени от алуминиеви ребра за подпомагане на преноса на топлина. При режим на отопление, течният хладилен агент във външните серпентини извлича топлината от въздуха и се изпарява в газ. Вътрешните серпентини освобождават топлината от хладилния агент, тъй като той кондензира обратно в течност. За охлаждане, както и за размразяване на външните серпентини през зимата, реверсивен вентил, поставен близо до компресора, може да промени посоката на потока на охлаждащия агент.

Ефективността и производителността на съвременните термопомпи с източник въздух са резултат от техническия напредък, използването на термостатични разширителни вентили за по-прецизно управление на потока хладилен агент към вътрешната серпентина, подобрен дизайн на електрическия двигател и двустепенни компресори.

Минисплит системи
Минисплит системите са изключително подходящи, когато се правят допълнения към сградата, тъй като разширяването на съществуващите канали може да бъде проблематично в някои ситуации. Те се състоят от два основни компонента. Компресорът или кондензаторът се намира извън сградата, а климатичната инсталация е на закрито. Тези отделни компоненти са свързани чрез тръбопровод, който се състои от захранващ кабел, тръба за отвеждане на конденз, хладилен агент и смукателна тръба. Ако има многобройни агрегати, всеки ще съдържа свързан термостат. Това е полезно за регулиране на температурата на въздуха във всяко помещение, където е поставен уредът.

Когато става въпрос за адекватно отопление на отделни помещения или зони в сграда, минисплит термопомпените системи са много ефективни. Тази ефикасност е свързана с отделните агрегати, които се намират в рамките на дадено помещение. Тези системи могат да се регулират, така че да загряват само онези помещения, които понастоящем се заемат, за разлика от традиционните методи за нагряване, които осигуряват равномерна топлина. Много модели могат да имат до четири вътрешни тела (за четири зони или помещения), свързани към едно външно тяло. Броят им зависи от това какво отопление или охлаждане се изисква за сградата или за всяка зона.

Поддържането на съществуващ интериорен дизайн е много по-лесно при използване на минисплит системи. Това е така, защото вътрешните тела осигуряват редица опции за разполагане, като закрепване към стената, окачване на тавана, дори монтиране в таван.

Системите с минисплит без тръби са по-лесни за инсталиране от някои други видове системи за климатизация на пространства. Например връзката между външните и вътрешните тела обикновено изисква само 10см отвор през стена за тръбопровода.

Неефективното използване на енергия е не само вредно за околната среда, но и може значително да увеличи сметките за комунални услуги. Каналите са известни с това, че губят енергия поради конструкцията си, като до 30% от генерираната топлина се разсейва по време на преминаването си през тръбопровода. Тъй като минисплит системите не изискват канали, те не генерират такива енергийни загуби. Друга чудесна особеност на минисплит системите е възможността за персонализиране. Те идват с функции, които дават възможности за по-голям контрол кога и как да се отопляват помещенията.

Тези системи обаче имат и недостатъци. В много случаи трябва да се определи какъв тип отоплителна система има най-голямо значение по отношение на броя на помещенията, капацитета на тези площи и BTU на блока. Въпреки че минисплит системите водят до по-ниски разходи за отопление като цяло, първоначалната инсталация обикновено е по-скъпа. Друг недостатък на минисплит системите е свързан с инсталацията. Неправилно поставеното вътрешно тяло може да причини дефект, известен като „къс цикъл“. Ако това се случи, ще се намали едно от основните предимства на такива системи - ефективното използване на енергия.

Системи с използване на геотермална енергия
Вместо температурата на външния въздух, геотермалните термопомпени системи (GHP) използват като обменна среда постоянната температура на земята. В зависимост от географската ширина температурите на почвата варират от 7°C до 21°C. Въпреки че цената за инсталиране на геотермална система може да бъде няколко пъти по-висока от тази на система с източник въздух (при един и същ капацитет за отопление и охлаждане), допълнителните разходи се възвръщат при пестене на енергия от 5 до 10 години. Животът на системата се изчислява на 12-15 години за вътрешните компоненти и повече от 50 години за инсталацията под земята.

Повечето геотермални термопомпи циркулират антифриз чрез циркулационна помпа в затворен контур (обикновено изработен от пластмасови тръби), който е заринат в земята или потопен във вода. Топлообменник предава топлината между хладилния агент в термопомпата и антифризния разтвор в затворения контур. Той може да бъде в хоризонтална или вертикална конфигурация.

Хоризонталният тип инсталация обикновено е най-рентабилен за жилищни инсталации, особено за ново строителство, където има достатъчно свободна площ. Той изисква изкопи с дълбочина най-малко 1,20m. Най-често срещаните конфигурации използват две тръби, или едната е зарината на 2m, а другата - на 1,20m, или двете са разположени една до друга на 1,50m в земята.

При големите търговски сгради често се използват вертикални системи, тъй като не разполагат със земната площ, необходима за хоризонталните контури. За вертикалната система от тръби се пробиват дупки с диаметър приблизително 0,1m на около 6m и дълбоки от 30m до 120m. Вертикалните тръби се свързват с хоризонтална тръба (колектор), която пък е свързана с термопомпата в сградата.

Друга технологична опция са хибридни системи, използващи няколко различни геотермални ресурса или комбинация от геотермален ресурс и външен въздух (т.е. охладителна кула). Хибридните подходи са особено ефективни, когато нуждите от охлаждане са значително по-големи от потребностите от отопление.

Най-голямото предимство на GHP е, че те използват 25% до 50% по-малко електроенергия от конвенционалните отоплителни или охладителни системи. Според EPA, геотермалните термопомпи могат да намалят консумацията на енергия (и съответните емисии) до 44% в сравнение с термопомпите на въздух и до 72% в сравнение с електрическото отопление със стандартно климатично оборудване. GHP подобряват и контрола на влажността, като поддържат около 50% относителна вътрешна влажност, което ги прави много ефективни във влажни зони.

Системите за геотермални термопомпи позволяват гъвкавост на дизайна и могат да бъдат инсталирани както в нови, така и в обновени сгради. Осигуряват отлично „зоново“ пространствено оформление, което позволява различни части на дома ви да се отопляват или охлаждат до различни температури.

GHP системите имат относително малко движещи се части и тези части са защитени в сградата, така че системите са трайни и надеждни. Подземните тръбопроводи често имат гаранции от 25 до 50 години, а термопомпите често работят 20 години или повече.

Системи с използване на топлинна енергия
Докато механичната термопомпа се задвижва от електрическа енергия, абсорбционната термопомпа се задвижва от топлинна енергия. Тази топлина се доставя от пара или чрез изгаряне на природен газ. Абсорбционните термопомпи са много полезни в ситуации, при които се изисква отопление и охлаждане.

Принципът на действие на абсорбционната термопомпа се основава на абсорбцията и изпарението на охладител. Добре позната двойки са литиев бромид (LiBr) и вода (в този случай водата е хладилен агент, а LiBr абсорбционната среда)и амоняк и вода (амонякът е хладилен агент, а водата е абсорбираща среда).

Принципът на работа на абсорбционна термопомпа се основава на термопомпа, която използва двойката амоняк и вода (NH3/H2O). Абсорбционната термопомпа се състои от два контура - абсорбираща среда и хладилен агент.

В пресечната точка P1/T2 се добавя топлинна енергия към генератора на термопомпата. В резултат на това охладителят се изпарява извън абсорбционната среда при високо налягане. Абсорбиращата среда се снижава под налягане с помощта на устройство за разширение и тече към абсорбера. Вътре в абсорбера газообразният NH3 се абсорбира (пресечна точка Р0/Т1). Благодарение на процеса на абсорбиране, полезна топлина се отделя при междинна температура. Налягането на сместа се увеличава с помпа и се връща обратно към генератора. За повишаване на ефективността се използва вътрешен топлообменник за предварително загряване на студената с горещата смес.

В пресечната точка P1/T2 се добавя топлинна енергия към генератора на термопомпата. В резултат на това охладителят се изпарява извън абсорбционната среда при високо налягане. Газът тече към кондензатора. Вътре в кондензатора NH3 отделя топлина в околната среда и кондензира. Течният амоняк понижава налягането си вътре в устройството за разширяване и тече към изпарителя. При ниска температура (в точка на пресичане P0/T0) се добавя топлина към амоняка, а амонякът ще се изпари. Отпадната топлина може да се използва за отопление, но също така е възможно изпарителят да се използва за охлаждане. Газообразният NH3 се излива към абсорбера, където се абсорбира във вода. Благодарение на абсорбцията се освобождава полезната топлина.

Абсорбционните термопомпи с природен газ като източник на топлина са търговски достъпни. За производството на полезна топлина при максимална температура 70°C и охлаждане на кондензатора с вода или въздух ефективността е приблизително 150%.

Технически особености
Съществуват множество предимства на термопомпите, които ги правят чудесна инвестиция, но и същевременно притеснения, които трябва да се разглеждат. Сред предимствата са по-ниски текущи разходи. Термопомпените системи са по-евтини за пускане, отколкото системи, основаващи се на изгаряне. Колкото по-енергийно ефективни са системите, толкова по-големи са дългосрочните икономии на енергия. Друго предимство е нуждата от по-малко поддръжка в сравнение с отоплителните системи за горене, но все пак редовно, веднъж годишно трябва да се проверяват някои детайли на системата. Освен това термопомпената система намалява въглеродните емисии и има ефективен процент на преобразуване на енергията за отопление. Също така, по време на топлите периоди термопомпите са в състояние да обърнат процеса и по този начин да действат като климатик. Термопомпите въздух-въздух могат удобно да се включат в режим на охлаждане през лятото. Животът на термопомпите е сравнително дълъг, до 50 години, но средно той продължава между 14 и 15 години. Те са изключително надеждни и стабилни източници на топлина.

Сред недостатъците на термопомпите са високи предварителни разходи, но от друга страна, техните оперативни разходи се превръщат в дългосрочни спестявания от сметките за енергия и водят до намаляване на въглеродните емисии. Друг недостатък на термопомпите е, че са доста трудни за инсталиране, като се има предвид, че трябва да се направят изследвания, за да се разбере движението на топлината, местната геология (особено за геотермалните термопомпи) и изискванията за отопление и охлаждане на сградата. Процесът на инсталиране изисква значителна работа, например трябва да се направят пробиви през облицовката на сградата. За да работят, термопомпите зависят силно от електричеството, което означава, че те никога няма да бъдат напълно неутрални спрямо въглерода. Въпреки това те представляват идеална област за използване на соларни приложения. В комбинация със слънчеви панели, термопомпите могат да доведат до нулева нетна енергия.

Предимствата на топлинните помпи ясно показват, че те представляват интелигентна инвестиция в дългосрочен план. Термопомпите изискват големи предварителни разходи, но същевременно трябва да се види и по-голямата картина, а именно че водят до много спестявания от сметките за енергия, тъй като механизмът просто задвижва топлината от едно пространство в друго, а не я произвежда. Соларните приложения заедно с термопомпите са път към нулевата нетна енергия.

Нововъведения при термопомпените системи
Редица нововъведения подобряват работата на термопомпените системи. За разлика от стандартните компресори, които могат да работят само при пълен капацитет, двускоростните компресори позволяват термопомпите да работят в близост до отоплителната или охладителната мощност, необходима във всеки конкретен момент. Това спестява големи количества електрическа енергия и намалява износването на компресора. Двускоростните термопомпи работят добре и със системите за контрол на зоните. Системите за контрол на зони, често срещани в по-големи сгради, използват автоматични регулатори, за да позволят на термопомпата да поддържа в различни помещения различни температури.

Някои модели термопомпи са оборудвани с двигатели с променлива скорост или двустепенни мотори на техните вентилатори на закрито, външни вентилатори или и двете. Управлението с променлива скорост за тези вентилатори поддържа движението на въздуха, минимизирайки хладните течения и увеличавайки максимално икономиите. Също така се минимизира и шумът от вентилатора.