В цикле отопления грунтовая вода, смесь антифриза или хладагент (который циркулировал по подземной системе трубопроводов и забирал тепло из почвы) возвращаются к тепловому насосу внутри дома. В системах грунтовой воды или смеси антифриза он затем проходит через первичный теплообменник, заполненный хладагентом. В системах DX хладагент поступает непосредственно в компрессор без промежуточного теплообменника.
Тепло передается хладагенту, который при кипении превращается в низкотемпературный пар. В открытой системе грунтовые воды затем откачиваются обратно и сбрасываются в пруд или колодец. В системе с замкнутым контуром смесь антифриза или хладагента откачивается обратно в подземную систему трубопроводов для повторного нагрева.
Реверсивный клапан направляет пары хладагента в компрессор. Затем пар сжимается, что уменьшает его объем и вызывает его нагревание.
Наконец, реверсивный клапан направляет уже горячий газ в змеевик конденсатора, где он отдает свое тепло воздуху или гидравлической системе для обогрева дома. Отдав свое тепло, хладагент проходит через расширительное устройство, где его температура и давление еще больше падают, прежде чем он возвращается в первый теплообменник или на землю в системе DX, чтобы снова начать цикл.
Цикл охлаждения
Цикл «активного охлаждения» по сути является обратным циклу нагрева. Направление потока хладагента изменяется с помощью реверсивного клапана. Хладагент забирает тепло из воздуха дома и передает его непосредственно в системах DX или грунтовым водам или смеси антифриза. Затем тепло перекачивается наружу, в водоем или возвратный колодец (в открытой системе) или в подземные трубопроводы (в системе с замкнутым контуром). Часть этого избыточного тепла можно использовать для предварительного нагрева горячей воды для бытового потребления.
В отличие от воздушных тепловых насосов, системы с наземным источником тепла не требуют цикла размораживания. Температура под землей гораздо более стабильна, чем температура воздуха, а сам тепловой насос расположен внутри; поэтому проблем с морозами не возникает.
Части системы
Системы геотермальных тепловых насосов состоят из трех основных компонентов: сам тепловой насос, жидкая теплообменная среда (открытая система или замкнутый контур) и система распределения (воздушная или гидравлическая), которая распределяет тепловую энергию из тепла. насос в здание.
Геотермальные тепловые насосы устроены по-разному. В воздушных системах автономные агрегаты объединяют нагнетатель, компрессор, теплообменник и змеевик конденсатора в одном шкафу. Сплит-системы позволяют добавить змеевик к печи с принудительной подачей воздуха и использовать существующие воздуходувку и печь. В гидравлических системах теплообменники источника и стока, а также компрессор находятся в одном шкафу.
Вопросы энергоэффективности
Как и воздушные тепловые насосы, системы геотермальных тепловых насосов доступны с различной эффективностью. См. предыдущий раздел «Введение в эффективность теплового насоса», где объясняется, что представляют собой COP и EER. Диапазоны COP и EER для единиц, доступных на рынке, представлены ниже.
Грунтовые воды или приложения с открытым контуром
Обогрев
- Минимальный КПД нагрева: 3,6
- Диапазон, КПД нагрева в продуктах, доступных на рынке: от 3,8 до 5,0.
Охлаждение
- Минимальный EER: 16,2
- Диапазон, EER в доступных на рынке продуктах: с 19,1 до 27,5.
Приложения с замкнутым контуром
Обогрев
- Минимальный КПД нагрева: 3,1
- Диапазон, КПД нагрева в продуктах, доступных на рынке: от 3,2 до 4,2.
Охлаждение
- Минимальный EER: 13,4
- Диапазон, EER в доступных на рынке продуктах: с 14,6 до 20,4.
Минимальная эффективность для каждого типа регулируется на федеральном уровне, а также в некоторых провинциальных юрисдикциях. Произошло резкое повышение эффективности наземных систем. Те же разработки в области компрессоров, двигателей и средств управления, которые доступны производителям воздушных тепловых насосов, приводят к более высокому уровню эффективности систем с наземным источником энергии.
В системах более низкого уровня обычно используются двухступенчатые компрессоры, теплообменники хладагент-воздух относительно стандартного размера и теплообменники хладагент-вода с увеличенной поверхностью. В установках с высокой эффективностью обычно используются компрессоры с несколькими или регулируемыми скоростями, внутренние вентиляторы с регулируемой скоростью или и то, и другое. Подробное описание односкоростных и регулируемых тепловых насосов можно найти в разделе «Тепловые насосы с воздушным источником».
Сертификация, стандарты и рейтинговые шкалы
Канадская ассоциация стандартов (CSA) в настоящее время проверяет все тепловые насосы на электрическую безопасность. Стандарт производительности определяет испытания и условия испытаний, при которых определяются производительность и эффективность нагрева и охлаждения теплового насоса. Стандартами тестирования производительности систем с наземным источником являются CSA C13256 (для систем вторичного контура) и CSA C748 (для систем DX).
Рекомендации по выбору размера
Важно, чтобы наземный теплообменник соответствовал мощности теплового насоса. Системы, которые не сбалансированы и неспособны пополнять энергию, получаемую из скважины, со временем будут работать хуже, пока тепловой насос не перестанет извлекать тепло.
Как и в случае с системами тепловых насосов с воздушным источником, обычно не рекомендуется выбирать размер системы с наземным источником, чтобы обеспечить все тепло, необходимое для дома. Для обеспечения экономической эффективности система, как правило, должна быть рассчитана на покрытие большей части годовой потребности домохозяйства в тепловой энергии. Периодические пиковые отопительные нагрузки в суровых погодных условиях можно компенсировать с помощью дополнительной системы отопления.
Теперь доступны системы с вентиляторами и компрессорами с регулируемой скоростью. Этот тип системы может удовлетворить все нагрузки по охлаждению и большую часть нагрузок по отоплению на низкой скорости, при этом высокая скорость необходима только для высоких нагрузок по обогреву. Подробное описание односкоростных и регулируемых тепловых насосов можно найти в разделе «Тепловые насосы с воздушным источником».
Доступны системы различных размеров, соответствующие канадскому климату. Номинальные размеры жилых блоков (охлаждение с замкнутым контуром) варьируются от 1,8 до 21,1 кВт (от 6 000 до 72 000 БТЕ/ч) и включают варианты горячего водоснабжения (ГВС).
Рекомендации по проектированию
В отличие от воздушных тепловых насосов, геотермальным тепловым насосам требуется наземный теплообменник для сбора и рассеивания тепла под землей.
Системы с открытым контуром
Открытая система использует в качестве источника тепла грунтовые воды из обычной скважины. Грунтовые воды перекачиваются в теплообменник, где тепловая энергия извлекается и используется в качестве источника для теплового насоса. Грунтовые воды, выходящие из теплообменника, затем повторно закачиваются в водоносный горизонт.
Другой способ сбросить использованную воду — через отводной колодец, который представляет собой второй колодец, возвращающий воду в землю. Отводной колодец должен иметь достаточную мощность для удаления всей воды, проходящей через тепловой насос, и должен быть установлен квалифицированным бурильщиком скважин. Если у вас есть дополнительная существующая скважина, ваш подрядчик по тепловому насосу должен иметь бурильщика, который убедится, что она пригодна для использования в качестве отводной скважины. Независимо от используемого подхода, система должна быть спроектирована так, чтобы предотвратить любой ущерб окружающей среде. Тепловой насос просто отводит или добавляет тепло воде; никакие загрязняющие вещества не добавляются. Единственное изменение в воде, возвращаемой в окружающую среду, — это небольшое повышение или понижение температуры. Важно проконсультироваться с местными властями, чтобы понять какие-либо положения или правила, касающиеся систем с открытым контуром в вашем регионе.
Размер теплового насоса и спецификации производителя будут определять количество воды, необходимое для открытой системы. Потребность в воде для конкретной модели теплового насоса обычно выражается в литрах в секунду (л/с) и указывается в технических характеристиках этого агрегата. Тепловой насос мощностью 10 кВт (34 000 БТЕ/ч) во время работы будет потреблять от 0,45 до 0,75 л/с.
Ваша комбинация колодца и насоса должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить подачу воды, необходимой для теплового насоса, в дополнение к вашим потребностям в бытовой воде. Возможно, вам придется увеличить резервуар под давлением или изменить водопровод, чтобы обеспечить подачу достаточного количества воды в тепловой насос.
Плохое качество воды может вызвать серьезные проблемы в открытых системах. Не следует использовать воду из родника, пруда, реки или озера в качестве источника для системы теплового насоса. Частицы и другие вещества могут засорить систему теплового насоса и вывести ее из строя за короткий период времени. Перед установкой теплового насоса вам также следует проверить воду на кислотность, жесткость и содержание железа. Ваш подрядчик или производитель оборудования может сообщить вам, какой уровень качества воды является приемлемым и при каких обстоятельствах могут потребоваться специальные материалы для теплообменника.
Установка открытой системы часто регулируется местными законами о зонировании или лицензионными требованиями. Свяжитесь с местными властями, чтобы узнать, действуют ли ограничения в вашем районе.
Замкнутые системы
Система с замкнутым контуром отбирает тепло из самой земли, используя непрерывный контур из подземных пластиковых труб. В системах DX используются медные трубки. Труба соединена с внутренним тепловым насосом, образуя герметичный подземный контур, по которому циркулирует раствор антифриза или хладагент. В то время как открытая система отводит воду из колодца, система с замкнутым контуром рециркулирует раствор антифриза в трубе под давлением.
Труба размещается в одном из трех типов расположения:
- Вертикальное расположение: вертикальное расположение с замкнутым контуром является подходящим выбором для большинства загородных домов, где пространство на участке ограничено. Трубопроводы вставляются в пробуренные отверстия диаметром 150 мм (6 дюймов) на глубину от 45 до 150 м (от 150 до 500 футов), в зависимости от почвенных условий и размера системы. В отверстия вставляются П-образные петли из трубы. Системы DX могут иметь отверстия меньшего диаметра, что позволяет снизить затраты на бурение.
- Диагональная (под углом): Диагональная (под углом) конструкция с замкнутым контуром аналогична вертикальной схеме с замкнутым контуром; однако скважины расположены под углом. Этот тип расположения используется там, где пространство очень ограничено и доступ ограничен одной точкой входа.
- Горизонтальное расположение: горизонтальное расположение чаще встречается в сельской местности, где недвижимость больше. Трубы укладываются в траншеи обычно глубиной от 1,0 до 1,8 м (от 3 до 6 футов), в зависимости от количества труб в траншее. Обычно на тонну мощности теплового насоса требуется от 120 до 180 м (от 400 до 600 футов) труб. Например, для хорошо изолированного дома площадью 185 м2 (2000 кв. футов) обычно требуется трехтонная система, требующая от 360 до 540 м (1200–1800 футов) труб.
Наиболее распространенная конструкция горизонтального теплообменника представляет собой две трубы, расположенные рядом в одной траншее. В других конструкциях с горизонтальной петлей в каждой траншее используются четыре или шесть труб, если площадь земельного участка ограничена. Другой дизайн, который иногда используется там, где площадь ограничена, — это «спираль», описывающая его форму.
Независимо от выбранной вами компоновки, все трубопроводы систем антифризного раствора должны быть изготовлены из полиэтилена или полибутилена не ниже серии 100 с термосварными соединениями (в отличие от фитингов с зазубринами, хомутов или клеевых соединений), чтобы обеспечить герметичность соединений на протяжении всего срока службы. трубопроводы. При правильной установке эти трубы прослужат от 25 до 75 лет. Они не подвержены влиянию химических веществ, содержащихся в почве, и обладают хорошими теплопроводными свойствами. Раствор антифриза должен быть приемлем для местных органов охраны окружающей среды. В системах DX используются медные трубки, пригодные для холодильного оборудования.
Ни вертикальные, ни горизонтальные петли не оказывают негативного воздействия на ландшафт, если вертикальные скважины и траншеи правильно засыпаны и утрамбованы (плотно утрамбованы).
При установке горизонтальной петли используются траншеи шириной от 150 до 600 мм (от 6 до 24 дюймов). В результате остаются пустые участки, которые можно восстановить семенами травы или дерном. Вертикальные петли занимают мало места и приводят к меньшему повреждению газона.
Важно, чтобы горизонтальные и вертикальные петли были установлены квалифицированным подрядчиком. Пластиковые трубы должны быть термически сплавлены, и должен быть хороший контакт между землей и трубой для обеспечения хорошей теплопередачи, например, достигаемой путем цементации скважин Треми. Последнее особенно важно для вертикальных теплообменных систем. Неправильная установка может привести к ухудшению производительности теплового насоса.
Рекомендации по установке
Как и системы воздушных тепловых насосов, геотермальные тепловые насосы должны проектироваться и устанавливаться квалифицированными подрядчиками. Проконсультируйтесь с местным подрядчиком по тепловым насосам для проектирования, установки и обслуживания вашего оборудования, чтобы обеспечить его эффективную и надежную работу. Кроме того, убедитесь, что все инструкции производителя тщательно соблюдаются. Все установки должны соответствовать требованиям CSA C448 Series 16, стандарту установки, установленному Канадской ассоциацией по стандартизации.
Общая стоимость установки наземных систем варьируется в зависимости от условий конкретного объекта. Стоимость установки варьируется в зависимости от типа заземляющего коллектора и технических характеристик оборудования. Дополнительные затраты на такую систему могут быть возмещены за счет экономии затрат на электроэнергию в течение всего лишь 5 лет. Срок окупаемости зависит от множества факторов, таких как состояние почвы, нагрузки на отопление и охлаждение, сложность модернизации систем отопления, вентиляции и кондиционирования, местные тарифы на коммунальные услуги и заменяемый источник топлива для отопления. Обратитесь в свою электроэнергетическую компанию, чтобы оценить преимущества инвестиций в систему с заземлением. Иногда для одобренных установок предлагается недорогой план финансирования или стимулирование. Важно работать с вашим подрядчиком или консультантом по энергетике, чтобы получить оценку экономики тепловых насосов в вашем регионе и потенциальной экономии, которую вы можете достичь.
Рекомендации по эксплуатации
При эксплуатации теплового насоса следует учитывать несколько важных вещей:
- Оптимизируйте настройки теплового насоса и дополнительных систем. Если у вас есть дополнительная электрическая система (например, плинтусы или резистивные элементы в воздуховоде), обязательно используйте более низкую уставку температуры для вашей дополнительной системы. Это поможет максимизировать количество тепла, которое тепловой насос обеспечивает вашему дому, снижая потребление энергии и счета за коммунальные услуги. Рекомендуется установить заданное значение на 2–3 °C ниже заданного значения температуры нагрева теплового насоса. Проконсультируйтесь с вашим подрядчиком по установке относительно оптимальной уставки для вашей системы.
- Минимизируйте перепады температуры. Тепловые насосы имеют более медленную реакцию, чем печные системы, поэтому им труднее реагировать на глубокие перепады температуры. Следует использовать умеренные понижения температуры не более 2°C или использовать «умный» термостат, который включает систему заранее, в ожидании восстановления после понижения температуры. Опять же, проконсультируйтесь со своим подрядчиком по установке относительно оптимальной температуры понижения для вашей системы.
Рекомендации по техническому обслуживанию
Вам следует поручить квалифицированному подрядчику выполнять ежегодное техническое обслуживание один раз в год, чтобы обеспечить эффективность и надежность вашей системы.
Если у вас есть система воздушного распределения, вы также можете повысить эффективность работы, заменяя или очищая фильтр каждые 3 месяца. Вы также должны убедиться, что ваши вентиляционные отверстия и шкафы не заблокированы мебелью, ковровым покрытием или другими предметами, которые могут препятствовать потоку воздуха.
Операционные затраты
Эксплуатационные затраты наземной системы отопления обычно значительно ниже, чем у других систем отопления, из-за экономии топлива. Квалифицированные установщики тепловых насосов должны быть в состоянии предоставить вам информацию о том, сколько электроэнергии будет потреблять конкретная наземная система.
Относительная экономия будет зависеть от того, используете ли вы в настоящее время электричество, нефть или природный газ, а также от относительной стоимости различных источников энергии в вашем регионе. Запустив тепловой насос, вы будете использовать меньше газа или масла, но больше электроэнергии. Если вы живете в районе, где электричество дорогое, ваши эксплуатационные расходы могут быть выше.
Продолжительность жизни и гарантии
Срок службы геотермальных тепловых насосов обычно составляет от 20 до 25 лет. Это выше, чем у воздушных тепловых насосов, поскольку компрессор испытывает меньшие термические и механические нагрузки и защищен от окружающей среды. Срок службы самого контура заземления приближается к 75 годам.
На большинство геотермальных тепловых насосов распространяется годовая гарантия на детали и работу, а некоторые производители предлагают программы расширенной гарантии. Однако гарантии различаются у разных производителей, поэтому обязательно проверяйте мелкий шрифт.
Сопутствующее оборудование
Модернизация электроснабжения
Вообще говоря, нет необходимости модернизировать электроснабжение при установке дополнительного теплового насоса с воздушным источником. Однако возраст службы и общая электрическая нагрузка дома могут потребовать модернизации.
Для установки либо полностью электрического воздушного теплового насоса, либо геотермального теплового насоса обычно требуется электрическая сеть на 200 ампер. При переходе с системы отопления на природном газе или мазуте может потребоваться модернизация электрической панели.
Дополнительные системы отопления
Системы тепловых насосов с воздушным источником
Воздушные тепловые насосы имеют минимальную рабочую температуру наружного воздуха и могут потерять часть своей способности нагревать при очень низких температурах. По этой причине большинству установок с источником воздуха требуется дополнительный источник отопления для поддержания температуры в помещении в самые холодные дни. Дополнительный нагрев также может потребоваться во время размораживания теплового насоса.
Большинство систем подачи воздуха отключаются при одной из трех температур, которые может установить подрядчик по установке:
- Точка теплового баланса: Температура, ниже которой тепловой насос не имеет достаточной мощности для самостоятельного удовлетворения потребностей в отоплении здания.
- Точка экономического равновесия: температура, ниже которой соотношение электроэнергии и дополнительного топлива (например, природного газа) означает, что использование дополнительной системы более рентабельно.
- Температура отключения: минимальная рабочая температура теплового насоса.
Большинство дополнительных систем можно разделить на две категории:
- Гибридные системы. В гибридной системе воздушный тепловой насос использует дополнительную систему, такую как печь или котел. Этот вариант можно использовать в новых установках, а также он является хорошим вариантом, когда тепловой насос добавляется к существующей системе, например, когда тепловой насос устанавливается в качестве замены центрального кондиционера.
Эти типы систем поддерживают переключение между тепловым насосом и дополнительными операциями в соответствии с точкой теплового или экономического баланса.
Эти системы не могут работать одновременно с тепловым насосом – работает либо тепловой насос, либо газовая/масляная печь. - Все электрические системы: в этой конфигурации работа теплового насоса дополняется элементами электрического сопротивления, расположенными в воздуховодах или электрическими плинтусами.
Эти системы могут работать одновременно с тепловым насосом и, следовательно, могут использоваться в стратегиях контроля температуры точки баланса или отключения.
Датчик наружной температуры отключает тепловой насос, когда температура падает ниже заданного предела. Ниже этой температуры работает только дополнительная система отопления. Датчик обычно настроен на отключение при температуре, соответствующей точке экономического равновесия, или при температуре наружного воздуха, ниже которой дешевле обогревать с помощью дополнительной системы отопления вместо теплового насоса.
Системы геотермальных тепловых насосов
Системы наземного источника продолжают работать независимо от температуры наружного воздуха и, как таковые, не подпадают под подобные эксплуатационные ограничения. Дополнительная система отопления обеспечивает только тепло, превышающее номинальную мощность наземного агрегата.
Термостаты
Обычные термостаты
Большинство канальных односкоростных систем тепловых насосов для жилых помещений оснащены внутренним термостатом «двухступенчатый нагрев/одна ступень охлаждения». Первый этап требует тепла от теплового насоса, если температура падает ниже заданного уровня. На втором этапе требуется тепло от дополнительной системы отопления, если температура в помещении продолжает падать ниже желаемой температуры. Бесканальные воздушные тепловые насосы для жилых помещений обычно устанавливаются с одноступенчатым термостатом нагрева/охлаждения или, во многих случаях, со встроенным термостатом, настраиваемым с помощью пульта дистанционного управления, который поставляется вместе с устройством.
Наиболее распространенный тип термостата – это тип «установил и забыл». Перед установкой желаемой температуры установщик проконсультируется с вами. Как только это будет сделано, о термостате можно забыть; он автоматически переключит систему из режима обогрева в режим охлаждения или наоборот.
В этих системах используются два типа наружных термостатов. Первый тип управляет работой системы дополнительного обогрева электрическим сопротивлением. Это тот же тип термостата, который используется в электрической печи. Он включает различные ступени нагревателей по мере того, как температура наружного воздуха постепенно падает. Это гарантирует подачу необходимого количества дополнительного тепла в зависимости от внешних условий, что максимизирует эффективность и экономит ваши деньги. Второй тип просто отключает воздушный тепловой насос, когда температура наружного воздуха падает ниже заданного уровня.
Сбои в работе термостата могут не принести таких же преимуществ в системах тепловых насосов, как в более традиционных системах отопления. В зависимости от величины спада и падения температуры тепловой насос может оказаться не в состоянии обеспечить все тепло, необходимое для быстрого восстановления температуры до желаемого уровня. Это может означать, что дополнительная система отопления работает до тех пор, пока тепловой насос не «догонит». Это снизит экономию, которую вы могли ожидать от установки теплового насоса. См. обсуждение минимизации скачков температуры в предыдущих разделах.
Программируемые термостаты
Программируемые термостаты для тепловых насосов сегодня доступны у большинства производителей тепловых насосов и их представителей. В отличие от обычных термостатов, эти термостаты обеспечивают экономию за счет снижения температуры в периоды отсутствия людей или в ночное время. Хотя у разных производителей это достигается по-разному, тепловой насос возвращает дом к желаемому уровню температуры с минимальным дополнительным обогревом или без него. Для тех, кто привык к настройке термостата и программируемым термостатам, это может оказаться выгодной инвестицией. Другие функции, доступные в некоторых из этих электронных термостатов, включают следующее:
- Программируемое управление, позволяющее пользователю выбирать автоматический режим работы теплового насоса или только вентилятор в зависимости от времени суток и дня недели.
- Улучшенный контроль температуры по сравнению с обычными термостатами.
- Нет необходимости в наружных термостатах, поскольку электронный термостат требует дополнительного тепла только при необходимости.
- Нет необходимости в управлении наружным термостатом на дополнительных тепловых насосах.
Экономия от программируемых термостатов во многом зависит от типа и размера вашей системы теплового насоса. В системах с регулируемой скоростью задержки могут позволить системе работать на более низкой скорости, уменьшая износ компрессора и помогая повысить эффективность системы.
Системы распределения тепла
Системы тепловых насосов обычно обеспечивают больший объем воздушного потока при более низкой температуре по сравнению с печными системами. Таким образом, очень важно изучить поток приточного воздуха в вашей системе и сравнить его с пропускной способностью существующих воздуховодов. Если поток воздуха теплового насоса превышает пропускную способность существующих воздуховодов, у вас могут возникнуть проблемы с шумом или повышенное потребление энергии вентилятором.
Новые системы тепловых насосов следует проектировать в соответствии с установившейся практикой. Если установка представляет собой модернизацию, необходимо тщательно проверить существующую систему воздуховодов, чтобы убедиться в ее пригодности.
Примечание:
Некоторые статьи взяты из Интернета. Если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить их. Если вас интересуют продукты с тепловым насосом, пожалуйста, свяжитесь с компанией, производящей тепловые насосы OSB, мы — ваш лучший выбор.
Время публикации: 01 ноября 2022 г.