Wärmepumpen für die Hausheizung: Arten und Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip der Luft-Wasser-Pumpe

Wie bereits erwähnt, ist die Hauptwärmequelle für Anlagen dieser Art atmosphärische Luft. Die grundlegende Grundlage für den Betrieb von Luftpumpen ist die physikalische Eigenschaft von Flüssigkeiten, beim Phasenübergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand und umgekehrt Wärme aufzunehmen und abzugeben. Durch die Zustandsänderung wird die Temperatur freigegeben. Das System funktioniert nach dem umgekehrten Prinzip eines Kühlschranks.

Um diese Eigenschaften der Flüssigkeit effektiv zu nutzen, zirkuliert ein niedrigsiedendes Kältemittel (Freon, Freon) in einem geschlossenen Kreislauf, dessen Konstruktion Folgendes umfasst:

• Kompressor mit Elektroantrieb;
• ventilatorgeblasener Verdampfer;
• Drosselventil (Expansionsventil);
• Plattenwärmetauscher;
• Zirkulationsrohre aus Kupfer oder Metall-Kunststoff, die die Hauptelemente des Kreislaufs verbinden.

Die Bewegung des Kältemittels entlang des Kreislaufs erfolgt aufgrund des vom Kompressor entwickelten Drucks.Um Wärmeverluste zu reduzieren, sind die Rohre mit einer wärmeisolierenden Schicht aus Kunstkautschuk oder Polyethylenschaum mit einer schützenden Metallbeschichtung bedeckt. Als Kältemittel wird Freon oder Freon verwendet, das bei einer negativen Temperatur sieden kann und bis zu -40 ° C nicht gefriert.

Der gesamte Arbeitsprozess besteht aus den folgenden aufeinanderfolgenden Zyklen:

1. Der Verdampferkühler enthält ein flüssiges Kältemittel, das kühler als die Außenluft ist. Während des aktiven Heizkörperblasens wird Wärmeenergie aus Luft mit niedrigem Potenzial auf Freon übertragen, das siedet und in einen gasförmigen Zustand übergeht. Gleichzeitig steigt seine Temperatur.
2. Das erhitzte Gas gelangt in den Kompressor, wo es sich während des Verdichtungsprozesses noch weiter erhitzt.
3. Der Kältemitteldampf wird in komprimiertem und erwärmtem Zustand in einen Plattenwärmetauscher geleitet, wo der Wärmeträger der Heizungsanlage durch den zweiten Kreislauf zirkuliert. Da die Temperatur des Kühlmittels viel niedriger ist als die des erhitzten Gases, kondensiert Freon aktiv auf den Wärmetauscherplatten und gibt Wärme an das Heizsystem ab.
4. Das gekühlte Dampf-Flüssigkeits-Gemisch tritt in das Drosselventil ein, das nur das gekühlte flüssige Niederdruck-Kältemittel zum Verdampfer passieren lässt. Dann wird der ganze Zyklus wiederholt.

Um die Wärmeübertragungseffizienz des Rohrs zu erhöhen, werden Spiralrippen auf den Verdampfer gewickelt. Bei der Berechnung des Heizsystems sollte die Wahl der Umwälzpumpen und anderer Geräte berücksichtigt werden hydraulischer Widerstand und Koeffizient Installation von Wärmeübertragungs-Plattenwärmetauschern.

Videoübersicht des Systemgeräts und seiner Bedienung

Inverter-Wärmepumpen

Das Vorhandensein eines Wechselrichters als Teil der Installation ermöglicht einen reibungslosen Start des Geräts und eine automatische Regelung der Modi in Abhängigkeit von der Außentemperatur. Dies maximiert die Effizienz der Wärmepumpe durch:

• Erreichen der Effizienz auf dem Niveau von 95-98%;
• Reduzierung des Energieverbrauchs um 20-25 %;
• Minimierung der Belastung des Stromnetzes;
• erhöhen die Lebensdauer der Anlage.

Dadurch wird die Innentemperatur unabhängig von Wetteränderungen stabil auf dem gleichen Niveau gehalten. Gleichzeitig sorgt das Vorhandensein eines Wechselrichters mit automatischer Steuereinheit nicht nur für die Heizung im Winter, sondern auch für die Zufuhr gekühlter Luft im Sommer bei heißem Wetter.

Gleichzeitig sollte berücksichtigt werden, dass das Vorhandensein zusätzlicher Ausrüstung immer eine Erhöhung ihrer Kosten und eine Erhöhung der Amortisationszeit mit sich bringt.

Einteilung nach Art des Arbeitsmediums

Moderne Wärmepumpen nutzen können gasförmiger Körper oder chemische Flüssigkeit Ammoniaklösung als Wärmetransporter. Die Eignung eines bestimmten Schemas wird durch mehrere Faktoren, Systemmerkmale, bewertet.

1. Freon-Anlagen haben einen Wärmepumpenkreislauf, der auf Gaskompressions- und Expansionsprozessen basiert. Sie sind irgendwie nach dem Kompressorschema aufgebaut. Das Gerät hat attraktive Leistungsindikatoren, aber es hat auch Nachteile. Obwohl der gewichtete Durchschnittsverbrauch des Systems zum Zeitpunkt des Betriebszyklus stabil ist, wird die Verkabelung stark belastet. Darüber hinaus sind Wärmepumpen mit einem gasförmigen Wärmetransporter in Regionen, in denen kein zentrales Stromnetz oder eine Stromquelle mit ausreichender Ladekapazität vorhanden ist, nicht sinnvoll.
2. Verdampfungsanlagen, die Ammoniaklösung verwenden, haben einen Arbeitszyklus, der auf dem Verdampfungsprozess der Substanz bei niedrigen Siedepunkten basiert. Die Verflüssigung nach Passieren eines externen Wärmetauschers erfolgt unter Einwirkung einer Energiequelle. Dies ist ein Wärmebrenner. Dafür kann fast jeder Brennstoff verwendet werden: Feststoff, Benzin, Diesel, Gas, Kerosin, in einigen Fällen - Methylalkohol. Daher sind Verdunstungswärmepumpen dort attraktiv, wo es keinen Strom gibt. Darüber hinaus kann die Preisgünstigkeit von Kraftstoff eines bestimmten Typs in der Region die Wahl einer solchen Ausrüstung veranlassen.

Die Art des im System verwendeten Arbeitsmediums kann viel über die Leistung der Anlage und die Leistungsabgabe aussagen. Freon-Kompressor-Wärmepumpen sind also in der Lage, einen scharfen Ruck zu erzeugen und den Raum schnell aufzuwärmen. Ammoniakverdunstungsmodelle sind zu solchen Kunststücken nicht in der Lage. Ihr bevorzugtes Einsatzgebiet ist der stabile Dauerbetrieb bei Nennwärmeleistung.

Arten von Wärmepumpen

Wärmepumpen werden in verschiedene Typen unterteilt. Der erste Typ (Typ) in der Klassifizierung nach der Methode der Übertragung von Wärmeenergie:

Kompression. Die Hauptanlagenelemente sind Kompressoren, Kondensatoren, Expander und Verdampfer. Dieser Pumpentyp ist sehr hochwertig und effizient, was dazu führt, dass er auf dem Markt sehr beliebt ist.

Absorption. Wärmepumpen der neuesten Generation. Sie verwenden bei ihrer Arbeit ein absorbierendes Freon. Dadurch wird die Arbeitsqualität um ein Vielfaches gesteigert.

Kann außeinandergehalten werden Arten von Wärmepumpen nach Wärmequellen, nämlich:

• Wärmeenergie wird durch den Boden erzeugt (im Bild);
• Wasser;
• Luftströme
• Wiedererwärmung. Sie werden aus abfließendem Wasser, verschmutzter Luft oder Abwasser gewonnen.

Nach Arten von Eingangs-Ausgangs-Schaltungen:

• Luft zu Luft. Die Pumpe nimmt kalte Luft auf, senkt ihre Temperatur, erhält die erforderliche Wärme, die sie dorthin überträgt, wo Wärme benötigt wird.
• Wasser zu Wasser. Die Pumpe entzieht dem Grundwasser die Wärme, die sie an das Wasser zum Heizen des Raumes abgibt.
• Wasser zu Luft. Vom Wasser zur Luft. Die Verwendung von Sonden und Brunnen für Wasser ist typisch, und die Erwärmung erfolgt durch ein Luftheizsystem.
• Luft zu Wasser. Von Luft zu Wasser. Pumpen dieses Typs nutzen Wärme aus der Atmosphäre, um Wasser zu erhitzen.
• Boden-Wasser. In dieser Form wird Wärme aus im Boden verlegten Rohren mit Wasser entnommen. Dem Erdreich (Boden) wird Wärme entzogen.
• Eiswasser. Eine interessante Art von Wärmepumpe. Um Wasser für die Raumheizung zu erhitzen, wird eine Eisherstellungstechnik verwendet, bei der enorme Wärmeenergie freigesetzt wird. Wenn Sie bis zu 200 Liter Wasser einfrieren, können Sie Energie gewinnen, die eine mittlere Größe innerhalb von 40-60 Minuten erhitzen kann.

Vor- und Nachteile von Wärmepumpen

Prinzip Betrieb der Wärmepumpe, basiert vereinfacht gesagt auf der Sammlung minderwertiger Wärmeenergie und deren Weiterleitung an Heiz- und Klimasysteme sowie an Wasseraufbereitungssysteme, jedoch bei einer höheren Temperatur. Ein einfaches Beispiel kann in gegeben werden Form einer Gasflasche – Wenn es mit Gas gefüllt ist, erwärmt sich der Kompressor, indem er es komprimiert. Und wenn Sie Gas aus der Flasche ablassen, kühlt die Flasche ab - versuchen Sie, Gas aus einem nachfüllbaren Feuerzeug scharf abzulassen, um die Essenz dieses Phänomens zu verstehen.

Wärmepumpen entziehen dem umgebenden Raum sozusagen Wärmeenergie - sie befindet sich im Boden, im Wasser und sogar in der Luft. Selbst wenn die Luft eine negative Temperatur hat, ist immer noch Wärme darin. Es kommt auch in allen Gewässern vor, die nicht bis auf den Grund zufrieren, sowie in tiefen Bodenschichten, die ebenfalls nicht tiefgefroren werden können – es sei denn, es handelt sich natürlich um Permafrost.

Wärmepumpen haben ein ziemlich kompliziertes Gerät, wie Sie sehen können, wenn Sie versuchen, einen Kühlschrank oder eine Klimaanlage zu zerlegen. Diese uns bekannten Haushaltsgeräte ähneln den oben genannten Pumpen, nur dass sie in die entgegengesetzte Richtung arbeiten - sie nehmen Wärme aus den Räumlichkeiten auf und schicken sie nach draußen. Wenn Sie Ihre Hand auf den hinteren Kühler des Kühlschranks legen, stellen wir fest, dass es warm ist. Und diese Wärme ist nichts anderes als die Energie, die Obst, Gemüse, Milch, Suppen, Wurst und anderen Produkten, die sich in der Kammer befinden, entnommen wird.

Klimaanlagen und Split-Systeme funktionieren ähnlich – die Wärme, die Außengeräte erzeugen, ist thermische Energie, die in gekühlten Räumen nach und nach gesammelt wird.

Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe ist dem eines Kühlschranks entgegengesetzt. Es sammelt Wärme aus der Luft, dem Wasser oder dem Boden in denselben Körnern und leitet sie anschließend an die Verbraucher weiter - dies sind Heizungssysteme, Wärmespeicher, Fußbodenheizungen und Warmwasserbereiter. Es scheint, dass uns nichts daran hindert, das Kühlmittel oder Wasser mit einem gewöhnlichen Heizelement zu erhitzen - so ist es einfacher. Aber vergleichen wir die Produktivität von Wärmepumpen und konventionellen Heizelementen:

Das Wichtigste bei der Auswahl einer Wärmepumpe ist die Verfügbarkeit einer bestimmten natürlichen Energiequelle.

• Herkömmliches Heizelement - für die Erzeugung von 1 kW Wärme verbraucht es 1 kW Strom (ohne Fehler;
• Wärmepumpe - verbraucht nur 200 W Strom, um 1 kW Wärme zu erzeugen.

Nein, hier gibt es keinen Wirkungsgrad von 500 % – die Gesetze der Physik sind unerschütterlich. Hier wirken nur die Gesetze der Thermodynamik. Die Pumpe sammelt sozusagen Energie aus dem Weltraum, "verdickt" sie und sendet sie an die Verbraucher. In ähnlicher Weise können wir Regentropfen durch eine große Gießkanne sammeln und am Ausgang einen festen Wasserstrahl erhalten.

Wir haben bereits viele Analogien gegeben, die es uns ermöglichen, das Wesen von Wärmepumpen ohne abstruse Formeln mit Variablen und Konstanten zu verstehen. Schauen wir uns nun ihre Vorteile an:

• Energieeinsparung - wenn die Standard-Elektroheizung einer 100qm m. wird zu Kosten von 20-30 Tausend Rubel pro Monat führen (abhängig von der Außenlufttemperatur), dann senkt das Heizsystem mit einer Wärmepumpe die Kosten auf akzeptable 3-5 Tausend Rubel - stimmen Sie zu, das ist schon eine ziemliche Sache solide Einsparungen. Und das ohne Tricks, ohne Täuschung und ohne Marketingtricks;
• Der Umwelt Sorge tragen – Kohle-, Atom- und Wasserkraftwerke schaden der Natur. Daher reduziert ein reduzierter Stromverbrauch die Menge an schädlichen Emissionen;
• Vielfältige Einsatzmöglichkeiten - die gewonnene Energie kann zum Heizen eines Hauses und zur Warmwasserbereitung genutzt werden.

Es gibt auch Nachteile:

• Die hohen Kosten von Wärmepumpen - dieser Nachteil schränkt ihre Verwendung ein;
• Die Notwendigkeit einer regelmäßigen Wartung - Sie müssen dafür bezahlen;
• Schwierigkeiten bei der Installation - dies gilt in höchstem Maße für Wärmepumpen mit geschlossenen Kreisläufen;
• Mangelnde Akzeptanz bei den Menschen – nur wenige von uns würden bereit sein, in diese Geräte zu investieren, um die Umweltbelastung zu reduzieren. Aber einige Menschen, die weit entfernt von Gasleitungen leben und gezwungen sind, ihre Häuser mit alternativen Wärmequellen zu heizen, erklären sich bereit, Geld für den Kauf einer Wärmepumpe auszugeben und ihre monatlichen Stromrechnungen zu senken;
• Abhängigkeit vom Stromnetz - Wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, frieren die Geräte sofort ein. Die Situation wird durch die Installation eines Wärmespeichers oder einer Notstromquelle gerettet.

Wie Sie sehen können, sind einige der Nachteile ziemlich schwerwiegend.

Benzin- und Dieselgeneratoren können als Notstromquellen für Wärmepumpen dienen.

Tipps

Eine Wärmepumpe ist ein technisch komplexes und ziemlich teures Gerät, daher sollte ihre Wahl mit großer Verantwortung angegangen werden. Um nicht unbegründet zu sein, hier einige ganz konkrete Empfehlungen.

1. Beginnen Sie niemals mit der Auswahl einer Wärmepumpe, ohne vorher Berechnungen angestellt und ein Projekt erstellt zu haben. Das Fehlen eines Projekts kann fatale Fehler verursachen, die nur mit Hilfe enormer zusätzlicher finanzieller Investitionen korrigiert werden können.

2. Die Planung, Installation und Wartung der Wärmepumpe und des Heizsystems sollte nur Fachleuten anvertraut werden. Wie kann sichergestellt werden, dass Fachleute in diesem Unternehmen arbeiten? Erstens durch die Verfügbarkeit aller erforderlichen Unterlagen, eines Portfolios implementierter Objekte, Zertifikate von Ausrüstungslieferanten.Es ist sehr wünschenswert, dass das gesamte Spektrum der erforderlichen Dienstleistungen von einem Unternehmen erbracht wird, das in diesem Fall vollständig für die Durchführung des Projekts verantwortlich ist.

3. Wir empfehlen Ihnen, einer in Europa hergestellten Wärmepumpe den Vorzug zu geben. Lassen Sie sich nicht von der Tatsache verwirren, dass es teurer ist als chinesische oder russische Geräte. Wenn die Kosten für die Installation, Inbetriebnahme und Fehlerbehebung des gesamten Heizsystems in die Schätzung einbezogen werden, ist der Preisunterschied der Pumpen kaum wahrnehmbar. Wenn Sie jedoch einen „Europäer“ zur Verfügung haben, können Sie sich seiner Zuverlässigkeit sicher sein, da der hohe Preis der Pumpe nur das Ergebnis der Verwendung moderner Technologien und hochwertiger Materialien ist, um sie herzustellen.

Hauptsorten

Alle Umwälzpumpen für Heizungsanlagen werden in zwei Bauarten unterteilt: Geräte mit "trockenem" Rotor und Umwälzpumpen mit "nassem" Rotor.

Bei Umwälzpumpen des ersten Typs, der bereits aus dem Namen hervorgeht, kommt der Rotor nicht mit dem flüssigen Arbeitsmedium – dem Kühlmittel – in Berührung. Das Laufrad solcher Pumpen ist durch Dichtungsringe aus Stahl vom Rotor und Stator getrennt, die mit einer speziellen Feder gegeneinander gedrückt werden, die den Verschleiß dieser Elemente ausgleicht. Die Dichtigkeit dieser Dichtungsanordnung während des Betriebs der Pumpe wird durch eine dünne Wasserschicht zwischen den Stahlringen gewährleistet, die sich aufgrund des Unterschieds zwischen den Drücken im Heizsystem und in der äußeren Umgebung bildet.

Umwälzpumpen zum Heizen mit einem "trockenen" Rotor zeichnen sich durch einen relativ hohen Wirkungsgrad (89%) und Produktivität aus, aber hydraulische Maschinen dieses Typs haben auch starke Nachteile Lärm bei der Arbeit und Komplexität in Betrieb, Wartung und Reparatur.Industrielle Heizungsanlagen sind in der Regel mit Pumpen dieses Typs ausgestattet, in Hausheizungen kommen sie selten zum Einsatz.

Einstufige Umwälzpumpe mit „trockenem“ Rotor

Eine Umwälzpumpe für Heizsysteme, die mit einem „nassen“ Rotor ausgestattet sind, ist ein Gerät, dessen Laufrad und Rotor in ständigem Kontakt mit dem Kühlmittel stehen. Das Arbeitsmedium, in dem Rotor und Laufrad rotieren, wirkt als Schmier- und Kühlmittel. Stator und Rotor dieser Pumpen sind durch ein Spezialglas aus Edelstahl voneinander isoliert. Ein solches Glas, in dessen Innerem sich ein Rotor und ein im Kühlmedium rotierendes Laufrad befinden, schützt die bestromte Statorwicklung vor dem Eindringen von Arbeitsflüssigkeit.

Der Wirkungsgrad von Pumpen dieses Typs ist eher gering und beträgt nur 55%, aber die technischen Möglichkeiten eines solchen Geräts reichen völlig aus, um die Zirkulation des Kühlmittels in Heizungssystemen sicherzustellen nicht zu große Häuser. Wenn wir über die Vorteile von Umwälzpumpen mit einem "nassen" Rotor sprechen, sollten sie die minimale Geräuschentwicklung während des Betriebs solcher Geräte, hohe Zuverlässigkeit, einfache Bedienung, Wartung und Reparatur umfassen.

Nasse Umwälzpumpe

Auswahl des Wärmepumpentyps

Der Hauptindikator dieses Heizsystems ist die Leistung. Zunächst hängen die finanziellen Kosten für den Kauf von Geräten und die Wahl der einen oder anderen Niedertemperaturwärmequelle von der Leistung ab.Je höher die Leistung des Wärmepumpensystems ist, desto höher sind die Komponentenkosten.

Das betrifft zum einen die Kompressorleistung, die Tiefe von Brunnen für Erdwärmesonden oder die Fläche zur Unterbringung eines Horizontalkollektors. Korrekte thermodynamische Berechnungen sind eine Art Garantie dafür, dass das System effizient arbeitet.

Wenn sich in der Nähe Ihres persönlichen Bereichs ein Reservoir befindet, ist die kostengünstigste und produktivste Wahl Wärmepumpenwasser-Wasser

Zuerst müssen Sie den Bereich untersuchen, der für die Installation der Pumpe geplant ist. Die ideale Bedingung wäre das Vorhandensein eines Reservoirs in diesem Bereich. Durch die Verwendung der Wasser-zu-Wasser-Option wird der Aushub erheblich reduziert.

Die Nutzung der Erdwärme hingegen ist mit einer Vielzahl von Aushubarbeiten verbunden. Systeme, die Wasser als minderwertige Wärme verwenden, gelten als die effizientesten.

Das Gerät einer Wärmepumpe, die dem Erdreich Wärmeenergie entzieht, ist mit einer beeindruckenden Menge an Erdarbeiten verbunden. Der Kollektor wird unterhalb des Niveaus des saisonalen Gefrierens verlegt

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Wärmeenergie des Bodens zu nutzen. Die erste beinhaltet das Bohren von Brunnen mit einem Durchmesser von 100-168 mm. Die Tiefe solcher Brunnen kann abhängig von den Parametern des Systems 100 m oder mehr erreichen.

In diese Vertiefungen werden spezielle Sonden eingebracht. Die zweite Methode verwendet einen Sammler von Rohren. Ein solcher Kollektor wird unterirdisch in einer horizontalen Ebene angeordnet. Diese Option erfordert eine ziemlich große Fläche.

Als ideal für die Verlegung des Kollektors gelten Flächen mit feuchtem Boden. Natürlich kostet das Bohren von Brunnen mehr als ein horizontales Reservoir.Allerdings verfügt nicht jede Website über freien Speicherplatz. Für ein kW Wärmepumpenleistung benötigen Sie von 30 bis 50m² Fläche.

Der Bau zur Aufnahme von Wärmeenergie mit einem Tiefbrunnen kann sich als etwas billiger herausstellen als das Graben einer Grube

Ein wesentlicher Pluspunkt liegt jedoch in der erheblichen Platzersparnis, die für Besitzer kleiner Grundstücke wichtig ist. Bei Vorliegen eines hochgelegenen Grundwasserhorizontes am Standort können Wärmetauscher in zwei etwa 15 m voneinander entfernten Brunnen angeordnet werden

Bei Vorliegen eines hochgelegenen Grundwasserhorizontes am Standort können Wärmetauscher in zwei etwa 15 m voneinander entfernten Brunnen angeordnet werden.

Die Gewinnung thermischer Energie erfolgt in solchen Anlagen durch das Pumpen von Grundwasser in einem geschlossenen Kreislauf, das sich teilweise in Brunnen befindet. Ein solches System erfordert die Installation eines Filters und die regelmäßige Reinigung des Wärmetauschers.

Das einfachste und billigste Wärmepumpenschema basiert auf der Entnahme von Wärmeenergie aus der Luft. Nachdem es zur Grundlage für den Bau von Kühlschränken wurde, wurden später Klimaanlagen nach seinen Prinzipien entwickelt.

Das einfachste Wärmepumpensystem gewinnt Energie aus der Luftmasse. Im Sommer ist es an der Heizung beteiligt, im Winter an der Klimaanlage. Der Nachteil des Systems besteht darin, dass in einer unabhängigen Version ein Gerät mit unzureichender Leistung vorhanden ist

Effizienz verschiedene Arten dieser Ausrüstung nicht das gleiche. Pumpen, die Luft verwenden, haben die geringste Leistung. Darüber hinaus sind diese Indikatoren direkt von den Wetterbedingungen abhängig.

Bodenvarianten von Wärmepumpen haben eine stabile Leistung. Der Wirkungsgrad dieser Systeme variiert zwischen 2,8 und 3,3.Wasser-zu-Wasser-Systeme sind am effizientesten. Dies liegt vor allem an der Stabilität der Quellentemperatur.

Zu beachten ist, dass die Temperatur umso stabiler ist, je tiefer sich der Pumpenkollektor im Speicher befindet. Um eine Systemleistung von 10 kW zu erreichen, werden etwa 300 Meter Rohrleitung benötigt.

Der Hauptparameter, der die Effizienz einer Wärmepumpe charakterisiert, ist ihr Umrechnungsfaktor. Je höher der Umrechnungsfaktor, desto effizienter gilt die Wärmepumpe.

Der Umrechnungsfaktor einer Wärmepumpe wird durch das Verhältnis des Wärmestroms und der für den Betrieb des Kompressors aufgewendeten elektrischen Leistung ausgedrückt