Powietrzna pompa ciepła - Air source heat pump
Pompa źródła powietrza ciepło (ASHP) jest odwracalna pompa ciepła , które wykorzystuje się powietrza z zewnątrz jako źródło ciepła, podczas gdy w trybie ogrzewania, czy jako pochłaniacz ciepła, gdy w trybie chłodzenia z użyciem takiego samego chłodzenia pary kompresji sposób i tego samego zewnętrznego wymiennika ciepła z wentylator używany przez klimatyzatory .
Pompy ciepła powietrze-powietrze są prostszymi urządzeniami i dostarczają gorące lub zimne powietrze bezpośrednio do jednej lub dwóch przestrzeni wewnętrznych. Natomiast pompy ciepła powietrze-woda wykorzystują grzejniki i/lub ogrzewanie podłogowe do ogrzewania lub chłodzenia całego domu i często są również wykorzystywane do dostarczania ciepłej wody użytkowej. Przy prawidłowym określeniu ASHP może zaoferować pełne rozwiązanie centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej do 80 °C (176 °F).
Opis
Powietrze o dowolnej temperaturze powyżej zera absolutnego zawiera pewną ilość energii. Powietrzna pompa ciepła przenosi część tej energii w postaci ciepła z jednego miejsca do drugiego, na przykład między zewnętrzną a wewnętrzną częścią budynku. Może to zapewnić ogrzewanie pomieszczenia i ciepłą wodę. Pojedynczy system można zaprojektować do przekazywania ciepła w dowolnym kierunku, do ogrzewania lub chłodzenia wnętrza budynku odpowiednio zimą i latem. Dla uproszczenia poniższy opis skupia się na zastosowaniu do ogrzewania wnętrz.
Technologia jest podobna do lodówki, zamrażarki lub klimatyzatora: inny efekt wynika z fizycznej lokalizacji różnych elementów systemu. Podobnie jak rury z tyłu lodówki nagrzewają się w miarę ochładzania wnętrza, tak ASHP ogrzewa wnętrze budynku, jednocześnie schładzając powietrze zewnętrzne.
Głównymi elementami powietrznych pomp ciepła są:
- Wężownica zewnętrznego wymiennika ciepła , która pobiera ciepło z otaczającego powietrza
- Wężownica wewnętrznego wymiennika ciepła, która przekazuje ciepło do kanałów gorącego powietrza, wewnętrznego systemu grzewczego, takiego jak grzejniki wodne lub obiegi podłogowe oraz zasobnik ciepłej wody użytkowej.
Powietrzne pompy ciepła mogą zapewnić dość tanie ogrzewanie pomieszczeń. Wysokowydajna pompa ciepła może dostarczyć do czterech razy więcej ciepła niż elektryczny grzejnik oporowy przy tej samej ilości energii elektrycznej. Na koszt eksploatacji powietrznej pompy ciepła będzie miał wpływ cena energii elektrycznej w porównaniu z gazem (jeśli jest dostępny). Spalanie gazu lub oleju spowoduje emisję dwutlenku węgla, a także dwutlenku azotu, co może być szkodliwe dla zdrowia. Powietrzna pompa ciepła nie emituje dwutlenku węgla, tlenku azotu ani żadnego innego rodzaju gazu. Wykorzystuje niewielką ilość energii elektrycznej do przesyłania dużej ilości ciepła: energia elektryczna może pochodzić ze źródła odnawialnego lub może być wytwarzana w elektrowniach spalających paliwa kopalne.
„Standardowa” powietrzna pompa ciepła do użytku domowego może pobierać ciepło użytkowe do temperatury około -15°C (5°F). W niższych temperaturach zewnętrznych pompa ciepła jest mniej wydajna; można go wyłączyć, a pomieszczenie ogrzewać tylko dogrzewaniem (lub dogrzewaniem awaryjnym), jeśli system dogrzewania jest wystarczająco duży. Istnieją specjalnie zaprojektowane pompy ciepła, które, tracąc pewną wydajność w trybie chłodzenia, zapewniają użyteczną ekstrakcję ciepła nawet przy niższych temperaturach zewnętrznych.
W niektórych warunkach pogodowych utworzy się kondensacja, a następnie zamarznie na wężownicach wymiennika ciepła jednostki zewnętrznej, zmniejszając przepływ powietrza przez wężownice. Aby to usunąć, urządzenie wykonuje cykl odszraniania, przełączając się na tryb chłodzenia na kilka minut, ogrzewając wężownice do momentu stopienia lodu. Pompy ciepła powietrze-woda wykorzystują do tego celu ciepło z krążącej wody, co powoduje niewielki i prawdopodobnie niewykrywalny spadek temperatury wody; W przypadku systemów powietrze-powietrze ciepło jest pobierane z powietrza w budynku lub za pomocą nagrzewnicy elektrycznej.
W zimnym klimacie
Powietrzna pompa ciepła zaprojektowana specjalnie dla bardzo zimnych klimatów może pobierać użyteczne ciepło z otaczającego powietrza o temperaturze do -30 °C (-22°F). Jest to możliwe dzięki zastosowaniu sprężarek o zmiennej prędkości, a producenci to Mitsubishi i Fujitsu. Jeden model Mitsubishi zapewnia ciepło w temperaturze -35°C, ale współczynnik wydajności (COP) spada do 0,9, co wskazuje, że ogrzewanie oporowe byłoby bardziej wydajne w tej temperaturze. W temperaturze -30 °C COP wynosi 1,1, zgodnie z danymi producenta (literatura marketingowa producenta również podaje minimalny COP na poziomie 1,4 i wydajność do -30 °C). Chociaż powietrzne pompy ciepła są mniej wydajne niż dobrze zainstalowane gruntowe pompy ciepła w niskich temperaturach, powietrzne pompy ciepła mają niższe koszty początkowe i mogą być najbardziej ekonomicznym lub praktycznym wyborem.
Badanie przeprowadzone przez Natural Resources Canada wykazało, że pompy ciepła ze źródłem ciepła w zimnym klimacie (CC-ASHP) działają podczas kanadyjskich zim, na podstawie testów przeprowadzonych w Ottawie ( Ontario ) od końca grudnia 2012 r. do początku stycznia 2013 r. przy użyciu przewodowego CC-ASHP. (Raport nie określa wyraźnie, czy zapasowe źródła ciepła powinny być brane pod uwagę dla temperatur poniżej -30 °C. Rekordowo niski dla Ottawy wynosi -36 °C.) CC-ASHP zapewnił 60% oszczędności energii w porównaniu z gazem ziemnym (w energii jednostek). Jednak biorąc pod uwagę efektywność energetyczną w wytwarzaniu energii elektrycznej, w przypadku CC-ASHP zużywa się więcej energii w porównaniu do ogrzewania gazem ziemnym w prowincjach lub terytoriach ( Alberta , Nowa Szkocja i Terytoria Północno-Zachodnie ), gdzie dominującą metodą było wytwarzanie węgla wytwarzania energii elektrycznej. (Oszczędności energii w Saskatchewan były marginalne. Inne prowincje korzystają głównie z energii hydroelektrycznej i/lub jądrowej). ceny w Ottawie, Ontario) sprawiły, że gaz ziemny stał się tańszym źródłem energii. (Raport nie obliczył kosztów eksploatacji w prowincji Quebec , która ma niższe stawki za energię elektryczną, ani nie pokazał wpływu stawek czasu użytkowania energii elektrycznej.) Badanie wykazało, że w Ottawie CC-ASHP kosztował o 124% więcej do eksploatacji niż system gazu ziemnego. Jednak na obszarach, gdzie gaz ziemny nie jest dostępny dla właścicieli domów, można uzyskać 59% oszczędności kosztów energii w porównaniu z ogrzewaniem olejem opałowym. Raport zauważył, że około 1 miliona rezydencji w Kanadzie (8%) jest nadal ogrzewanych olejem opałowym. Raport pokazuje 54% oszczędności kosztów energii dla CC-ASHP w porównaniu do elektrycznego ogrzewania oporowego listwy przypodłogowej. W oparciu o te oszczędności, raport wykazał pięcioletni zwrot kosztów zamiany ogrzewania oporowego z oleju opałowego lub elektrycznego na system CC-ASHP. (Raport nie sprecyzował, czy obliczenia te uwzględniały możliwą potrzebę modernizacji usługi elektrycznej w przypadku konwersji z oleju opałowego. Przypuszczalnie modernizacja usługi elektrycznej nie byłaby potrzebna w przypadku konwersji z ciepła oporowego.) W raporcie odnotowano większe wahania w zakresie temperatury pokojowej z pompą ciepła ze względu na jej cykle odszraniania.
Stosowanie
Powietrzne pompy ciepła są używane do ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń nawet w chłodniejszym klimacie i mogą być efektywnie wykorzystywane do ogrzewania wody w łagodniejszych klimatach. Główną zaletą niektórych ASHP jest to, że ten sam system może być używany do ogrzewania zimą i chłodzenia latem. Chociaż koszt instalacji jest ogólnie wysoki, jest on niższy niż koszt gruntowej pompy ciepła , ponieważ gruntowa pompa ciepła wymaga wykopu w celu zainstalowania pętli gruntowej. Zaletą gruntowej pompy ciepła jest to, że ma ona dostęp do pojemności cieplnej gruntu, co pozwala jej produkować więcej ciepła przy mniejszej ilości energii elektrycznej w niskich temperaturach.
ASHP są czasami łączone z pomocniczymi lub awaryjnymi systemami ogrzewania, aby zapewnić ogrzewanie zapasowe, gdy temperatura zewnętrzna jest zbyt niska, aby pompa działała wydajnie lub w przypadku awarii pompy. Ponieważ ASHP wiążą się z wysokimi kosztami kapitałowymi, a wydajność spada wraz ze spadkiem temperatury, generalnie nie jest opłacalne dobranie rozmiaru systemu pod kątem najzimniejszego możliwego scenariusza temperaturowego, nawet jeśli ASHP mógłby zaspokoić całe zapotrzebowanie na ciepło przy najniższych oczekiwanych temperaturach. Piece na propan , gaz ziemny, olej lub pelet mogą zapewnić to dodatkowe ciepło.
Całkowicie elektryczne systemy rezerwowe mają piec elektryczny lub elektryczne ogrzewanie oporowe lub ogrzewanie taśmowe, które zwykle składa się z rzędów nagrzewających się cewek elektrycznych. Wentylator nadmuchuje nagrzane wężownice i rozprowadza ciepłe powietrze w całym domu. Służy to jako odpowiednie źródło ogrzewania, ale wraz ze spadkiem temperatury rosną koszty energii elektrycznej. Przerwy w dostawie energii elektrycznej stanowią takie samo zagrożenie jak centralne systemy wentylacyjne i kotły pompowe, ale piece na drewno i nieelektryczne wkłady kominkowe mogą złagodzić to ryzyko. Niektóre ASHP mogą być połączone z panelami słonecznymi jako podstawowym źródłem energii, a konwencjonalna sieć elektryczna jako źródło zapasowe.
Rozwiązania do magazynowania ciepła zawierające ogrzewanie oporowe mogą być stosowane w połączeniu z ASHP. Magazynowanie może być bardziej opłacalne, jeśli dostępne są stawki za czas użytkowania energii elektrycznej. Ciepło jest magazynowane w cegłach ceramicznych o wysokiej gęstości umieszczonych w izolowanej termicznie obudowie; przykładem są grzejniki akumulacyjne . ASHP można również łączyć z pasywnym ogrzewaniem słonecznym . Masa termiczna (taka jak beton lub skały) ogrzewana pasywnym ciepłem słonecznym może pomóc ustabilizować temperaturę w pomieszczeniach, pochłaniając ciepło w ciągu dnia i uwalniając ciepło w nocy, gdy temperatury na zewnątrz są niższe, a wydajność pompy ciepła jest niższa.
Sekcja zewnętrzna w niektórych jednostkach może „zamarzać”, gdy powietrze jest wystarczająco wilgotne, a temperatura zewnętrzna wynosi od 0 °C do 5 °C (32 °F do 41 °F). Ogranicza to przepływ powietrza przez wężownicę zewnętrzną. Jednostki te wykorzystują cykl odszraniania, w którym system tymczasowo przełącza się w tryb „chłodzenia”, aby przenieść ciepło z domu do wężownicy zewnętrznej w celu stopienia lodu. Cykl odszraniania znacznie zmniejsza wydajność pompy ciepła, chociaż nowsze (na żądanie) systemy są bardziej inteligentne i wymagają mniej odszraniania. Gdy temperatury spadają poniżej zera, tendencja do szronienia sekcji zewnętrznej zmniejsza się z powodu zmniejszonej wilgotności powietrza.
Modernizacja konwencjonalnych systemów grzewczych, w których zastosowano grzejniki/panele promiennikowe, nagrzewnice przypodłogowe z gorącą wodą lub nawet kanały o mniejszej średnicy, jest trudna do zastąpienia ciepłem z ASHP. Niższe temperatury wyjściowe pompy ciepła oznaczałyby konieczność zwiększenia wielkości grzejników lub zamontowania w zamian niskotemperaturowego ogrzewania podłogowego . Alternatywnie można zainstalować wysokotemperaturową pompę ciepła i zachować istniejące emitery ciepła.
Technologia
Ogrzewanie i chłodzenie odbywa się poprzez pompowanie czynnika chłodniczego przez wężownice wewnętrzne i zewnętrzne pompy ciepła. Podobnie jak w lodówce, sprężarka , skraplacz , zawór rozprężny i parownik służą do zmiany stanów czynnika chłodniczego z zimniejszej cieczy na cieplejszy stan gazu .
Gdy ciekły czynnik chłodniczy o niskiej temperaturze i niskim ciśnieniu przechodzi przez wężownice zewnętrznego wymiennika ciepła, ciepło otoczenia powoduje wrzenie cieczy (przemianę w gaz lub parę ): energia cieplna z powietrza zewnętrznego została pochłonięta i zmagazynowana w czynniku chłodniczym jako utajona ciepło . Gaz jest następnie sprężany za pomocą pompy elektrycznej; kompresja zwiększa temperaturę gazu.
Wewnątrz budynku gaz przechodzi przez zawór ciśnieniowy do wężownic wymiennika ciepła. Tam gorący gazowy czynnik chłodniczy skrapla się z powrotem do cieczy i przekazuje zmagazynowane ciepło utajone do powietrza wewnętrznego, ogrzewania wodnego lub systemu ciepłej wody. Powietrze wewnętrzne lub woda grzewcza są pompowane przez wymiennik ciepła za pomocą pompy elektrycznej lub wentylatora .
Chłodny ciekły czynnik chłodniczy wchodzi następnie ponownie do wężownic zewnętrznego wymiennika ciepła, aby rozpocząć nowy cykl.
Większość pomp ciepła może również działać w trybie chłodzenia, w którym zimny czynnik chłodniczy jest przemieszczany przez wężownice wewnętrzne w celu schłodzenia powietrza w pomieszczeniu.
Oceny wydajności
Sprawność powietrznych pomp ciepła mierzona jest współczynnikiem wydajności (COP). COP równy 3 oznacza, że pompa ciepła wytwarza 3 jednostki energii cieplnej na każdą 1 jednostkę zużywanej energii elektrycznej. W zakresie temperatur od -3 ° C do 10 ° C, COP dla wielu maszyn jest dość stabilny na poziomie 3-3,5.
Przy bardzo łagodnej pogodzie współczynnik COP powietrznej pompy ciepła może wynosić do 4. Jednak w mroźny zimowy dzień przenoszenie takiej samej ilości ciepła do pomieszczenia wymaga więcej pracy niż w łagodny dzień. Wydajność pompy ciepła jest ograniczona przez cykl Carnota i zbliża się do wartości 1,0, gdy wzrasta różnica temperatur między temperaturą zewnętrzną a wewnętrzną, co w przypadku większości powietrznych pomp ciepła ma miejsce, gdy temperatura zewnętrzna zbliża się do -18°C / 0°F. Konstrukcja pompy ciepła, która umożliwia dwutlenek węgla jako czynnik chłodniczy, może mieć COP wyższy niż 2, nawet do -20 °C, co obniża próg rentowności do -30 °C (-22°F). Pompa ciepła gruntowa ma stosunkowo mniejsze zmiany współczynnika COP temperaturach zewnętrznych zmian, ponieważ grunt, z którego ekstrakt że ciepło jest bardziej stałą temperaturę niż powietrze na zewnątrz.
Konstrukcja pompy ciepła ma duży wpływ na jej sprawność. Wiele powietrznych pomp ciepła jest zaprojektowanych przede wszystkim jako klimatyzatory , głównie do użytku w letnich temperaturach. Zaprojektowanie pompy ciepła specjalnie do celów wymiany ciepła może osiągnąć wyższy współczynnik COP i wydłużony cykl życia. Główne zmiany dotyczą skali i typu sprężarki i parownika.
Efektywność ogrzewania i chłodzenia skorygowana sezonowo jest określona odpowiednio przez współczynnik sezonowej wydajności ogrzewania (HSPF) i współczynnik sezonowej efektywności energetycznej (SEER).
W jednostkach napełnionych czynnikami chłodniczymi HFC , COP jest obniżony, gdy pompy ciepła są używane do podgrzewania wody użytkowej do temperatury powyżej 60 °C lub do ogrzewania konwencjonalnych systemów centralnego ogrzewania , które wykorzystują grzejniki do dystrybucji ciepła (zamiast układu ogrzewania podłogowego).
Zagrożenia i środki ostrożności
- Konwencjonalne powietrzne pompy ciepła tracą swoją wydajność, gdy temperatura zewnętrzna spada poniżej 5 stopni Celsjusza (około 41 stopni Fahrenheita). CC-ASHP (patrz wyżej) mogą działać wydajnie w temperaturach tak niskich jak -30C, chociaż mogą nie być tak wydajne w chłodzeniu w sezonie letnim jak konwencjonalne powietrzne pompy ciepła. Jeśli konwencjonalna powietrzna pompa ciepła jest używana w chłodniejszym klimacie, system potrzebuje dodatkowego źródła ciepła, aby uzupełnić pompę ciepła w przypadku ekstremalnie niskich temperatur lub gdy jest po prostu zbyt zimno, aby pompa ciepła w ogóle mogła działać.
- Dodatkowy system ogrzewania/ogrzewania awaryjnego, na przykład tradycyjny piec, jest również ważny, jeśli pompa ciepła działa nieprawidłowo lub jest naprawiana. W chłodniejszym klimacie pompy ciepła z systemem dzielonym w połączeniu z piecami gazowymi, olejowymi lub pelletowymi będą działać nawet w ekstremalnie niskich temperaturach.
Hałas
Gruntowa pompa ciepła nie wymaga jednostki zewnętrznej z ruchomymi elementami mechanicznymi: nie jest wytwarzany hałas z zewnątrz.
Powietrzna pompa ciepła wymaga jednostki zewnętrznej zawierającej ruchome elementy mechaniczne, w tym wentylatory, które generują hałas. W 2013 roku Europejski Komitet Normalizacyjny (CEN) rozpoczął prace nad normami ochrony przed hałasem powodowanym przez jednostki zewnętrzne pomp ciepła. Chociaż na początku biznesplanu CEN/TC 113 „konsumenci coraz częściej wymagają niskiej mocy akustycznej tych jednostek, ponieważ użytkownicy i ich sąsiedzi obecnie odrzucają hałaśliwe instalacje”, do stycznia nie opracowano żadnych norm dotyczących ekranów akustycznych ani innych środków ochrony przed hałasem. 2016.
W Stanach Zjednoczonych dozwolony poziom hałasu w nocy został zdefiniowany w 1974 r. jako „średni 24-godzinny limit narażenia wynoszący 55 decybeli ważonych A (dBA) w celu ochrony społeczeństwa przed wszelkimi negatywnymi skutkami dla zdrowia i dobrobytu w obszarach mieszkalnych (amerykańska Agencja Ochrony Środowiska 1974).Ten limit to 24-godzinny średni poziom hałasu (LDN) w ciągu dnia i nocy, z karą 10 dBA dla poziomów nocnych między 2200 a 7:00 w celu uwzględnienia zakłóceń snu i bez kary dla poziomów w ciągu dnia. Kara -dB(A) powoduje, że dopuszczalny poziom hałasu w USA w nocy wynosi 45 dB(A), co jest wyższy niż dopuszczalny w niektórych krajach europejskich, ale niższy niż hałas wytwarzany przez niektóre pompy ciepła.
Inną cechą zewnętrznych wymienników ciepła powietrznych pomp ciepła (ASHP) jest konieczność okresowego zatrzymania wentylatora na okres kilku minut w celu pozbycia się szronu gromadzącego się w jednostce zewnętrznej w trybie grzania. Następnie pompa ciepła zaczyna ponownie działać. Ta część cyklu pracy powoduje dwie nagłe zmiany hałasu wydawanego przez wentylator. Efekt akustyczny takich zakłóceń dla sąsiadów jest szczególnie silny w cichych środowiskach, w których hałas w tle w nocy może wynosić od 0 do 10 dBA. Jest to uwzględnione w ustawodawstwie we Francji. Zgodnie z francuską koncepcją uciążliwości hałasu, „powstawanie hałasu” to różnica między hałasem otoczenia, w tym hałasem przeszkadzającym, a hałasem otoczenia bez hałasu, który przeszkadza.
Spór
Jednostki napełnione czynnikami chłodniczymi HFC są często reklamowane jako technologia niskoenergetyczna lub zrównoważona, jednak jeśli HFC wycieknie z systemu, może przyczynić się do globalnego ocieplenia, mierzonego współczynnikiem ocieplenia globalnego (GWP) i potencjałem niszczenia warstwy ozonowej (ODP ). Ostatnie mandaty rządowe przyniosły stopniowe wycofywanie czynnika chłodniczego R-22 i zastąpienie go bardziej przyjaznym dla środowiska czynnikiem chłodniczym R-410A .
Wpływ na przedsiębiorstwa energetyczne
Podczas gdy pompy ciepła z systemami rezerwowymi innymi niż elektryczne ogrzewanie oporowe są często zachęcane przez przedsiębiorstwa energetyczne, powietrzne pompy ciepła stanowią problem dla przedsiębiorstw w okresie zimowym, jeśli ogrzewanie oporowe jest stosowane jako dodatkowe lub zastępcze źródło ciepła, gdy temperatura spadnie poniżej punktu aby pompa ciepła mogła zaspokoić całe zapotrzebowanie na ciepło w domu. Nawet jeśli istnieje nieelektryczny system rezerwowy, fakt, że wydajność ASHP spada wraz z temperaturami zewnętrznymi, jest problemem dla dostawców energii elektrycznej. Spadek sprawności oznacza, że ich obciążenie elektryczne gwałtownie wzrasta wraz ze spadkiem temperatury. Badanie przeprowadzone na terytorium Kanady w Jukonie , gdzie generatory diesla są wykorzystywane do osiągania szczytowej wydajności, wykazały , że powszechne stosowanie powietrznych pomp ciepła może prowadzić do zwiększonego zużycia oleju napędowego, jeśli zwiększone zapotrzebowanie na energię elektryczną spowodowane użyciem ASHP przekroczy dostępną moc hydroelektryczną. Pomimo tych obaw, badanie wykazało, że ASHP są opłacalną alternatywą ogrzewania dla mieszkańców Jukonu. Ponieważ farmy wiatrowe są coraz częściej wykorzystywane do dostarczania energii elektrycznej do sieci, zwiększone obciążenie zimą dobrze pasuje do zwiększonego wytwarzania energii przez turbiny wiatrowe , a spokojniejsze dni powodują zmniejszenie obciążenia grzewczego w większości domów, nawet jeśli temperatura powietrza jest niska.
Bibliografia
Literatura
Lato, John A. (1976). Domowe Pompy Ciepła. PRYZMAT Naciśnij. ISBN 0-904727-10-6 .