Термопомпите са вид отоплителна и охладителна система, която е популярна със своята гъвкавост и ефективност. Те се различават от стандартните климатици и терминът „термопомпа“ понякога се използва като събирателно понятие за няколко вида ОВК (отопление, вентилация, климатизация) системи. Затова в тази публикация ще се стремим да отговорим на въпроси като:
2: С какво се различават термопомпите от стандартните климатични системи ?
3: Какви са различните видове термопомпи ?
Какво е термопомпа ?
Накратко, термопомпата е система за отопление, вентилация и климатизация, която използва цикъла на хладилния агент, за да осигурява едновременно отопление и охлаждане. Тези системи работят, за да изпомпват топлина в или от дадено пространство, в зависимост от режима.
Но независимо дали термопомпата се използва в жилищно, търговско или мащабно промишлено приложение, нейната функция е една и съща – „изпомпване“ на топлина в или от дадено пространство. Нещо повече, термопомпите са популярни отчасти поради факта, че след като тази топлина бъде изведена от помещението, тя може да бъде използвана за функции като отопление на битова гореща вода (БГВ) или подови отоплителни системи. Термопомпите се използват и в промишлени приложения, за да намалят загубите на топлинна енергия и да допринесат за подобряване на общата ефективност.
С какво се различават термопомпите от стандартните климатични системи ?
Въпреки че понякога се използват като взаимозаменяеми, термопомпата и климатикът не са непременно едно и също нещо. И двете използват хладилния цикъл, но в еднорежимния климатик хладилният агент се движи само в една посока. В термопомпените системи този поток е реверсивен, което позволява на системата да редува функциите на отопление и охлаждане според нуждите. Но за целта има някои специализирани компоненти, от които се нуждае една термопомпа, два примера за които са:
Реверсивен клапан
За да може термопомпата да превключва между режимите на отопление и охлаждане, потокът на хладилния агент в системата трябва да е реверсивен. Тук се намесва реверсивният клапан. Наричан още четирипътен вентил, реверсивният вентил пренасочва хладилния агент към следващия компонент в цикъла в зависимост от настройката си.
В режим на отопление вентилаторите издухват външния въздух през външната серпентина и топлинната енергия на въздуха се абсорбира от хладилния агент в тръбите на серпентината. След това хладилният агент се изпраща през реверсивния клапан, който тъй като е в режим на отопление – насочва газообразния хладилен агент с ниско налягане към компресора.
Хладилният агент напуска компресора като пара с високо налягане и висока температура. След това той се насочва към вътрешната серпентина, където през него преминава по-хладният въздух в помещението, който загрява помещението и при това кондензира хладилния агент до течност. След това течният хладилен агент се насочва към термичния разширителен вентил (TXV) на системата, където се разширява до газ, преди да бъде изпратен през външната серпентина и да започне отново цикъла.
В режим на охлаждане газообразният хладилен агент с високо налягане напуска компресора и влиза в реверсивния вентил, който е разположен така, че да пренасочва потока хладилен агент към външната серпентина. Там топлината се отделя от хладилния агент в околната среда, като в този процес той се кондензира до течност с високо налягане и ниска температура.
След това хладилният агент се насочва към TXV (вентил), където налягането и температурата му се намаляват, преди да постъпи във вътрешната серпентина като двуфазна смес. Преминаването на му през вътрешната серпентина завършва фазовата промяна от течност в газ, като енергията от по-топлото вътрешно пространство се абсорбира в хладилния агент и зоната се охлажда.
След това течността се връща обратно през реверсивния вентил в компресора, където процесът се повтаря. В цикъла на отопление на термопомпата вътрешната серпентина по същество служи като кондензатор на системата, а външната серпентина играе ролята на изпарител.
Реверсивните клапани могат да бъдат различни по сложност, но функцията „реверсиране“ е основното, което трябва да се знае за тях. Пример за 4-пътен реверсивен вентил е показан по-горе. Електромагнит с цифрово управление улеснява отварянето и затварянето му. Каналът в YouTube „The Engineering Mindset“ разполага с отличен видеоклип, който обяснява по-подробно реверсивните клапани.
Възвратен клапан
Понякога термопомпените системи имат два TXV (вентил) – единият се използва в режим на отопление, а другият – за охлаждане. За да се гарантира, че хладилният агент преминава само през единия от тях, възвратният клапан работи като железопътен превключвател, като насочва хладилния агент или през TXV, или го заобикаля в зависимост от режима. Два примера за възвратни клапани са показани на снимките в дясно: Възвратен клапан с люлееща се пружина (горе) и пружинен клапан.
Какви са различните видове термопомпи ?
След като разгледахме какво представляват термопомпите и някои от техните уникални компоненти, нека да поговорим за някои често срещани разновидности. Съществуват няколко вида термопомпени системи, като всички те изпълняват едни и същи функции, но по различен начин. Някои от най-разпространените конфигурации са:
- Термопомпи въздух-въздух
- Термопомпи въздух-вода
- Геотермални термопомпи
Термопомпи въздух-въздух
Наричани още термопомпи на въздух, термопомпените системи въздух-въздух имат много проста конструкция. Те вкарват външен въздух и чрез стандартния хладилен цикъл го кондиционират, за да охлаждат или отопляват помещението.
Термопомпите въздух-въздух са много популярни за жилищни и малки търговски приложения при умерен климат поради своята ефективност и гъвкавост. Вероятно това са видовете системи, които ви идват на ум, когато чуете „термопомпа“, и е напълно възможно вашият дом да разполага с нещо подобно. На схемата по-горе е показана типична жилищна термопомпена система, а на снимката по-долу е търговска термопомпа в жилищна сграда.
Термопомпи въздух-вода
Термопомпените системи въздух-вода функционират по начин, много сходен с този на аналогичните системи въздух-въздух. Но вместо да засмукват топлина от външния въздух, за да затоплят въздушен поток, термопомпите въздух-вода използват хладилния цикъл, за да манипулират температурата на флуидния поток.
В режим на отопление топлинната енергия се извлича от хладния външен въздух чрез стандартното компресиране/разширяване на хладилен агент и се прехвърля към поток от течност – обикновено вода или смес от гликол и вода. След това тази гореща вода се насочва към цялата сграда, където се използва за отопление на помещения, битова гореща вода или друга полезна функция. Този процес се обръща, когато е в режим на охлаждане, като топлинната енергия се прехвърля от външния въздух в поток от флуид, който се охлажда чрез хладилния цикъл, а абсорбираната топлина се изхвърля навън.
Геотермални термопомпи
На дълбочина по-голяма от 4-6 метра земната кора поддържа сравнително постоянна температура през цялата година. Земните термопомпи (GSHPs) – известни още като термопомпи, свързани със земята, или геотермални термопомпи – са системи със затворен цикъл, които използват тази топлинна енергия.
GSHPs имат топлообменник (или геоконтур), заровен в земята, както е показано на схемата по-долу, и свързан с останалите компоненти на термопомпата, разположени в структурата. Като работна течност често се използва разтвор на пропиленгликол поради по-малкото му въздействие върху околната среда в сравнение с етиленгликола.
В режим на отопление топлинната енергия от земята се абсорбира във флуида в геоконтура. Това повишава температурата на работния флуид, но не достатъчно, за да отговори на изискванията за натоварване. След това полузагрятата флуидна смес се изпраща вътре в изпарителя на системата, като се стартира цикълът на сгъстяване/разширяване на парите, който загрява флуида до степен, в която може да се използва за отопление на помещения или вода.
В режим на охлаждане топлият въздух от структурата се изпраща през геоконтура, където по-ниските температури на земята кондиционират флуида, преди да го върнат във вътрешната термопомпа. Там хладилният цикъл се използва за извличане на останалата енергия, необходима за удовлетворяване на изискванията на системата. Геоконтурът може да бъде заровен в земята, потопен в подпочвени води или свързан с кладенец или друг източник на вода. Геотермалните термопомпи, които включват вода, често се наричат термопомпи с воден източник, но функцията и компонентите на системата са същите.
Макар че геотермалните термопомпи са свързани с доста големи първоначални разходи, след инсталирането им те са изключително ефективни. Не е необичайно тези системи да произвеждат значително повече енергия, отколкото се влага в тях, като коефициентът на полезно действие (КПД) достига 4:1.
