In tegenstelling tot alternatieve energieapparaten zoals zonnepanelen en windturbines, is de warmtepomp minder bekend. En tevergeefs. Het meest voorkomende grondwatersysteem werkt stabiel en is niet afhankelijk van weers- of klimatologische omstandigheden. En je kunt het zelf maken.
Een beetje theorie
Het is het gemakkelijkst om de natuurlijke warmte van de aarde te gebruiken om een huis te verwarmen als er geothermisch water in de regio is (zoals in IJsland gebeurt). Maar dergelijke omstandigheden zijn zeldzaam..
En tegelijkertijd is thermische energie overal – je hoeft het alleen maar te extraheren en het te laten werken. Dit is waar de warmtepomp voor is. Wat het doet:
- haalt energie uit natuurlijke bronnen op lage temperatuur;
- accumuleert het, dat wil zeggen, verhoogt de temperatuur tot hoge waarden;
- geeft het aan de koelvloeistof van het verwarmingssysteem.
In principe wordt een standaard compressor koelcircuit gebruikt, maar “vice versa”. In het eerste circuit circuleert een natuurlijke warmtedrager. Het is gesloten voor een warmtewisselaar die fungeert als verdamper voor het tweede circuit.
1 – aarde; 2 – pekelcirculatie; 3 – circulatiepomp; 4 – verdamper; 5 – compressor; 6 – condensator; 7 – verwarmingssysteem; 8 – koelmiddel; 9 – stikken
Het tweede circuit is de warmtepomp zelf, waarbinnen freon zit. Een warmtepompcyclus bestaat uit de volgende stappen:
- In de verdamper wordt freon verwarmd tot kookpunt. Het hangt af van het type freon en de druk in dit deel van het systeem (meestal tot 5 atmosfeer).
- In gasvormige toestand komt freon de compressor binnen en wordt gecomprimeerd tot 25 atmosfeer, terwijl de temperatuur stijgt (hoe groter de compressie, hoe hoger de temperatuur). Dit is de fase van warmteaccumulatie – van een groot volume met een lage temperatuur, een overgang naar een klein volume met een hoge temperatuur.
- Het gas dat door druk wordt verwarmd, komt de condensor binnen, waarin warmte wordt overgedragen aan het koelmiddel van het verwarmingssysteem.
- Na afkoeling komt de freon in de gasklep (ook bekend als debietregelaar of thermostatische klep). Daarin daalt de druk, condenseert freon en keert terug naar de verdamper in de vorm van een vloeistof.
Waar is het beter om warmte “weg te nemen”
In principe zijn er drie media waaruit warmte kan worden “verwijderd”:
1. Lucht. Bij normale druk koken alle soorten freonen bij negatieve temperaturen (bijvoorbeeld R22 – ongeveer -25 ° C, R404 en R502 – ongeveer -30 ° C). Maar voor circulatie in het systeem is het noodzakelijk om al in de eerste fase – verdamping – overdruk te creëren. Dezelfde 4 atmosfeer in de verdamper vereist dat de buitenluchttemperatuur minimaal 0 ° C is voor R22 en -5 ° C voor R404 en R502. In onze streken kan dit type warmtepomp worden gebruikt voor verwarming in het laagseizoen en voor warmwatervoorziening in het warme seizoen..
2. Water. Dit is een stabielere warmtebron, mits het reservoir in de winter niet naar de bodem bevriest. Maar het huis moet niet alleen naast een meer of rivier zijn, maar op de eerste rij.
3. Aarde. De meest stabiele bron van warmte-energie. U kunt twee schema’s gebruiken: horizontaal en verticaal. Horizontaal lijkt gemakkelijker omdat er niet geboord hoeft te worden. Maar er zal een grote hoeveelheid grondwerk moeten worden gedaan om een systeem van greppels te graven tot een diepte onder het niveau van bevriezing van de grond (voor middelste breedtegraden varieert het van 1 meter in het westen van het Europese deel van het land tot 1,6 – 1,8 dichter bij de Oeral, in Siberië is de situatie ‘nog erger’). “Het verticale schema is veelzijdiger en efficiënter, maar vereist boren tot een aanzienlijke diepte. Hoewel er meerdere ondiepe putten kunnen worden gebruikt in plaats van één diepe..
Schematisch diagram
Het warmtepompcircuit zelf is eenvoudig: verdamper – compressor – condensor – smoorspoel – verdamper.
Het hart van het circuit is de compressor. U kunt een nieuwe kopen, maar het is goedkoper om een gebruikte te vinden. We hebben het natuurlijk niet over energiezuinige compressoren voor huishoudelijke koelkasten, maar over modellen die in split-systemen zijn geïnstalleerd. Het is noodzakelijk om niet te focussen op het stroomverbruik, maar op het vermogen in verwarmingsmodus (dat is 5-20% hoger dan in koelmodus).
Het compressormodel is gekozen op basis van de verhouding van 1 kW per 10 m2. meter verwarmd gebied.
Aandacht! Het vermogen kan niet alleen in kW worden aangegeven, maar ook in BTU (Engelse meeteenheid voor thermische energie, gebruikt voor klimaattechnologie). De conversie is eenvoudig – deel de BTU-waarde door 3,4.
Bij het berekenen van de parameters van een warmtepomp, inclusief warmtewisselaars, wordt software gebruikt voor het modelleren, berekenen en optimaliseren van koelsystemen, bijvoorbeeld CoolPack
Al in het stadium van berekeningen (of liever, bij het specificeren van de “input”), kunt u het systeem optimaliseren door de optimale thermische omstandigheden te kiezen.
Het gebruik van een warmtepomp is effectief voor lage temperatuur verwarmingssystemen, bijvoorbeeld voor vloerverwarming met een temperatuur van maximaal 35-40 ° C. Overigens wordt dezelfde temperatuur aanbevolen voor medische vereisten voor het warmwatersysteem.
Voor elk type freon zijn er optimale temperaturen van “inlaat” en “uitlaat”, meer bepaald koken en condensatie, maar het verschil in alle is niet meer dan 45-50 ° C.
Het lijkt erop dat het verhogen van de temperatuur aan de uitlaat van de warmtepomp een positief effect zal hebben, maar dit is niet het geval. Het temperatuurverschil zal ook toenemen, wat zal leiden tot een afname van de COP (conversiefactor, of efficiëntie van een warmtemotor). Bovendien vereist dit het gebruik van een krachtigere compressor en extra energieverbruik..
De ideale COP kan niet worden bereikt (verliezen in de compressor, energieverbruik, warmteverliezen tijdens transport binnen het systeem, enz.), Dus de werkelijke waarden liggen meestal in het bereik van 3 tot 5.
Er is nog een manier om de efficiëntie te verhogen: het gebruik van een bivalent verwarmingscircuit.
In werkelijkheid is de werking van het verwarmingssysteem op volle capaciteit slechts nodig voor 15–20% van het hele seizoen. Gedurende deze tijd kunt u extra verwarmingsapparaten gebruiken (bijvoorbeeld een keramische kachel of convector). Het verminderen van het thermische ontwerpvermogen tot 80% bespaart op de compressor, vermindert de diepte van de put of de lengte van horizontale leidingen en vermindert het energieverbruik voor het onderhoud van de warmtepomp zelf.
Het ontwerp van de horizontale of verticale bodemwarmtewisselaar is afhankelijk van het opgegeven nominale warmtepompvermogen en COP. Gemiddeld wordt 20 W verwijderd van elke meter van de “horizon” (met een pijplegingsstap van minimaal 0,7 m), en van de “verticale” – 50 W. Maar de specifieke waarden zijn afhankelijk van het type gesteente en het vochtgehalte. De beste waarden voor grondwater.
Interessant! Er zijn ook andere grondwarmtewisselaars – “spiraal” of “mand”. In feite is het een verticale sonde gemaakt van een buis in de vorm van een spiraal, waardoor de boordiepte kan worden verminderd..
Bereken na het bepalen van de lengte van het horizontale circuit of de diepte van de verticale sonde de afmetingen van de verdamper en condensor.
Productie van verdamper en condensor
Zowel voor de verdamper (bij lage druk) als voor de condensor (bij drukken tot 25 bar) kunt u kant-en-klare warmtewisselaars kopen. Maar het is goedkoper om ze te maken van een koperen buis voor airconditioners (die speciaal is ontworpen om te werken met koudemiddelen onder hoge druk) en geïmproviseerde containers.
Belangrijk! Koperen leidingen voor loodgieterswerk zijn niet zo schoon en flexibel. Het is erger om het tijdens de installatie te solderen en te rollen.
Het oppervlak van de warmtewisselaar wordt berekend, dat recht evenredig is met het warmteafgiftevermogen en omgekeerd evenredig is met het temperatuurverschil van de warmtedragers aan de inlaat en uitlaat van elk aangesloten circuit (aardings- en verwarmingssysteem).
Als u de buisdiameter en het oppervlak kent, bepaalt u de lengte van elke batterij voor de verdamper en condensor.
Het is beter om een container te maken voor een condensator van roestvrij staal (de temperatuur van de inkomende freondamp kan behoorlijk hoog zijn):
- neem een kant-en-klare tank met een geschikte capaciteit (zodat een spiraal van een koperen buis past);
- plaats er een spoel in (ingang bovenaan, uitgang onderaan);
- verwijder de uiteinden van de koperen buis voor aansluiting op de compressor en expansieventiel (door solderen of flens);
- maak een koppeling van adapters in de tank voor het aansluiten van leidingen van het verwarmingssysteem;
- las het deksel.
De verdamper werkt op lagere temperaturen, dus u kunt er een goedkopere plastic container voor nemen, waarin adapters worden gesneden om verbinding te maken met de aardlus. Het verschilt ook van de condensor in de locatie van de warmtewisselaarspiraal – inlaat (vloeistoffase van freon van expansieklep) van onderaf, uitlaat naar de compressor van bovenaf.
Installatie van het circuit
Nadat de warmtewisselaars zijn vervaardigd, wordt het gashydraulische circuit gemonteerd:
- de compressor, condensor en verdamper zijn op hun plaats geïnstalleerd;
- koperen leidingen zijn gesoldeerd of verbonden met een flens;
- sluit de verdamper aan op de aardcircuitpomp;
- sluit de condensor aan op het verwarmingssysteem.
1 – circulatiepomp van het bodemcircuit; 2 – verdamper; 3 – uitgang van de bodemcontour; 4 – thermostatische klep; 5 – compressor; 6 – naar het verwarmingssysteem; 7 – condensator; 8 – Retour verwarmingssysteem
Het elektrische circuit (compressor, aardcircuitpomp, noodautomatisering) moet worden aangesloten via een speciaal circuit, dat redelijk hoge aanloopstromen moet weerstaan.
Het is absoluut noodzakelijk om een stroomonderbreker te gebruiken, evenals een noodstop van de temperatuurschakelaar: bij de wateruitlaat van de condensor (met oververhitting) en de pekeluitlaat van de verdamper (met overkoeling).
Is het mogelijk om een doe-het-zelf warmtepomp te gebruiken om woningen te verwarmen? Hoeveel technische kennis is hiervoor vereist en wat zijn de kosten? Zijn er specifieke materialen of gereedschappen nodig? En kan het ook effectief zijn in koudere klimaten? Ik ben benieuwd naar ervaringen en advies van mensen die dit al geprobeerd hebben.