חימום וקירור באמצעות משאבת חום-חלק 1

מבוא

אם אתה בוחן אפשרויות לחמם ולקרר את הבית שלך או להפחית את חשבונות האנרגיה שלך, אולי תרצה לשקול מערכת משאבת חום. משאבות חום הן טכנולוגיה מוכחת ואמינה בקנדה, המסוגלת לספק בקרת נוחות לביתכם לאורך כל השנה על ידי אספקת חום בחורף, קירור בקיץ, ובמקרים מסוימים, חימום מים חמים לביתכם.

משאבות חום יכולות להוות בחירה מצוינת במגוון יישומים, וגם לבתים חדשים וגם לחידושים של מערכות חימום וקירור קיימות. הם גם אופציה בעת החלפת מערכות מיזוג קיימות, שכן העלות המצטברת למעבר ממערכת קירור בלבד למשאבת חום היא לרוב נמוכה למדי. בהתחשב בעושר של סוגי מערכות ואפשרויות שונות, לעתים קרובות יכול להיות קשה לקבוע אם משאבת חום היא האפשרות הנכונה עבור הבית שלך.

אם אתה שוקל משאבת חום, סביר להניח שיש לך מספר שאלות, כולל:

• אילו סוגי משאבות חום קיימים?
• כמה מצרכי החימום והקירור השנתי שלי יכולה משאבת חום לספק?
• איזה גודל של משאבת חום אני צריך עבור הבית והיישום שלי?
• כמה עולות משאבות חום בהשוואה למערכות אחרות, וכמה אוכל לחסוך בחשבון האנרגיה שלי?
• האם אצטרך לבצע שינויים נוספים בבית שלי?
• כמה שירות תדרוש המערכת?

חוברת זו מספקת עובדות חשובות על משאבות חום כדי לעזור לך להיות מודע יותר, ותומכת בך בבחירה הנכונה עבור הבית שלך. באמצעות שאלות אלו כמדריך, חוברת זו מתארת ​​את הסוגים הנפוצים ביותר של משאבות חום, ודנה בגורמים המעורבים בבחירה, התקנה, הפעלה ותחזוקה של משאבת חום.

קהל יעד

חוברת זו מיועדת לבעלי בתים המחפשים מידע רקע על טכנולוגיות משאבות חום על מנת לתמוך בקבלת החלטות מושכלת לגבי בחירת מערכת ואינטגרציה, תפעול ותחזוקה. המידע המסופק כאן הוא כללי, ופרטים ספציפיים עשויים להשתנות בהתאם להתקנה ולסוג המערכת שלך. חוברת זו אינה אמורה להחליף עבודה עם קבלן או יועץ אנרגיה, אשר יבטיחו שההתקנה שלכם עונה על הצרכים והיעדים הרצויים שלכם.

הערה על ניהול אנרגיה בבית

משאבות חום הן מערכות חימום וקירור יעילות מאוד ויכולות להפחית משמעותית את עלויות האנרגיה שלך. בחשיבה על הבית כמערכת, מומלץ למזער את הפסדי החום מהבית שלך מאזורים כמו נזילת אוויר (דרך סדקים, חורים), קירות מבודדים גרוע, תקרות, חלונות ודלתות.

טיפול בבעיות אלו תחילה יכול לאפשר לך להשתמש בגודל משאבת חום קטן יותר, ובכך להפחית את עלויות ציוד משאבת החום ולאפשר למערכת שלך לפעול בצורה יעילה יותר.

מספר פרסומים המסבירים כיצד לעשות זאת זמינים מאת Natural Resources Canada.

מהי משאבת חום וכיצד היא פועלת?

משאבות חום הן טכנולוגיה מוכחת שנמצאת בשימוש במשך עשרות שנים, הן בקנדה והן בעולם, כדי לספק ביעילות חימום, קירור, ובמקרים מסוימים, מים חמים לבניינים. למעשה, סביר להניח שאתה מקיים אינטראקציה עם טכנולוגיית משאבות החום על בסיס יומי: מקררים ומזגנים פועלים באמצעות אותם עקרונות וטכנולוגיה. חלק זה מציג את היסודות של אופן פעולת משאבת חום, ומציג סוגי מערכות שונים.

מושגים בסיסיים של משאבת חום

משאבת חום היא מכשיר מונע חשמלי השואב חום ממקום בטמפרטורה נמוכה (מקור), ומעביר אותו למקום בטמפרטורה גבוהה יותר (כיור).

כדי להבין את התהליך הזה, חשבו על רכיבת אופניים מעל גבעה: אין צורך במאמץ לעבור מראש הגבעה לתחתית, שכן האופניים והרוכב יעברו באופן טבעי ממקום גבוה למקום נמוך יותר. עם זאת, עלייה במעלה הגבעה דורשת הרבה יותר עבודה, שכן האופניים נעים נגד כיוון התנועה הטבעי.

באופן דומה, חום זורם באופן טבעי ממקומות עם טמפרטורה גבוהה יותר למקומות עם טמפרטורות נמוכות יותר (למשל, בחורף, חום מבפנים המבנה הולך לאיבוד כלפי חוץ). משאבת חום משתמשת באנרגיה חשמלית נוספת כדי למנוע את זרימת החום הטבעית, ולשאוב את האנרגיה הזמינה במקום קר יותר למקום חם יותר.

אז איך משאבת חום מחממת או מקררת את הבית שלך? כאשר אנרגיה מופקת ממקור, הטמפרטורה של המקור יורדת. אם הבית משמש כמקור, תוסר אנרגיה תרמית ותקרר את החלל הזה. כך פועלת משאבת חום במצב קירור, והיא אותו עיקרון המשמש את המזגנים והמקררים. באופן דומה, כאשר מוסיפים אנרגיה לכיור, הטמפרטורה שלו עולה. אם הבית משמש כיור, תתווסף אנרגיה תרמית המחממת את החלל. משאבת חום היא הפיכה לחלוטין, כלומר היא יכולה גם לחמם וגם לקרר את הבית שלך, ולספק נוחות לאורך כל השנה.

מקורות וכיורים למשאבות חום

בחירת המקור והכיור עבור מערכת משאבת החום שלך היא דרך ארוכה בקביעת הביצועים, עלויות ההון ועלויות התפעול של המערכת שלך. סעיף זה מספק סקירה קצרה של מקורות וכיורים נפוצים ליישומי מגורים בקנדה.

מקורות: שני מקורות אנרגיה תרמית משמשים לרוב לחימום בתים באמצעות משאבות חום בקנדה:

• מקור אוויר: משאבת החום שואבת חום מהאוויר החיצוני בעונת החימום ודוחה חום בחוץ בעונת הקירור בקיץ.
• זה עשוי להיות מפתיע לדעת שגם כשהטמפרטורות החיצוניות קרות, עדיין זמינה הרבה אנרגיה שניתן לחלץ ולהעביר לבניין. לדוגמה, תכולת החום של האוויר ב-18 מעלות צלזיוס שווה ל-85% מהחום הכלול ב-21 מעלות צלזיוס. זה מאפשר למשאבת החום לספק מידה רבה של חימום, אפילו במזג אוויר קר יותר.
• מערכות מקור אוויר הן הנפוצות ביותר בשוק הקנדי, עם למעלה מ-700,000 יחידות מותקנות ברחבי קנדה.
• סוג זה של מערכת נדון ביתר פירוט בסעיף משאבות חום מקור אוויר.
• מקור קרקע: משאבת חום מקור קרקע משתמשת באדמה, במי התהום, או שניהם כמקור חום בחורף, וכמאגר לדחיית חום שהוצא מהבית בקיץ.
• משאבות חום אלו נפוצות פחות מיחידות מקור אוויר, אך הופכות לשימוש נרחב יותר בכל מחוזות קנדה. היתרון העיקרי שלהם הוא שהם אינם נתונים לתנודות טמפרטורה קיצוניות, תוך שימוש בקרקע כמקור טמפרטורה קבוע, וכתוצאה מכך הסוג היעיל ביותר באנרגיה של מערכת משאבות חום.
• סוג זה של מערכת נדון ביתר פירוט בסעיף משאבות חום מקור קרקע.

כיורים: שני כיורים לאנרגיה תרמית משמשים לרוב לחימום בתים עם משאבות חום בקנדה:

• האוויר הפנימי מחומם על ידי משאבת החום. זה יכול להיעשות באמצעות: המים בתוך הבניין מחוממים. לאחר מכן ניתן להשתמש במים אלה כדי לשרת מערכות טרמינלים כמו רדיאטורים, רצפה קורנת או יחידות סליל מאוורר באמצעות מערכת הידרונית.
  • מערכת תעלות מרכזית או
  • יחידה פנימית ללא צינורות, כגון יחידה צמודת קיר.

מבוא ליעילות משאבת חום

תנורים ודודים מספקים חימום חלל על ידי הוספת חום לאוויר באמצעות בעירה של דלק כגון גז טבעי או נפט לחימום. למרות שהיעילות השתפרה ללא הרף, הן עדיין נשארות מתחת ל-100%, כלומר לא כל האנרגיה הזמינה מהבעירה משמשת לחימום האוויר.

משאבות חום פועלות על עיקרון אחר. כניסת החשמל למשאבת החום משמשת להעברת אנרגיה תרמית בין שני מקומות. זה מאפשר למשאבת החום לפעול בצורה יעילה יותר, עם יעילות טיפוסית הרבה יותר

100%, כלומר מופקת יותר אנרגיה תרמית מכמות האנרגיה החשמלית המשמשת לשאיבתה.

חשוב לציין שיעילות משאבת החום תלויה מאוד בטמפרטורות המקור והכיור. בדיוק כמו שגבעה תלולה יותר דורשת יותר מאמץ כדי לטפס על אופניים, הפרשי טמפרטורות גדולים יותר בין המקור והכיור של משאבת החום מחייבים אותה לעבוד קשה יותר, ויכולים להפחית את היעילות. קביעת הגודל הנכון של משאבת חום כדי למקסם את היעילות העונתית היא קריטית. היבטים אלה נדונים ביתר פירוט בסעיפים משאבות חום מקור אוויר ומשאבות חום מקור קרקע.

טרמינולוגיה של יעילות

מגוון מדדי יעילות משמשים בקטלוגים של יצרנים, מה שעלול להפוך את הבנת ביצועי המערכת למעט מבלבלת עבור קונה בפעם הראשונה. להלן פירוט של כמה מונחי יעילות נפוצים:

מדדי מצב יציב: מדדים אלה מתארים את יעילות משאבת החום ב'מצב יציב', כלומר, ללא תנודות אמיתיות בעונה ובטמפרטורה. ככזה, ערכם יכול להשתנות באופן משמעותי כאשר טמפרטורות המקור והכיור, ופרמטרים תפעוליים אחרים, משתנים. מדדי מצב יציב כוללים:

מקדם ביצועים (COP): ה-COP הוא יחס בין הקצב שבו משאבת החום מעבירה אנרגיה תרמית (בקילו-וואט), לבין כמות הכוח החשמלי הנדרש לביצוע השאיבה (ב-kW). לדוגמה, אם משאבת חום השתמשה ב-1kW של אנרגיה חשמלית כדי להעביר 3kW של חום, ה-COP יהיה 3.

יחס יעילות אנרגטית (EER): ה-EER דומה ל-COP, ומתאר את יעילות הקירור במצב יציב של משאבת חום. היא נקבעת על ידי חלוקת כושר הקירור של משאבת החום ב-Btu/h בכניסת האנרגיה החשמלית בוואט (W) בטמפרטורה מסוימת. EER קשור אך ורק לתיאור יעילות הקירור במצב יציב, בניגוד ל-COP שניתן להשתמש בו כדי לבטא את היעילות של משאבת חום בחימום כמו גם בקירור.

מדדי ביצועים עונתיים: מדדים אלו נועדו לתת אומדן טוב יותר של ביצועים במהלך עונת חימום או קירור, על ידי שילוב שינויים "במציאות" בטמפרטורות לאורך העונה.

מדדים עונתיים כוללים:

• גורם ביצועי חימום עונתי (HSPF): HSPF הוא היחס בין כמות האנרגיה שמספקת משאבת החום לבניין לאורך עונת החימום המלאה (ב-Btu), לסך האנרגיה (ב-Watthours) שהיא משתמשת באותה תקופה.

מאפייני נתוני מזג האוויר של תנאי אקלים ארוכי טווח משמשים לייצוג עונת החימום בחישוב ה-HSPF. עם זאת, חישוב זה מוגבל בדרך כלל לאזור בודד, וייתכן שאינו מייצג באופן מלא את הביצועים ברחבי קנדה. חלק מהיצרנים יכולים לספק HSPF לאזור אקלים אחר לפי בקשה; עם זאת, בדרך כלל מדווחים HSPFs עבור אזור 4, המייצגים אקלים דומה למערב התיכון של ארה"ב. אזור 5 יכסה את רוב החצי הדרומי של המחוזות בקנדה, מהפנים לפני הספירה דרך ניו ברונסוויק הערת שוליים1.

• יחס יעילות אנרגטית עונתי (SEER): SEER מודד את יעילות הקירור של משאבת החום לאורך כל עונת הקירור. הוא נקבע על ידי חלוקת הקירור הכולל הניתן במהלך עונת הקירור (ב-Btu) באנרגיה הכוללת המשמשת את משאבת החום במהלך אותו זמן (בוואט-שעות). ה-SEER מבוסס על אקלים עם טמפרטורת קיץ ממוצעת של 28 מעלות צלזיוס.

טרמינולוגיה חשובה עבור מערכות משאבות חום

הנה כמה מונחים נפוצים שאתה עשוי להיתקל בהם בעת חקירת משאבות חום.

רכיבי מערכת משאבת חום

הקירור הוא הנוזל שמסתובב דרך משאבת החום, סופג, מעביר ומשחרר חום לסירוגין. בהתאם למיקומו, הנוזל עשוי להיות נוזלי, גזי או תערובת גז/אדים

שסתום ההיפוך שולט על כיוון הזרימה של נוזל הקירור במשאבת החום ומשנה את משאבת החום ממצב חימום למצב קירור או להיפך.

סליל הוא לולאה, או לולאות, של צינורות שבה מתבצעת העברת חום בין המקור/כיור לקירור. לצינורות עשויים להיות סנפירים כדי להגדיל את שטח הפנים הזמין להחלפת חום.

המאייד הוא סליל שבו נוזל הקירור סופג חום מסביבתו ורותח והופך לאדים בטמפרטורה נמוכה. כאשר נוזל הקירור עובר משסתום ההיפוך למדחס, המצבר אוסף כל עודפי נוזל שלא התאדה לגז. עם זאת, לא לכל משאבות החום יש מצבר.

המדחס סוחט את המולקולות של גז הקירור יחד, ומעלה את הטמפרטורה של הקירור. מכשיר זה מסייע בהעברת אנרגיה תרמית בין המקור לכיור.

המעבה הוא סליל שבו נוזל הקירור פולט חום לסביבתו והופך לנוזל.

התקן ההרחבה מוריד את הלחץ שנוצר על ידי המדחס. זה גורם לירידה בטמפרטורה, וחומר הקירור הופך לתערובת אדי/נוזל בטמפרטורה נמוכה.

היחידה החיצונית היא המקום שבו החום מועבר אל/מן האוויר החיצוני במשאבת חום מקור אוויר. יחידה זו מכילה בדרך כלל סליל מחליף חום, המדחס ושסתום ההרחבה. הוא נראה ופועל באותו אופן כמו החלק החיצוני של מזגן.

הסליל הפנימי הוא המקום בו מועבר חום אל/מאיר פנימי בסוגים מסוימים של משאבות חום מקור אוויר. בדרך כלל, היחידה הפנימית מכילה סליל מחליף חום, ועשויה לכלול גם מאוורר נוסף כדי להזרים אוויר מחומם או מקורר לחלל התפוס.

המליאה, שרואים רק במתקנים עם תעלות, היא חלק מרשת חלוקת האוויר. המליאה היא תא אוויר המהווה חלק מהמערכת לחלוקת אוויר מחומם או מקורר דרך הבית. זה בדרך כלל תא גדול מיד מעל או סביב מחליף החום.

תנאים אחרים

יחידות מדידה עבור קיבולת, או שימוש בחשמל:

• Btu/h, או יחידה תרמית בריטית לשעה, היא יחידה המשמשת למדידת תפוקת החום של מערכת חימום. Btu אחד הוא כמות אנרגיית החום המופקת מנר יום הולדת טיפוסי. אם אנרגיית החום הזו הייתה משתחררת במהלך שעה אחת, היא תהיה שווה ערך ל-Btu/h אחד.
• קילוואט, או קילוואט, שווה ל-1000 וואט. זוהי כמות הכוח הנדרשת לעשר נורות 100 וואט.
• טון הוא מדד לקיבולת משאבת חום. זה שווה ערך ל-3.5 קילוואט או 12,000 Btu/h.

משאבות חום מקור אוויר

משאבות חום ממקור אוויר משתמשות באוויר החיצוני כמקור לאנרגיה תרמית במצב חימום, וככיור לדחיית אנרגיה במצב קירור. ניתן לסווג את סוגי המערכות הללו לשתי קטגוריות:

משאבות חום אוויר-אוויר. יחידות אלה מחממות או מקררות את האוויר בתוך הבית שלך, ומייצגות את הרוב המכריע של שילוב משאבות חום מקור אוויר בקנדה. ניתן לסווג אותם בהתאם לסוג ההתקנה:

• צינור: הסליל הפנימי של משאבת החום ממוקם בתעלה. האוויר מחומם או מקורר על ידי מעבר על הסליל, לפני שהוא מופץ דרך התעלות למקומות שונים בבית.
• ללא צינורות: הסליל הפנימי של משאבת החום ממוקם ביחידה פנימית. יחידות פנימיות אלו ממוקמות בדרך כלל על הרצפה או הקיר של חלל תפוס, ומחממות או מקררות את האוויר באותו חלל ישירות. בין היחידות הללו, ייתכן שתראה את המונחים מיני-ורב-פיצול:
  • מיני-ספליט: יחידה פנימית אחת ממוקמת בתוך הבית, מוגשת על ידי יחידה חיצונית אחת.
  • רב מפוצל: מספר יחידות פנימיות ממוקמות בבית, ומוגשות על ידי יחידה חיצונית אחת.

מערכות אוויר-אוויר יעילות יותר כאשר הפרש הטמפרטורה בין פנים לחוץ קטן יותר. בגלל זה, משאבות חום אוויר-אוויר בדרך כלל מנסות לייעל את יעילותן על ידי אספקת נפח גבוה יותר של אוויר חם, וחימום אוויר זה לטמפרטורה נמוכה יותר (בדרך כלל בין 25 ל-45 מעלות צלזיוס). זה מנוגד למערכות תנורים, המספקות נפח אוויר קטן יותר, אך מחממות את האוויר לטמפרטורות גבוהות יותר (בין 55 מעלות צלזיוס ל-60 מעלות צלזיוס). אם אתה עובר למשאבת חום מתנור, ייתכן שתבחין בכך כאשר תתחיל להשתמש במשאבת החום החדשה שלך.

משאבות חום אוויר-מים: פחות נפוצות בקנדה, משאבות חום אוויר-מים מחממות או מקררות מים, והן משמשות בבתים עם מערכות הפצה הידרוניות (על בסיס מים) כגון רדיאטורים בטמפרטורה נמוכה, רצפות קורנות או יחידות סליל מאוורר. במצב חימום, משאבת החום מספקת אנרגיה תרמית למערכת ההידרונית. תהליך זה מתהפך במצב קירור, ואנרגיה תרמית מופקת מהמערכת ההידרונית ונדחת לאוויר החיצוני.

טמפרטורות ההפעלה במערכת ההידרונית הן קריטיות בעת הערכת משאבות חום אוויר-מים. משאבות חום אוויר-מים פועלות ביעילות רבה יותר כאשר מחממות את המים לטמפרטורות נמוכות יותר, כלומר מתחת ל-45 עד 50 מעלות צלזיוס, וככאלה מתאימות יותר לרצפות קורנות או למערכות סליל מאוורר. יש להיזהר אם שוקלים את השימוש בהם ברדיאטורים בטמפרטורה גבוהה הדורשים טמפרטורות מים מעל 60 מעלות צלזיוס, שכן טמפרטורות אלו בדרך כלל חורגות מהגבולות של רוב משאבות החום למגורים.

היתרונות העיקריים של משאבות חום ממקור אוויר

התקנת משאבת חום מקור אוויר יכולה להציע לך מספר יתרונות. חלק זה בוחן כיצד משאבות חום ממקור אוויר יכולות להועיל לטביעת הרגל האנרגטית הביתית שלך.

יְעִילוּת

היתרון העיקרי של שימוש במשאבת חום מקור אוויר הוא היעילות הגבוהה שהיא יכולה לספק בחימום בהשוואה למערכות טיפוסיות כמו תנורים, דוודים ולוחות בסיס חשמליים. ב-8°C, מקדם הביצועים (COP) של משאבות חום ממקור אוויר נע בדרך כלל בין 2.0 ל-5.4. המשמעות היא שעבור יחידות עם COP של 5, 5 קילוואט שעות (קוט"ש) של חום מועברים עבור כל קילוואט חשמל המסופק למשאבת החום. ככל שטמפרטורת האוויר החיצונית יורדת, ה-COP נמוכים יותר, מכיוון שמשאבת החום חייבת לפעול על פני הפרש טמפרטורות גדול יותר בין החלל הפנימי והחיצוני. ב-8°C, COPs יכולים לנוע בין 1.1 ל-3.7.

על בסיס עונתי, מקדם ביצועי חימום עונתי (HSPF) של יחידות זמינות בשוק יכול להשתנות בין 7.1 ל-13.2 (אזור V). חשוב לציין כי הערכות HSPF אלו הן עבור אזור עם אקלים דומה לאוטווה. החיסכון בפועל תלוי מאוד במיקום התקנת משאבת החום שלך.

שמירת אנרגיה

היעילות הגבוהה יותר של משאבת החום יכולה לתרגם להפחתת צריכת אנרגיה משמעותית. החיסכון בפועל בבית שלך יהיה תלוי במספר גורמים, כולל האקלים המקומי שלך, יעילות המערכת הנוכחית שלך, גודל וסוג משאבת החום ואסטרטגיית הבקרה. מחשבונים מקוונים רבים זמינים כדי לספק הערכה מהירה של כמה חיסכון באנרגיה אתה יכול לצפות עבור היישום הספציפי שלך. הכלי ASHP-Eval של NRCan זמין באופן חופשי ויכול לשמש מתקינים ומעצבים מכניים כדי לעזור לייעץ לגבי המצב שלך.

כיצד פועלת משאבת חום מקור אוויר?

תמלול

למשאבת חום מקור אוויר יש שלושה מחזורים:

• מחזור החימום: אספקת אנרגיה תרמית לבניין
• מחזור הקירור: הסרת אנרגיה תרמית מהבניין
• מחזור ההפשרה: הסרת הכפור
• הצטברות על סלילים חיצוניים

מחזור החימום

הֶעָרָה:

חלק מהמאמרים לקוחים מהאינטרנט. אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה. אם אתה מעניין במוצרי משאבות חום, אנא אל תהסס לפנות לחברת משאבות חום OSB, אנחנו הבחירה הטובה ביותר שלך.