Hava kaynaklı ısı pompası - Air source heat pump
Bir hava kaynaklı ısı pompası (ASHP) bir tersine çevrilebilir ısı pompası zaman modunda ısıtma bir ısı kaynağı olarak dış havayı kullanır, ya da bir ısı dağıtma tertibatı olarak aynı kullanarak soğutma modunda buhar sıkıştırmalı soğutma süreci ve aynı dış ısı eşanjörü ile klimalar tarafından kullanılan bir fan .
Havadan havaya ısı pompaları daha basit cihazlardır ve bir veya iki iç alana doğrudan sıcak veya soğuk hava sağlar. Buna karşılık, havadan suya ısı pompaları , bütün bir evi ısıtmak veya soğutmak için radyatörler ve / veya yerden ısıtma kullanır ve genellikle kullanım sıcak suyu sağlamak için de kullanılır. Doğru belirtildiğinde, bir ASHP tam bir merkezi ısıtma çözümü ve 80 °C'ye (176 °F) kadar kullanım sıcak suyu sunabilir.
Açıklama
Mutlak sıfırın üzerindeki herhangi bir sıcaklıktaki hava bir miktar enerji içerir. Bir hava kaynaklı ısı pompası, bu enerjinin bir kısmını ısı olarak bir yerden diğerine, örneğin bir binanın içi ve dışı arasında aktarır. Bu, alan ısıtma ve sıcak su sağlayabilir. Tek bir sistem, ısıyı her iki yönde de aktarmak, sırasıyla kışın ve yazın binanın içini ısıtmak veya soğutmak için tasarlanabilir. Basit olması için aşağıdaki açıklama, iç mekan ısıtması için kullanıma odaklanmaktadır.
Teknoloji, bir buzdolabına veya dondurucuya veya klima ünitesine benzer: farklı etki, farklı sistem bileşenlerinin fiziksel konumundan kaynaklanmaktadır. Nasıl ki buzdolabının arkasındaki borular içeri soğudukça ısınıyorsa, ASHP de dışarıdaki havayı soğuturken binanın içini ısıtır.
Hava kaynaklı ısı pompasının ana bileşenleri şunlardır:
- Ortam havasından ısı çeken bir dış ısı eşanjör bobini
- Isıyı sıcak hava kanallarına aktaran bir iç ısı eşanjör serpantini, su dolu radyatörler veya yerden devreler gibi bir iç ısıtma sistemi ve bir kullanım sıcak suyu deposu.
Hava kaynaklı ısı pompaları oldukça düşük maliyetli alan ısıtması sağlayabilir. Yüksek verimli bir ısı pompası, aynı miktarda elektrik kullanan bir elektrikli rezistanslı ısıtıcıdan dört kata kadar daha fazla ısı sağlayabilir. Bir hava kaynaklı ısı pompasının kullanım ömrü maliyeti, gaza kıyasla elektriğin fiyatından (varsa) etkilenecektir. Yanan gaz veya petrol, karbondioksit ve ayrıca sağlığa zararlı olabilecek nitrojen dioksit yayacaktır. Hava kaynaklı bir ısı pompası karbondioksit, nitrojen oksit veya başka herhangi bir gaz üretmez. Büyük miktarda ısıyı aktarmak için az miktarda elektrik kullanır: elektrik yenilenebilir bir kaynaktan olabilir veya fosil yakıt yakan elektrik santrallerinden üretilebilir.
"Standart" bir ev tipi hava kaynaklı ısı pompası, faydalı ısıyı yaklaşık -15 °C'ye (5 °F) kadar çıkarabilir. Daha soğuk dış ortam sıcaklıklarında ısı pompası daha az verimlidir; ek ısıtma sistemi yeterince büyükse kapatılabilir ve bina yalnızca ek ısı (veya acil durum ısısı) kullanılarak ısıtılabilir. Soğutma modunda bir miktar performanstan vazgeçerken, dış ortam sıcaklıklarını daha da düşürmek için faydalı ısı tahliyesi sağlayacak özel olarak tasarlanmış ısı pompaları vardır.
Bazı hava koşullarında yoğuşma oluşacak ve ardından dış ünitenin ısı eşanjörünün serpantinlerinde donarak serpantinlerden geçen hava akışını azaltacaktır. Bunu gidermek için ünite bir buz çözme döngüsü çalıştırır, birkaç dakika soğutma moduna geçer, buz eriyene kadar bobinleri ısıtır. Havadan Suya ısı pompaları bu amaç için dolaşan sudan gelen ısıyı kullanır, bu da su sıcaklığında küçük ve muhtemelen saptanamayan bir düşüşe neden olur; Havadan havaya sistemlerde ısı ya binadaki havadan ya da elektrikli ısıtıcı kullanılarak alınır.
Soğuk iklimlerde
Çok soğuk iklimler için özel olarak tasarlanmış bir hava kaynaklı ısı pompası, -30 °C (−22 °F) kadar soğuk ortam havasından faydalı ısıyı çıkarabilir. Bu, değişken hızlı kompresörlerin kullanılmasıyla mümkün olur ve üreticiler arasında Mitsubishi ve Fujitsu bulunur. Bir Mitsubishi modeli −35 °C'de ısı sağlar, ancak performans katsayısı (COP) 0,9'a düşer, bu da dirençli ısıtmanın bu sıcaklıkta daha verimli olacağını gösterir. Üreticinin verilerine göre -30 °C'de COP 1,1'dir (üreticinin pazarlama literatürü ayrıca minimum COP'nin 1.4 olduğunu ve -30 °C'ye kadar performans gösterdiğini iddia eder). Hava kaynaklı ısı pompaları, soğuk koşullarda iyi kurulmuş toprak kaynaklı ısı pompalarından daha az verimli olsa da , hava kaynaklı ısı pompaları daha düşük başlangıç maliyetlerine sahiptir ve en ekonomik veya pratik seçim olabilir.
Natural Resources Canada tarafından yapılan bir araştırma , soğuk iklim hava kaynaklı ısı pompalarının (CC-ASHP'ler), kanallı bir CC-ASHP kullanılarak Ottawa'da ( Ontario ) Aralık 2012'nin sonlarında Ocak 2013'ün başlarında yapılan testlere dayanarak Kanada kışlarında çalıştığını buldu . (Rapor, -30 °C'nin altındaki sıcaklıklar için yedek ısı kaynaklarının dikkate alınması gerekip gerekmediğini açıkça belirtmemektedir. Ottawa için rekor düşük seviye −36 °C'dir.) CC-ASHP, doğal gaza kıyasla (enerjide) %60 enerji tasarrufu sağlamıştır. birimler). Bununla birlikte, elektrik üretiminde enerji verimliliği göz önüne alındığında, CC-ASHP ile, kömürle çalışan üretimin baskın yöntem olduğu illerde veya bölgelerde ( Alberta , Nova Scotia ve Kuzeybatı Toprakları ) doğal gazla ısıtmaya göre daha fazla enerji kullanılacaktır. elektrik üretiminin. ( Saskatchewan'daki enerji tasarrufu marjinaldi. Diğer iller öncelikle hidroelektrik ve/veya nükleer üretim kullanıyor.) Esas olarak kömüre dayalı olmayan illerde gaza göre önemli enerji tasarrufuna rağmen, doğal gaza göre daha yüksek elektrik maliyeti (2012 perakende Ottawa, Ontario'daki fiyatlar) doğalgazı daha ucuz enerji kaynağı haline getirdi. (Rapor , daha düşük elektrik fiyatlarına sahip olan Quebec eyaletindeki işletme maliyetini hesaplamadı ve kullanım süresi elektrik fiyatlarının etkisini göstermedi.) Çalışma, Ottawa'da bir CC-ASHP'nin %124 daha pahalıya mal olduğunu buldu. doğal gaz sisteminden daha fazla çalıştırmak için. Ancak doğal gazın ev sahibi tarafından kullanılamadığı bölgelerde fuel oil ile ısıtmaya göre %59 enerji maliyeti tasarrufu sağlanabilmektedir. Rapor, Kanada'da yaklaşık 1 milyon konutun (%8) hala akaryakıt ile ısıtıldığını kaydetti. Rapor, elektrikli süpürgelik dirençli ısıtmaya göre CC-ASHP'ler için %54 enerji maliyeti tasarrufu gösteriyor. Bu tasarruflara dayanarak, rapor, akaryakıt veya elektrikli süpürgelik dirençli ısıtmadan bir CC-ASHP'ye dönüştürmenin beş yıllık bir geri ödemesini gösterdi. (Rapor, bu hesaplamanın akaryakıttan dönüştürme durumunda olası bir elektrik hizmeti yükseltme ihtiyacının dikkate alınıp alınmadığını belirtmedi. Elektrik rezistans ısısından dönüştürme durumunda muhtemelen hiçbir elektrik hizmeti yükseltmesine gerek olmayacaktı.) Rapor, daha büyük dalgalanmalara dikkat çekti. defrost döngüleri nedeniyle ısı pompası ile oda sıcaklığı.
kullanım
Hava kaynaklı ısı pompaları, daha soğuk iklimlerde bile iç mekan ısıtma ve soğutma sağlamak için kullanılır ve daha ılıman iklimlerde su ısıtması için verimli bir şekilde kullanılabilir. Bazı ASHP'lerin en büyük avantajı, aynı sistemin kışın ısıtma ve yazın soğutma için kullanılabilmesidir. Kurulum maliyeti genellikle yüksek olsa da, toprak kaynaklı ısı pompasının maliyetinden daha düşüktür , çünkü toprak kaynaklı bir ısı pompası, toprak döngüsünü kurmak için kazı gerektirir. Toprak kaynaklı ısı pompasının avantajı, soğuk koşullarda daha az elektrik için daha fazla ısı üretmesini sağlayan toprağın termal depolama kapasitesine erişimi olmasıdır.
ASHP'ler, dış sıcaklıklar pompanın verimli çalışması için çok düşük olduğunda veya pompanın arızalanması durumunda yedek ısı sağlamak için bazen yardımcı veya acil durum ısıtma sistemleriyle eşleştirilir. ASHP'lerin yüksek sermaye maliyetleri olduğundan ve sıcaklık düştükçe verimlilik düştüğünden, bir ASHP beklenen en düşük sıcaklıklarda tüm ısı gereksinimini karşılasa bile, bir sistemi mümkün olan en düşük sıcaklık senaryosu için boyutlandırmak genellikle uygun maliyetli değildir. Propan , doğal gaz, yağ veya pelet yakıtlı fırınlar bu ek ısıyı sağlayabilir.
Tamamen elektrikli yedekleme sistemleri, tipik olarak ısınan elektrik bobinlerinden oluşan bir elektrikli fırına veya elektrik dirençli ısıya veya şerit ısıya sahiptir. Bir fan, ısıtılmış bobinlerin üzerine üfler ve sıcak havayı evin içinde dolaştırır. Bu, yeterli bir ısıtma kaynağı olarak hizmet eder, ancak sıcaklıklar düştükçe elektrik maliyetleri artar. Elektrik servis kesintileri, merkezi cebri hava sistemleri ve pompa tabanlı kazanlar ile aynı tehdidi oluşturur , ancak odun sobaları ve elektrikli olmayan şömine eklentileri bu riski azaltabilir. Bazı ASHP'ler, yedek kaynak olarak geleneksel bir elektrik şebekesi ile birincil enerji kaynağı olarak güneş panellerine bağlanabilir .
Dirençli ısıtma içeren termal depolama çözümleri, ASHP'ler ile birlikte kullanılabilir. Kullanım süresi elektrik fiyatları mevcutsa, depolama daha uygun maliyetli olabilir. Isı, termal olarak yalıtılmış bir mahfaza içinde bulunan yüksek yoğunluklu seramik tuğlalarda depolanır; depolama ısıtıcıları bir örnektir. ASHP'ler ayrıca pasif güneş enerjisiyle ısıtma ile eşleştirilebilir . Pasif güneş ısısıyla ısıtılan termal kütle (beton veya kayalar gibi), iç ortam sıcaklıklarının dengelenmesine yardımcı olabilir, gün boyunca ısıyı emer ve dış ortam sıcaklıkları daha soğuk ve ısı pompası verimliliği daha düşük olduğunda geceleri ısıyı serbest bırakır.
Havada yeterli nem olduğunda ve dış sıcaklık 0 °C ila 5 °C (32 °F ila 41 °F) arasında olduğunda, bazı ünitelerdeki dış kısım 'donabilir'. Bu, dış bobin boyunca hava akışını kısıtlar. Bu üniteler, buzu eritmek için ısıyı evden dış bobine taşımak için sistemin geçici olarak 'soğutma' moduna geçtiği bir defrost döngüsü kullanır. Defrost döngüsü, daha yeni (talep) sistemler daha akıllı olmasına ve daha az defrost gerektirmesine rağmen, ısı pompasının verimliliğini önemli ölçüde azaltır. Sıcaklıklar donma noktasının altına düştüğünde, havadaki nemin azalması nedeniyle dış bölümün donma eğilimi azalır.
ASHP kaynaklı ısı ile radyatörler/radyan paneller, sıcak su süpürgelik ısıtıcıları ve hatta daha küçük çaplı kanallar kullanan geleneksel ısıtma sistemlerini yenilemek zordur. Daha düşük ısı pompası çıkış sıcaklıkları, radyatörlerin boyutunun büyütülmesi veya bunun yerine düşük sıcaklıklı bir yerden ısıtma sisteminin kurulması gerektiği anlamına gelir. Alternatif olarak, yüksek sıcaklıklı bir ısı pompası kurulabilir ve mevcut ısı yayıcılar korunabilir.
teknoloji
Isıtma ve soğutma, ısı pompasının iç ve dış serpantinlerinden bir soğutucunun pompalanmasıyla gerçekleştirilir . Bir buzdolabında olduğu gibi, soğutucu akışkanın durumunu daha soğuk sıvı ve daha sıcak gaz halleri arasında değiştirmek için bir kompresör , kondenser , genleşme valfi ve evaporatör kullanılır .
Düşük sıcaklıkta ve düşük basınçta sıvı soğutucu dış ısı eşanjörü bobinlerinden geçtiğinde, ortam ısısı sıvının kaynamasına (gaz veya buhara dönüşmesine ) neden olur : dış havadan gelen ısı enerjisi emilir ve soğutucuda gizli olarak depolanır. ısı . Gaz daha sonra bir elektrikli pompa kullanılarak sıkıştırılır; sıkıştırma gazın sıcaklığını arttırır.
Binanın içinde gaz, bir basınç valfinden ısı eşanjör bobinlerine geçer. Orada, sıcak soğutucu gaz tekrar sıvıya yoğunlaşır ve depolanan gizli ısıyı iç mekan havasına, su ısıtmasına veya sıcak su sistemine aktarır . İç ortam havası veya ısıtma suyu, bir elektrikli pompa veya fan ile ısı eşanjörüne pompalanır .
Soğuk sıvı soğutucu daha sonra yeni bir döngüye başlamak için dış mekan ısı eşanjörü bobinlerine yeniden girer.
Çoğu ısı pompası, oda havasını soğutmak için soğuk soğutucunun iç serpantinlerden geçirildiği bir soğutma modunda da çalışabilir.
Verimlilik derecelendirmeleri
Hava kaynaklı ısı pompalarının verimliliği, performans katsayısı (COP) ile ölçülür . 3 COP değeri, ısı pompasının tükettiği her 1 birim elektrik için 3 birim ısı enerjisi ürettiği anlamına gelir. -3 °C ila 10 °C sıcaklık aralığında, birçok makine için COP, 3-3,5'te oldukça kararlıdır.
Çok ılıman havalarda, bir hava kaynaklı ısı pompasının COP'si 4'e kadar çıkabilir. Bununla birlikte, soğuk bir kış gününde, aynı miktarda ısıyı iç mekanlarda taşımak ılıman bir güne göre daha fazla iş gerektirir. Isı pompasının performansı Carnot döngüsü ile sınırlıdır ve çoğu hava kaynaklı ısı pompası için dış ortam sıcaklıkları -18 °C / 0 °F'ye yaklaştıkça meydana gelen dış-iç sıcaklık farkı arttıkça 1.0'a yaklaşacaktır. Soğutucu olarak karbondioksit sağlayan ısı pompası konstrüksiyonu, -20 °C'ye kadar bile 2'den büyük bir COP'ye sahip olabilir, bu da başabaş rakamını -30 °C'ye (−22 °F) kadar aşağı iter. Bir toprak kaynaklı ısı pompası , dış hava sıcaklıkları değiştikçe COP'ta nispeten daha az bir değişime sahiptir, çünkü ısıyı çıkardıkları zemin, dış havadan daha sabit bir sıcaklığa sahiptir.
Bir ısı pompasının tasarımı, verimliliği üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Birçok hava kaynaklı ısı pompası, esas olarak yaz sıcaklıklarında kullanılmak üzere öncelikle klima üniteleri olarak tasarlanmıştır . Özellikle ısı değişimi amacıyla bir ısı pompası tasarlamak, daha yüksek COP ve daha uzun bir yaşam döngüsü sağlayabilir. Başlıca değişiklikler, kompresör ve evaporatörün ölçeğinde ve tipindedir.
Mevsimsel olarak ayarlanmış ısıtma ve soğutma verimleri, sırasıyla ısıtma mevsimsel performans faktörü (HSPF) ve mevsimsel enerji verimliliği oranı (SEER) ile verilmektedir.
HFC soğutucu akışkanlarla şarj edilen ünitelerde , kullanım suyunu 60 °C'nin üzerine ısıtmak veya ısıyı dağıtmak için radyatör kullanan (yerden ısıtma dizisi yerine) geleneksel merkezi ısıtma sistemlerini ısıtmak için ısı pompaları kullanıldığında COP azalır .
Riskler ve önlemler
- Konvansiyonel hava kaynaklı ısı pompaları, dış sıcaklıklar 5 santigrat derecenin (yaklaşık 41 derece Fahrenhayt) altına düştüğünde kapasitelerini kaybederler. CC-ASHP'ler (yukarıya bakın) -30C kadar düşük sıcaklıklarda verimli çalışabilir, ancak yaz mevsiminde soğutmada geleneksel hava kaynaklı ısı pompaları kadar verimli olmayabilirler. Daha soğuk iklimlerde geleneksel bir hava kaynaklı ısı pompası kullanılıyorsa, aşırı soğuk havalarda veya ısı pompasının çalışamayacağı kadar soğuk olduğunda, sistem ısı pompasını desteklemek için yardımcı bir ısı kaynağına ihtiyaç duyar.
- Bir Yardımcı Isıtma/Acil Isıtma sistemi, örneğin geleneksel bir fırın, ısı pompası arızalıysa veya onarılıyorsa da önemlidir. Daha soğuk iklimlerde, gaz, yağ veya pelet yakıtlı fırınlarla uyumlu split sistemli ısı pompaları , aşırı soğuk sıcaklıklarda bile çalışacaktır.
Gürültü
Toprak kaynaklı ısı pompasının hareketli mekanik bileşenlere sahip bir dış üniteye ihtiyacı yoktur: harici gürültü üretilmez.
Bir hava kaynaklı ısı pompası, gürültü üreten fanlar dahil olmak üzere hareketli mekanik bileşenler içeren bir dış ünite gerektirir. 2013 yılında, Avrupa Standardizasyon Komitesi (CEN), ısı pompası dış ünitelerinin neden olduğu gürültü kirliliğinden korunma standartları üzerinde çalışmaya başladı. CEN/TC 113 İş Planının başlangıcı "kullanıcılar ve komşuları artık gürültülü kurulumları reddettiği için tüketicilerin giderek bu ünitelerin düşük akustik gücüne ihtiyaç duyması" olmasına rağmen, Ocak ayına kadar gürültü bariyerleri veya diğer gürültü koruma araçları için hiçbir standart geliştirilmemiştir. 2016.
Amerika Birleşik Devletleri'nde, 1974'te izin verilen gece gürültü seviyesi, " halkı yerleşim alanlarındaki sağlık ve refah üzerindeki tüm olumsuz etkilerden korumak için ortalama 24 saatlik 55 A ağırlıklı desibel (dBA) maruz kalma sınırı olarak tanımlandı (US EPA). Bu sınır, gece gündüz 24 saatlik ortalama gürültü seviyesidir (LDN), uyku kesintisini hesaba katmak için 2200 ile 0700 saat arasındaki gece seviyelerine 10 dBA ceza uygulanır ve gündüz seviyelerine hiçbir ceza uygulanmaz. -dB(A) cezası, izin verilen ABD gece gürültü seviyesini 45 dB(A)'ya eşit yapar; bu, bazı Avrupa ülkelerinde kabul edilenden daha fazla, ancak bazı ısı pompalarının ürettiği gürültüden daha azdır.
Hava kaynaklı ısı pompalarının (ASHP'ler) harici ısı eşanjörlerinin bir diğer özelliği, ısıtma modunda dış ünitede biriken dondan kurtulmak için fanı zaman zaman birkaç dakikalık bir süre boyunca durdurma ihtiyacıdır. Bundan sonra ısı pompası tekrar çalışmaya başlar. Çalışma döngüsünün bu kısmı, fan tarafından yapılan gürültüde iki ani değişiklikle sonuçlanır. Bu tür kesintilerin komşular üzerindeki akustik etkisi, arka plandaki gece gürültüsünün 0 ila 10dBA kadar düşük olabileceği sessiz ortamlarda özellikle güçlüdür. Bu, Fransa'daki yasalara dahildir. Fransız gürültü rahatsızlığı kavramına göre, "gürültü çıkışı", rahatsız edici gürültüyü içeren ortam gürültüsü ile rahatsız edici gürültünün olmadığı ortam gürültüsü arasındaki farktır.
tartışma
HFC soğutucu akışkanlarla doldurulan üniteler genellikle düşük enerjili veya sürdürülebilir bir teknoloji olarak pazarlanır, ancak HFC sistemden sızarsa, küresel ısınma potansiyeli (GWP) ve ozon tüketme potansiyeli (ODP ) ile ölçüldüğü üzere küresel ısınmaya katkıda bulunma potansiyeli vardır. ). Son hükümet yönergeleri, R-22 soğutucu akışkanın aşamalı olarak kullanımdan kaldırıldığını ve bunun yerine daha çevre dostu R-410A soğutucu akışkan ile değiştirildiğini gördü .
Elektrik hizmetleri üzerindeki etkisi
Elektrik rezistanslı ısıtma dışındaki yedek sistemlere sahip ısı pompaları genellikle elektrik tesisleri tarafından teşvik edilirken, sıcaklık bu noktanın altına düştüğünde ek veya yedek ısı kaynağı olarak elektrik rezistanslı ısıtma kullanılıyorsa, hava kaynaklı ısı pompaları kışın en yüksek seviyeye ulaşan tesisler için bir endişe kaynağıdır. ısı pompası evin tüm ısı ihtiyacını karşılayabilir. Elektrikli olmayan bir yedekleme sistemi olsa bile, ASHP'lerin verimlerinin dış sıcaklıklarla birlikte düşmesi, elektrik tesislerini endişelendiriyor. Verimlilikteki düşüş, sıcaklık düştükçe elektrik yüklerinin hızla artması anlamına gelir. Kanada'nın bir çalışma Yukon , dizel jeneratörler sebebiyle ASHP kullanımına elektrik talebi artırdı eğer hava kaynaklı ısı pompalarının yaygınlaşmasının artan dizel tüketimine neden olabileceğini kaydetti kapasiteyi zirve için kullanılan, mevcut hidroelektrik kapasitesini aşıyor. Bu endişelere rağmen, çalışma ASHP'lerin Yukon sakinleri için uygun maliyetli bir ısıtma alternatifi olduğu sonucuna vardı. Gibi rüzgar çiftlikleri giderek şebekeye besleme elektriğe kullanılır, artan kış yük yükselmiştir kış nesil iyi uyum gösterir rüzgar türbinleri ve hava sıcaklığı düşük olsa bile çoğu evler için yük ısıtma azalmış içinde sakin günler sonuçlanır.
Referanslar
Edebiyat
Yaz, John A. (1976). Evsel Isı Pompaları. PRİZM Basın. ISBN 0-904727-10-6 .