Обогрев на основе теплового насоса

Тепловой насос для отопления дома, принцип работы и виды

Тепловой насос — это альтернативный источник создания тепла для обогрева дома. Данное устройство преобразует низкопотенциальную тепловую энергию источника (земли, воды, воздуха) в высокотемпературное тепло. Тепловые насосы, преобразующие энергию земли являются наиболее распространенными.

Теорию теплового насоса разработал в 1852 году лорд Кельвин. В 1866 на основе данных изысканий Иоахимстале Петер фон Риттингер создал устройство, и использовал его для повышения эффективности выпаривания соли. В современной форме тепловой насос создал американец Роберт Уэббер в середине ХХ века. Он начал использовать тепловую энергию земли для отопления дома. Для этого под грунтом укладывались медные трубы, где циркулировал забирающий при испарении земное тепло фреон. Тепло это газ отдавал в доме, и, конденсируясь, опять шел на циркуляцию в землю.

В данном обзоре рассмотрены основные виды систем с использованием теплового насоса и принцип их работы.

Принцип действия теплового насоса

Принцип действия тепловых насосов схож с работой холодильных машин, где производиться получение холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду. В тепловом насосе же процессы происходят в обратном порядке — в этом и заключается основное различие.

Устройство теплового насоса:

Тепловой насос состоит из двух теплообменников — испарителя и конденсатора. В испарителе с помощью испаряющегося хладагента поддерживается температура ниже температуры того тела (грунт, вода или атмосферный воздух), от которого требуется отобрать тепло. В конденсаторе поддерживается температура выше температуры другого тела (система отопления дома), которому тепло передается.
Разные уровни температур в первом и втором теплообменниках обеспечиваются с помощью циркулирующего между ними хладагента, способного изменяться от жидкого к газообразному состоянию и обратно при различных температурах.

Тепловым насосам для работы требуется электроэнергия. Ориентировочно, затратив 1 кВт электроэнергии на работу компрессора и насосов, можно получить 3 — 5 кВт тепловой энергии. В летний период, при наличии реверсивного режима работы, тепловой насос может охлаждать воздух в помещении.

Эффективность тепловых насосов зависит от способа обогревания и качества утепления дома. Наиболее рациональным является применение низкотемпературных систем отопления (один из примеров — система теплый пол). Связано это с низкотемпературным режимом нагревания воды тепловым насосом. И, если бы в данном случае использовались традиционные радиаторы, то они должны быть увеличенных размеров.

Преимущества тепловых насосов

У тепловых насосов есть ряд существенных преимуществ:

  • В первую очередь стоит отметить долговечность таких систем. Тепловые насосы могут работать 20-25 лет, после чего компрессор насоса может быть заменен и система продолжит свою работу.
  • Кроме того, системы тепловых насосов безопасны, поскольку отсутствуют топливо, открытый огонь и опасные газы.
  • Следующий положительный фак — экологическая чистота системы, которая в процессе функционирования не образует вредные окислы, а применяемые в них фреоны не содержат хлороуглеродов.

Основным недостатком системы является высокая стоимость. В связи с этим, выбирая тепловой насос, не стоит заказывать оборудование максимальной мощности. Это неоправданно дорого и не имеет смысла, так как фактическое количество холодных дней обычно не превышает двух-трех недель за год. Оптимальный тепловой насос должен иметь мощность, равную 60 — 80% от максимальной. А для покрытия пиковых нагрузок можно установить резервный котел с традиционным видом топлива либо использовать встроенные в тепловые насосы ТЭНы.

Виды тепловых насосов

Естественным источником энергии для теплового насоса может быть:

  • Тепло земли (тепло грунта).
  • Подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные).
  • Наружный воздух.

Искусственные источники низкопотенциального тепла:

  • Удаляемый вентиляционный воздух.
  • Канализационные стоки (сточные воды).
  • Промышленные сбросы.
  • Тепло технологических процессов.
  • Бытовые тепловыделения

И в зависимости от источников энергии тепловые насосы подразделяются на следующие типы:

  • Вода — вода.
  • Вода — воздух.
  • Грунт — вода.
  • Грунт — воздух.
  • Воздух — вода.
  • Воздух — воздух.

Тепловые насосы типа «грунт – вода», «грунт – воздух»

На глубине ниже 10 м температура грунта практически постоянна в течение всего года. Насосы типа «грунт – вода» используют тепловую энергию земли и передают ее для обогрева дома через систему водяного отопления. В тепловых насосах, работающих по принципу «грунт – воздух», тепловая энергия также отбирается у грунта и через компрессор напрямую передается воздуху, который используется для отопления зданий.

Механизм теплообмена следующий:

  • Энергия, отобранная от земли, аккумулируется носителем, в качестве которого чаще всего используется незамерзающая жидкость — антифриз («рассол»).
  • Опускаясь вниз по теплообменнику, «рассол» отбирает у грунта тепло (примерно 3 — 4 °С) и передает его фреону, циркулирующему во внутреннем контуре теплового насоса.
  • Фреон, проходя через каналы испарителя, закипает и испаряется.
  • Образовавшийся при этом пар поступает в компрессор, сжимается там (при этом температура его повышается), после чего горячий и сжатый пар направляется в теплообменник конденсатора, где охлаждается, передавая тепло воде.
  • Вода используется в системе отопления и горячего водоснабжения, а жидкий фреон стекает на дно конденсатора, откуда, за счет перепада давлений, через дроссель возвращается в испаритель.
  • Данный порядок цикличен — повторяется снова и снова.

Теплообменник в тепловых насосах типа «грунт – вода» бывает двух видов:

  1. Горизонтальный коллектор.
  2. Вертикальный коллектор.

Горизонтальный коллектор

При данной реализации отбирается тепло, накопленное в верхних слоях почвы в результате солнечного излучения, и коллектор представляет собой несколько контуров пластиковых труб, уложенных под слоем грунта.

Для эффективной работы системы, исходя из особенностей грунта, его теплопроводности и геометрии участка, выбирается определенная схема укладки труб – петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм. Также, эффективность теплообмена увеличивается на влажных грунтах и уменьшается на сухих песчаных участках.

Для отопления дома площадью 70 — 100 м² достаточно уложить приблизительно 200 — 320 м трубопровода несколькими петлями-контурами. Для этого нужен участок площадью примерно 150 — 200 м², то есть в 1,5 — 2 раза больше, чем отапливаемая площадь дома. Дальнейшее использование такого участка над коллектором возможно только в качестве лужайки или цветника.

Главное преимущество использования горизонтального коллектора в связке с тепловым насосом — простота монтажа и то, что при прочих равных условиях работы по монтажу оборудования обойдутся немного дешевле, чем бурение скважин.

Вертикальный коллектор

Грунтовые зонды вертикального коллектора представляют собой систему длинных труб, опускаемых в скважины глубиной 50-200 м.

Пространство в скважине вокруг зонда заполняется буровым раствором или цементно-бетонной смесью для защиты труб от повреждений и улучшения теплопередачи. Для дома площадью 70 — 100 м² понадобится 2 — 3 скважины глубиной около 50 м. Располагать скважины следует не ближе 2 м от стены дома, чтобы не повредить фундамент. Также скважины не должны находиться на одной линии течения подземных вод — иначе эффективность теплового насоса уменьшится.

Для вертикального коллектора не требуется большой участок, а на глубинах от 50 м температура грунта выше, потому эффективность теплообмена при использовании данной системы выше на 15 — 20%, чем у горизонтального коллектора.

Тепловые насосы типа «воздух – вода», «воздух – воздух»

Тепловой насос типа «воздух – воздух» и «воздух – вода» схожи по принципу работы с кондиционерами. Они стоят дешевле, но проигрывают другим видам насосов по универсальности, применяясь преимущественно для нагревания горячей воды.

Такие устройства имеют два варианта исполнения:

  1. Сплит система состоит из двух блоков, соединенных инженерными коммуникациями. В состав наружного входят мощный вентилятор и испаритель, а внутренний содержит конденсатор и автоматику. При этом компрессор может располагаться как во внутреннем блоке, так и в наружном, чтобы избежать шума в помещении.
  2. В моно системе все элементы собираются в одном корпусе и монтируются либо в доме, соединяясь с улицей гибким воздуховодом, либо снаружи.

Тепловые насосы типа «вода – вода»

При соседстве с домом реки или пруда можно использовать тепловой насос, работающий по схеме «вода – вода». Для этого из водоема отбирается мощным насосом вода, которая прокачивается через первичный теплообменник теплового насоса, отдавая свою тепловую энергию фреону, и сбрасывается обратно в водоем.

Тепловой насос типа вода — вода наиболее экономичный. Однако, из-за загрязненности используемой воды необходимо предпринимать дополнительные меры для ее предварительной очистки перед подачей в тепловой насос.

Пример схемы обвязки теплового насоса вода — вода:

  1. Теплообменник для пассивного охлаждения
  2. Расширительный бак внешнего контура теплового насоса
  3. Коллектор потолочного охлаждения
  4. Расширительный бак системы отопления
  5. Группа безопасности котла (теплового насоса)
  6. Расширительный бак для ГВС
  7. Резервный котел (высокотемпературный) с насосом и группой безопасности
  8. Узел подмеса системы отопления
  9. Термостатический клапан радиатора отопления
  10. Буфер (тепловой аккумулятор)
  11. Основной насос системы отопления
  12. Тепловой насос вода-вода со встроенными циркуляционными насосами
  13. Бойлер косвенного нагрева для ГВС
  14. Насос рециркуляции ГВС
  15. Коллектор водоснабжения
  16. Коллектор теплых полов
  17. Коллектор радиаторов

Подведем итог. Первоначальные затраты на систему отопления с тепловым насосом и ее обустройство достаточно высоки. Но, с учетом низких расходов на отопление, со временем можно покрыть первоначальные вложения и продолжить использование альтернативных источников для обогрева дома.

Использование тепловых насосов для отопления и подогрева воды

Здесь вы узнаете:

  • Достоинства и недостатки тепловых насосов
  • Принцип работы тепловых насосов
  • Разновидности тепловых насосов
  • Открытые и закрытые контуры
  • Сфера применения

Традиционные системы обогрева и подготовки горячей воды отличаются высоким потреблением энергии. В наибольшей степени это относится к электрическому оборудованию – оно работает за счет дорогостоящей электроэнергии и приводит к гигантским расходам. Не так давно начали набирать популярность системы отопления и водоподготовки, работающие на основе тепловых насосов. Они более экономичны, хоть и работают от электросети. Тепловой насос – это устройство, позволяющее как бы сконденсировать тепловую энергию из окружающего пространства и доставить ее с уже более высокой температурой.

В этом обзоре мы рассмотрим:

  • Принцип действия тепловых насосов;
  • Основные разновидности тепловых насосов;
  • Сферу применения тепловых насосов.

После прочтения данного обзора вы поймете, что эта техника позволит реально сэкономить на электроэнергии и наполнить дома теплом.

Достоинства и недостатки тепловых насосов

Принцип работы тепловых насосов, если говорить простым языком, основан на сборе низкопотенциальной тепловой энергии и ее дальнейшей передаче в отопительные и климатические системы, а также в системы подготовки воды, но уже с более высокой температурой. Можно привести простой пример в виде газового баллона – когда он наполняется газом, компрессор нагревается за счет его сжатия. А если выпустить газ из баллона, то баллон охладится – попробуйте резко выпустить газ из многоразовой зажигалки, чтобы понять суть этого явления.

Читайте также  Тепловой излучатель домашний

Таким образом, тепловые насосы как бы отбирают тепловую энергию у окружающего пространства – она есть в земле, в воде и даже в воздухе. Даже если воздух имеет отрицательную температуру, в нем по-прежнему присутствует тепло. Также оно имеется в любых водоемах, которые не промерзают до самого дна, а также в глубоких слоях грунта, тоже не поддающихся глубокому промерзанию – если, конечно, это не вечная мерзлота.

Тепловые насосы обладают довольно сложным устройством, в чем можно убедиться, попробовав разобрать холодильник или кондиционеры. Эти привычные нам бытовые агрегаты чем-то похожи на вышеупомянутые насосы, только работают они в обратном направлении – забирают тепло из помещений и отправляют его наружу. Если приложить руку к заднему радиатору холодильника, то мы отметим, что он теплый. И это тепло есть не что иное, как энергия, отобранная у фруктов, овощей, молока, супов, колбасы и прочих продуктов, лежащих в камере.

Принцип действия теплового насоса обратен принципу действия холодильника. Он по тем же крупицам собирает тепло из воздуха, воды или грунта, после чего перенаправляет его к потребителям – это отопительные системы, теплоаккумуляторы, системы теплых полов, а также водонагреватели. Казалось бы, нам ничто не мешает греть теплоноситель или воду обычным ТЭНом – так проще. Но давайте сравним продуктивность тепловых насосов и обычных ТЭНов:

При выборе теплового насоса самое главное — наличие конкретного природного источника энергии.

  • Обычный ТЭН – на выработку 1 кВт тепла он расходует 1 кВт электроэнергии (без учета погрешностей;
  • Тепловой насос – на выработку 1 кВт тепла он потребляет всего 200 Вт электроэнергии.

Нет, никакого КПД, равного 500%, здесь нет – законы физики непоколебимы. Просто здесь работают законы термодинамики. Насос как бы аккумулирует энергию из пространства, «сгущает» ее и отправляет потребителям. Аналогичным образом мы можем собирать дождевые капли через большую лейку, получая на выходе солидный ручеек воды.

Мы уже привели множество аналогий, позволяющих понять суть тепловых насосов без заумных формул с переменными и константами. Давайте теперь рассмотрим их достоинства:

  • Экономия электроэнергии – если стандартное электрическое отопление домовладения площадью 100 кв. м. приведет к затратам в 20-30 тыс. рублей в месяц (в зависимости от температуры воздуха на улице), то отопительная система с тепловым насосом снизит расходы до приемлемых 3-5 тыс. рублей – согласитесь, это уже довольно солидная экономия. И это без подвохов, без обмана и без маркетинговых уловок;
  • Забота об окружающей среде – угольные, атомные и гидроэлектростанции вредят природе. Поэтому пониженное потребление электроэнергии позволяет снизить количество вредных выбросов;
  • Широкая сфера использования – полученную энергию можно использовать для обогрева жилища и подготовки горячей воды.

Есть и недостатки:

  • Высокая стоимость тепловых насосов – этот недостаток накладывает ограничение на их использование;
  • Необходимость в регулярном обслуживании – за это нужно платить;
  • Трудность в монтаже – в наибольшей степени это относится к тепловым насосам с закрытыми контурами;
  • Отсутствие восприятия людьми – мало кто из нас согласится потратиться на это оборудование, чтобы снизить нагрузку на окружающую среду. Но некоторые люди, живущие вдали от газовых магистралей и вынужденные отапливать жилье альтернативными источниками тепла, согласны потратить деньги на покупку теплового насоса и снизить расходы на ежемесячную оплату электроэнергии;
  • Зависимость от электросети – если поставка электроэнергии прекратится, оборудование сразу же замрет. Ситуацию спасет установка теплоаккумулятора или резервного источника электропитания.

Как видим, некоторые минусы довольно серьезные.

Принцип работы тепловых насосов

Давайте посмотрим, как работает тепловой насос и как он устроен. Он состоит из трех основных частей:

Использование грунтового зонда зачастую является самым простым и эффективным решением. Он многофункционален, долговечен и не требует сложного технического обслуживания.

  • Испаритель;
  • Компрессор;
  • Конденсатор.

Все эти узлы объединяются между собой трубками, по которым циркулирует хладагент – он закипает и испаряется при отрицательных температурах, отбирая крупицы энергии у окружающего пространства. Именно этот процесс и протекает в испарителе.

После своего испарения хладагент попадает в конденсатор, где происходит обратный процесс – тепловая энергия передается на дальнейшие нужды, а хладагент остывает и конденсируется. Тем самым тепло переносится из окружающего пространства и выделяется в конденсаторе. Все процессы протекают под большим давлением, создаваемым компрессором.

Разновидности тепловых насосов

Тепловые насосы подразделяются на пять видов:

  • Грунт – вода;
  • Вода – вода;
  • Воздух – вода;
  • Вода – воздух;
  • Воздух – воздух.

Рассмотрим их более подробно.

Грунт – вода

Забор тепловой энергии из грунта – идея отличная, тем более что на глубине от 3-х до 200 метров ее более чем много. Здесь прокладываются специальные трубы, по которым циркулирует вода, либо закладывается вертикальный зонд. Полученное тепло забирается из толщи грунта, после чего попадает в тепловой насос, откуда отправляется к потребителям. Учитывая относительную стабильность температуры на глубине, оборудование порадует большим количеством тепла, передающегося в отопление и на подготовку горячей воды.

Вода – вода

Тепловой насос «вода – вода» представляет собой систему забора тепла из водоемов или подземных скважин. Если забор ведется из скважин, то там температура всегда стабильная, что связывается с отсутствием глубокого промерзания грунта. Что касается забора из озер и рек, то тут необходимо принимать во внимание температуру незамерзающего слоя – от нее зависит эффективность работы теплового насоса. Полученная энергия отправляется в батареи, теплые полы или в контур ГВС.

Воздух – вода

Забор тепловой энергии насосом из окружающего воздуха нельзя назвать самым оптимальным вариантом обогрева жилья. Все дело в том, что температура воздушных масс не отличается особой стабильностью – здесь наблюдаются суточные и сезонные колебания. В наиболее холодное время года их эффективность может равняться полному нулю, поэтому совместно с насосами нужно будет использовать какое-то дополнительное отопительное оборудование.

Вода – воздух

Тепловые насосы данной конструкции похожи на современные сплит-системы, которые могут работать не только на охлаждение воздушных масс, но и на их нагрев. Они применяются там, где необходимо установить систему воздушного отопления. Забор тепла здесь ведется из воды – скважин, рек или озер. Оборудование отличается высокой эффективностью, но требует положительной температуры воды.

Воздух – воздух

Фактически перед нами кондиционер «наоборот». Он забирает тепло снаружи и отправляет его в помещения. Кстати, так умеет работать любая сплит-система, в которой предусмотрен реверс хладагента с помощью четырехходового клапана. Представленные тепловые насосы отличаются эффективностью только при положительной температуре, в отрицательном сегменте их энергоэффективность быстро падает почти до нуля.

Открытые и закрытые контуры

Также тепловые насосы подразделяются еще на две категории – открытого и закрытого цикла. Агрегаты открытого цикла забирают воду из скважин, озер и рек напрямую, отправляют ее в испаритель, где она отдает свою энергию. Охлажденная вода отправляется туда же, откуда была забрана, но сброс осуществляется на некотором удалении, чтобы не снижать эффективность. Такие системы отличаются простотой в монтаже, но меньшей эффективностью. Зато они позволяют обеспечить подачу в дом чистой воды (актуально для скважин).

Что касается тепловых насосов закрытого цикла, то они забирают тепло посредством водяного коллектора-теплообменника – он прокладывается в толще грунта или воды. Здесь вода меняет свою температуру и отправляется в испаритель, где она заставит испаряться хладагент. Такие системы отличаются сложностью в монтаже и дороговизной, но именно они позволяют добиться предельно эффективного преобразования тепла в указанном в начале статьи соотношении – до 80% из окружающей среды.

Сфера применения

Тепловой насос для отопления дома – это главная сфера применения этого оборудования. Полученное тепло отправляется в радиаторы и конвекторы, направляется в системы теплых полов или используется для нагрева воздух так, как это делают сплит-системы. Теплонасос может заниматься этим самостоятельно или выступать в качестве вспомогательного оборудования, позволяя экономить на электроэнергии.

Используя тепловой насос для отопления дома, можно задействовать его и для подготовки горячей воды – чаще всего для этого применяются бойлеры косвенного нагрева, по которым циркулирует нагретый теплоноситель, берущий тепло от конденсатора. Также теплонасосы ставятся в самых современных электрических бойлерах – они пока не получили широкого распространения, но уже приобретаются теми, кто заботится о сохранении окружающей среды и желает сэкономить деньги в своем кошельке.

Принцип работы тепловых насосов для отопления дома

Приветствую всех на страницах своего блога.
Многие из вас, думаю слышали о таком устройстве как тепловой насос. Но не все знают принцип его действия, а также его неоспоримые преимущества перед другими источниками тепловой энергии. Хочу исправить эту несправедливость и рассказать, как происходит обогрев тепловым насосом.

Целесообразное использование топливно-энергетических резервов, ресурсы которых резко истощаются, принимает существенную многозначительность не только для прогресса человеческой цивилизации, но фактически для спасения ее вместе со средой обитания.

Энергоносители за или против?

Однако это еще не все. Ценовой подъем на энергоносители и высокие затраты на их доставку приводят к стремительному увеличению стоимости на тепловую и электрическую энергию. А это заставляет потребителей искать новые пути экономии. Еще из школьных учебников мы помним, что передача тепла перетекает от разогретых тел к более прохладным, но никак не обратно. Наш многовековой опыт не помнит обратной процедуры, да и наука доказательно это подтверждает. Однако хитрые современные инженерные приемы делают допустимым переход тепла в обратном направлении – от менее разогретого тела к наиболее горячему.

Для нас нет ничего удивительного, например, в работе холодильника. Где тепло из морозильной камеры, температура в которой чаще отрицательная, выбрасывается в окружающую среду. Если применить это тепло для обогрева зданий, а холодильную камеру заменить испытанным, постоянно функционирующим природным источником тепла, то это и будет так называемый тепловой насос.

Читайте также  Подключить тепловое реле к контактору

Простой тепловой насос (воздух-воздух) которым можно обогреть жилое помещение – это привычный всем кондиционер, с функцией обогрева. Можно с успехом использовать и его, ведь сегодня есть кондиционеры которые могут работать и при значительных минусовых температурах – до -15 гр. и ниже. Однако, если мы хотим получить наибольшую эффективность и комфорт, при обогреве целого дома таким экономичным методом (а тепловой насос экономичнее обычных теновых обогревателей в три, и даже более раз), то нужно использовать более продвинутые системы.

Тепловой насос

Итак, тепловой насос – это термодинамическое устройство, при помощи которого тепло от источника с наименьшей температурой (от низко- эвентуального источника) отображается потребителю с наиболее высокой температурой. Но для поддержания такого процесса теплопередачи требуется некая механическая энергия.

Как это работает?

Источниками низко-эвентуальной энергии могут быть тепло подземных вод, водоемов, тепло грунта и наружных воздух.
С помощью тепловых насосов легко свершается рекуперация тепла из прогоняемого вентиляционного воздуха, промышленных сбросов, канализационных стоков и от технологичных процессов, источающих тепло, что значительно экономит тепловую энергию.

Из этого следует, что тепловые насосы можно использовать не только для горячего водоснабжения и отоплений, но и в интегрированной системе – для возрождения тепла из вентиляции и бытовых сбросов.

Устройство теплового насоса

Предлагаю поближе ознакомится с устройством теплового насоса (ТН), извлекающего тепло из среды с низкой положительной температурой, и передающего его в систему обогрева воды и отопления помещений.

В устройство теплового насоса входят:

  • трубопроводный контур с насосом, начинённый жидкостью с низкой температурой замерзания и гарантирующий забор низко-эвентуальной теплоты земли, воды (из водоема или грунтовой) или воздуха;
  • компрессор с механическим приводом;
  • испаритель;
  • конденсатор;
  • дроссельный клапан;
  • отопительный контур;
  • тепловой аккумулятор.

Самые основные узлы теплового насоса

Основными узлами теплового насоса являются: компрессор с механическим приводом, испаритель, конденсатор и дроссельный клапан. Они соединяются герметичными трубопроводами, в которых движется рабочая жидкость с очень низкой температурой кипения при среднем атмосферном давлении.

При движении рабочая жидкость (в кондиционерах она называется хладагент), находясь в испарителе, при низком давлении закипает и испаряясь, впитывает низко-эвентуальное тепло, взятое из окружающей среды внешним контуром.

Далее посредством механической энергии (в данном случае – путем сжатия в компрессоре) давление рабочей жидкости, находящегося в газообразном состоянии, принудительно повышается. В итоге жидкость разогревается до высоких температур.

В конденсаторе (он играет роль теплообменника) теплота этого сжатого горячего теплоносителя прогревает воду в тепловом аккумуляторе, которая используется для горячего водоснабжения и системы отопления. Отдав тепло, рабочая жидкость компрессорного контура конденсируется и из газообразного состояния переходит снова в жидкое.

Конденсат жидкости, проходя через дроссельный клапан малого сечения, попадает в объем испарителя с меньшим давлением и закипает при имеющейся в нем температуре. В этот момент температура становится еще ниже настолько, что в испарителе жидкость снова способна поглощать тепло окружающей среды, которое приносит первичный контур из земли либо других источников.

Таким образом создается непрерывный круговой процесс передачи тепла с низкого температурного уровня на высокий. Для этого конечно нужны некие энергетические затраты, но они гораздо меньше принимаемой энергии и используются с пользой вместе с полученным теплом.

Думаю после этого объяснения, у многих отпадут вопросы про то, с чем связанна такая “аномальная” экономичность, якобы вопреки закону сохранения энергии (о чем есть любители поспорить на форумах).

Эффективность теплового насоса

Для оценки эффективности теплового насоса служит коэффициент преобразования m, равный отношению передаваемой насосом энергии, к энергии, используемой компрессором для работы всего устройства.

В современных системах тепловых насосов этот коэффициент равен 3 и более. Не вдаваясь в тонкости термодинамических процессов, отмечу, что существует взаимозависимость коэффициента преобразования от разности температуры во входном и выходном контурах теплового насоса. Чем больше перепад этих температур, тем ниже экономность расходуемой компрессором электроэнергии. Также и наоборот.

Кстати, именно поэтому выгоднее обогревать дом теплыми полами с температурой +25-+35 о С, нежели обычными бытовыми радиаторами, разогретыми до +70-+90 о С. В таких случаях коэффициент m достигает значений 4,5 и более.

Тепло вокруг, над и под нами – только успей получить

Окружающая нас среда просто насыщена тепловой энергией. Если измерить температуру поверхности нашей Земли и сравнить ее с температурой в космосе, то станет ясно, насколько тепла наша планета. При том, что это тепло в обозримом будущем останется неиссякаемым.

Не только солнце прогревает земную поверхность, но и недра Земли также отдают тепло верхним слоям грунта. Поэтому температура в грунте на глубине более четырех метров практически постоянна. В средней полосе России она примерно +4-+8 о С. А мы все жалуемся на нехватку энергоресурсов. Низко- эвентуальное тепло грунта – надежная и постоянно пополняемая «сокровищница» энергии.

Исследования доказали, что при максимальном выборе тепловым насосом тепла из скважины, температура вокруг нее снижается на величину, которую не стоит даже брать в расчет. Так как она тут же восстанавливается при снижении отбора и годами остается на одном и том же уровне. Многообещающе и использование тепла водоемов и грунтовых вод.

Тепловой насос – грунт, вода

На грунтовых тепловых насосах хочу остановиться отдельно. Их можно разбить на несколько, не схожих между собой, систем. Прежде всего это ТН с открытым циклом, где вода, имеющая плюсовую температуру, забирается прямо из водоносного горизонта и после охлаждения при отборе тепла отправляется обратно.

Широкое применение имеют системы с закрытым циклом, когда теплоноситель прокачивается через замкнутый трубопроводный контур, который уложен в грунте либо на дне открытого водоема. Контур для выбора тепла можно установить вертикально в скважине или уложить горизонтально в глубокой траншее.

При выборе между горизонтальном коллекторе или вертикальном зондом необходимо учесть, что во втором случае каждый погонный метр скважины насоса отдает 50 Вт тепловой энергии, а коллектор всего-то – 20. Помимо этого, коллектор за весь отопительный сезон выхолаживает грунт. А это приводит к падению эффективности теплового устройства. Зато бурение скважины под тепловой насос обходится на порядок дороже.

Обогрев тепловым насосом, выгода

Обогрев системой теплового насоса, несмотря на высокую, пока еще, стоимость их сооружения (60000 рублей – 1 кВт тепловой мощности), достаточно выгоден – ввиду полного отсутствия необходимости в хранении и транспортировки топлива. На участке освобождается территория под склад с топливом и подъезда к нему. Само же устройство теплового насоса компактно и может поместиться в полуподвальном помещении.

А вложенные в систему средства вполне окупятся за счет сбережения электроэнергии, или за счет отсутствие закупок топлива (смотря чем вы собирались обогревать, не имея теплового насоса).

Примечательно и то, что устройство ТН не наносит вреда окружающей среде. Система управления ТН автоматически контролирует режим работы, сохраняя параметры обеспечения теплом жилого строения.

Может так показаться, что слухи о тепловых насосах – это всего лишь пропаганда нового направления в энергетике. Но ведь технология получения тепла из воздуха, воды, грунта не нова и уже давно используется по всему миру. Только за 2010 год системы теплых насосов, например, в США выработали три миллиона кВт. На сегодняшний день эта цифра уже подошла к пяти. И это еще не предел.

На этом мы с вами остановимся, а то так можно и до утра просидеть. Если понравилась статья об обогреве дома тепловым насосом отправьте ее друзьям, им наверняка тоже будет полезна эта тема. А у меня на этом пока все, до свежих статей.

Как работает тепловой насос для отопления дома

Тепловой насос – универсальный прибор, функционально объединивший в себе характеристики кондиционера, водонагревателя и котла отопления. Этот прибор не использует обычное топливо, для его работы необходимы возобновляемые источники из окружающей среды – энергия воздуха, грунта, воды.

Поэтому тепловой насос сегодня – наиболее экономически выгодный агрегат, поскольку его работа не зависит от стоимости топлива, также экологичный, поскольку источником тепла выступает не электричество или продукты сгорания, а природные источники тепла.

Для лучшего понимания, как работает тепловой насос для отопления дома, стоит вспомнить принцип работы холодильника. Здесь испаряется рабочее вещество, отдавая холод. А в насосе наоборот, оно конденсируется и продуцирует тепло.

Принцип работы теплового насоса

Весь процесс работы системы представлен в виде цикла Карно – названного по имени изобретателя. Описать его можно следующим образом. Теплоноситель проходит через рабочий контур – воздушный, земляной, водный, их сочетания, откуда направляется в 1-й теплообменник – испарительную камеру. Здесь он передает накопленное тепло хладагенту, циркулирующему во внутреннем контуре насоса.

Принцип работы теплового насоса отопления дома

Жидкий хладагент поступает в испарительную камеру, где низкие значения давления и температуры (5 0 С) переводят его в газообразное состояние. Следующий этап – переход газа в компрессор и его сжатие. В результате чего температура газа резко возрастает, газ переходит в конденсатор, здесь он обменивается теплом с системой отопления. Охлажденный газ переходит в жидкость, и цикл повторяется.

Достоинства и негативные стороны тепловых насосов

Работой тепловых насосов для отопления дома можно управлять посредством специально установленных терморегуляторов. Насос автоматически включается при падении температуры среды ниже заданного значения и отключается, если температура превышает заданную отметку. Тем самым прибор поддерживает постоянную температуру в помещении – это одно из преимуществ устройств.

Достоинствами прибора являются его экономичность – насос потребляет небольшое количество электроэнергии и экологичность, или абсолютная безопасность для окружающей среды. Основные преимущества устройства:

  • Надежность. Срок службы превышает 15 лет, все части системы обладают высоким рабочим ресурсом, перепады энергии не наносят системе вреда.
  • Безопасность. Отсутствуют сажа, выхлоп, открытое пламя, утечка газа исключена.
  • Комфорт. Работа насоса бесшумная, уют и комфорт в доме помогают создать климатконтроль и автоматическая система, работа которой зависит от погодных условий.
  • Гибкость. Прибор отличается современным стильным дизайном, его можно совместить с каждой системой отопления дома.
  • Универсальность. Применяется в частном, гражданском строительстве. Поскольку обладает широким диапазоном мощностей. За счет чего может обеспечить теплом помещения любой площади – от небольшого дома до коттеджа.
Читайте также  Тепловой насос для квартиры

Сложная структура насоса определяет его главный недостаток – высокую стоимость оборудования и его монтажа. Для установки прибора необходимо проводить земляные работы в больших объемах.

Тепловые насосы – классификация

Работа теплового насоса для отопления дома возможна в широком температурном диапазоне – от -30 до +35 градусов по Цельсию. Наиболее распространены приборы абсорбционные (переносят тепло посредством его источника) и компрессионные (циркуляция рабочей жидкости происходит за счет электроэнергии). Наиболее экономичны абсорбционные устройства, однако они более дорогостоящие и обладают сложной конструкцией.

Классификация насосов по типу источников тепла:

  1. Геотермальные. Забирают тепло воды или земли.
  2. Воздушные. Забирают тепло атмосферного воздуха.
  3. Вторичного тепла. Забирают так называемое производственное тепло – образующееся на производстве, при отоплении, прочих промышленных процессах.

Теплоносителем может выступать:

  • Вода из искусственного или естественного водоема, грунтовые воды.
  • Грунт.
  • Воздушные массы.
  • Комбинации вышеперечисленных носителей.

Насос геотермального типа – принципы устройства и работы

Насос геотермальный для отопления дома использует тепло грунта, которое он отбирает вертикальными зондами или горизонтальным коллектором. Зонды размещаются на глубине до 70 метров, зонд находится на небольшом удалении от поверхности. Такой тип устройства наиболее эффективен, поскольку у источника тепла довольно высокая постоянная в течение всего года температура. Поэтому необходимо затратить меньше энергии на транспортировку тепла.

Тепловой насос геотермального типа

Такое оборудование требует больших затрат на установку. Высокой стоимостью отличаются работы по бурению скважин. Кроме того, площадь, отведенная под коллектор, должна быть в несколько раз больше площади отапливаемого дома либо коттеджа. Важно помнить: земля, где находится коллектор, не может использоваться для посадки овощей или плодовых деревьев – корни растений будут переохлаждены.

Использование воды в качестве источника тепла

Водоем – источник большого количества тепла. Для насоса можно использовать незамерзающие водоемы от 3 метров глубиной либо грунтовые воды при их высоком уровне. Реализовать систему можно следующим образом: трубу теплообменника, отягощенную грузом из расчета 5 кг на 1 метр погонный, укладывают на дно водоема. Протяженность трубы зависит от метража дома. Для помещения в 100 м.кв. оптимальная протяженность трубы – 300 метров.

В случае использования грунтовых вод необходимо пробурить две скважины, расположенные одна за другой по направлению грунтовых вод. В первую скважину помещают насос, подающий воду на теплообменник. Во вторую скважину поступает уже охлажденная вода. Это так называемая открытая схема сбора тепла. Ее основной недостаток в том, что уровень грунтовых вод нестабилен и может значительно меняться.

Воздух – наиболее доступный источник тепла

В случае использования воздуха в качестве источника тепла теплообменником выступает радиатор, принудительно обдуваемый вентилятором. Если работает тепловой насос для отопления дома по системе «воздух-вода», пользователь получает преимущества:

  • Возможность обогреть весь дом. Вода, выступающая в качестве теплоносителя, разводится по приборам отопления.
  • При минимальных затратах электроэнергии – возможность обеспечить жильцов горячим водоснабжением. Это возможно за счет наличия дополнительного теплоизолированного теплообменника с емкостью накопительной.
  • Насосы аналогичного типа могут использоваться для нагрева воды в бассейнах.

Схема отопления дома воздушным тепловым насосом.

Если насос работает по системе «воздух-воздух», теплоноситель для нагрева помещения не используется. Обогрев производится за счет полученной тепловой энергии. Примером реализации такой схемы может служить обычный кондиционер, установленный на режим обогрева. Сегодня все устройства, использующие воздух как источник тепла, – инверторные. В них переменный ток в постоянный преобразуется, обеспечивая гибкое управление компрессором и его работу без остановок. А это увеличивает ресурс устройства.

Тепловой насос – альтернативная система отопления дома

Тепловые насосы – альтернатива современным системам отопления. Они экономичны, экологичны и безопасны в использовании. Однако высокая стоимость монтажных работ и оборудования на сегодня не позволяют использовать приборы повсеместно. Теперь вы знаете как работает тепловой насос для отопления дома и подсчитав все плюсы и минусы сможете принять решение о его установки.

Тепловой насос для отопления дома – принцип работы

Обновлено: 8 декабря 2020.

Многих интересует, как работает тепловой насос для отопления дома. В статье мы доступно опишем принцип работы теплонасоса для обогрева жилья, виды тепловых насосов, их особенности.

Свои вопросы и замечания вы можете оставить в комментариях. Мы постараемся отреагировать на них как можно быстрее.

Принцип работы теплового насоса для отопления дома

Тепловой насос (теплонасос, термопомпа, ТН) – оборудование для обогрева дома, коттеджа, дачи, апартаментов или квартиры. Он генерирует тепло из среды (воды, воздуха, земли) и переносит его в здание.

За счет того что ТН не производит тепло, а переносит его из одной среды в другую, его эффективность более 100% и может достигать 1000%. КПД теплового насоса – его отличие от систем получения тепла, таких как:

  • Котлы;
  • Бойлеры;
  • Конвекторы;
  • Электронагреватели;
  • Гелиоколлекторы.

Есть два типа тепловых насосов – компрессорные (компрессионные) и абсорбционные. Но последние используют в промышленности – они еще не распространились на частные домовладения. Поэтому рассмотрим только компрессорные (парокомпрессионные) тепловые насосы.

Простыми словами можно описать принцип действия теплового насоса для отопления дома так: «холодильник наоборот». Как функционирует последний, вы можете прочиталь в статье о принципе работы холодильника. Для переноса тепла в нем служит теплоноситель (хладагент, фреон).

Теплоноситель попадет в испаритель (радиатор, магистраль, поле, скважину), где нагревается от окружающей среды. Далее его сжимает компрессор, в котором повышается его давление и температура.

В случае с грунтовыми и водяными тепловыми насосами, теплоноситель получает тепловую энергию от рассола, который циркулирует в трубах, погруженных в воду, или уложенных в грунте.

После компрессора теплоноситель отдает тепло в воздух, воду или другой теплоноситель, которые используются для отопления здания. Охлажденный теплоноситель попадает в конденсатор, в котором он охлаждается.

Этот цикл повторяется снова и проходит в замкнутом виде. На приведенном ниже видео показан принцип работы теплового насоса:

Особенности разных видов теплонасосов

Воздушные – самые дешевые из тепловых насосов, имеют низкую производительности зимой и высокую летом. Это обусловлено тем, что температура воздуха сильно зависит от сезона. Они просты в монтаже и подключении, их чаще используют для обогрева весной или осенью или как дополнительный источник дешевого тепла.

Цены тепловых насосов, водяного и грунтового (геотермального) типов, мало отличаются. Но стоимость укладки магистрали в водоем ниже чем бурение скважин или укладка геотермального поля. Поэтому если рядом есть озеро, пруд или река, целесообразнее устанавливать водяной ТН.

Виды тепловых насосов для отопления дома

Тепловой насос может нагревать три среды – воду, воздух теплоноситель. Воздух используется для отопления дома через вентиляцию, фанкойлы или внутренние блоки. Вода и теплоноситель циркулируют в радиаторных системах, теплых полах и стенах.

Основное название теплового насоса зависит от среды, из которой он получает тепло. Водяной – из воды, воздушный – из воздуха, грунтовый или геотермальный – из грунта и грунтовых вод.

Точное название Теплового насоса указывает на среду, в которую он передает тепло. ТН грунт-вода получает энергию из земли и нагревает воду или теплоноситель, вода-воздух – получает тепло из воды и подогревает воздух.

Воздушные тепловые насосы

Термопомпы воздух-воздух похожи на кондиционер и состоят из наружного и внутреннего блоков, иногда изготовлены как моноблок с воздуховодами. Принцип работы теплового насоса воздух-воздух – в отборе тепла из воздуха снаружи здания и нагрева его внутри.

ТН воздух-вода состоит из наружного блока и бойлера (бака-накопителя), либо как моноблок в котором они объединены. Принцип работы теплового насоса воздух-вода – он охлаждает наружный воздух и нагревает воду или другой теплоноситель.

Наружный блок воздушного теплового насоса большой мощности.

Водяные тепловые насосы

Тепловой насос вода-вода состоит из блока с теплообменником или накопителем и состоящей из нескольких труб магистрали (поля), погруженной в водоем, по которой циркулирует теплоноситель. Принцип работы теплового насоса вода-вода – отбор тепла из водоема и нагрев воды или теплоносителя.

ТН вода-воздух – это магистраль и моноблок, в котором нагревается воздух для подачи на фанкойлы или вентиляцию. Иногда в таких тепловых насосах используют внутренние блоки по типу кондиционерных.

Укладка магистрали водяного теплового насоса в искусственный водоем

Грунтовые тепловые насосы

Такие тепловые насосы используют тепло земли, для чего либо бурят скважины, либо геотермальное поле, по которым циркулирует теплоноситель или рассол. В первом случае бурятся несколько скважин, отстоящих друг от друга на расстоянии более одного метра. Во втором — на глубине до 2 метров укладываюется горизонтальные трубы.

Грунтовые тепловые насосы косвенного теплообмена имеют два контура. В первом, уложенном в поле или скважине, циркулирует жидкость (рассол, растворы пропиленгликоля, этиленгликоля), которая передает тепло теплоносителю (фреону), который иркулирует по второму контуру. именно там происходят иклы конденсаии и испарения, передающие тепло.

Тепловые грунтовые насосы прямого теплообмена имеют один контур. В нем иркулирует фреон. За счет его большого количества стоимость монтажа такого типа ТН выше.

Тепловые насосы грунт-вода либо имеют встроенный бак-накопитель, либо небольшой бак-теплообменник. ТН типа грунт-воздух либо выполнены как моноблок с каналом подачи нагретого воздуха, либо нагревают его через внутренние блоки по типу кондиционерных.

Прокладка траншей под магистраль геотермального поля грунтового теплового насоса

Эффективность и целесообразность

КПД тепловых насосов зависит от их производительности и качества. Например, воздушные ТН в зависимости от модели и стоимости могут производить при +5 градусов от 2 до 5 кВт тепла на 1 кВт затраченной электроэнергии. У грунтовых и водяных термопомп все зависит от оборудования, некоторые имеют КПД до 1000%, но цена такого теплового насоса немаленькая.

В статье мы разобрали принцип работы теплового насоса для обогрева здания, а вопрос о выборе, покупке и установке каждый должен решать самостоятельно. В любом случае, тепловые насосы – достойная альтернатива другим источникам тепла. Особенно учитывая, что газ и твердое топливо постоянно дорожают. Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!