Тепловой насос прямого испарения

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.

Тепловой насос: принцип работы и эффективность

Тепловые насосы (ТН) – новый способ применения альтернативных источников энергии для экономного нагрева воды в бассейне. Такие установки нагрева воды оптимально использовать в случае отсутствия доступа к магистральному газу и нагрев воды производится за счёт электричества. Использование электричества всегда дорого + нередко не хватает выделенной электрической мощности.

Тепловой насос извлекает бесплатную тепловую энергию из земли, воздуха или воды. Поэтому тепловой насос можно считать открытием среди систем отопления.

От классического отопления ТН отличаются отсутствием горения. Конвертация низких температур +2 °C . +10 °C в высокие +50 °C . +65 °C происходит за счёт замкнутого фреонового цикла.

Классификация тепловых насосов

ТН классифицируются по 2 показателям: среда добывания тепловой энергии, и среда перераспределения энергии:

  • «земля — вода»;
  • «вода — вода»;
  • «воздух — вода»;
  • «воздух — воздух».
Читайте также  Оребренные тепловые трубы

Нагрев воды предпочтительнее осуществлять геотермальными («земля – вода», «вода – вода») или воздушными («воздух – вода») насосами. Большинство владельцев бассейнов используют теплонасосы воздушного типа. От геотермальных они отличаются отсутствием внешнего контура. Поэтому воздушные тепловые насосы стоят меньше, т.к. бурение и подвод коммуникаций для внешнего контура не требуется.

Принцип работы тепловых насосов воздушного типа

Энергию привычно ассоциировать с теплом. На самом деле энергия присутствует везде – даже в холодных объектах (строго говоря – во всём, что теплее -273°C). Дело в разнице потенциалов. Среда с отрицательной температурой обладает энергией с низким потенциалом. Конструкция устроена так, что тепловой насос извлекает низко потенциальную энергию и конвертирует в высокопотенциальную энергию.

Принцип работы схожий с холодильником. В термодинамике этот процесс называется обратным циклом Карно. Если в холодильнике тепло транспортируется из камеры в пространство для создания холодильного эффекта, то ТН устроены наоборот: собирается холод и трансформируется в тепло.

Система тепловых насосов устроена из 2 частей: наружной и внутренней. Между частями расположены компрессор и испаритель. Цикл трансформации энергии состоит из нескольких этапов. На первом этапе теплоноситель циркулирует по системе наружных труб и собирает рассеянную снаружи энергию.

Следующий этап цикла – проход теплоносителя через камеру испарителя, который заполнен хладагентом. В качестве хладагента используется фреон. При отрицательной температуре хладагент начинает кипеть. При соприкосновении с тепловой энергией низкого потенциала, хладагент превращается в газ и передвигается в компрессор.

Внутри компрессора газ снова нагревается и движется в конденсатор. Там он остывает и из газообразного состояния трансформируется в жидкость, а собранное тепло переходит в систему отопления. Далее происходит повторение цикла.

Для обеспечения непрерывности цикла требуется небольшое количество электроэнергии. Она нужна для привода в действие компрессора.

Условия эксплуатации и эффективность ТН

Определить эффективность теплонасосов можно по специальному коэффициенту СОР (англ. Coefficient of Perfomance). COP – коэффициент преобразования, который позволяет соотнести количество производимого тепла к затрачиваемой энергии.

Современные насосы могут иметь значение COP от 2 до 5. Тепловой насос с коэффициентом преобразования 5 способен трансформировать 1 кВт электроэнергии в 5 кВт тепла.

Теоретически для расчёта СОР необходимы 2 показателя: температура источника энергии (T1) и температура воды в системе (T2).

При расчёте используют измерение температуры в Кельвинах. Чтобы перевести градусы по Цельсию в Кельвины нужно прибавить 273,15. Например, температура воздуха составляет 5 °C, а в тепловом контуре 55 °С. Произведём расчёты:

55 °C + 273,15 = 328,15 К

5 °C + 273,15 = 278,15 K

COP = 328,15 / (328,15 – 278,15) = 6,563

На практике все сложнее и величина COP может быть ниже, чем в расчётах. Расчёт СОР зависима от многих исходных данных. Тут важно учитывать и температуру источника, и температуру теплоносителя, и параметры хладагента, и эффективность цикла работы, и потребление энергии насосом, и многое другое. Поэтому при сравнении СОР разных ТН следует знать при каких входных данных будет производиться сравнение.

Знание коэффициента преобразования позволяет оценить насколько эффективно применение теплового насоса. А также имея данную величину, легче сравнивать модификации насосов.

Преимущества тепловых насосов

  1. Снижение эксплуатационных расходов
    Если сравнивать тепловые насосы с другими источниками тепла в купальный сезон по цене нагрева воды – у ТН цена будет ниже.
  2. Автономность работа
    Когда подвести газ к участку нельзя, подогрев воды в бассейне тепловым насосом сохранит автономность тепловой энергии.
  3. Автоматизация управления
    Для удобства и исключения человеческого ресурса теплонасосам можно программировать нужные режимы, а контролировать работу можно из любой точки.
  4. Пожаробезопасность
    Принцип работы ТН не связан с горением, поэтому такие системы пожаробезопасны. Это значит, что не нужно согласовывать установку и использование тепловых насосов с МЧС.
  5. Комбинирование с кондиционером
    Тепловые насосы комбинируются с системами кондиционирования воздуха. Такие модификации могут одновременно подогревать воду и регулировать температуру воздуха в бассейне.

Как выбрать ТН

Тепловые насосы стоят много: чем мощнее и оснащённее агрегат – тем цена выше. Покупать большой и навороченный насос неправильный ход. При покупке ТН стоит учитывать такие факторы, как:

  • расположение бассейна – находится ли он на улице или в помещении;
  • объём бассейна – показатель, учитывать который следует в первую очередь;
  • температура воды – важно знать значения исходной и целевой температуры;
  • техническая оснащённость ТН – одна модель теплонасоса может использоваться исключительно для подогрева воды, либо также обогревать помещение.

Выбрать и купить оптимальный тепловой насос можно здесь.

Пример расчёта мощности ТН

Для расчёта необходимой мощности ТН для бассейна существует формула:

  • P — мощность (кВт);
  • 1,16 — коэффициент поправки потери тепла водой при испарении;
  • ΔT — разница между исходной и конечной температурой воды;
  • t — время, необходимое для подогрева воды (ч);
  • V — объем воды (м 3 ).

Произведём расчёт для бассейна объёмом 30 м 3 с разницей в температуре T=10 за 36 часов (первичный нагрев).

P = 1,16 × 10 × 30 / 36 = 9,67

Таким образом, для бассейна с такими параметрами нужен тепловой насос тепловой мощностью не менее 9,7 кВт.

Такой расчёт усреднён, это важно осознавать. В формуле не учитывается ряд факторов, которые напрямую или косвенно могут влиять на функционирование насоса: температура окружающей среды на улице или в помещение, наличие вентиляции, теплосберегающих покрытий и т. д. Плюс – одно дело первичный нагрев, другое – поддержание нужной температуры.

Для корректного расчёта мощности теплонасоса стоит проконсультироваться с инженером или продавцом оборудования по телефону 8 (499) 923-32-62.

Тепловые насосы для отопления вашего дома

Тепловой насос — это устройство, которое может обеспечивать вашему дому отопление зимой, охлаждение летом и производство горячей воды круглый год.

Тепловой насос использует энергию возобновляемых источников — нагретого воздуха, земли, скальных пород или воды — для производства тепловой энергии. Это преобразование осуществляется с помощью особых веществ — хладагентов.

Принцип действия теплового насоса

Конструктивно любой тепловой насос состоит из двух частей: наружной, которая «забирает» тепло возобновляемых источников, и внутренней, которая отдает это тепло в систему отопления или кондиционирования вашего дома. Современные тепловые насосы отличаются высокой энергоэффективностью, что в практическом плане означает следующее — потребитель, т.е. владелец дома, используя тепловой насос, тратит на обогрев или охлаждение своего жилища, в среднем, всего четверть тех денег, которые он потратил бы, если теплового насоса не было.

Иначе говоря, в системе с тепловым насосом 75% полезного тепла (или холода) обеспечивается за счет бесплатных источников — тепла земли, грунтовых вод или нагретого в помещениях и выбрасываемого на улицу использованного воздуха.

Рассмотрим, как действует, пожалуй, самый популярный в быту тепловой насос, работающий за счет тепла земли. Работа теплонасоса происходит в несколько циклов.

Цикл 1, испарение

Наружная часть «земляного» теплового насоса представляет собой замкнутую систему труб, зарытых в землю на определенную глубину, где температура круглый год стабильна и составляет 7-12°C. Чтобы «собрать» достаточное количество энергии земли, требуется, чтобы общая площадь, занимаемая системой подземных труб, была в 1,5-2 раза больше всей отапливаемой площади дома. Эти трубы заполнены хладагентом, который нагревается до температуры земли.

Хладагент имеет очень низкую температуру кипения, поэтому способен прейти в газообразное состояние уже при температуре грунта. Далее этот газ поступает в компрессор.

Популярные модели

Цикл 2, сжатие

Именно этот компрессор и расходует всю необходимую для работы теплового насоса энергию, но по сравнению, к примеру, с отоплением от газового котла, эти затраты заметно ниже. К сравнению затрат мы вернемся позже.

Итак, нагретый до температуры 7-12°C газообразный хладагент из подземных труб в камере компрессора сильно сжимается, что приводит к его резкому нагреву. Чтобы понять это просто вспомните, как нагревается обычный велосипедный насос, когда вы накачиваете шины. Принцип тот же самый.

Хозяину на заметку

«Тепловой насос — современное отопление. Но реальные значения эффективности теплонасосов зависят от температурных условий, т.е. в холодные дни их эффективность падает. Она составляет порядка 150% при температуре −20 °C, и порядка 300% при температуре источника +7 °C».

Цикл 3, конденсация

После цикла сжатия, мы получили горячий пар под высоким давлением, который подается уже во внутреннюю, «домашнюю» часть теплового насоса. Теперь этот газ может быть использован для системы воздушного отопления или для нагрева воды в системе водяного отопления и горячего водоснабжения. Также этот горячий пар может применяться с системой «теплый пол».

Отдавая тепло в систему отопления, горячий газ охлаждается, конденсируется и превращается в жидкость.

Цикл 4, расширение

Эта жидкость поступает в расширительный клапан, где ее давление понижается. Теперь жидкий хладагент низкого давления снова направляется в подземную часть для нагрева до температуры земли. И все циклы повторяются.

Эффективность использования тепловых насосов

На каждый 1 кВт электроэнергии, потребляемой тепловым насосом для работы его компрессора, в среднем, вырабатывается около 4 кВт полезной тепловой энергии. Это соответствует 300% эффективности.

Сравнение отопления с помощью теплового насоса с другими способами.

Данные представлены Европейской ассоциацией тепловых насосов (EHPA)

Следует понимать, что показатели эффективности тепловых насосов отличаются, в зависимости от конкретных условий, в которых действует ваше устройство. Так, если вы используете «земляной» тепловой насос, и у вас на участке глинистая почва, то эффективность теплонасоса будет примерно вдвое выше, чем если бы трубы теплового насоса лежали в песчаном грунте.

Также следует помнить, что укладка подземной части должна осуществляться ниже отметки промерзания грунта. Иначе тепловой насос работать вообще не будет.

Реальные значения эффективности тепловых насосов зависят от температурных условий, т.е. в холодные дни их эффективность падает. Она составляет порядка 150% при температуре −20 °C, и порядка 300% при температуре источника +7 °C. Но технологии не стоят на месте — современные модели отличается большей энергоэффективностью, причем эта тенденция сохраняется.

Читайте также  Опрессовка теплового узла

Тепловые насосы для охлаждения дома

По своему принципу действия тепловой насос аналогичен холодильным агрегатам или чиллерам. Поэтому в летнее время он может применяться не для обогрева дома, а для его охлаждения или кондиционирования. Вспомним, что, если речь идет о «земляном» теплонасосе, то температура грунта стабильна в пределах 7-12°C круглогодично. И с помощью теплового насоса она может передаваться в помещения дома.

Принцип работы системы охлаждения с помощью теплового насоса аналогичен системе отопления, только вместо радиаторов используются фанкойлы. При пассивном охлаждении теплоноситель просто циркулирует между фанкойлами и скважиной, т.е. холод из скважины напрямую поступает в систему кондиционирования, но сам компрессор при этом не работает. Если пассивного охлаждения недостаточно, включается компрессор теплового насоса, который дополнительно охлаждает теплоноситель.

Типы тепловых насосов

Бытовые тепловые насосы бывают 3-х основных типов, различающихся по внешнему источнику тепла:

  • «земляные» или «грунт-вода», «грунт-воздух»;
  • «водяные» или «вода-вода», «вода-воздух»;
  • «воздушные» или «воздух-вода», «воздух-воздух».

«Земляные» тепловые насосы

Самые популярные — это тепловые насосы, использующие тепло земли. О них уже шла речь выше. Это самые эффективные, но и самые дорогие из всех типов. Трубы, уходящие под землю, могут располагаться вертикально или горизонтально. В зависимости от этого, «земляные» тепловые насосы делятся на вертикальные и горизонтальные.

Другие публикации TopClimat.ru по теме
Что такое тепловой насос
Конвектор + тепловой насос = новые возможности

Вертикальные тепловые насосы требуют погружения труб, по которым циркулирует хладагент на значительную глубину: 50-200 м. Правда, есть альтернатива — сделать не одну такую скважину, а несколько, но более «мелких». Расстояние между такими скважинами должно быть не менее 10 м. Чтобы рассчитать глубину бурения, можно грубо прикинуть, что тепловой насос мощностью 10 кВт потребует скважины (одну или несколько) общей глубиной около 170 м. Следует также помнить, что бесполезно бурить очень мелкие — менее 50 м — скважины.

При горизонтальной укладке дорогостоящее бурение на большую глубину не требуется. Глубина заложения трубопроводов при этом способе — около 1 м, в зависимости от региона установки эта величина может как уменьшаться, так и увеличиваться. Труба с хладагентом при этом способе укладывается так, чтобы расстояние между соседними участками было не менее полутора метров, иначе сбор тепла не эффективен.

Хозяину на заметку

«Если вы живете в зоне умеренного климата — например, на Северо-Западе — то наиболее эффективный вариант для вас — тепловой насос, использующий тепло земли. Причем, лучше установить вертикальный вариант теплонасоса — особенно, если ваш дом находится на скальных породах».

Для установки теплового насоса мощностью 10 кВт необходима общая длина зарытой трубы порядка 350-450 м. Если принять во внимание ограничения, связанные с соседством разных участков между собой, то вам понадобится участок земли с размерами 20 на 20 метров. Есть ли такой свободный участок в наличии — большой вопрос.

Как выбрать нужный тепловой насос

Если вы живете в зоне умеренного климата — например, на Северо-Западе — то наиболее эффективный вариант для вас — тепловой насос, использующий тепло земли. Причем, лучше установить вертикальный вариант теплонасоса — особенно, если ваш дом находится на скальных породах, где найти свободный обширный участок земли проблематично. Но такой тип теплового насоса наиболее дорог по сумме капитальных затрат.

В зоне с мягким климатом — например, в Сочи — можно установить тепловой насос «воздух-вода», который не требует чрезмерных капитальных затрат и особенно эффективен в местности, где сезонные колебания температур сравнительно невелики.

В зависимости от принципа действия, бывают электрические тепловые насосы и газовые тепловые насосы. Более популярны модели, работающие от электричества.

Еще одно важное замечание. Хорошей идеей являются комбинированные модели тепловых насосов, которые совмещают классический вариант теплонасоса с газовым или электрическим нагревателем. Такие нагреватели могут применяться при неблагоприятных погодных условиях, когда эффективность теплового насоса снижается. Как уже говорилось, особенно снижение эффективности свойственно тепловым насосам «воздух-вода» и «воздух-воздух».

Комбинация этих двух источников тепла позволяет снизить стоимость капитальных затрат и увеличить срок окупаемости теплонасосной установки.

Преимущества и недостатки тепловых насосов

Главным достоинством тепловых насосов являются их низкие эксплуатационные расходы. Т.е. стоимость произведенного тепла или охлаждения для конечного потребителя является самой низкой по сравнению с другими способами отопления/кондиционирования. Кроме этого, система с тепловым насосом практически безопасна для дома. Следовательно, упрощаются требования к системам вентиляции его помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Что также положительно влияет на стоимость установки этих систем.

Тепловые насосы просты в эксплуатации и весьма надежны, а еще — практически бесшумны.

Еще один плюс — вы легко можете переключить тепловой насос с отопления на охлаждение в случае необходимости. Нужно лишь иметь дома не только отопительные радиаторы, но и фанкойлы.

Но есть у них и минусы, главный из которых является оборотной стороной главного плюса — капитальные затраты на их установку весьма существенны. Еще одним недостатком тепловых насосов до недавнего времени была сравнительно низкая температура теплоносителя — не более 60 C. Но последние разработки дали возможность устранить этот недостаток. Правда, и цена на такие модели выше, чем на стандартные.

Обогрев за бесценок! Тепловой насос для отопления дома: принцип работы устройства

Тепловой насос представляет собой альтернативный вариант отопления в виде парокомпрессионной установки. Устройство переносит тёплый воздух от холодных источников тепла к высокопотенциальным.

Энергия передаётся вследствие конденсации хладагента и его последующим преобразованием в пар. Хладагент во время работы ТН проходит по замкнутому контуру. Тепловой насос тратит электроэнергию для конденсации испарения принудительной циркуляции.

Как устроен тепловой насос для отопления дома?

Установка представлена из трех составляющих:

  1. Зонда, предназначенного для сбора тепла.
  2. ТН и компрессора.
  3. Камеры конденсатора с системой отопления.

Конденсатор или теплообменная камера состоит из труб и радиаторов.

Зонд — это проводник, по которому поступает тепло. Зонды в зависимости от принципа действия и способа укладки делятся на 3 вида:

  • горизонтальные (размещают в земляных траншеях глубиной от 1,2 метра и более);
  • вертикальные (помещают в скважины глубиной до 200 м);
  • водные (размещают в водоеме ниже глубины промерзания).

Тепловой насос состоит из 6 компонентов.

Хладагент входит во внутреннее строение устройства. Компонент направлен для циркуляции по закрытому контуру. Кроме этого, установка имеет капилляр и компрессор. В насосе есть испаритель, который нагревает вещество за счёт холодной температуры. Конденсатор помогает сохранить тепло для дальнейшего использования. На ТН находится терморегулятор, который позволяет выставлять необходимую температуру.

Справка. В холодильнике составляющие ничем не отличаются от теплового насоса. Однако процесс направлен на охлаждение. При чрезмерном охлаждении система выводит ее к задней стенке устройства.

Разновидности тепловых насосов и принципы их действия

Цель ТН это температурный обмен между носителями. Выделяют несколько разновидностей установок:

  • земельные;
  • воздушные;
  • водяные.

От этих природных энергоносителей установка снабжает здание теплом. Принцип монтажа и работы у таких насосов несколько отличается. Устройства могут быть как открытого, так и закрытого типа.

Грунт-вода

ТН земельного вида состоит из 3 контуров. Внешний располагается в грунте. Он выполняет сбор тепловой энергии. Хладагент попадает в ТН. Затем теплоноситель переходит в испаритель. Там начинает подниматься температура. Последний контур представлен в системе отопления в здании или доме. В нём происходит циркуляция воды. Из-за этого ТН называют грунт-вода.

Внимание! В качестве теплоносителя в рассматриваемой установке используют антифриз или смешанный с водой пропиленгликоль. В ином случае в качестве вещества выступает этиленгликоль.

Часто в такой системе теплоносителем бывает фреон. Этот хладагент способен при пониженной температуре превращаться из жидкости в газообразное состояние.

При закипании теплоносителя, пары попадают в конденсатор. Затем тепловая энергия попадает в последний контур, где находится вода. После того как теплоноситель остывает, он преобразуется в жидкое состояние и переходит в земельный контур. Процесс цикличен и постоянно повторяется.

Фото 1. Схема устройства конструкции с тепловым насосом грунт-вода. Красным цветом показан горячий теплоноситель, синим — холодный.

Вода-вода

Принцип работы ТН водяного типа состоит в использовании энергии с низкой температурой и преобразованием её в тепло. Насос вода-вода состоит из 3 контуров. Фреон выступает в роли первичного теплообменника.

Важно! Контур устанавливают на дне естественного водоёма. Глубина составляет не менее 3 метров над поверхностью. Вода при этом не замерзает и не опускается ниже +3—5°С.

Когда хладагент циркулирует по контуру, то вещество нагревается до 8°С. Затем теплоноситель попадает в корпус установки и в компрессор. Фреон уже на этот момент находится в газообразном состоянии. При остывании хладагента в здании он преобразуется в жидкий вид. Затем осуществляется переход вещества в первый контур. Процесс повторяется.

Функциональные отличия тепловых насосов

Помимо всего прочего тепловые насосы отличаются своей функциональностью. Кроме отопления, они применяются для охлаждения и вентилирования помещений, удаления отработанного воздуха и нагрева горячей воды. При этом для функционирования насоса расходуется лишь 25 % электроэнергии (на работу компрессора), а остальные 75 % получаются им от окружающей среды. Специалисты иногда сравнивают тепловой насос с холодильником , что вполне соответствует истине в части наличия конденсатора, испарителя и дросселирующего устройства, а также одинакового для этих агрегатов цикла работы. Похожи они по форме и габаритам. Различия же касаются в основном параметров их настройки. Так, холодильник удаляет образующееся тепло вовне, тогда как тепловой насос, действуя по аналогичному принципу, подает тепло из окружающего воздуха или почвы внутрь помещения. Тепло, исходящее от хранящихся в холодильнике продуктов проявляется в виде нагретого воздушного потока, который отводится в окружающий воздух за счет трубчатой панели конденсатора (так называемый радиатор, расположенный на задней стене холодильника).

Теоретически, удалив испарительную камеру и ее трубки из холодильника, и поместив их в почву, можно получить устройство, принципиально равное тепловому насосу, работа которого обогревает помещение нагретым воздухом. Пустив на конденсатор холодильника теплоноситель, его, после нагрева, успешно можно подавать в радиаторы отопительной системы. Если представить тепловой насос в виде схемы, то мы получим систему, состоящую из замкнутых контуров. Внешний контур служит для циркуляции теплоносителя, получающего тепло из внешней среды. Это помещенный во внешнюю среду, имеющую температуру свыше +1градуса – грунт или воду, трубопровод из полиэтилена, где постоянно циркулирует морозостойкая жидкость (антифриз). Размещать его можно в большинстве источников тепла – водоеме, скальной породе, почве или ином грунте, а также в выходной конструкции вентиляции промышленных предприятий.

Читайте также  Тепловой элемент потолочный

Второй контур насоса заполнен хладагентом, который, отбирая у теплоотдатчика тепло, испаряется, а затем, вновь конденсируясь, передает его теплоприемнику. В него же вмонтированы устройства изменения давления хладагента, т.е. дроссель (распыляет жидкий хладагент через узкое отверстие) и компрессор (выполняет сжатие газообразного хладагента), а также специальные аппараты для осуществления теплообмена – это конденсатор и испаритель.

Третий контур, являясь теплоприемником, содержит теплоноситель, т.е. ту же воду, поступающую в систему отопления и горячего водоснабжения дома. Для примера, рассмотрим цикл работы теплового насоса. Хладагент в жидком состоянии, проходит через дроссель. При этом давление его снижается. Далее он попадает в испаритель, закипает и, забирая тепло, получаемое коллектором из внешней среды, переходит в состояние газа. Соответственно газообразный хладагент, засасываясь компрессором, сжимается, после чего передается в конденсатор. В свою очередь конденсатор, передает тепло системе отопительного контура посредством циркулирующего в ней теплоносителя. Хладагент в нем охлаждается, переходит в жидкое состояние, разряжается в расширительном вентиле и вновь возвращается в испаритель, замыкая цикл.

Среди характеристик и преимуществ, присущих современным тепловым насосам, можно выделить следующие:

Экономичность. Система жизнеобеспечения с тепловым насосом существенно окупает затраты на ее эксплуатацию. Даже если ее монтаж обойдется дороже установки того же газового котла или центрального кондиционирования, потраченные средства вернутся за счет последующей экономии. Особого внимания здесь заслуживает способность системы непритязательно выполнять свои функции в течение 25-50 лет. При этом, подобные системы греют зимой и охлаждают летом, ежедневно дают горячую воду не только для кухни и ванны, но и для бассейна или сауны, одновременно избавляя домовладельца от хлопот с заправкой, запуском, текущим ремонтом и т.п. процедурами, которые так «любят» иные отопительные котлы и кондиционеры. Примечательно, что рассеянное тепло имеется в любой точке планеты, ведь повсеместно есть если не вода, то грунт и воздух. Следовательно, тепловые насосы могут эффективно работать вдали от традиционных источников энергии, обеспечивая независимость микроклимата в доме от погодных условий, поставщиков энергоносителей и стоимости их услуг.

Экологичность. Тепловые насосы – это один из самых экологически чистых способов поддержания микроклимата в помещении (отопления и охлаждения), поскольку функционируют за счет постоянно возобновляемой тепловой энергии нашей планеты. Специалистами подсчитано, что около 40 % двуокиси углерода выбрасывается в земную атмосферу при отоплении, кондиционировании и подготовке горячей воды, что по степени вреда окружающей среде сравнимо с массовой долей автомобильных выхлопов. Применение тепловых насосов, помимо экономии собственно энергии, до 60 % сокращает объем подобного загрязнения естественной среды обитания.

Долговечность и надежность. Известно, что доля механических составляющих в тепловом насосе минимальна, а сами по себе компрессорные системы подобного типа отличаются длительным периодом безремонтной эксплуатации. В силу этого тепловые насосы признают одной из самых долговечных систем с высокой степенью надежности. Примерно то же самое можно отметить в отношении монтируемого в источнике тепла (грунт, вода и т.д.) полимерного трубопровода, являющегося частью системы. Срок его службы составляет более 50 лет, сама же система способна работать безупречно до 30 лет.

Универсальность и реверсивность. Современные тепловые насосы отличаются такой способностью, как реверсивность, т.е. способны работать как на отопление помещения, так и на его кондиционирование. При отборе излишнего тепла из воздуха в летнее время, его можно направить на иные, более подходящие к сезону цели, например, подогрев воды в бассейне.

Безопасность. К числу характеристик тепловых насосов относится их пожаробезопасность. Для функционирования им не требуется топливо, воспламеняющиеся газы или жидкости. Здесь нет открытого огня. Детали и механизмы насоса не нагреваются, вытяжная труба отсутствует, поэтому возможность воспламенения каких-либо материалов полностью исключена. В свою очередь прекращение работы не повлечет за собой выход из строя всей системы или замерзание теплоносителя. Грубо говоря, тепловой насос столь же безопасен, как и бытовой холодильник.

Комфортность. Работа теплового насоса не вызывает излишних шумов, тогда как «умная» автоматика, руководящая им и мультизональный контроль микроклимата постоянно поддерживают в помещении заданные владельцем параметры микроклимата.

Дизайн. Тепловой насос обладает еще одним привлекательным свойством – это его универсальная сочетаемость с любым стилем интерьера и почти полная незаметность. Компактность размера позволяет ему «съедать» лишь минимум пространства, не выделяясь на фоне обстановки.

Вместе с тем, при эксплуатации теплового насоса необходимо учесть ряд факторов, что также является их особенностью:

Прежде всего, применение теплового насоса целесообразно лишь в домах с хорошей теплоизоляцией и потерями тепла не более 100Вт/м2. При этом степень утепления помещений прямо влияет на экономичность работы системы.

Не следует забывать, что при повышении разности температуры теплоносителя во входном и выходном контуре, соответственно понижается коэффициент преобразования тепла, а значит, расход электроэнергии увеличивается. Естественно, что это требует монтажа тепловых насосов преимущественно с низкотемпературной отопительной системой, каковой могут быть теплые полы, отопление воздушным потоком и т.п. поскольку теплоноситель в них не нагревается свыше + 35 градусов.

Более значимый экономический эффект теплового насоса достигается при бивалентной схеме отопления, т.е. использовании его в совокупности с иным генератором тепла, выступающим в качестве дополнительного.

По видам используемых источников тепла можно выделить несколько основных типов тепловых насосов, к числу которых относятся следующие:

Грунт – вода. Наиболее универсальным источником тепла считается грунт. Накапливая энергию солнца, грунт одновременно подогревается за счет земного ядра. К особенностям такого источника рассеянного тепла относится его распространенность и постоянство температуры в течение года на глубине уже в 5-7 метров. При заглублении теплообменника в грунт, он собирает тепло и аккумулирует его в теплоносителе. Последний с помощью насоса закачивается в испаритель и, пройдя весь цикл, возвращается в грунт за новым теплом. При этом носителем тепла обычно является выполненная на основе пропиленгликоля либо этиленгликоля морозостойкая жидкость. В зависимости от вида насосов, в них в качестве коллектора могут применяться грунтовый зонд или грунтовый коллектор. Последний выполнен в виде длинной трубы, горизонтально размещенной под слоем грунта (горизонтальный коллектор). Грунтовый же зонд или вертикальный коллектор – это совокупность длинных труб, помещаемых в скважину глубиной 50-150 метров. В обмен на малую площадь, грунтовый зонд требует затратных работ по бурению скважины. Выбор между видами коллекторов должен быть основан на площади, геологии и т.п. показателях грунта. Данный тип тепловых насосов требует весьма значительных затрат на проектирование и установку.

Вода – вода. В качестве источника тепла тепловые насосы могут использовать поверхностные водоемы (река, озеро), грунтовые воды либо водосброс технологических установок. Такие насосы мало отличаются от применяемых на грунтовом контуре, однако в силу большей температуры теплоносителя, в зимнее время их эффективность заметно выше. Но как и в случае с насосами земля-вода они требуют существенных затрат на проектирование и установку.

Воздух – вода. В качестве источника тепла насосы используют атмосферный воздух. Конструктивно насосы данной системы могут быть двух видов. Первый – это так называемая сплит-система, в которой два раздельных блока соединяются между собой. Наружный блок устанавливается на участке возле дома и состоит из испарителя и вентилятора. Внутренний блок монтируют в самом помещении. Он состоит из конденсатора и управляющей автоматики. При этом компрессор может быть помещен как во внутреннем модуле, так и снаружи помещения. В последнем случае в доме не будет слышно шума от его работы. Второй – это моноблок, в котором все агрегаты располагаются в едином корпусе. Он устанавливается в помещении, а с внешней средой соединяется воздуховодом. Некоторые модели моноблоков предполагают как внутренний монтаж, так и установку вне помещения. Благодаря низкой стоимости инвестиционных затрат, доступности воздуха как источника низкопотенциального тепла, а так же простаты установки, данный тип насосов является наиболее популярным решением на нашем рынке.

Воздух – воздух. Тепловые насосы этого типа, получая тепло из воздуха, передают его посредством компрессора воздуху, используемому для отопления помещений. Таким образом, промежуточный теплоноситель (вода, антифриз и т.п.) здесь не применяется. Помимо грунта, источником тепла также могут быть грунтовые и поверхностные воды либо водные сбросы промышленных установок.

При всей экономической эффективности тепловых насосов, одним из препятствий к их быстрому распространению на территории России является слабая информированность людей о преимуществах подобных систем. Потенциальный потребитель не долго задерживает свое внимание на тепловых насосах в силу существенных затрат на их приобретение. Так, само оборудование и его монтаж из расчета на 1 кВт мощности обходятся от 15 000 до 30 000 рублей. Несмотря на изначально впечатляющие цифры, последующий расчет явно указывает на экономическую разумность применения таких систем. Вложенные в тепловой насос средств, как правило, окупаются в среднем за 4-9 лет. Сама же система сохраняет работоспособность на протяжении 15-20 лет. Помимо снижения затрат на отопление и кондиционирование зданий, тепловые насосы до 5 раз уменьшают количество вредных выбросов в атмосферу по сравнению с традиционными отопительными системами. Получается, что распространение тепловых насосов в автономных системах теплоснабжения-кондиционирования, способно одновременно решить три актуальные для страны задачи – экономическую, экологическую и проблему сбережения энергии.