Тепловой насос для отопления

В рекламных материалах не описывается ни принцип действия таких устройств, ни уровень эффективности для отопления дома. Однако понять, как все работает, и насколько может быть полезной та или иная система, можно из данной статьи.

Насосная отрасль не стоит на месте, и появляются новые инженерные решения, основанные на знакомых всем технологиях. Маркетологи, заинтересованные в получении прибыли и увеличении продаж, зачастую утаивают данные о том или ином изделии, продвигая его как революционное, не имеющее аналогов. Самый яркий пример — тепловые насосы. В рекламных материалах не описывается ни принцип действия таких устройств, ни уровень эффективности для отопления дома. Однако понять, как все работает, и насколько может быть полезной та или иная система, можно из данной статьи.

 
Что такое тепловой насос, сфера его применения
Техническое определение теплового насоса — устройство для переноса энергии из одной области в другую с одновременным повышением результативности ее работы. Проиллюстрировать такую механику несложно. Представим ведро холодной воды и стакан горячей. Для их нагрева с определенной отметки тепла затрачено одинаковое количество энергии. Однако результативность ее применения — разная. Если одновременно снизить температуру ведра воды на 1 градус, полученной тепловой энергией можно довести жидкость в стакане практически до кипения.

Тепловой насос

Именно по такой механике работает тепловой насос, с помощью которого можно сделать обогрев бассейна или полностью обеспечить отопление загородного дома. Установка переносит тепло из одной области в другую, в общем случае снаружи помещения вовнутрь. Вариантов применения такой техники множество.

• При определенных показателях мощности теплового насоса обогрев дома становится недорогим и эффективным.
• Легко сделать ГВС с тепловым насосом, используя бойлеры вторичного нагрева.
• При определенных усилиях и правильном проектировании доступно создание полностью автономной отопительной системы, питающейся от солнечных батарей.
• Большинство моделей тепловых насосов — приемлемый вариант для теплого пола, используемого в роли нагревательного контура.

Чтобы выбрать и приобрести подходящую систему нужно, прежде всего, правильно ставить стоящую перед ней задачу. И только после выдвигать требования к мощности и оценивать приемлемость отдельных типов тепловых котлов для удовлетворения всех потребностей.

Общий принцип работы
Технологически тепловой насос работает по знакомому всем циклу Карно, серии преобразований состояний вещества. Такие слова могут быть совершенно чужими большинству пользователей. Однако практически каждый из них имеет дома минимум одно устройство, основанное на данном физическом процессе.

Говоря простыми словами, тепловой насос представляет собой холодильник. Любая бытовая модель, где горожане привыкли хранить мясо и напитки — это нагреватель с КПД более 100%. Работает все следующим образом:

• холодильник отнимает тепло от помещенных в него продуктов и передает его на решетку радиатора, а, следовательно — в пространство помещения;
• одновременно идет нагрев воздуха компрессором.

В итоге, затрачивая какое-то количество электроэнергии, пользователь получает два источника тепла, один из которых (отнятая у продуктов энергия) полностью бесплатен.

Именно таков принцип работы теплового насоса. Устройство имеет обратную функциональную схему в сравнении с холодильником — в нем полезным и отвечающим за конечную эффективность узлом является теплообменник, решетка радиатора. Работает все следующим образом:

• контур отбора тепла находится снаружи помещения, в окружении среды стабильной температуры;
• во время работы теплового насоса температура рабочего тела принудительно снижается естественными физическими процессами ниже показателей окружающей среды;
• происходит отбор тепла рабочим телом, интенсивность которого зависит от образованной разницы температур;
• рабочее тело поступает в контур преобразования состояния и теплообменник помещения;
• происходит отдача энергии воздуху или другой среде;
• рабочее тело в исходном состоянии подается в начало цикла (контур отбора тепла).

Такая схема отопления имеет ряд достоинств и недостатков. Однако в оптимальных условиях тепловой насос показывает значительную экономию. Для обогрева дома потребуется на 70-80% меньше затрат в сравнении с классическими системами газовых и твердотельных котлов.

Конечная эффективность теплового насоса зависит от множества факторов. Некоторые технологические решения способны решать только ограниченный ряд задач. Другие предполагают сложный монтаж теплового насоса.

Сегодня существует ряд бытовых приборов, владельцы которых и не подозревают, что в них применяются инновационные, революционные идеи отбора тепла окружающей среды. Причем это может происходить даже при отрицательной температуре воздуха за окном. Это кондиционеры с функцией отопления, которая, собственно, и построена на механике теплового насоса. Принципы работы таких устройств класса воздух-воздух будут рассмотрены позже.

Схема отопления частного дома с применением теплового насоса
Оптимальная схема применения теплонасоса для отопления дома включает в себя накопительный бак. Упрощенно это выглядит так:

Здесь блоки 1 и 2 — запорная арматура, которая решает задачу регулирования поступающих потоков тепла. Они могут быть ручного перекрытия потока или представлять собой автоматизированные термоголовки. Блок 3 — общий терморегулятор или система датчиков.

Работает отопление по следующему принципу:

• тепловой насос отбирает тепло окружающей среды и нагревает воду;
• жидкость поступает либо в теплообменник вторичного нагрева накопительной емкости, либо циркулирует в едином контуре;
• система отопления строится по классическому принципу, ток воды в ней обеспечивается циркулярным насосом.

Приведенная на рисунке схема — минимальное оснащение дома. Она может быть легко дополнена. В частности, никто не мешает установить две емкости и использовать принцип вторичного нагрева жидкости. Одна из них — бойлер с тепловым насосом (установленный непосредственно на выходе последнего) — используется для горячего водоснабжения. А более объемный бак решает задачу подачи теплоносителя в систему отопления.

Отлично работает вариант отопления дома с теплонасосом, накопительной емкостью и системой теплый пол. В этом случае не нужно нагревать жидкость до высокой температуры. Оптимальный показатель для теплого пола — от 30 до 40 градусов. Схема отопления аналогична уже приведенной, только вместо радиаторов вода поступает на коллекторный узел с собственной регулировкой потока.

Классификация тепловых насосов по характеристике сред
Классификация теплонасосов достаточно объемна. Устройства делятся по роду рабочего тела, принципу изменения его физического состояния, использованию устройств преобразования, характеру необходимого для работы энергоносителя. Если учесть, что на рынке представлены модели с разнообразными комбинациями классификационных критериев, становится понятно, что достаточно трудно перечислить все. Однако можно рассмотреть основные принципы группового деления.

От параметров источника тепла и среды-получателя зависит монтаж, конструкция, а также конечные характеристики теплового насоса. Сегодня предлагается несколько типов инженерных решений.

Воздух-воздух
Теплонасосы воздух-воздух — самые распространенные устройства. Они компактны и достаточно просты. На механике такого типа работают бытовые кондиционеры с режимом отопления. Принцип действия прост:

• уличный теплообменник охлаждается ниже температуры воздуха и отбирает тепло;
• после сжатия поступающего фреона в радиатор его температура сильно возрастает;
• вентилятор внутри комнаты, обдувая теплообменник, обогревает помещение.

Отбор энергии окружающей среды не обязательно производится внешним теплообменником. Для этой цели воздух может нагнетаться в расположенный в комнате блок. Именно так работают некоторые канальные системы.

Воздух-воздух

Если в кондиционере происходит сжатие и расширение фреона, то в вихревых теплонасосах используется простой воздух. Механика работы аналогична: до поступления во внутренний теплообменник газ сжимается, а отдав энергию — задувается интенсивным потоком в камеру отбора тепла.

Вихревой теплонасос — большая, массивная установка, которая работает эффективно только при условии высокой температуры окружающей среды. Поэтому такие системы устанавливаются в промышленных цехах, они используют как источник тепла выхлопные газы печей или горячий воздух основной системы кондиционирования.

Вода-вода

Теплонасос типа вода-вода работает по тому же принципу, что и другие установки. Отличаются только среды передачи энергии. Оборудование оснащается погружными зондами, чтобы даже в условиях жесткой зимы добраться до горизонта грунтовых вод с положительной температурой.

В зависимости от потребностей отопления, теплонасосные системы вода-вода могут быть совершенно разного размера. К примеру, начиная от нескольких скважин, пробуренных вокруг частного дома, заканчивая расположенными непосредственно в водоносном слое теплообменниками большой площади, которые закладываются на этапе строительства здания.

Теплонасосы вода-вода отличаются большей производительностью и эффективной мощностью отдачи. Причина — в повышенной теплоемкости жидкости. Слой воды, в котором расположен зонд или теплообменник, быстро отдает энергию, а благодаря огромному объему незначительно снижает свои характеристики, способствуя стабильной работе системы. Также оборудование вода-вода отличается повышенным КПД.

Совет! В определенных условиях схема вода-вода может обойтись без промежуточных узлов в виде накопительных баков отопительной сети. Правильно оценивая существующие климатические условия и выбирая мощность установки, в доме устанавливается водонагреватель с тепловым насосом и организуется эффективная система теплый пол.

Вода-воздух, воздух-вода

Комбинированные системы нужно выбирать особенно внимательно. При этом тщательно оцениваются существующие климатические условия. Например, цикл теплового насоса класса вода-воздух имеет хорошую эффективность для отопления в регионах с сильными морозами. Система же воздух-вода в связке с теплым полом и накопительным бойлером вторичного нагрева способна показать максимальные результаты экономии на территориях, где температура воздуха редко падает ниже -5…-10 градусов.

Расплав (рассол)-вода

Теплонасос данного класса — своеобразный универсал. Он может применяться буквально везде. Показатели его полезной тепловой мощности постоянны и стабильны. Принцип работы рассольно-водного устройства основан на отборе тепла, прежде всего, из почвы, имеющей нормальные показатели влажности или заболоченной.

Система отличается простым монтажом: для размещения внешних теплообменников достаточно зарыть их на определенную глубину. Также можно выбрать один из вариантов оборудования с газообразным или жидким рабочим телом.

Расчет теплового насоса класса рассол-вода делается по уровню потребности в энергии для отопления. Методик ее количественного определения предостаточно. Можно произвести максимально четкий расчет, принимая во внимание материал стен дома, конструкции окон, характер почвы, средневзвешенную температуру воздуха и многое другое.

Производители рассольно-водных систем предлагают различные варианты моделей, отличающихся мощностью потребления узла преобразования, конструкцией и габаритами внешних теплообменников, параметрами выходного контура. Выбрать оптимальный теплонасос по заранее сформированному списку требований несложно.

Деление по типу рабочего тела

Современные теплонасосы могут использовать газообразное тело или химический жидкий раствор аммиака в роли транспортера тепла. Пригодность той или иной схемы оценивается по нескольким факторам, особенностям систем.

1. Установки, использующие фреон, имеют цикл теплового насоса, основанный на процессах сжатия и расширения газа. Они так или иначе построены на компрессорной схеме. Оборудование обладает привлекательными показателями производительности, однако имеет и недостатки. Хотя средневзвешенное потребление системы в момент рабочего цикла стабильно, проводка сильно нагружается. Кроме этого, теплонасосы с газообразным транспортером тепла не будут полезны в регионах, где нет централизованных сетей электричества или источника питания достаточной нагрузочной способности.
2. Установки испарительного типа, использующие аммиачный раствор, имеют рабочий цикл, основанный на процессе испарения вещества при низких температурах кипения. Сжижение после прохода внешнего теплообменника происходит под действием источника энергии. Это — тепловая горелка. Для нее может применяться практически любое топливо: твердое, бензин, дизель, газ, керосин, в отдельных случаях — метиловый спирт. Поэтому испарительные теплонасосы привлекательны в местах, где нет электричества. Кроме этого, к выбору именно такого оборудования может подтолкнуть дешевизна топлива определенного вида в регионе.

Характер используемого в системе рабочего тела может многое сказать о производительности установки и отдачи мощности. Так, фреонные компрессорные теплонасосы способны на резкий рывок, быстро прогревая помещение. Аммиачные испарительные модели на такие подвиги не способны. Их предпочтительный режим использования — стабильная, постоянная работа с номинальной теплоотдачей.

Преимущества тепловых насосов и целесообразность их установки

Как заявлено в рекламе, главное преимущество тепловых насосов — экономичность отопления. В какой-то мере все работает именно так. Если теплонасос имеет среду отбора энергии, обеспечивающую оптимальные показатели температуры, установка работает эффективно, расходы на отопление снижаются примерно на 70-80%. Однако всегда есть случаи, когда теплонасос может быть нерациональным вложением средств.

Эффективность работы теплового насоса обуславливается следующими технологическими характеристиками:

• параметр граничного предела снижения температуры рабочим телом;
• минимальная разница в температурах внешнего обменника и окружающей среды, при которой отбор тепла крайне мал;
• уровень потребления энергии и отдачи полезной тепловой мощности.

Целесообразность применения теплонасоса зависит от нескольких факторов.

1. Территории, где такое оборудование не показывает хороших результатов — регионы с морозными зимами и низкими среднесуточными температурами. В этом случае, теплонасос просто не способен отобрать достаточно тепла из окружающей среды, вплотную приближаясь к зоне нулевой эффективности. В первую очередь, это касается систем воздух-воздух.
2. При росте объемов отапливаемого пространства технологические параметры теплонасоса увеличиваются почти в геометрической прогрессии. Становятся габаритнее теплообменники, размер и количество зондов погружения в воду или землю увеличиваются. В определенной точке стоимость теплонасоса для отопления, необходимые траты на его монтаж и обслуживание, а также оплату потребленной мощности становятся просто нерациональными вложениями. Гораздо дешевле создать классическую газовую схему отопления с котлом.
3. Чем сложнее система, тем дороже и проблематичнее ее ремонт в случае поломки. Это негативное дополнение к размеру отапливаемой площади и характеристикам климатической зоны.

Совет! В целом, использование теплового насоса в качестве единственного источника тепла для дома может рассматриваться только в ограниченном числе ситуаций. Всегда разумно применять систему комплексного обеспечения. Здесь количество возможных комбинаций ограничено только доступными источниками энергии и финансовыми возможностями владельца.

Классика — это тепловой насос и газовый/твердотопливный котел, работающие в связке. Идея проста: продукты сгорания топлива выводятся по широкой трубе. В ней располагается обменник теплонасоса. В системе отопления и горячего водоснабжения устанавливаются накопительные емкости и бойлер косвенного нагрева. Оборудование (котел и насос) активируется одновременно при падении температуры жидкости в распределительной сети. Работая в паре, они практически полностью утилизируют энергию сгорающего топлива, показывая близкие к максимуму показатели эффективности.

Система с адаптацией к характеристикам окружающей среды построена на термонасосе, вентиляторном блоке, тепловой пушке любого класса. При достаточно высокой температуре воздуха на улице (до -5…-10 градусов Цельсия) теплонасос работает в штатном режиме, обеспечивая достаточную отдачу мощности для отопления. Особенность конструкции системы — расположение его внешнего теплообменника в отдельном вентиляционном канале. При падении температуры на улице ниже оптимальной отметки подаваемый воздух нагревается тепловой пушкой (дизельной, электрической или газовой).

Особо стоит отметить: большинство схем, предусматривающих адаптацию к температуре воздуха или стабилизирующие параметры эксплуатации теплонасоса, применяются к устройствам класса воздух-воздух и воздух-вода. Другие системы, из-за изолированных в земле или воде внешних теплообменников не позволяют создания подобных «тепличных» условий работы.

Основные характеристики и расчет мощности теплового насоса

Общая рациональность установки теплонасоса для отопления дома оцениваются, прежде всего, по финансовым тратам. Сюда входят:

• цена покупки оборудования;
• стоимость монтажа, которая может включать земельные работы;
• траты на периодическое обслуживание;
• примерная стоимость ликвидации частых неполадок.

Выбор модели по мощности, как было сказано выше, базируется на общей потребности в теплообеспечении. Примерный расчет для одноэтажного дома 10х10 метров (300 кубометров объема) выглядит примерно так:

• учитывается максимальная отрицательная зимняя температура (-20);
• определяется разница между комнатой и окружающей средой (20 — -20 = 40);
• высчитываются теплопотери стен, по справочным данным их материала (для кирпича табличное значение 1, теплопотери — 1х300х40 — 12000 килокалорий в час или 13,5 кВт).

Полученная цифра — показатель минимальной мощности теплового насоса, которого хватит для отопления дома. Для выбора оптимальной модели характеристику нужно увеличить минимум на 50%. Это делается из-за того, что теплонасосу зимой придется работать в неоптимальных условиях, близко к нижней точке нулевой эффективности по температуре окружающей среды. Полученная цифра для рассматриваемого примера — около 20 кВт.

Вторая часть расчета — выбор емкости накопительного бака. Данную часть системы рекомендуется устанавливать, чтобы теплонасос мог работать ограниченное число циклов в сутки. В документации к оборудованию приводятся рекомендации по объему теплоаккумулятора для определенного показателя цикличности. Среднестатистическая цифра — 30 литров на киловатт при 3 запусках, 20 литров — при 5 запусках. Таким образом, для дома в рассматриваемом примере понадобится бак накопителя минимум в 400 литров для пяти циклов работы теплонасоса в сутки.

Заключение

Если в результате анализа климата, доступных источников энергии, характера почв принято решение купить теплонасос для отопления — рекомендуется доверить проектирование системы профессионалам. Оптимальный выбор модели основывается не только на особенностях оборудования и механике его работы. Специалисты учтут теплоотдачу почв, выберут комбинированную схему с хорошей эффективностью, рассчитают лучший вариант проведения земельных работ. Поэтому разработанная профессионалами система отопления с тепловым насосом не заставит столкнуться с неожиданностями и пожалеть о своем выборе.

опубликовано econet.ru  Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

Источник: econet.ru

Принцип работы теплового насоса

Принцип действия тепловых насосов основан на способности вещества (хладагента) поглощать или отдавать тепло при изменении агрегатного состояния. По своей сути такие насосы мало чем отличаются от холодильных установок. (Это странное, на первый взгляд, утверждение нисколько вас не удивит, если вы хоть раз дотрагивались до горячей задней стенки обычного бытового холодильника.)

Схематично тепловой насос может быть представлен в виде системы, состоящей из трех контуров. В первом находится теплоноситель, переносящий энергию от источника низкопотенциального тепла. Во втором контуре циркулирует хладагент (фреон), который периодически то испаряется, отбирая тепло у первого контура, то вновь конденсируется, отдавая его третьему контуру. И, наконец, по третьему контуру «бегает» теплоприемник, в нашем случае – вода, переносящая тепло по системе отопления.

Рабочий цикл теплонасоса в общих словах может быть описан следующим образом. Жидкий хладагент поступает в испаритель, где переходит в газообразное состояние. Необходимая для протекания этого процесса энергия отбирается у теплоносителя, циркулирующего в первом контуре. Далее подогретый на несколько градусов газообразный хладагент всасывается в компрессор, главное назначение которого – сжатие газа (на совершение этой работы, разумеется, расходуется электроэнергия).

Давление газа возрастает в несколько раз, при этом он существенно разогревается: если на входе в компрессор температура хладагента составляет 6-10°C, то на выходе уже около 60°C. На следующей стадии разогретый газ направляется в конденсатор, где отдает полученное тепло системе отопления, сам же при этом конденсируется, т.е. переходит в жидкое состояние. Затем избыточное давление сбрасывается с помощью дроссельного клапана, и цикл начинается заново.

Как видите, устройство теплового насоса не отличается принципиально от устройства холодильной машины. Просто основным назначением холодильных установок является генерирование холода, поэтому там отбор теплоты производится испарителем, а конденсатор лишь сбрасывает эту теплоту в окружающее пространство. В тепловом же насосе картина обратная: конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, отдающий теплоту потребителю, а испаритель – это теплообменник, утилизирующий низкопотенциальную теплоту вторичных энергоресурсов.

Другими словами тепловой насос – это «холодильник наоборот». При этом «наоборот» не только устройство, но и результат. Если в случае холодильника тепло, отнимаемое у хранящихся внутри продуктов, выбрасывается впустую, то энергия, вырабатываемая тепловым насосом, приносит реальную пользу – тратится на целенаправленный обогрев дома.

Разновидности тепловых насосов и систем

Тепловая энергия, расходуемая на отопление здания и систему горячего водоснабжения, является результатом преобразования энергии окружающей среды, осуществляемого с помощью теплового насоса. Насос концентрирует эту низкопотенциальную (низкотемпературную) энергию и передает ее системе отопления.

Осталось разобраться, что в данном случае подразумевается под энергией окружающей среды. Большинство тепловых насосов бытового назначения позволяют использовать тепло Солнца и внутреннее тепло Земли, накапливаемые верхними слоями земной коры и водой в течение всего года.

По типу конструкции первого контура теплообменника все тепловые насосы делятся на грунтовые, водяные и воздушные.

Грунтовые тепловые насосы

Грунтовые тепловые насосы получают тепло, необходимое для подогрева хладагента в испарителе, от грунта. Температура последнего на глубине нескольких метров практически не подвержена сезонным колебаниям. По замкнутой системе труб, размещенных в грунте, циркулирует «рассол». Слово «рассол» мы не случайно взяли в кавычки: соли, как этого можно было бы ожидать исходя из названия, он не содержит. На самом деле это антифриз на основе этиленгликоля или пропиленгликоля, реже водного этанола. Трубы теплообменника могут быть уложены в грунте как горизонтальным (горизонтальный коллектор), так и вертикальным (геотермальный зонд) способом.

Трубы горизонтального коллектора укладываются в землю на глубине ниже уровня промерзания грунта в данном регионе (обычно 1.5-2 м). Теплообменная система этого вида занимает достаточно большую площадь. Например, для обеспечения теплом сравнительно небольшого дома площадью 100 м² потребуется выделить 2-3 сотки земли. Следует принять во внимание, что на территории, занятой коллектором, можно садить лишь те деревья и кустарники, корни которых не уходят в почву слишком глубоко, а располагать здесь какие-либо постройки и вовсе нельзя.

Геотермальный зонд – это теплообменник, трубы которого располагаются вертикально и погружены в грунт на глубину до 100-200 м. Количество устанавливаемых зондов зависит от требуемой мощности установки. Для обогрева дома, уже рассматриваемого нами выше в качестве примера, достаточно будет двух зондов длиной около 80 м, расположенных на расстоянии 5 м друг от друга.

Как видите, для размещения этой системы не требуется больших площадей, вы можете пробурить скважины в любой части вашего участка – там, где вам это удобно. Главный недостаток грунтовых тепловых насосов с геотермальными зондами – высокая стоимость работ по бурению скважин. Однако, невзирая на это, большинство пользователей отдает предпочтение именно этим системам, ведь геотермальные зонды обладают большей эффективностью, чем горизонтальные коллекторы, и имеют при этом меньше ограничений.

Бурение скважины для геотермального зонда.

Водяные тепловые насосы

Водяной тепловой насос «черпает» энергию грунтовых вод, которые прокачивает через свой испаритель. Подобная система отличается повышенной эффективностью и неплохой стабильностью: первая характеристика является результатом высокой теплоотдачи воды, вторая обусловлена постоянством температуры грунтовых вод.

Разумеется, чтобы использовать установку такого типа, требуется, чтобы эти самые грунтовые воды имелись на вашей территории, причем в достаточно большом количестве. Очень желательно, чтобы водоносный слой располагался не глубже 30-40 м. Одновременное выполнение этих двух условий – явление нечастое. Еще одним условием, невыполнение которого может стать препятствием для установки водяного теплонасоса в вашем доме или коттедже, является низкое содержание в грунтовых водах солей железа и прочих примесей.

Использование воды низкого качества приведет к тому, что оборудование быстро выйдет из строя, поскольку теплообменник попросту забьется. Наличие такого количества ограничений является причиной того, что подобные тепловые насосы, несмотря на всю их привлекательность, устанавливают нечасто (около 5% от всех реализованных проектов).

Воздушные тепловые насосы

С точки зрения простоты монтажа воздушные тепловые насосы обладают огромным преимуществом перед своими «собратьями». Для использования окружающего воздуха в качестве источника тепла вам не придется бурить скважины или проводить какие-то другие крупномасштабные грунтовые работы. В результате, если заложить в смету стоимость работ по установке оборудования, воздушный насос обойдется вам значительно дешевле, чем водяной или грунтовый.

Несмотря на столь весомое достоинство, идеальным этот вид климатического оборудования не назовешь, поскольку есть у него и существенный недостаток. Такой насос эффективно работает лишь при температуре окружающего воздуха выше –15°C…–20°C. Падение температуры ниже этой границы, что в зимний период не является редкостью в большинстве регионов нашей страны, ведет к существенному уменьшению коэффициента эффективности воздушного теплонасоса.

Коэффициент эффективности тепловых насосов

Чуть выше мы использовали новый термин – «коэффициент эффективности». Было бы неправильно не пояснить, что это такое, тем более что это важная характеристика тепловых насосов, позволяющая сравнивать насосы разных типов между собой.

Коэффициент эффективности (называемый также коэффициентом трансформации) – это отношение выработанной насосом тепловой энергии к потребленной им электрической. По сути это КПД теплового насоса. В случае водяных теплонасосов этот коэффициент равен 5 вне зависимости от времени года. Это означает, что при потреблении 1 кВт*ч электроэнергии установка вырабатывает 5 кВт*ч тепловой энергии.

У грунтовых насосов величина коэффициента эффективности чуть ниже – от 4 до 4.5. И, наконец, самым маленьким коэффициентом характеризуются воздушные тепловые насосы, при этом их эффективность сильно зависит от температуры окружающего воздуха: при 0°C величина коэффициента равна ~3.5, а при –20°C он уже не превышает 1.5 (при такой низкой эффективности насос попросту не окупится, и имеет смысл подумать о приобретении более дешевого климатического оборудования, например электрического котла).

Некоторые менеджеры, рекламируя реализуемые ими тепловые насосы, уверяют потенциальных клиентов в том, что данное оборудование имеет КПД 400-500%. Разумеется, ни о каком нарушении законов термодинамики речи не идет. Просто в данном случае расчеты намеренно делаются неправильно: не учитываются источники энергии, отличные от потребляемого электричества, – воздух, вода или грунт, нагретые Солнцем и геотермальными процессами. Когда при расчете КПД учитывают только электроэнергию и забывают про источник низкопотенциального тепла, как раз и получается величина больше 100%.

Применение тепловых насосов в условиях российского климата

Познакомившись с приведенными выше описаниями различных типов тепловых насосов, вы без труда сами сможете ответить на вопрос, какой насос больше всего подходит для эксплуатации в условиях российского климата.

Воздушные тепловые насосы пригодны для применения лишь в ограниченном числе регионов нашей страны – там, где температура воздуха зимой почти не опускается ниже нулевой отметки. Разумеется, жителям Сибири, Дальнего Востока, севера европейской части России о воздушных тепловых насосах не стоит и размышлять.

Для применения водяных тепловых насосов есть много ограничений. О некоторых из них мы уже рассказывали, осталось упомянуть еще об одном. Более половины территории нашей страны находится в зоне вечной мерзлоты. Если даже какому-нибудь жителю Восточной Сибири или севера Дальнего Востока «повезло», и на его участке есть грунтовые воды, залегающие не слишком глубоко, то все равно эти грунтовые воды находятся в виде льда, а значит, не пригодны для использования в системе отопления.

Таким образом, большинству наших соотечественников приходится рассчитывать на единственный, беспроигрышный, вариант – грунтовый тепловой насос. При этом в условиях российского климата больше подойдет насос не с горизонтальным коллектором, а с геотермальным зондом, позволяющим достигнуть глубины, где температура грунта более стабильна.

Применение теплового насоса для охлаждения

Огромным достоинством тепловых насосов является то, что они способны не только отапливать дом, но и при необходимости охлаждать его. Наше короткое российское лето порою бывает очень жарким, и, когда ваше жилище буквально раскаляется, предложение превратить обогреватель в кондиционер будет очень кстати.

Техническое решение этого вопроса может быть интегрировано в тепловой насос изначально, на стадии изготовления, и практически у всех производителей имеются линейки насосов, умеющих кондиционировать помещение (режим Natural Cooling). Если ваш тепловой насос не обладает такими способностями, не все еще потеряно – работать на охлаждение может и обычный насос. Необходимое для этого дополнительное оборудование в виде гидравлической развязки будет смонтировано вне насоса. Оба варианта не требуют больших капиталовложений.

Нести генерируемый тепловым насосом холод непосредственно в помещение можно разными способами. Эта функция может быть возложена на холодные панели на стенах или потолке, охлаждающий теплый пол, радиаторы отопления с хорошим обдувом или же фанкойл – устройство, в чей корпус встроен обдуваемый вентилятором пластинчатый теплообменник.

Применение теплового насоса для горячего водоснабжения

Любой тепловой насос способен не только обогревать ваше жилище, но и круглогодично снабжать вас горячей водой. Однако следует учитывать, что эта система является низкотемпературной, а значит, температура воды в бойлере не превысит 45-55°C. Из этого следует, что объем бойлера должен быть больше, чем при использовании стандартной системы отопления, в противном случае вам и вашим домочадцам придется жить в условиях жесткой экономии горячей воды.

Данный факт следует учитывать при выделении площади для котельной, т. е. еще на стадии проектирования дома. Также при выборе бойлера нужно принимать во внимание, что это должно быть специальное оборудование, рассчитанное на работу с теплонасосными установками. Главное отличие такого бойлера от обычного – увеличенная площадь теплообменника, необходимая для максимально эффективной передачи тепла от теплового насоса.

Тепловые насосы со встроенным ТЭНом

Нередко производители встраивают в свои тепловые насосы дополнительные электрические нагреватели. Встроенный ТЭН позволяет в случае необходимости перейти на альтернативный с точки зрения теплового насоса источник энергии – электричество. Для чего это нужно? В каких случаях возникает потребность задействовать ТЭН?

Подбор теплового насоса для отопления дома осуществляется с учетом различных параметров, в том числе и климатических особенностей региона. При этом считается нецелесообразным устанавливать насос с избыточной мощностью. Дело в том, что экстремально холодные дни случаются не так уж и часто, по крайней мере, в центрально-европейской части России. Практика показывает, что более экономичным вариантом будет «добрать» в эти морозные периоды необходимую мощность электричеством, чем изначально устанавливать более мощный насос. Наличие ТЭНа исключает необходимость делать систему более мощной, чем это требуется большую часть отопительного сезона.

Для владельцев водяных и грунтовых тепловых насосов встроенный ТЭН – скорее излишество, чем необходимость. Совсем иначе выглядит ситуация с воздушными теплонасосами. При температуре воздуха –20°C и ниже такой насос, если и не отключится, будет малоэффективен. И пусть холодных дней и ночей в году не очень много, совсем не хочется в один прекрасный момент остаться в стремительно вымерзающем доме. Наличие дублирующего теплогенератора в данном случае никак не назовешь роскошью.

Воздушный тепловой насос.

Советы и рекомендации

Тепловой насос – оборудование технически сложное и достаточно дорогое, поэтому подходить к его выбору следует с большой ответственностью. Чтобы не быть голословными, приведем несколько вполне конкретным рекомендаций.

1. Никогда не приступайте к выбору теплового насоса без предварительного проведения расчетов и создания проекта. Отсутствие проекта может стать причиной фатальных ошибок, исправить которые можно будет лишь с помощью огромных дополнительных финансовых вложений.

2. Доверить проектирование, монтаж и сервисное обслуживание теплового насоса и системы отопления следует только профессионалам. Как убедиться в том, что в данной компании работают профессионалы? В первую очередь, по наличию всей необходимой документации, портфолио реализованных объектов, сертификатов от поставщиков оборудования. Очень желательно, чтобы весь комплекс необходимых услуг предоставляла одна компания, которая в данном случае будет нести полную ответственность за реализацию проекта.

3. Советуем вам отдать предпочтение тепловому насосу европейского производства. Пусть вас не смущает тот факт, что он дороже китайского или российского оборудования. При включении в смету стоимости работ по монтажу, запуску и отладке всей системы отопления разница в цене насосов будет практически незаметна. Но зато, имея в своем распоряжении «европейца», вы будете уверены в его надежности, поскольку высокая цена насоса – это лишь результат использования при его создании современных технологий и высококачественных материалов.

Источник: srbu.ru

Что такое тепловой насос (ТН)

Возьмем для примера обычный бытовой холодильник. Внутри морозильника вода быстро превращается в лед. Снаружи находится горячая на ощупь радиаторная решетка. От нее тепло, собранное внутри морозильной камеры, передается комнатному воздуху.

То же самое, но в обратной последовательности, делает ТН. Радиаторная решетка, расположенная снаружи здания, имеет гораздо большие размеры, чтобы собрать достаточно тепла из окружающей среды для обогрева жилья. Теплоноситель внутри трубок радиатора или коллектора отдает энергию отопительной системе внутри дома, а затем нагревается снова вне дома.

Устройство

Обеспечить дом теплом — это более сложная техническая задача, чем охладить небольшой объем холодильника, где установлен компрессор с морозильным и радиаторным контурами. Почти так же просто устроен воздушный ТН, который получает тепло из атмосферы и подогревает внутренний воздух. Добавляются только вентиляторы для обдува контуров.

Получить большой экономический эффект от установки системы «воздух-воздух» сложно из-за малого удельного веса атмосферных газов. Один кубический метр воздуха весит всего лишь 1,2 кг. Вода примерно в 800 раз тяжелее, поэтому теплотворная способность тоже имеет многократную разницу. Из 1 кВт электрической энергии, потраченной устройством типа «воздух-воздух», можно получить только 2 кВт тепла, а ТН «вода-вода» дает 5–6 кВт. Гарантировать такой высокий коэффициент полезного действия (КПД) может ТН.

Внутри испарителя теплоноситель внешнего трубного регистра охлаждается, отдавая тепло хладагенту компрессорного контура, а затем насосом перекачивается по трубам на дне водоема. Там он нагревается и цикл вновь повторяется. В конденсаторе происходит передача тепла системе отопления коттеджа.

Цены на разные модели тепловых насосов

Принцип работы

Открытый в начале XIX века французским ученым Карно термодинамический принцип переноса тепла потом был детализирован лордом Кельвином. Но практическая польза их трудов, посвященных решению проблемы отопления жилья от альтернативных источников, появилась только в последние пятьдесят лет.

В начале семидесятых годов прошлого столетия произошел первый энергетический кризис мирового масштаба. Поиски экономичных способов отопления привели к созданию устройств, способных собирать из окружающий среды энергию, концентрировать ее и направлять на обогрев дома.

Нагревание внутреннего объема помещения по принципу ТН возможно только с использованием высокотехнологичного оборудования, снабженного автоматикой для управления всеми вышеперечисленными процессами. Кроме того, программируемые контроллеры регулируют интенсивность генерации тепла соответственно колебаниям температуры наружного воздуха.

Альтернативное топливо для насосов

Использовать углеродное топливо в виде дров, угля, газа для работы ТН вовсе не нужно. Источником энергии служит рассеянное в окружающем пространстве тепло планеты, внутри которой находится постоянно действующий ядерный реактор.

Твердая оболочка материковых плит плавает на поверхности жидкой раскаленной магмы. Иногда она прорывается наружу при вулканических извержениях. Вблизи вулканов встречаются геотермальные источники, где даже зимой можно купаться и загорать. Тепловой насос способен собирать энергию практически повсеместно.

Существует вариант с открытым внешним коллектором, когда можно обойтись двумя скважинами: одна — для забора грунтовых вод, а вторая — для слива обратно в водоносный слой. Такой вариант возможен только при хорошем качестве жидкости, потому что фильтры быстро засоряются, если в составе теплоносителя имеется слишком много солей жесткости или взвешенных микрочастиц. Перед монтажом надо обязательно сделать анализ воды.

Если пробуренная скважина быстро заиливается или вода содержит много солей жесткости, тогда стабильная работа ТН обеспечивается бурением большего количества отверстий в земле. В них опускают петли герметичного внешнего контура. Затем скважины закупоривают с помощью тампонажа из смеси глины и песка.

Использование грунтовых насосов

Извлечь дополнительную пользу из участков, занятых газонами или цветниками, можно с помощью ТН типа «грунт-вода». Для этого нужно уложить в траншеи трубы на глубину ниже уровня промерзания для сбора подземного тепла. Расстояние между параллельными траншеями не менее 1,5 м.

На юге России даже в экстремально холодные зимы земля замерзает максимум на 0,5 м, поэтому проще снять грейдером полностью слой земли на монтажном участке, уложить коллектор, а затем засыпать экскаватором котлован. На этом месте нельзя сажать кустарники и деревья, корни которых способны повредить внешний контур.

Площади прилегающего к дому участка земли может быть недостаточно для размещения внешнего регистра труб. Сухие песчаные грунты не дают достаточного теплового потока. Тогда применяют бурение скважин глубиной до 50 метров, чтобы достичь водоносного слоя. В скважины опускают U-образные петли коллектора.

Чем больше глубина, тем выше возрастает тепловая эффективность зондов внутри скважин. Температура земных недр повышается на 3 градуса каждые 100 м. Эффективность съема энергии скважинного коллектора может достигать 50 Вт/м.

Монтаж и запуск систем ТН — это технологически сложный комплекс работ, которые могут выполнить только опытные специалисты. Общая стоимость оборудования и комплектующих материалов значительно выше, если сравнивать с обычным газовым оборудованием для теплоснабжения. Поэтому срок окупаемости первоначальных затрат растягивается на годы. Но дом строится на десятилетия, а геотермальные тепловые насосы — самый выгодный способ отопления для загородных коттеджей.

При расчете срока окупаемости ТН стоит учитывать эксплуатационные расходы за все время службы оборудования — минимум 30 лет, тогда экономия многократно превысит первоначальные затраты.

Насосы типа «вода-вода»

Разместить на дне близлежащего водоема полиэтиленовые трубы коллектора может практически любой человек. Для этого не понадобится больших профессиональных знаний, навыков, инструментов. Достаточно равномерно распределить витки бухты по поверхности воды. Между витками должно быть расстояние не менее 30 см, а глубина затопления не менее 3 м. Затем надо привязать грузы к трубам, чтобы они ушли на дно. Тут вполне подойдет некондиционный кирпич или природный камень.

На монтаж коллектора ТН типа «вода-вода» потребуется значительно меньше времени и денег, чем при рытье траншей или бурении скважин. Расходы на приобретение труб также будут минимальными, поскольку съем тепла при конвективном теплообмене в водной среде достигает 80 Вт/м. Очевидная выгода применения ТН — не нужно сжигать углеродное топливо для получения тепла.

Для работы ТН типа «вода-вода» необходимы три независимых системы: внешний, внутридомовой и компрессорный контуры. Они объединены в одну схему теплообменниками, в которых циркулируют различные теплоносители.

При проектировании системы энергоснабжения следует учитывать, что на перекачивание насосом теплоносителя по внешнему контуру расходуется электроэнергия. Чем больше длина труб, изгибов, поворотов, тем менее выгоден ТН. Оптимальное расстояние от дома до берега — 100 м. Его можно удлинить на 25 % за счет увеличения диаметра труб коллектора с 32 до 40 мм.

Воздушные — сплит и моно

Применять воздушные ТН выгоднее в южных регионах, где температура редко опускается ниже 0 °С, но современное оборудование способно работать и при —25 °С. Чаще всего устанавливают сплит-системы, состоящие из внутридомового и наружного блоков. Внешний комплект состоит из вентилятора, обдувающего радиаторную решетку, внутренний — из конденсаторного теплообменника и компрессора.

Конструкцией сплит-систем предусматривается реверсивное переключение режимов работы с помощью клапана. Зимой внешний блок является генератором тепла, а летом наоборот — отдает его наружному воздуху, работая как кондиционер. Воздушные ТН отличаются предельно простым монтажом внешнего блока.

Проектируя отопление зданий, расположенных в регионах с продолжительной и морозной зимой, необходимо учитывать низкую эффективность воздушных ТН при отрицательных температурах. На 1 кВт затраченной электроэнергии приходится 1,5–2 кВт тепла. Поэтому надо предусматривать дополнительные источники теплоснабжения.

Самый простой монтаж ТН возможен в случае применения моноблочных систем. Внутрь помещения заходят только трубки с теплоносителем, а все остальные механизмы находятся снаружи в одном корпусе. Такая конструкция существенно повышает надежность работы оборудования, а также снижает шум до величины менее 35 дБ — это на уровне обычного разговора двух человек.

Когда установка насоса нерентабельна

Найти в городе свободные участки земли для расположения внешнего контура ТН типа «грунт-вода» практически невозможно. Проще установить на внешней стене здания воздушный тепловой насос, который особенно выгоден в южных регионах. Для более холодных территорий с продолжительными морозами существует вероятность обледенения наружной радиаторной решетки сплит-системы.

Когда температура наружного воздуха резко падает, то инерционный контур «теплого пола» просто не успевает прогревать помещение. Зимой так бывает часто. Днем солнышко пригрело, на градуснике —5 °С. Ночью температура может быстро опуститься до —15 °С, а если подует сильный ветер, то мороз будет еще сильнее.

Тогда надо установить под окнами и вдоль наружных стен обычные батареи. Но температура теплоносителя в них должна быть в два раза выше, чем в контуре «теплого пола». Дополнительную энергию в загородном коттедже может дать камин с водяным контуром, а городской квартире — электрический котел.

Остается только определить, будет ли ТН основным или дополняющим источником тепла. В первом случае он должен компенсировать 70 % общего количества тепловых потерь помещения, а во втором — 30 %.

Источник: otoplenie-expert.com

Как устроен тепловой насос, принцип работы,  опыт участников FORUMHOUSE

Многие участники нашего портала давно пользуются тепловыми насосами и считают их наилучшим способом отопления. Тепловой насос до сих пор остается дорогим устройством, и срок окупаемости у него большой. Но есть удачные опыты самостоятельного изготовления тепловых насосов: это позволяет избежать каких-то нереальных расходов.

Содержание:

• Принцип работы теплового насоса
• Как сделать тепловой насос своими руками
• Выгодно ли делать тепловой насос

Принцип работы теплового насоса

Объясняя принцип действия теплового насоса, люди часто вспоминают холодильник, где в радиатор на задней стенке сбрасывается тепло, «снятое» с продуктов в камере.

По этому же принципу работают и кондиционеры, и тепловые насосы.  Работа приборов основана на цикле Карно.

Теплоноситель движется по грунту или воде, в процессе «снимая» тепло и повышая свою температуру на несколько градусов. В теплообменнике теплоноситель отдает накопленное тепло хладагенту, тот становится паром, поступает в компрессор, где поднимается его температура. В этом виде он поставляется в конденсатор, отдает тепло теплоносителю ОС дома, и охладившись,  снова превращается в жидкость и поступает в испаритель, где  нагревается от новой порции нагретого теплоносителя. Цикл повторяется.

Мы разберем это на конкретном примере нашего пользователя, который сделал тепловой насос своими руками.

Тепловые насосы работают на энергии природных источников тела:

• грунта;
• воды;
• воздуха.

Собирать тепло  с грунта (ниже глубины промерзания его температура всегда около +5 — +7 градусов), можно двумя способами:

• горизонтальный грунтовый коллектор
• уложенные горизонтально разными способами трубы.

По трубам течет «рассол» — на FORUMHOUSE часто используют пропиленгликоль, который забирает тепло земли, передает его хладагенту, и остыв, снова отправляется в грунтовый коллектор.

Горизонтальный грунтовый коллектор – самый дешевый способ получения энергии для работы теплового насоса.  Проблема в том, что он занимает большую площадь. Чтобы обогреть дом 100 кв.м. потребуется около 5 соток на участке, и над коллектором нельзя будет возводить капитальных строений и сажать деревья с мощной корневой системой.

Люди с небольшими участками вынуждены использовать более дорогой способ – вертикальный грунтовый зонд. Это целая U-образная труба, опущенная на большую глубину (около 150 метров), или несколько таких труб, заглубленных на 20 метров (в итоге это получается дешевле и не требует получения разрешения).

Также для работы теплового насоса используется вода – или из открытого водоема, или из скважины.

Способ устройства теплового насоса для отопления дома «вода- вода» считается  самым выгодным (нет расходов на бурение и прокладку траншей), но только если дом, в котором будет установлен тепловой насос, стоит на берегу, не дальше, чем в 50 метрах от водоема. В этом случае трубопровод с «рассолом» опускается на дно реки  — и все.

При втором способе необходимо пробурить две скважины: из одной вода будет поступать к тепловому насосу и передавать ему свое тепло, а во вторую будет отправляться уже «отработанная», остывшая вода. Расстояние между скважинами должно быть не менее 20 метров.

Тепловые насосы «воздух-воздух» эффективны только в южных регионах, где температура зимой не опускается ниже -5 градусов.

Самодельный тепловой насос

При всех преимуществах, которые имеет тепловой насос,  цена этого устройства даже без обустройства коллектора составляет несколько тысяч у.е.  Сократить расходы можно, сделав его самостоятельно.

Участник FORUMHOUSE c ником Saga сделал тепловой насос для отопления трехуровневого дома площадью 300 квадратных метров, собрав его из компрессора, пластинчатых теплообменников, фильтра-осушителя, ТРВ и других компонентов. В качестве хладагента использовал фреон R22.

На участке на глубине полутора метров проложил два контура трубы ПНД по 450 метров и один контур, на 600 метров, поместил в речку рядом с домом. Копал траншеи и все соединения делал сам – сейчас, с опытом, сделал бы все надежнее и экономнее.

Спустя три года домовладелец не пожалел о своем решении установить тепловой насос.  Он смонтировал к нему еще и вентиляцию (ТН подогревает воздух перед рекуператором), а холодным воздухом летом бесплатно остужает дом. Отопление, подогрев воды и кондиционирование обходится ему в 25 000 в год.

На этой исторической фотографии видно, сколько электричества было потрачено за три года на отопление и подогрев воды — 38586 киловат (напомнаем, площадь дома — 300 кв.метров).

Соседи, оценив потенциал теплового насоса, сделали себе такие же. Главной ошибкой в устройстве теплового насоса наш пользователь считает чрезмерную длину холодных контуров – 200 метров было бы достаточно. Еще один промах – теплообменник в системе вентиляции, его надо делать с большим запасом; обязательно пригодится.

Все мелкие ошибки связаны с попытками сэкономить.

Источник: www.forumhouse.ru

Другие статьи по теме:

Насос для опрессовки Помпа для воды своими руками Поверхностный циркуляционный насос Помпа вакуумная для женщин Как работает водяная станция Автоматика для насоса