Тепловой насос как работает

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

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

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

Принцип работы теплового насоса

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

Жидкий хладагент поступает в испарительную камеру, где низкие значения давления и температуры (5⁰С) переводят его в газообразное состояние. Следующий этап – переход газа в компрессор и его сжатие. В результате чего температура газа резко возрастает, газ переходит в конденсатор, здесь он обменивается теплом с системой отопления. Охлажденный газ переходит в жидкость, и цикл повторяется.

Достоинства и негативные стороны тепловых насосов

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

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

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

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

Тепловые насосы – классификация

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

Классификация насосов по типу источников тепла:

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

Теплоносителем может выступать:

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

Насос геотермального типа – принципы устройства и работы

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

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

Использование воды в качестве источника тепла

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

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

Воздух – наиболее доступный источник тепла

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

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

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

Тепловой насос – альтернативная система отопления дома

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

Источник: otopleniesam.ru

Принцип действия тепловых насосов

Принцип работы устройства для обогрева дома основан на том, что вещество (холодильный агент) может отдавать тепловую энергию либо забирать ее в процессе смены состояния. Эта идея заложена в основу функционирования холодильника (из-за этого задняя стенка прибора горячая).

Термонасос для отопления функционирует следующим образом:

1. Поступающий агент охлаждается на 5 градусов в испарительном отделе на основании энергии от носителя тепла.
2. Охлажденный агент поступает в компрессор, который в результате работы сжимает и нагревает его.
3. Уже горячий газ попадает в отсек для теплообмена, в котором он отдает собственное тепло отопительной системе.
4. Сконденсированный хладагент возвращается к старту цикла.

Также существуют некоторые модели, которые могут обеспечивать реверсивное функционирование. Это значит, что подобные приборы эксплуатируются даже летом для охлаждения здания. Тепло направляется в хранилище, а затем используется для отопления в холодное время года.

Устройство

Тепловой насос для отопления дома состоит из нескольких основных контурных элементов:

• контур с теплоносителем, который перемещает энергию от теплоисточника;
• контур с фреоном, который периодически испаряется, забирая тепловую энергию с первого контура, и снова оседает конденсатом, передавая тепло третьему;
• контур, где циркулирует жидкость, являющаяся переносчиком тепла для отопления.

Эксплуатация термо насоса для отопления дома является выгодной с финансовой точки зрения. Причина этого в том, что устройство не требует высокой мощности (соответственно, расход электричества не больше, чем у стандартного бытового прибора), однако при этом производится в 4 раза больше тепла по сравнению с потребляемой электроэнергии.

Также не требуется создавать отдельную линию проводки для подключения насоса.  

Плюсы и минусы

Перед принятием решения, использовать тепловой насос или нет, следует ознакомиться с достоинствами и недостатками его работы. К главным плюсам теплового насоса относится:

• небольшой расход электричества на отопление дома;
• отсутствие необходимости регулярного осмотра и технического обслуживания, что делает затраты на эксплуатацию теплового насоса для отопления минимальными;
• допускается монтаж в любой местности. Насос может работать с такими источниками тепловой энергии, как воздух, почва и вода. Поэтому появляется возможность его установки практически в любое место, где планируется строительство дома. А в условиях отдаленности от газовой магистрали, устройство является самым подходящим методом обогрева. Даже если отсутствует электричество, функционирование компрессора можно обеспечить при помощи привода на основе бензина или дизеля;


• отопление дома осуществляется в автоматическом режиме. Не требуется добавлять топливо или проводить иные манипуляции, как, например, в случае с котельным оборудованием;
• отсутствие загрязнения окружающей среды вредными газами и веществами. Все применяемые холодильные агенты полностью безопасны и экологически пригодны;
• пожаробезопасность. Жителям дома никогда не будет угрожать взрыв или повреждение вследствие перегрева теплового насоса;
• возможность эксплуатации даже при условиях холодной зимы (до -15 градусов);
• качественный тепловой насос для отопления дома может служить до 50 лет. Замена компрессора требуется лишь раз в 20 лет.

Как и любое устройство, тепловые насосы имеют определенные недостатки:

1. Если температура окружающей среды опускается ниже 15 градусов, то насос работать не сможет. В таком случае потребуется монтаж второго теплоисточника. При очень низких температурных значениях включается котел, генератор или электрический обогреватель;


2. Высокая стоимость оборудования. Оно будет стоить примерно 350 000-700 000 рублей, еще такую же сумму придется потратить на создание геотермальной станции и установку устройства. Дополнительные монтажные работы не требуются только для теплового насоса, использующего воздух в качестве теплового источника;
3. Лучше всего устанавливать тепловой насос в сочетании с теплым полом или вентиляторными конвекторами, однако в старых зданиях потребуется перепланировка и возможно даже капитальный ремонт, что повлечет дополнительные затраты времени и средств. Если частный дом строится с нуля, такая проблема отсутствует;
4. При работе теплового насоса температура грунта, расположенного вокруг трубопровода с теплоносителем, снижается. Это становится причиной гибели некоторых микроорганизмов, участвующих в функционировании окружающей среды. Таким образом, некоторый ущерб экологии все же наносится, однако он существенно меньше урона от газо- или нефтедобычи.

Использование тепловых установок в мире

Практика применения таких тепловых агрегатов в мире насчитывает уже более 50 лет. Главными движущими причинами такого явления стало удорожание традиционных энергетических ресурсов и повсеместная поддержка правительствами многих стран использования альтернативных источников энергии.

Поэтому количество тепловых насосов постоянно растет высокими темпами – до 10 – 30% в год, несмотря на высокую стоимость установки. Количество таких устройств в настоящее время составляет уже более 270 штук. Наиболее активно тепловые системы применяются в США и Канаде. На них приходится до половины установок, используемых во всем мире.

Россия, несмотря на положительные условия для применения тепловых насосов, отстает от мировых тенденций в их использовании. Здесь, по-видимому, играет роль наша убежденность в полной обеспеченности природными ресурсами. При этом, далеко не во всех населенных пунктах страны имеются газопроводы. Мировой опыт использования тепловых наcосов говорит о положительных тенденциях в развитии их использования.

Расчет теплового насоса

Как мы уже упоминали выше, низкопотенциальными источниками тепла для таких насосов чаще всего бывают перечисленные ниже среды:

1. Воздух из наружного пространства с температурой в среднем от -15 до +25 градусов.
2. Воздух из обогреваемого помещения, его температура составляет +15 – +25 градусов.
3. Воздух, из подпочвенного зонда нагретый до плюс 4 – 10 градусов.
4. Воздух из геотермальных пластов, температура которого может быть 10 и более градусов.
5. Воздух из донных зондов незамерзающих водоемов с температурой 0 – 10 градусов, в том числе и полученный в зондах, установленных на каналах промышленных стоков предприятий.

Методика расчета

Любой тепловой расчет является сложнейшим процессом, осуществить который доступно только квалифицированным специалистам. Тем не менее, можно предложить упрощенную методику, достаточную для получения результата, определяющего выбор той или иной модели агрегата.

Расчет сводится к выполнению ряда этапов:

1. Определение величины тепловых потерь через ограждающие элементы строения – стены, потолки, чердачные помещения, окна, двери и прочее. Этого можно достичь, воспользовавшись следующей зависимостью:

Qок = S x (tвн – t нар) х (1 + ?b) x n : Rт, где

S – общая площадь всех элементов ограждения здания, м²;

t вн – температура на улице, град.С;

t нар – величина температуры воздуха в наружном пространстве, град.С;

n- коэффициент, которым учитывается конструкция здания, для открытых зданий он равен 1; для строений с чердачными помещениями он применяется в значении 0,9; для помещений, располагающихся на подвальным помещение его принимают равным 0,75;

b – коэффициент дополнительных тепловых потерь, зависящий от типа строения и его расположение в климатических зонах России, его величина может колебаться в пределах 0,05 – 0,27;

Rт – тепловое сопротивление, которое нужно дополнительно рассчитать по формуле:

Rт = 1( , м²хС/Вт, где

• расчетные значения теплопроводности материалов ограждающих конструкций;
• коэффициент рассеивания тепла с внутренних поверхностей;
• то же, для наружных поверхностей.

После проведения предварительных вычислений определяем суммарные потери тепла от различных факторов:

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, где

Qбл – суммарная теплоотдача от работы бытовой техники и жизнедеятельности людей;

Qи – затраты энергии на компенсацию тепловых потерь от неплотностей в устройстве ограждающих конструкций.

1. Основываясь на полученных результатах можно рассчитать потребность в электроэнергии в течение года. Для этого воспользуемся соотношением:

Qгод = 24х0,63 х Qт.пот х ((d x (tвн-tнар.ср) : (tвн-tнар)) (кВт/час) в год, где:

• tвн- желательная величина температуры во внутренних помещениях дома;
• t нар – фактическая наружная величина температуры;
• tнар.ср – среднегодовая величина температуры в регионе;
• d – протяженность отопительного периода, дней.

1. Желая иметь более достоверное представление о теплонасосе, нужно сделать расчет величины тепловой мощности, которая понадобится, чтобы разогреть воду в системе отопления дома. Это доступно с использованием такой расчетной формулы:

Qгор.в = V x 17 кВт/ за год, где:

V – объем ежедневного потребления воды, нагретой до 50^о С.

В итоге, затраты энергии для обеспечения потребности в тепле и горячей воды составят за год:

Q = Qгод + Qгв, (кВт/час за год).

Рекомендуется полученный результат увеличить на 10%, учитывая более интенсивную работу системы при пиковых нагрузках. Предварительный расчет мощности теплового насоса для отопления дома позволяет сделать безошибочный выбор установки.

Для выполнения расчета можно использовать специальный калькулятор, они в изобилии представлены в интернете

Виды тепловых насосов

Существует несколько разновидностей устройств в зависимости от того, какой теплоисточник используется. Принцип работы насоса для отопления дома предполагает, что тепло будет браться из источников, способных лучше всего накапливать солнечную энергию на протяжении сезона.

В продаже имеются такие виды устройств:

• грунтовые (земля – вода);
• воздушные (воздух – воздух);
• воздух – вода;
• водяные (вода – вода).

Ниже рассмотрим их более подробно.

Воздух – вода

Земля – вода

Почва – наиболее стабильный и поэтому популярный теплоисточник. При глубине 4 – 8 метров, температура постоянна и составляет 5 – 8 градусов выше нуля, а уже на 10 метрах – она возрастает до 10 градусов. Существует 2 основных метода сбора тепловой энергии:

• с помощью горизонтального коллектора;
• посредством вертикального геотермального зонда.

Первая разновидность представляет из себя набор труб, по которым перемещается теплоноситель, уложенных горизонтальным образом. Глубина размещения должна высчитываться индивидуально в каждом случае. Расчет проводится на основании типа местности, климата и других факторов.

В некоторых ситуациях целесообразно разместить трубопровод на глубину замерзания почвы (1.4 – 1.8 м), на 2.5 – 3.5 м (если требуется снизить разницу температур и добиться большей постоянности) либо на 1 – 1.3 метра (на этой глубине почва быстрее нагревается в весеннее время года). Иногда даже монтируется специальный коллектор, состоящий из 2 слоев.

Для подобного коллектора применяются трубы с сечением 25, 32 или 40 мм. Они могут укладываться по разным схемам: спиралью, молнеобразно, змейкой, петлей и т.д. Если реализуется змейка, тогда трубы должны находится на расстоянии от 0.6 до 1 метра друг от друга (чаще всего, это 80 сантиметров).

Чтобы рассчитать теплосъем трубопровода, требуется учитывать вид почвы. При сухом песке или глине – 10 и 20 Вт на погонный метр соответственно, при влажной глине – 25 Вт, при высоком содержании жидкости в глине – 35 Вт.

Недостаток такого коллектора состоит в необходимости обустройства системы большой площади. Если площадь дома, для которого монтируется отопление, составляет 100 кв.м, а почва участка состоит из влажной глины, тогда для создания коллекторной системы понадобится 400 кв.м земли, т.е. около 5 соток.

Учитывая то, что на поверхности не могут располагаться здания и прочие объекты (можно размещать только газон с 1-летними растениями), не все владельцы смогут выделить достаточно свободного места.

Вертикальный зонд в таком случае является более подходящим решением. Он представляет собой теплообменник, в котором трубы размещаются в почву на глубину до 200 м. В зависимости от того, какая мощность необходима для отопления, определяется количество монтируемых зондов.

В некоторых случаях целесообразно установить 1 u-образную трубу на глубину 100 м, а в некоторых – лучше выбрать набор подобных труб, опущенных до 20 м, чтобы осуществить поглощение тепловой энергии на расширенной поверхности.

Такой трубопровод потребует существенно меньших денежных вложений. Неглубокие зонды должны располагаться примерно в 5-8 метрах друг от друга. Бурение одной трубы на 100-200 м финансово не рентабельно, также необходимо получать разрешения от соответствующих инстанций. Чтобы избежать этого, желательно установить несколько труб.

Таким образом, единственным недостатком вертикальных конструкций является лишь высокая стоимость бурения глубоких скважин. Однако, несмотря на это, зонд – более популярное решение, т.к. он обеспечивает достаточную эффективность при отсутствии требований к площади участка и прочих ограничивающих факторов.

Вода – вода

Также популярный источник тепла для отопления дома – вода. Существуют 3 разновидности подобных конструкций, в зависимости от того, откуда поступает жидкость:

• коллектор, размещенный на дне открытого водоема (он не должен замерзать) – моря, реки, озера;
• коллектор, расположенный в канализации;
• использующий воду из скважин либо грунтовые воды.

Первый вариант предполагает размещение труб с антифризом под водой. Чтобы предотвратить их подъем на поверхность, они закрепляются при помощи дополнительного груза. Благодаря повышенной температуре теплового носителя, данный способ считается эффективным, но при этом экономичным с точки зрения финансовых затрат.

Недостаток – подобная конструкция может возводиться только при условии, что водоем расположен не дальше, чем 50 м от участка. В противном случае, установка и эксплуатация будут невыгодными. Однако для жителей побережья применение водного теплового насоса станет оптимальным для отопления дома.

При использовании коллектором очищенных стоковых вод и сброшенной жидкости после тех. установок возможно обогревать многоэтажные здания, промышленные объекты и предоставлять горячее водоснабжение. Для отопления частных коттеджей данная система применяется довольно редко, т.к. зачастую они расположены далеко от центральной канализационной системы.

Коллектор, собирающий воду из скважин или грунта, применяется нечасто, по сравнению с прочими разновидностями. Это во многом связано с необходимостью возведения двух ям. Из первой собирается жидкость, которая затем передает свою тепловую энергию холодильному агенту, а во вторую попадает остывшая вода.

В некоторых случаях вместо скважины строится фильтрационный колодец. Скважина для сброса жидкости должна располагаться ниже по течению грунтовых вод и на расстоянии 20 метров от первой.

Подобная система довольно сложна в установке и обслуживании. Требуется регулярно следить за отсутствием коррозийных повреждений и загрязнения элементов насоса. Также важно контролировать качество поступающей воды и своевременно фильтровать ее.

Воздух – воздух

Воздушные модели обладают неоспоримым преимуществом по сравнению с прочими видами устройств. Тепловой насос использует только воздух в качестве теплоисточника, поэтому не требуется бурить грунтовые скважины или размещать водные коллекторы, чтобы смонтировать подобную систему. Следовательно, воздушные приборы обойдутся значительно дешевле.

Подобная разновидность обладает наиболее простой структурой и принципом действия. Воздушная масса попадает в испаритель, в котором она передает тепло холодильному агенту. Затем осуществляется его передача от испарителя к носителю тепла непосредственно в доме. Такое отопление может быть представлено, например, вентиляционными конвекторами (фанкойлами) либо системой «теплый пол».

Стоимость монтажа прибора достаточно низкая в сравнении с водяной или грунтовой разновидностью, а эффективность функционирования зависит в основном от температуры воздуха. При проживании в местности с теплой зимой (не ниже 0 градусов) данный способ считается наиболее выгодным.

Если температура опускается ниже -15 градусов, тогда насос не сможет обеспечить достаточный нагрев помещения, следовательно, целесообразней будет использовать электрический либо котельный обогрев помещения.

Если важно эксплуатировать именно воздушный насос в регионах с холодными зимами, тогда ставится дополнительно дублирующий теплоисточник, который будет подключаться при сильных заморозках. Также в некоторых случаях возможно монтировать воздушную систему, если климат сухой и температурный режим не опускается ниже -15 градусов.

При влажном воздухе и морозе на корпусе устройства будет образовываться ледовая корка, которая препятствует работе прибора и может стать причиной его быстрого выхода из строя.

Цены и производители

Примерная средне рыночная стоимость оборудования и его установки составляет:

Горизонтальный коллектор:

• Насос – 4500$;
• монтаж – 2500$;
• стоимость эксплуатации – 350$ в год.

Геотермальный зонд:

• Насос – 4500$;
• монтаж – 4500$;
• стоимость эксплуатации – 320$ в год.

Воздушный – для дома:

• Насос – 6500$;
• монтаж – 400$;
• стоимость эксплуатации – 480$ в год.

Насос для дома «вода-вода»:

• Тепловой насос – 4500$;
• монтаж – 3500$;
• стоимость эксплуатации – 280$ в год.

Приведенные цены не окончательны. Конечная стоимость будет зависеть от страны и компании-производителя устройства, типа местности, климатических особенностей, цены бурения, строительных условий и т.д. Например, цена воздушного насоса от российского производителя составит около 7000$, а от зарубежного – 13000$.

Также не нужно забывать о стоимости электроэнергии. Несмотря на то, что оборудование не потребляет много электричества, эти расходы непременно следует учитывать при составлении общей сметы и планировании бюджета.

Какой насос выбрать

Чтобы принять решение, какое устройство подобрать, следует учитывать факторы:

• ориентировочный бюджет – сколько денег владелец готов потратить на обустройство и подключение полной системы;
• что представляет собой имеющаяся или планируемая система отопления внутри дома – теплый пол, радиатор и т.д.;
• сколько кв.м владелец готов выделить на участке под создание коллектора;
• можно ли глубоко бурить;
• необходимость геологической экспертизы (если планируется установка геотермального зонда), чтобы понять, насколько глубоко должен размещаться коллектор;
• необходимо ли кондиционировать воздушный поток летом;
• будут ли монтироваться воздушно-отопительные приборы.

В процессе выбора рекомендуется обратить внимание на параметр «коэффициент трансформации тепла» (обозначается как ϕ). От него зависит, насколько эффективным будет действие устройства. Если при покупке указано, что ϕ=4, значит при потреблении электроэнергии 1 кВт, тепловой насос произведет 4 кВт теплоэнергии.

Важно при планировании бюджета учитывать не только затраты на приобретение насоса, но и будущие финансовые расходы на эксплуатацию. Часто эти параметры различаются.

Например, при монтировании системы типа «воздух – вода» затраты на установку будут низкими, однако потребуются крупные вложения на эксплуатацию вследствие невысокой эффективности. Если необходимо минимизировать эксплуатационные расходы, тогда следует остановиться на выборе вертикального грунтового теплового насоса.

Стоимость грунтового или водного устройства и его подключения достаточно высока, потребуются крупные первоначальные вложения. Однако уже через 5-10 лет тепловой насос, использующийся для отопления, окупится. Поэтому принимать решение о необходимости приобретения данного приспособления следует на основе финансовых возможностей и условий возведения здания (типа местности, климата и т.д.).

Если, к примеру, глубокое бурение на участке невозможно, его площадь не позволяет разместить горизонтальный коллектор, а рядом отсутствуют водоемы, единственным решением остается монтаж воздушного теплового насоса для отопления дома.

Монтаж своими руками

Если владелец дома хорошо разбирается в принципе работы и схеме оборудования, можно собрать насос самостоятельно. Предварительно требуется провести расчеты, для этого воспользуйтесь готовым ПО для оптимизации охладительных систем.

Меньше всего сложностей предполагает произведенный своими руками монтаж системы отопления дома «воздух – вода». Она будет состоять из двух каналов (для подачи воздушного потока и для отвода отработанного), вентилятора и компрессора. Компрессор не обязательно приобретать новый, допускается воспользоваться рабочим устройством с холодильника или другого оборудования. Рекомендуется использовать спиральный компрессор.

Этапы работы:

1. Сделать из медной трубы змеевик. Трубу, по которой будет поступать холодильный агент, разместить сверху.
2. Вмонтировать змеевик в разделенную напополам пластиковую емкость. Она будет выполнять роль испарителя.
3. Подключить терморегулирующий клапан и заизолировать его.
4. Собрать все элементы в блок и проверить его работоспособность.

Важно отметить, что данная процедура является достаточно сложной для обычного человека. Непрофессионал не сможет правильно собрать все детали и подключить терморегулирующий клапан. Лучше доверить выполнение работ мастерам, т.к. ошибки в процедуре станут причиной неправильного функционирования оборудования либо неэффективного потребления электричества.

Таким образом, тепловой насос – эффективный способ отопления частного дома. На сегодняшний день в России и странах СНГ использование данного оборудования не сильно распространено, однако в Европе и США такие установки активно применяются для отопления.

Выбирать подходящий тепловой насос рекомендуется на основании не только стоимости монтажных работ и эксплуатации, но и региона использования, условий строительства, площади участка и других факторов.

Источник: TrubaNet.ru

Как работает тепловой насос 

Тепло, как энергия, присутствует повсеместно. Глубина промерзания земли в Московской области составляет в среднем 1,5 м., ниже этого уровня даже зимой находится грунт с плюсовой температурой. Грунтовые воды не замерзают круглый год, ведь их температура выше нуля. Если погрузить в такую среду зонд или контур с теплоносителем, то он будет собирать энергию и передавать ее потребителю. 

Воздушные тепловые насосы берут тепло из атмосферы. Для большинства российских регионов они не подходят: когда зимой температура опустится до -30℃, отобрать из воздуха полезное тепло не получится даже при использовании передового оборудования и лучшей марки фреона. 

Тепловой насос отвечает за постоянное перекачивание жидкости в системе. При прохождении испарителя, компрессора и конденсатора тепло аккумулируется до состояния, достаточного для нагрева теплоносителя уже в системе отопления дома. 

Источник тепла — любой объект с температурой выше 0℃. При контакте теплоносителя с ним, энергия передается фреону, который в испарителе из жидкого состояния переходит в газообразное. Газ подается в компрессор, где сжимается с выделением тепла. Нагревание в таких установках напрямую зависит от давления. Есть два основных варианта сжатия: 

• до 12 атмосфер с получением +35℃; 
• до 28 атмосфер с получением +65℃. 

В первом случае теплоноситель подходит для подачи в теплые полы и внутренние блоки кондиционеров, обдувающие помещение подогретым воздухом. Если подать теплоноситель в радиаторы, то эффективного обогрева комнаты не будет или придется соразмерно увеличивать площадь батарей. Здесь нужен более горячий теплоноситель, подогретый до +65℃. Получить его с помощью теплового насоса можно, но вырастет расход энергии на сжатие, а значит, вырастет потребление электроэнергии. 

Стоит ли устанавливать тепловой насос 

Стоит, если вы понимаете принцип его работы, а расчеты показывают оправданность технического решения. Нужно оценить теплопотери дома, исходя из его площади, материала стен, утепления, размеров и конфигурации окон. Конечная цифра выводится в киловаттах: если теплопотери составляют, к примеру, 10 кВт, то именно такой мощности насос и нужно устанавливать на участке. 

Как получить необходимый выход тепла? Есть два варианта — бурить скважину на большую глубину или укладывать горизонтальный контур. Второй вариант дешевле, но для его реализации надо иметь серьезную площадь участка и быть готовым на этапе закладки труб с теплоносителем полностью перекопать его траншеями. Коммуникации закладываются ниже уровня промерзания. 

Можно бурить скважину и искать уже не гарантированные +2℃, а значительно более теплую среду на серьезной глубине. В таком случае один-два зонда с теплоносителем будут собирать необходимое количество энергии. Здесь нет такой уверенности как в случае с горизонтальным контуром. Бурить приходится и на 100 метров, и глубже, поэтому и процесс, и результат может неприятно удивить.

Даже если получится добуриться до грунтовых вод температурой +8℃ и поставить их на службу, нет гарантии того, какое время система сможет работать без сбоев. Например, из-за содержания железа и всевозможных солей в воде может быстро и неожиданно выйти из строя теплообменник. Нет и гарантии непрерывного течения источника тепла. Вода может просто уйти из скважины, и при отсутствии страховочной автоматики можно лишиться теплообменника: он перемерзнет и лопнет. 

Схема со скважинами работает, но требует постоянного контроля и обслуживания. Да, экономия тут достигается за счет постоянного поступления тепла от воды, но вся она тратится на работу погружного насоса, отвечающего за перекачивание. 

Замкнутые системы — самые надежные 

Своими руками можно собрать тепловой насос в любой конфигурации. Системы с закрытым контуром практически вечны, при их работе нет осадка на теплообменнике, как и риска замерзания или разрыва какого-либа из элементов. В данном случае тоже можно использовать скважины, но в них уже погружаются трубы с теплоносителем. 

Сюда же относится горизонтальный контур. Трубы при его укладке вкапываются минимум на 1,5 м., и расстояние между ними для исключения взаимного воздействия составляет около 1 м. Чтобы получить 10 кВт тепловой энергии, для климатических условий Московской области нужны 5-6 соток земли. Все они будут использоваться под укладку контура для отбора геотермальной энергии, за исключением площадки под домом. Это дешево, если коттедж только строится и участок свободен: далеко не все владельцы уже обжитых домов согласятся на такие манипуляции. 

Если необходимой площади для укладки контуров нет, придется бурить скважины — горизонтальные или наклонные. Работает простая математика — 600 погонных метров уложенного горизонтально кабеля можно заменить тем же количеством метров глубины скважин, то есть пробурить их 6 штук на 100 м. (или 12 штук на 50 м.). 

Немного о стоимости 

Обустройство теплового насоса под ключ с горизонтальным контуром мощностью 10 кВт обойдется в  500-600 тысяч рублей. Такой мощности отопления достаточно для дома в Московской области площадью около 150 квадратных метров, то есть в регионе, где морозы могут опускаться и до -30℃. Длина труб контура для описанной системы — 600 м. Серьезного обслуживания оборудование и коммуникации не требуют. Если монтировать тепловой насос не своими руками, а с привлечением компании-установщика, то нормальной практикой является выдача 10-летней гарантии на бесперебойную работу. 

Источник: zapodlico.ru

Принцип работы теплового насоса

• Принцип работы теплового насоса
• Что такое тепловой насос
• Как работает тепловой насос
• Конструктивные особенности тепловых насосов
• Разновидности тепловых насосов и систем
• Основные виды
• Откуда насос берет тепло?
• Примерный расчет теплопроизводительности
• Виды тепловых насосов
• Преимущества тепловых насосов
• Некоторые особенности эксплуатации насосов
• Основные элементы конструкции

Стоимость эксплуатации традиционных источников тепла – нагревателей, котлов, работающих на различных видах топлива и пр. — с каждым годом возрастает, привычный комфорт – горячая вода и отопление — становится все дороже.

Владельцы квартир и особенно частных домов озабочены тем, как уменьшить расходы, но пока это им мало удается.

А ведь альтернатива есть – тепловой насос.

Что такое тепловой насос

Тепловой насос представляет собой парокомпрессионную установку, которая переносит тепло от холодных, низкопотенциальных источников тепла к горячим, высокопотенциальным.

Тепло передается за счет конденсации и испарения хладагента, в качестве которого чаще всего используется фреон, циркулирующий по замкнутому контуру. Электроэнергия, от которой работает тепловой насос, тратится только на эту принудительную циркуляцию.

Принцип работы теплового насоса основан на так называемом цикле Карно, который прекрасно знаком вам по работе холодильных установок. На самом деле, бытовой холодильник, стоящий на вашей кухне, также является тепловым насосом. Когда вы помещаете в него продукты, пусть даже холодные, но температура которых все-таки выше, чем температура в камере холодильника, по закону сохранения энергии выделяемое ими тепло никуда не девается. Поскольку температура внутри повышаться не должна, тепло выводится наружу через решетку радиатора, нагревая воздух в кухне. Чем больше продуктов вы поместите одновременно в холодильник, тем больше будет теплоотдача.

Простейшим вариантом теплового насоса станет открытый холодильник, помещенный на улице, радиатор которого находится в комнате. Но пусть холодильник исполняет свои прямые обязанности, ведь уже существуют специальные устройства — тепловые насосы, имеющие кпд гораздо выше. Принцип их действия достаточно прост.

Как работает тепловой насос

Любой теплонасос состоит из испарителя, конденсатора, расширителя, понижающего давление, и компрессора, который давление повышает.

Все эти устройства соединены в один замкнутый контур трубопроводом. По трубам циркулирует хладагент, инертный газ с очень низкой температурой кипения, поэтому в одной части контура, холодной, он представляет собой жидкость, а во второй, теплой, он переходит в газообразное состояние.

Двигаясь дальше, газ перемещается в компрессор, где под действием высокого давления сжимается, а его температура при этом повышается. Став горячим, газ поступает в конденсатор, который также является теплообменником. В нем происходит передача тепла от горячего газа к теплоносителю обратного трубопровода, входящего в отопительную систему дома. Отдав тепло, газ охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, в то время, как нагретый теплоноситель поступает в систему горячего водоснабжения и отопления. Проходя через редукционный клапан расширителя, сжиженный газ снова попадает в испаритель – цикл замыкается.

В холодное время года тепловые насосы работают на обогрев дома, а в жару – на его охлаждение. В этом случае принцип работы тот же, только летом тепло в теплоноситель поступает из внутренних помещений, а не снаружи.

Конструктивные особенности тепловых насосов

В настоящее время используются тепловые насосы, имеющие разные конструкции.

Так, насос с открытым циклом применяют, когда дом расположен рядом с водоемом. В этом случае теплоноситель, вода, поступает в открытый контур, проходит весь цикл и, охлаждаясь, вновь сливается в водоем.

Геотермальные насосы закрытого типа прокачивают теплоноситель – воздух или воду, по трубам, заложенным глубоко в землю и проложенным по дну водоема. Закрытый цикл в экологическом плане считается более безопасным. К закрытому типу относятся насосы с вертикальным и горизонтальным теплообменником, которые используются, когда поблизости нет водоемов. Вертикальные тепловые насосы применяются, когда площадь земельного участка, на котором расположен дом, невелика. Иногда вертикальные насосы устанавливают в пробуренных поблизости скважинах.

Разновидности тепловых насосов и систем

Грунтовые тепловые насосы

Количества тепловой энергии, получаемой от грунта, достаточно для разогрева хладогента до уровня, где тот меняет агрегатное состояние, превращаясь в пар. Удобно то, что на глубине уже в несколько метров сезонные температурные колебания не наблюдаются. Это позволяет пользоваться прибором круглый год, и в доме всегда будет горячая вода.

Есть два способ размещения трубопровода в грунте:

1. Горизонтальный коллектор – это система горизонтально лежащего контура.
2. Геотермальный зонд – приемники расположены вертикально и связаны между собой.

Геотермальные насосы с горизонтальным коллектором предполагают заглубление на полтора-два метра. Главное пройти отметку уровня промерзания грунта. Для каждого региона она своя. В среднем это 1,2 метра. Если требуется отопить здание, площадью до 100 кв. м., придется выкопать котлован или вырыть сеть траншей, площадью в 2-3 сотки. Это не обязательно делать под самим сооружением. Главное не садить на задействованном участке растения, имеющие корни, уходящие глубоко в землю.

Водяные тепловые насосы

Для использования такого теплового насоса принцип действия взят тот же. Но отличается тип источника.

В данном случае это грунтовые воды. Естественно, глубина их залегания должна быть доступна в регионе. Но если такая возможность есть, система отличается тепловой стабильностью, так как подземные воды имеют постоянную температуру круглый год. Это делает устройство пригодным для применения в течение всех четырех сезонов. Перед монтажом проводят геологическую разведку, чтобы убедиться, что вода течет на глубине 30-40 метров.

Однако требуется и химический анализ. Если в составе мало солей железа и ряда других примесей, можно ставить геотермальный зонд.

В противном случае это нецелесообразно ввиду наличия риска преждевременного выхода из строя и низкой производительности.

В данном случае применяют грунтовый тепловой насос или воздушный. Именно это требование является причиной того, что среди всей массы рабочих ныне установок тепловые насосы водяного типа используются реже – порядка 5% случаев.

Воздушные тепловые насосы

Главное преимущество этого способа организации отопления и подачи горячей воды – отсутствие необходимости вести полномасштабное строительство.

Не нужно бурить скважины для геотермальных зондов. Нет необходимости рыть траншеи, как в случае с грунтовым тепловым насосом. Все узлы размещаются на поверхности. В итоге сметная стоимость значительно ниже. Времени на установку и обустройство затрачивается меньше. Но при всем кажущемся комфорте это устройство далеко не идеально.

Работа будет эффективной при температуре воздуха не ниже — 15°С.

Схематично теплонасос можно представить в виде системы, которая имеет три контура:

• В первом контуре расположен тепловой носитель, который переносит энергию от источника низкопотенциального тепла.
• В следующем циркулирует хладагент. Он может испаряться, забирая тепловую энергию из первого контура, или заново конденсироваться, передавая тепло третьему контуру.
• В последнем контуре циркулирует теплоприемник (обычно вода), который переносит тепло по батареям для отапливания дома.

Основные виды

Тепловая энергия, которая расходуется на отопление загородного дома и для подачи горячего водоснабжения, это результат преобразования энергии из внешней среды при помощи термонасоса. Помпа концентрирует эту низкотемпературную энергию и переносит ее по отопительной системе.

Чаще всего бытовые насосы используют тепло солнечного освещения или тепло поверхности Земли, которое скапливается в верхних частях земной коры или подземных водах на протяжении года. То есть по конструкции все теплонасосы можно разделить на воздушные, водяные и грунтовые.

Грунтовые помпы

Насосы для охлаждения

Этот вид насосного оборудования получает тепло от грунта. Температура земли на глубине более 3 м почти не подвергается сезонным перепадам. По замкнутому контуру труб, устроенным в грунте, циркулирует этанол или антифриз. Трубопровод теплообменника можно прокладывать в грунте горизонтальным или вертикальным способом.

Трубы при горизонтальной системе нужно установить в землю ниже промерзания грунта (чаще всего это 1,6−2,1 м). Теплообменник этого типа занимает значительную площадь. Так, для отопления дома в 100 м² требуется примерно 10−20 м² земли.

На участке, который занят коллектором, можно высаживать только те растения, у которых корневая система не уходит в грунт очень глубоко, также запрещается сооружать какие-то капитальные постройки.

При устройстве вертикального теплообменника трубы устанавливают перпендикулярно уровню земли и погружают в грунт примерно на 150−220 м. Число монтируемых зондов будет зависеть от мощности обогревательной системы. То есть для отопления дома 100 м² потребуется 2 зонда длиной примерно 90 м, находящихся друг от друга с интервалом 4−6 м.

Разновидности тепловых насосов

Этот вид помп «забирает» энергию у подземных вод. Такой тепловой насос характеризуется высокой эффективностью и хорошей стабильностью. Это обусловлено отличной теплоотдачей внутри системы и постоянным термальным режимом подземных вод.

Воздушные агрегаты

Воздушные насосы

В плане простоты установки воздушный тепловой насос для отопления дома имеет значительное преимущество, в отличие от своих аналогов. Для использования воздуха в качестве источника теплой энергии не потребуется бурить скважины либо выполнять иные масштабные земельные работы. То есть воздушная помпа в установке обходится намного дешевле, чем другие два вида насосов.

Невзирая на это огромное преимущество у воздушного оборудования существует один серьезный недостаток. Эта помпа может эффективно работать только при температуре воздуха выше -17C. Снижение температуры ниже установленной границы, что зимой часто случается во многих регионах, приводит к значительному уменьшению коэффициента эффективности этого оборудования.

Откуда насос берет тепло?

 Функционирует тепловой насос, благодаря эксплуатации природных низкопотенциальных источников тепловой энергии, среди которых:

• окружающий воздух;
• водоемы (реки, озера, моря);
• грунт и грунтовые артезианские и термальные воды. 

Теплоноситель, забирающий на себя тепло из окружающей среды, циркулирует по внешнему контуру. Он попадает в испаритель насоса и отдает хладагенту примерно 4 -7 °C, притом, что его температура кипения равна -10 °C. В результате хладагент закипает и дальше переходит в газообразное состояние. Уже охлажденный теплоноситель во внешнем контуре направляется на следующий виток для набора температуры.

Состоит функциональный контур теплового насоса из:

• испарителя;
• хладагента;
• электрического компрессора;
• конденсатора;
• капилляра;
• терморегулирующего управляющего устройства. 

Процесс, как работает тепловой насос, выглядит примерно так:

• хладагент после закипания, двигаясь по трубопроводу, попадает в компрессор, работающий при помощи электроэнергии. Это устройство сжимает хладагент, находящийся в газообразном состоянии, до высокого давления, что вызывает повышение его температуры;
• горячий газ попадает в другой теплообменник (конденсатор), в котором тепло хладагента отдается теплоносителю, циркулирующему по внутреннему контуру отопительной системы, или воздуху в помещении;
• остывая, хладагент переходит в жидкое состояние, после чего проходит сквозь капиллярный редукционный клапан, теряя давление, и затем снова оказывается в испарителе;
• таким образом, цикл завершился, и процесс готов повториться. 

Примерный расчет теплопроизводительности

На протяжении часа через насос по внешнему коллектору проходит 2,5-3 кубометра теплоносителя, который земля в состоянии нагреть на ∆t = 5-7 °C (прочитайте также: «Важно знать: как продумать расчет теплового насоса»). Чтобы рассчитать тепловую мощность данного контура, следует воспользоваться формулой:

Q = (T1 — T2) x V, где: V – расход теплоносителя в час (м3/час); T1 — T2  — разница температуры на входе и входе (°C) .

Виды тепловых насосов

В зависимости от вида потребляемого рассеянного тепла тепловые насосы бывают:

• грунт-вода — для их работы в водяной отопительной системе используются закрытые грунтовые контуры или геотермальные зонды, находящиеся на глубине (подробнее: «Геотермальные тепловые насосы для отопления: принцип устройства системы»);
• вода-вода — принцип работы теплового насоса для отопления дома в данном случае основывается на использовании открытых скважин для забора грунтовых вод и их сброса (прочитайте: «Как подобрать водяной насос для отопления»). При этом внешний контур не закольцован, а система отопления в доме – водяная;
• вода-воздух – устанавливают внешние водяные контуры и задействуют отопительные конструкции воздушного вида;
• воздух-воздух – для их функционирования используют рассеянное тепло наружных воздушных масс плюс воздушная система отопления дома. 

Преимущества тепловых насосов

1. Экономичность и эффективность. Принцип действия тепловых насосов, изображенных на фото, основан не на производстве тепловой энергии, а на переносе ее. Таким образом, КПД теплового насоса должен быть больше единицы. Но как такое возможно? В отношении работы тепловых насосов используется величина, которая называется коэффициентом преобразования тепла или сокращенно КПТ. Характеристики агрегатов данного типа сравнивают именно по этому параметру. Физический смысл величины заключается в определении соотношения между количеством полученного тепла и затраченной на его получение энергии. Например, если коэффициент КПТ равен 4,8, это означает, что электроэнергия в 1кВт, затраченная насосом, позволяет получить 4,8 кВт тепла, причем безвозмездно от природы.
2. Универсальное повсеместное применение. В случае отсутствия доступных для потребителей линий электропередач работу компрессора насоса обеспечивают при помощи дизельного привода. Поскольку природное тепло есть повсюду, принцип работы этого устройства позволяет использовать его повсеместно.
3. Экологичность. Принцип работы теплового насоса основан на малом потреблении электроэнергии и отсутствии продуктов горения. Используемый агрегатом хладагент не содержит хлоруглеродов и полностью озонобезопасен.
4. Двунаправленный режим функционирования. В отопительный период тепловой насос способен обогревать здание, а в летнее время охлаждать его. Тепло, отобранное у помещения, можно применять для обеспечения дома горячим водоснабжением, а, если имеется бассейн, подогревать в нем воду.
5. Безопасная эксплуатация. В работе тепловых насосов отсутствуют опасные процессы – нет открытого огня, и не выделяются вредные для здоровья человека вещества. Теплоноситель не имеет высокой температуры, что делает устройство безопасным и одновременно полезным в быту.
6. Автоматическое управление процессом обогрева помещений. 

Принцип работы теплового насоса, достаточно подробное видео:

Некоторые особенности эксплуатации насосов

Чтобы обеспечить эффективную работу теплового насоса, необходимо соблюдать ряд условий:

• помещение должно быть качественно утепленным (теплопотери не могут превышать 100 Вт/ м²);
• тепловой насос выгодно использовать для низкотемпературных отопительных систем. Данному критерию соответствует система теплого пола, поскольку ее температура 35-40°C. КПТ во многом зависит от соотношения между температурой входного контура и выходного. 

Принцип работы тепловых насосов заключается в переносе тепла, что позволяет получать коэффициент преобразования энергии величиной от 3 до 5. Другими словами каждый 1 кВт использованной электроэнергии приносит в дом 3-5 кВт тепла. 

Принцип действия

1. Хладагент поступает в испарительный контур и изменяет своё агрегатное состояние. При переходе из жидкого состояния в газообразное и из среды поглощается тепло.
2. С помощью компрессора газ под значительным давлением перемещается вместо, где необходимо отдать тепло. При этом температура самого хладагента многократно увеличивается.
3. Сжатый газ в теплообменнике конденсируется, отдавая при этом накопленную энергию.
4. Высвободившееся тепло передаётся жидкости, которая циркулирует в системе отопления дома.

Установка, способная поддерживать процесс передачи тепла таким образом, называется тепловым насосом. Энергия способна без ограничения постоянно перемещаться от устройства, где осуществляется её отбор, к радиаторам отопления, поэтому этот процесс напоминает способ перекачки каких-либо жидких или газообразных веществ. Даже несмотря на то, что тепловой насос, применяемый для отопления дома, потребляет значительное количество электроэнергии, в итоге такой способ обогрева обойдётся значительно дешевле использования традиционных печей и котлов.

Основные элементы конструкции

Тепловые насосы, используемые для отопления, состоят из следующих элементов:

• Компрессора. Это устройство служит для значительного повышения температуры хладагента. В современных теплообменных приборах часто используются спиральные модели нагнетателей.
• Испарителя. Этот элемент представляет собой ёмкость, в которой жидкое рабочее вещество переходит в газообразное, при этом, температура хладагента существенно увеличивается за счёт поглощения тепловой энергии.
• Конденсатора. Это устройство предназначено для передачи тепла от разогретого хладагента отопительному контуру.
• Дроссельный клапан. Механизм, который способен перекрывать доступ хладагента из одной части установки к другой, тем самым, разделяя систему на участки с низким и высоким давлением.

Тепловые насосы комплектуются различными дополнительными устройствами:

• коммуникационное устройство — для управления системой через персональный компьютер или мобильный телефон;
• блок охлаждения — для локальной или центральной системы охлаждения;
• дополнительный насосный блок — для отопления полов;
• циркуляционный насос — для циркуляции горячей воды.

Источник: principraboty.ru

Другие статьи по теме:

Помпа 12 вольт Ремонт погружного насоса водолей Подключение гидроаккумулятора к погружному насосу Как установить насос в колодец Насос для отопления в частном доме Ручеек насос ремонт