Тепловой насос принцип действия

Для поддержания оптимальной температуры воздуха внутри помещения независимо от температуры окружающей среды предназначена система отопления. Это комплекс элементов, которые получают, транспортируют и передают ко всем помещениям определённое количество тепла. Различают теплоносители:

• первичный – передаёт тепло от системы получения энергии к тепловому носителю;
• вторичный – передаёт теплоту помещению посредством отопительных приборов.

Система отопления дома – одно из важных и необходимых условий устройства зданий. Включает 3 элемента:

• источник тепловой энергии;
• коммуникации (теплопроводы);
• отопительные приборы (радиаторы).

Насосное оборудование

Бытовые насосы и их виды

Уже более двух тысяч лет человечество использует насосное оборудование. За это время оно постоянно усовершенствовалось и приобрело множество модификаций, из которых можно выделить две основные группы:

• погружные;
• поверхностные.

Насосами откачивают воду из скважин, недр земли, колодцев, выгребных ям, увеличивают в гидравлических системах давление воды. Бытовые насосы могут быть с электрическим источником питания, с двигателем внутреннего сгорания или ручными.

Насосы в системах отопления

Самое главное достижение в использовании насосного оборудования – это возможность полностью исключить необходимость использования твёрдого топлива, газа и других покупаемых источников теплоты. В Европе владельцы своих домов стремятся к обустройству системы отопления, работающей за счёт природной энергии посредством тепловых насосов. Для отечественного рынка установка таких систем — новинка. Тепловые насосы могут быть частью интегрированных систем, обогревающих и охлаждающих помещения. Модифицируются ТН (тепловых насосов) в зависимости от источника энергии (вода, земля, воздух).

Устройство теплового насоса

Теплонасос – это холодильник, который переносит тепло изнутри наружу.

Такая система включает:

• тепловой насос;
• оборудование забора (геотермальные зонды, коллекторы);
• систему распределения тепла (радиаторы, тёплый пол, стены).

Тепловой насос состоит из:

• испарителя;
• конденсатора;
• расширительного клапана (расширительного вентиля, понижающего давление за счёт разжижения газа);
• компрессора (который сжижает газ и повышает давление).

Принцип действия

Общая модель показывает принцип работы системы. Чтобы проще понять весь процесс, будем исходить от простого к сложному. Сначала представим замкнутый контур с газом, приводимым в движение компрессором. Добавив расширительный клапан, в системе будет образовано две области: с повышенным и пониженным давлением. Будучи сжимаемым, газ нагревается, а при снижении давления – охлаждается. Причём наиболее высокая температура газа отмечается сразу при выходе из компрессора, а самая низкая температура газа в системе – в точке выхода из расширительного клапана.

Добавив в систему два теплообменника, с одной стороны нагретый газ через теплообменник-конденсатор будет часть тепла отдавать потребителю, с другой – уже охлаждённый посредством теплообменника-испарителя будет поглощать тепло от внешнего источника. Эта модель обладает функциями теплового насоса.

Полноценный вид ТН представляет собой после подключения к источнику низкотемпературного тепла (геотермальным зондам) и системе отопления (радиаторам, тёплым полам и стенам).

В промежуточном контуре циркулирует охлаждающая жидкость (хладагент), температура кипения которого чуть выше -5 °С. В одной части цикла он представляет собой жидкость, а в другой – газ.

Обычно используется фреон. Первоначально он находится в жидком состоянии. По мере нагревания его температура поднимается. Нагреваясь, фреон превращается в газ с температурой около пяти градусов.

Далее по цепи газ поступает в компрессор, сжимающий его. В результате на выходе выделяется максимально возможное для установки количество тепла (от +35 до +60-65^°С). После горячий газ поступает в конденсатор, где происходит передача тепла от теплоносителя контурам системы обогрева помещения.

Отдав большую часть тепловой энергии, газообразный фреон поступает в расширительный клапан. Проходя через этот вентиль, резко падает давление и температура, значения которых в точке выхода из клапана имеют наименьшие значения в цикле.

Затем движение повторяет круг.

Альтернативное топливо для тепловых насосов

В таком инженерном решении, как тепловой насос, представлена удивительная возможность получать тепло из неиссякаемых основных природных источников и быть независимым от покупаемых энергоносителей.
лнце нагревает воздух, воду, землю. В любое время года практически повсюду эти источники обладают низкопотенциальным теплом. Так тепловые насосы бывают следующих категорий:

• грунтовые (грунт-вода);
• водные (вода-вода);
• воздушные (воздух-вода).

Грунтовые насосы

Известно, что ниже точки замерзания, почва имеет стабильно положительную температуру (+4-6 ^° С). Здесь разработаны два принципа получения тепла для отопления посредством:

• горизонтального контура;
• вертикального коллектора.

Горизонтальный геотермальный контур

Требуется в зависимости от типа грунта:

• площадь от 200 м2 и более;
• котлован глубиной от 1,2 до 2 м.

Слишком глубоко земля не накапливает тепло, и нет необходимости копать траншеи глубже. Полиэтиленовые трубы укладываются в зависимости от участка горизонтальной змейкой (петлей, улиткой) в траншеи, заполняются антифризом (незамерзающей жидкостью), опрессовываются, закапываются. Общая длина контура ориентировочно рассчитывается как 5 м. п. трубы на 1 м2 площади отапливаемого дома. Возможно использование спиральной укладки, что немного экономит площадь. Недостатки:

• требует больших площадей;
• больших материальных затрат;
• нет функции пассивного охлаждения;
• снижение температуры к концу отопительного сезона;
• уменьшение теплоотдачи в зависимости от длины трубопровода;
• усадка грунта не менее одного года;
• запрещены посадки растений с развитой корневой системой;
• нежелательны постройки на занимаемой территории.

Плюсы.

Такой способ считается максимально эффективным. В среднем, отдача с 1 м2 варьируется от 30 до 65-75 Вт в любых условиях окружающей среды. При отсутствии возможности занимать довольно большую территорию под укладку труб, стоит рассмотреть вариант с использованием вертикальных контуров.

Вертикальные зонды

Данный способ предполагает бурение нескольких скважин глубиной от 20 метров. На таком расстоянии от поверхности земля начинает нагреваться и имеет температуру от 8-10° С и больше. Зависит глубина бурения от:

• месторасположения строения;
• типа грунта.

Такой вариант устройства системы теплового насоса для отопления сооружения характеризуется:

• значительными подготовительными и организационно-техническими работами;
• наибольшими капитальными вложениями;
• большой занимаемой площадью (при бурении нескольких скважин, минимальное расстояние между ними не должно превышать 8 метров);
• таким недостатком, как постепенное снижение теплоотдачи с течением времени при большой глубине скважин;
• погонной теплоотдачей 50-60 Вт.

Кластерное бурение

Существует технология бурения скважин, не требующая таких больших площадей. Это кластерное бурение. Здесь отличие в том, что под скважину отводится до 4 м2, размещена она может быть и под домом. Геотермальные тепловые насосы предусматривают использование труб:

• полимерных;
• коррозионно-стойких металлических.

Второй вариант более дорогой, но здесь выше показатели теплоотдачи с 1 м. п. за одинаковый отрезок времени, а также есть возможность уменьшить глубину скважин. Срок эксплуатации таких ТН (тепловых насосов) – 50-70 лет.

Насосы системы типа «вода-вода»

В холодное время года вода имеет вполне тёплую температуру +5-7° С. Работа таких ТН основана на использовании открытых скважин для забора и сброса грунтовых вод. На практике применяются два способа:

• полимерные трубы, утяжелённые грузом, укладываются на дно водоёма. Производительность примерно 30 Вт с 1 п.м. Такой способ относительно проще в выполнении, но требует большой длины контура;
• использование скважины-колодца, из которой энергия поступает в отопительную систему, и скважины для отвода остывшей воды.

Воздушные тепловые насосы

Системы воздушных ТН гораздо дешевле и проще, но менее эффективны. Различают два варианта таких насосов:

Сплит

Представлен наружным и внутренним боксами:

• первый включает вентилятор и испаритель;
• второй – конденсатор и систему автоматического управления. Расположение компрессора возможно в любом из боксов.

Моно

Составляющие комплектующие помещены в одном блоке. Монтируется система как внутри помещения, так и снаружи. Долговечность воздушных ТН около 20 лет.

kotel.guru

Почему воздушный?

Название этого типа тепловых насосов означает что они получают тепло из окружающей среды – воздуха.
1045;сть два подвида – воздух-воздух и воздух-вода. Первые нагревают воздух внутри помещения, вторые – воду, которую можно использовать для систем отопления дома и горячего водоснабжения (ГВС).

Принцип действия

Многих смущает тот факт, что продуктивность работы тепловых насосов выше 100%.
1050;азалось бы, это противоречит закону сохранения энергии, но на деле это не так. Тепловой насос оттого так и называется, что он не производит тепло, а «перекачивает» его. В данном сл.
72;.

Полный цикл переноса тепла выглядит следующим образом:

1. Теплоноситель с низкой температурой сжимается в компрессоре, при этом происходит его нагрев.
2. Теплоноситель отдает тепло через теплообменник в воздух или воду.
3. Охлажденный теплоноситель попадает в испаритель, где его давление снижается до нормального и он охлаждается до минимальной температуры.
4. Теплоноситель нагревается от наружного воздуха.
5. Цикл повторяется снова.

Для наглядности вы можете посмотреть видео, в котором в упрощенном виде показан воздушный тепловой насос (принцип действия – «воздух-вода»).

По сути, водяной, геотермальный и воздушный тепловой насос принцип действия имеют, в общем, одинаковый. Разница лишь в том, что для отбора тепла нужны разные устройства и механизмы. Так как доступ к воздуху получить проще всего, то цена монтажа воздушного теплового насоса невелика, как и самого оборудования.

Конструкция

Воздушный тепловой насос с принципом действия «воздух-воздух» состоит из наружного блока и внутреннего. Внешне они похожи на блоки обычного кондиционера, да и принцип работы схожий. Разница лишь в том, что воздушный ТН имеет большую производительность и способен эффективно работать при более низких температурах.

Тепловой насос «воздух-вода» включает в себя бак-накопитель с теплообменником, в котором теплоноситель отдает термическую энергию воде. Бывают баки с несколькими контурами, чтобы обеспечивать раздельную подачу воды для разных систем (отопления радиаторами, теплого пола, горячей воды и т.д.).

Основные элементы воздушного теплового насоса:

• Компрессор;
• Циркуляционный насос;
• Испаритель;
• Конденсатор;
• Теплообменники;
• Расширительный бачок.

Эффективность воздушного теплового насоса (КПД, COP)

Традиционно производительность тепловых насосов измеряется в COP (Coefficient of Performance). Одна единица COP соответствует 100% КПД. То есть, если оборудование имеет COP 2,5, то его КПД равно 250%. Это значит, что на 1 кВт потребленной электроэнергии он выдает 250 кВт тепла.

Производительность зависит от мощности компрессора и температуры наружного воздуха. Чем он холоднее, тем меньше тепла из него можно получить. Поэтому эффективность колеблется в большом диапазоне. Некоторые модели имеют максимальный показатель COP 5 и выше, но такой производительности можно достичь только в теплое время года.

Стоимость теплового насоса напрямую связана с его продуктивностью. Чем дешевле модель, тем ниже ее КПД и выше минимальная рабочая температура. Есть дорогие варианты, которые способны работать и при -30, а самые дешевые не работают при температуре окружающего воздуха ниже 0 градусов.

Надеемся, что смогли коротко рассказать о принципе действия воздушного теплового насоса. Свои вопросы вы можете задать в комментариях — мы ответим на них в ближайшее время. Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!

vteple.xyz

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. 

Система отопления с тепловым насосом

 
Когда для обогрева используется тепловой насос — принцип работы его основан на интеграции в отопительную систему. Она состоит из двух контуров, к которым добавляется третий, представляющий собой конструкцию насоса. 

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. 

teplospec.com

Другие статьи по теме:

Насосная станция для скважины Насос не качает воду из скважины Производительность насоса малыш Автоматика на воду Как подобрать гидроаккумулятор для систем водоснабжения Насосная станция работает но не качает воду