Тепловые насосы принцип работы тепловых насосов

В условиях растущих цен на топливо многие задумываются о снижении расходов. Учёные ломают голову над получением дешёвой энергии и максимальном использовании сил природы. Именно на простых законах физики и использовании природных стихий построен принцип действия теплового насоса.

Понятие теплового насоса и принцип его работы

Если сильно упростить структуру насоса, производящего тепло, то получится работа холодильника или кондиционера, но в более глобальном масштабе. Такая тепловая установка не требует топливного котла. Её нужно правильно смонтировать и подключить к источнику электропитания. Это вовсе не обозначает, что насос отапливает дом электричеством — киловатты тратятся на функционирование системы.

Устройство насоса

Принцип действия теплового насоса не особо отличается от выбранного вида — тепло забирается во внешней среде и передаётся в дом. Такие установки имеют всего три главных компонента:

• Зонд, собирающий тепло.
• Сам тепловой насос, включая компрессор.
• Система отопления здания с теплообменной камерой.

Первый и последний пункт теплонасосной установки — это трубы и радиаторы. Теплообменный зонд представляет собой большой горизонтальный змеевик, вертикальные трубы или открытый забор воды из естественного водоёма. Суть системы заключается в самом насосе. В нём 6 составляющих:

• капилляр;
• хладагент;
• компрессор;
• испаритель;
• конденсатор;
• терморегулятор.

Такая установка условно «отбирает» тепло у природных носителей и передаёт их с систему отопления. По такому же принципу работает обычный холодильник — он забирает «лишние» градусы из морозильной камеры и выводит их на воздушный теплообменник на задней стенке. Хотя это лишь один из видов обмена тепловой энергии, связанный с воздухом, есть и другие виды.

Вернуться к содержанию
 

Разновидности тепловых насосов

Общий принцип теплонасосных установок заключается в обмене температур между носителями. Тепло первичного источника передаётся системе отопления без использования топлива. Эти источники можно поделить на 3 группы:

• геотермальные;
• аэротермические;
• гидротермальные.

Это три разных стихии — воздух, вода и земля. Именно от этих природных носителей тепловой энергии происходит отопление дома. Помимо отличий в «стихии» установки отличаются и типом монтажа. Они делятся на 2 вида:

• Открытого типа.
• Закрытых разновидностей.

Каждый из видов теплонасосных установок имеет свои плюсы и минусы. В ряде случаев из-за особенностей монтажа определённые разновидности просто невозможны в конкретном месте. Другие нерентабельны или низкоэффективны в определённых регионах, хотя в других местах они наиболее выгодны.
Вернуться к содержанию
 

Достоинства и недостатки насосов разных видов

Наиболее простой и быстромонтируемый вид теплоустановки — это аэротермический. Теплообмен происходит с воздухом, не требуя монтажа большого количества оборудования. Плюсами являются:

• лёгкость установки без труб и радиаторов;
• безопасность и экологичность эксплуатации;
• возможность использования в летнее время для охлаждения.

Минусами этого типа установок признана её неэффективность в холодных регионах. Уже при 0 градусов Цельсия аэротермическая установка работает с 50% мощностью. При падении температуры до минус 20 С использование воздушного насоса становится нерентабельным. Эта установка не подходит для регионов с сильными морозами, также её монтаж будет не рентабельным в местах с частым безветрием.

Насос вода-вода требует более сложного монтажа и соблюдения обязательного условия — на участке должен быть водоём, непромерзающий зимой до самого дна. Это является недостатком такой установки, в ряде случаев её просто невозможно смонтировать. Преимуществами этой системы являются высокая эффективность, возможность эксплуатации в морозы и более низкая стоимость установки относительно геотермальной.

Установка грунт-вода, использующая в качестве теплоносителя землю, одна из самых сложных в монтаже. Это один из недостатков установки, вне зависимости от горизонтального или вертикального расположения зонда. Помимо этого к минусам можно отнести невозможность использования земли для с/х нужд при горизонтальном змеевике и невозможность самостоятельной установки при вертикальном расположении.

Список плюсов значительно шире:

• длительный срок работы при разовых вложениях;
• максимальная эффективность при любой погоде;
• эксплуатация и на охлаждение, и на обогрев здания;
• возможность использования в регионах с сильными морозами.

Теплонасосные установки уверенно завоёвывают внимание владельцев частных домов и компаний, имеющих малоэтажные строения. Этот вид отопления позволяет серьёзно снизить расходы на обогрев, снижая стоимость эксплуатации жилых и офисных зданий. Почти все виды установок возможно смонтировать самостоятельно, не прибегая к услугам специалистов. Для этого достаточно лишь приобрести сам насос и расходные материалы, а также ознакомится с особенностями монтажа.
Вернуться к содержанию
 

Особенности монтажа теплового насоса

Почти все теплонасосные установки допускают возможность самостоятельного монтажа. Возможность самому установить насос при вертикальном расположении зонда исключена — требуется бурение скважины на глубину не менее 100 метров. Во всех остальных случаях достаточно соблюсти простые требования.

Минимальные требования

Система вода-вода не может функционировать без поверхностного водоёма в шаговой доступности при самостоятельной установке. Возможен монтаж силами профессионалов вертикальной системы, если есть источник подземных вод.

Горизонтальный грунтовой насос требует наличия свободного участка земли, незанятой под огород, сад и не имеющей тяжёлых строений. При этом его площадь должна в 2─4 раза превышать размер земли, занятой отапливаемым строением. Система вода-воздух или воздух-воздух требует хотя бы минимальной ветрености и должна быть установлена не более, чем в 20 метрах от здания.

Устройство теплового насоса требует наличия обязательного источника электропитания. При невозможности подключения насоса к стационарному электроснабжению допускается использование бензинового или дизельного генератора.
Вернуться к содержанию
 

Монтаж воздушного теплового насоса

По сути, эта система представляет собой большой кондиционер в случае принципа воздух-воздух. В этом случае процесс монтажа прост — необходимо выбрать правильное месторасположение и обеспечить вход воздуховода в здание с обязательной установкой фильтров.

При выборе места установки воздухозаборников нужно учесть шум, производимый ими в работе. А также требуется обеспечить возможный отход конденсата для предотвращения обледенения. Воздушный теплонасос наиболее простой в монтаже.
Вернуться к содержанию
 

Установка водяного горизонтального насоса

Сначала необходимо собрать геоконтур из обычных полимерных труб необходимо при помощи грузил опустить на дно водоёма вместе с испарителем. Допустима установка в водоёмах со сточными или промышленными водами, не повреждающими полимер.

Этот способ более простой, чем монтаж системы вода-грунт, но не всегда возможен из-за отсутствия водоёма. По стоимости оборудования и проводимых работ он входит в ту же ценовую категорию, что и воздушный насос, но имеет более высокий уровень КПД.
Вернуться к содержанию
 

Монтаж горизонтального насоса грунт-вода

Эта система наиболее популярна в частном секторе. Она понятна для самостоятельного монтажа, но требует большого объёма земляных работ. Возможно простое «U-образное» расположение труб под землёй на большое расстояние или же монтаж змеевидной системы на ограниченном участке.

Необходимо учесть, что для получения 1 кВт тепловой энергии требуется 50 кв. м. коллекторов. При змеевидном расположении труб они должны быть удалены друг от друга на расстояние в 0,7─1 м. КПД горизонтальной системы при правильном монтаже достигает 3─5 кВт тепловой энергии на один потраченный киловатт электричества.
Вернуться к содержанию
 

Вертикальные насосные установки

Самостоятельно смонтировать вертикальный насос невозможно — требуется бурение на глубину не менее 100 м. Для начала необходимо оплатить и получить разрешение на скважину. Такие теплонасосные установки наиболее дорогие, но максимально эффективные.

При монтаже вертикальной системы вода-вода открытого типа с использованием подземных водоёмов возможны дополнительные бонусы. Эта система позволяет одновременно обеспечить здание автономными источниками питьевой воды.

Вернуться к содержанию
 

Нюансы расчётов при установке теплового насоса

Поняв, как работает тепловой насос, необходимо правильно рассчитать его мощность. Расчёт теплового насоса кажется простым только на первый взгляд. Лучше всего доверить эту работу специалистам, особенно если здание находиться в регионе с холодным климатом.

При самостоятельных расчётах применяется формула с такими данными:

• R — теплопотери здания;
• V — объёмы дома в м³;
• T — максимальный перепад температур дом-улица;
• k — коэффициент теплопроводности здания (СНиП).

Сама формула выглядит так: R=k*V*T. Единицей измерения результата умножения являются ккал. Для перевода их в кВт необходимо произвести деление на 860. Полученный результат покажет максимально необходимую мощность насоса.
Вернуться к содержанию
 

Случаи низкой рентабельности насоса

Неправильные расчёты могут привести к недостаточной мощности. В тёплых областях это приведёт к монтажу излишне мощной системы, но в морозных регионах не позволит качественно отапливать здание.

Выше сказано, что воздушный насос неэффективен при морозах в минус 20 С. На самом деле сейчас уже существуют модели, способные функционировать при температуре в минус 32 С, оставаясь рентабельными. Пока такие системы реализуются по очень высокой стоимости и их эксплуатация обоснована только при невозможности выбора другого вида отопления.

А также необоснованные затраты будут при монтаже вертикальных систем в тёплых регионах. Их применение будет обоснованным только в очень жарком климате в случае эксплуатации с целью охлаждения при выборе реверсивных моделей насосов. Монтаж вертикальных систем в тёплых регионах для отопления нерентабелен — окупаемость установки с 5─7 возрастёт до 15─20 лет.

Если теплонасосная установка уже запланирована на этапе строительства дома, то стоит заранее рассчитать монтаж системы тёплых полов. Это наиболее выгодная система отопления с использованием тепловых насосов. Подключение к действующей радиаторной системе также эффективно, но менее рентабельно.

Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье оставляйте в комментариях.
Вернуться к содержанию

akbinfo.ru

Проще говоря…

Чтобы охладить бутылку минеральной воды, Вы ее ставите в холодильник. Холодильник должен «забрать» у бутылки часть тепловой энергии и, согласно закону сохранения энергии, ее куда-то переместить, отдать. Холодильник переносит теплоту на радиатор, обычно расположенный на задней его стенке. При этом радиатор нагревается, отдавая свое тепло в помещение. Фактически он отапливает помещение. Это особенно заметно в маленьких минимаркетах летом, при нескольких включенных холодильниках в помещении.

Предлагаем пофантазировать. Предположим, что мы будем постоянно подкладывать теплые предметы в холодильник, а он будет, охлаждая их, нагревать воздух в помещении. Пойдем на «крайности»… Расположим холодильник в оконном проеме открытой дверкой «морозилки» наружу. Радиатор холодильника будет находиться в помещении. В процессе работы холодильник будет охлаждать воздух на улице, перенося в помещение «забранную» теплоту. Так и работает тепловой насос, забирая рассредоточенное тепло у окружающей среды и перенося его в помещение.

Где насос берет тепло?

Принцип работы теплового насоса базируется на «эксплуатации» естественных низкопотенциальных источников тепла из окружающей среды.

Ими могут быть:

• просто наружный воздух;
• тепло водоемов (озер, морей, рек);
• тепло грунта, грунтовых вод (термальных и артезианских).

Как устроен тепловой насос и система отопления с ним?

Тепловой насос интегрирован в систему отопления, которая состоит из 2-х контуров + третий контур — система самого насоса. По внешнему контуру циркулирует незамерзающий теплоноситель, который забирает на себя тепло из окружающего пространства.

Попадая в тепловой насос, точнее его испаритель, теплоноситель отдает в среднем от 4 до 7 °C хладагенту теплового насоса. А его температура кипения составляет -10 °C. Вследствие этого хладагент закипает с последующим переходом в газообразное состояние. Теплоноситель внешнего контура, уже охлажденный уходит на следующий «виток» по системе для набора температуры.

В составе функционального контура теплового насоса «числятся»:

• испаритель;
• компрессор (электрический);
• капилляр;
• конденсатор;
• хладагент;
• терморегулирующее управляющее устройство.

Процесс выглядит приблизительно так!

«Закипевший» в испарителе хладагент по трубопроводу поступает в компрессор, работающих от электроэнергии. Этот «трудяга» сжимает газообразный хладагент до высокого давления, что, соответственно, приводит к повышению его температуры.

Теперь уже горячий газ далее попадает во другой теплообменник, который называется конденсатором. Здесь тепло хладагента передается воздуху помещения или теплоносителю, который циркулирует по внутреннему контуру системы отопления.

Хладагент остывает, одновременно переходя в состояние жидкости. Затем он проходит через капиллярный редукционный клапан, где «теряет» давление и вновь попадает в испаритель.

Цикл замкнулся и готов к повтору!

Приблизительный расчет теплопроизводительности установки

В течении часа по внешнему коллектору через насос протекает до 2,5-3 м³ теплоносителя, который земля способна нагреть на ∆t = 5-7 °C.

Для расчета тепловой мощности такого контура воспользуйтесь формулой:

где:

Разновидности тепловых насосов

По типу используемого вида рассеянного тепла различают тепловые насосы:

• грунт-вода (используют закрытые грунтовые контуры или глубокие геотермальные зонды и водяную систему отопления помещения);
• вода-вода (используют открытые скважины для забора и сброса грунтовых вод — внешний контур не закольцованный, внутренняя система отопления — водяная);
• вода-воздух (использование внешних водяных контуров и системы отопления воздушного типа);
• тепловой насос воздух-воздух (использование рассеянного тепла внешних воздушных масс в комплекте с воздушной системой отопления дома).

plusteplo.ru

Принцип действия тепловых насосов

Давно известно, что почти в любой среде присутствует тепловая энергия. Так почему бы ее не начать использовать в качестве источника тепла для обогрева дома?

Тепловой насос для отопления дома работает по следующему принципу: от источника энергии обладающего низким потенциалом тепло передается теплоносителю. На деле все происходит по следующему сценарию.

Трубы, через которые проходит теплоноситель, скрываются, например, землей. После этого теплоноситель поступает в теплообменник, где собранное тепло передается на второй контур. Хладагент, располагающийся внутри внешнего контура, нагреваясь переходит в газообразное состояние.

Далее хладагент в газообразном состоянии поступает в компрессор, где происходит его сжатие. Это еще больше способствует его нагреванию. После этого горячий газ поступает в конденсатор, где тепло передается теплоносителю, обогревающему непосредственно дом.

Тепловые насосы для отопления дома предполагают принцип действия по следующей схеме:

• через испаритель проходит вода, которая берется из водоема либо скважины, здесь ее температура понижается на пять градусов;
• после того как жидкость охладится, она попадает в компрессор;
• в компрессоре происходит сжатие воды, что увеличивает ее температуру;
• нагретая жидкость переходит в теплообменную камеру, где ее тепло передается системе отопления;
• остывшая вода начинает цикл заново.

Отопительные системы принцип работы которых основывается на теплонасосных установках, состоят из трех составных частей:

1. Зонд-змеевик, располагается в земле или в воде. Его задачей является сбор тепла и передача его на устройство.
2. Тепловой насос – устройство, предназначенное для извлечения термальной энергии.
3. Непосредственно сама отопительная система, частью которой является теплообменная камера.

Если есть желание, можно самостоятельно сделать тепловой насос для отопления жилища из холодильника. Но это требует определенных технических знаний и навыков.

Преимущества и недостатки устройства

В первую очередь опишем положительные качества такого вида водяного или воздушного отопления:

1. Относительно невысокие энергозатраты. На отопление расходуется только электричество, но стоит отметить, что его необходимо намного меньше нежели, к примеру, если отапливать помещения при помощи электроприборов. Тепловые насосы обладают коэффициентом, который указывает выход тепловой энергии относительно затраченного электричества. Например, в том случае когда «ϕ» равняется 5, означает что на 1 кВт/ч расхода электроэнергии придется 5 кВт тепловой.
2. Тепловому насосу не требуется какого-либо специального ухода или расходных материалов.
3. Универсальность. Данный вид отопительной системы может быть смонтирован в любой местности. Наиболее актуален данный способ для удаленных районов, где нет газопровода. Если не возможно подключится к электричеству, этот насос может работать на дизельном или бензиновом двигателе.
4. Полная автоматизация. Система не требует доливания воды или постоянного контроля за ее работой.
5. Экологичность и безопасность. Теплонасос не производит каких-либо побочных продуктов в результате своей работы. Случайный перегрев устройства невозможен.
6. Данное устройство кроме обогрева дома в холодный период, когда температура воздуха падает до -15оС, но и охлаждать в жаркие дни. Данная функция предусмотрена в реверсивных моделях.
7. Период эксплуатации доходит до 50 лет. Примерно раз в 20 лет может потребоваться замена компрессора.

Но данная система помимо положительных сторон, обладает и своими минусами, о которых необходимо знать:

1. Цены. Тепловой насос стоит достаточно дорого. Данное вложение сможет себя окупить не ранее чем через пять лет.
2. В районах с очень суровыми зимами, где столбик термометра падет ниже отметки -15оС, для нормальной работы агрегата могут потребоваться дополнительные источники тепла (электрические или газовые).
3. Система, которая забирает тепловую энергию из земли, нарушает экосистему участка. Урон наносится несерьезный, но об этом не стоит забывать. Тепло забирается устройством из грунта, тем самым понижая его температуру, это может неблагоприятно отразится на корневой системе растений, которые растут в непосредственной близости.

Разновидности тепло оборудования

Тепловые насосы бываю нескольких видов. Но главной характеристикой, по которой классифицируется устройство, является вид теплоносителя на внешнем контуре.

Энергию устройства могут брать из:

• грунта
• воздуха
• воды.

Полученную энергию можно употребить для обогрева помещений, для нагревания воды. Поэтому теплонасосы бывают нескольких видов.

• Теплонасосы «грунт – вода». Является, пожалуй, наиболее оптимальным решением альтернативного отопления – тепловая энергия получается непосредственно из грунта. Кроме того, на глубине от 6 метров сохраняется постоянная и неизменная температура. В качестве теплоносителя используется специальная жидкость. Наружный контур изготавливается из пластиковых труб.

Размещение труб в грунте может быть как горизонтальным, так и вертикальным. Для горизонтального размещения потребуется выделение большей площади. В месте, где трубы размещаются в горизонтальном положении, использование земли для сельскохозяйственных нужд. Возможно только обустройство газонов или насаждение однолетних растений.

Для того чтобы разместить в грунте трубы в вертикальном положении, потребуется сделать несколько скважин глубина которых будит доходить до 150 метров. Это будет достаточно эффективный геотермальный насос, в виду того что на большой глубине температура у земли достаточно высокая. Для того чтобы передать тепло применяются глубинные зонды.

• Тип насоса «вода – вода». Тепло также можно получать из воды, залегающей на большой глубине под землей. Для этого можно использовать водоемы, сточные или грунтовые воды.
  Хочется отметить, что серьезного принципиального различия между данными двумя системами нет. Наименьшие затраты требуются тогда, когда тепловая энергия получается из водоема. Трубы необходимо заполнить теплоносителем и погрузить в воду. Для того чтобы получать тепло из грунтовых вод, понадобится монтаж более сложной конструкции.

• Тепловой насос «воздух – вода». Тепловую энергию можно получать и из воздуха, но в регионах с суровыми зимами, данная система нецелесообразна. Воздушные системы отличаются простотой исполнения монтажа. Потребуется только выбрать и установить необходимый агрегат.

Перед тем как начать монтаж отопительной системы крайне необходимо исследовать все особенности участка. Данное исследование позволит определить оптимальный источник термальной энергии. Задача намного упрощается, когда рядом с домом находится водоем. Данный факт упростит задачу тем, что отпадет необходимость проведения земляных работ. Также практичным решением является использовать местность, где есть постоянный ветер. В случае же если не имеется ни того, ни другого, придется начать земляные работы.

Тепловой насос своими руками

Использовать тепловые насосы для обогрева помещения, очень выгодно. На российском рынке данная продукция представлена следующими фирмами: Vaillant (Германия), Nibe (Швеция), Danfoss (Дания), Mitsubishi Electric (Япония), Mammoth (США), Viessmann (Германия). Неплохого качества, совершенно не уступающего по качеству западным аналогам продукция отечественных фирм SunDue и Henk.

Средняя цена под ключ теплонасоса составляет примерно 300 – 350 тысяч рублей. Наиболее бюджетной является система «воздух-вода», так как данная система не требует проведения дорогостоящих земляных работ.

Но цена самого оборудования, да и монтажные работы доступны далеко не каждому. Дома, чья площадь составляет более 400 м2 , достаточно быстро окупают деньги вложенные в оборудование данной системы. Но если дом намного меньше, деньги сэкономить на отоплении, таким образом, не получится. В этом случае такую систему можно сделать самостоятельно.

Для начала необходимо приобрести компрессор. Для этой цели подойдет агрегат, которым оборудуется обычный кондиционер. Он крепится на стену. Конденсатор можно сделать своими руками. Для этого необходимо создать из медных трубок змеевик, который помещается в корпус, выполненный из пластика.

Испаритель также монтируется на стену. Пайка, заправка фреоном и прочие подобные работы должны выполняться только человеком, обладающим соответствующими навыками. Неумелые действия не только могут повлечь за собой отрицательный результат, но и в процессе их можно получить серьезные травмы.

Особенности монтажа теплового насоса

При учете цен тепловых насосов для обогрева жилища, данные вид отопительной системы весьма недешев. Расходы можно уменьшить при проведении самостоятельной установки насоса, но нужно помнить, что при неправильном монтаже существует вероятность потери КПД агрегата. Стоит ли рисковать самостоятельным монтажом при приобретении столь дорогого оборудования?

Какие трудности можно испытать во время проведения самостоятельной установки:

• все оборудование должно быть объединено в единый комплекс, в который будут включены скважины, насос, гидравлическая обвязка, автоматическое управление и отопительная система;
• во время проектирования системы необходимо учитывать технические характеристики теплонасоса;
• глубина термальных скважин должна соответствовать мощности оборудования, необходимо проведение тампонажа;
• геотермальные зонды , чья работа предполагается в жестких эксплуатационных условиях, необходимо продублировать в каждой скважине;
• радиаторы, конвекторы, теплый пол в доме необходимо включить в работу с теплонасосным оборудованием для наиболее эффективного отопления.

Перед пуском теплонасоса в работу, нужно проверить состояние электрофикации дома. Счетчик должен быть рассчитан на мощность 40 ампер. Во время установки нужно принимать в расчет, что работа устройства обладает повышенным уровнем шума. Но агрегат нет необходимости.

Также нужно помнить о том, что подземные коллекторы способны нанести вред садовым растениям, это необходимо учитывать во время монтажа системы. Раз в неделю коллектор необходимо прогревать до 60 о С для того чтобы предотвратить размножение бактерий внутри системы.

Теплонасос – весьма дорогое устройство, окупающееся как минимум через 5 -7 лет. Но при учете того что срок эксплуатации системы составляет около 50 лет, то это достаточно выгодное приобретение. Данная система позволит обогревать дом даже при отсутствии газо- и электроснабжения. Отличается пожаробезопасностью и эффективностью, работа проходит в автоматическом режиме и не нуждается в специальном обслуживании. Но для достижения таких результатов, монтаж оборудования необходимо доверить профессионалам.

santehnikportal.ru

Принцип работы теплового насоса

Принцип их работы основывается на том, что любое тело, имеющее температуру выше значения абсолютного нуля, обладает запасом тепловой энергии, прямо пропорциональным его массе и удельной теплоемкости. Понятно, что моря, океаны, а также подземные воды, масса которых велика,  обладают грандиозным запасом тепловой энергии, частичное использование которой на отоплении жилища никак не сказывается на их температуре и на экологической обстановке на планете.

«Забрать» тепловую энергию от какого-либо тела можно только охладив его. Количество выделенного при этом тепла (в примитивном виде) можно рассчитать по формуле

Q=CM(T2-T1), где

Q-полученное тепло

C-теплоемкость

M— масса

T1 T2 — разность температур, на которую было произведено охлаждение тела

Из формулы видно, что при охлаждении одного килограмма теплоносителя от 1000 градусов до 0 градусов может быть получено такое же количество тепла, что и при охлаждении 1000кг теплоносителя от 1С до 0С.

Главное, суметь использовать тепловую энергию и направить ее на отопление жилых домов и производственных помещений.

Идея использования тепловой энергии менее нагретых тел возникла еще в середине 19 столетия, а ее авторство принадлежит знаменитому ученому того времени лорду Кельвину. Однако далее общей идеи дело у него не продвинулось. Первый проект теплового насоса был предложен в 1855 году и принадлежал он Петеру Риттеру фор Риттенгеру. Но и он не получил поддержки и не нашел практического применения.

«Второе рождение» теплового насоса относится к середине сороковых годов прошлого столетия, когда широкое распространение получили обычные бытовые холодильники. Именно они натолкнули швейцарца Роберта Вебера на идею использовать тепло, выделяемое  морозильной камерой, для нагрева воды для хозяйственных нужд.

Полученный эффект оказался ошеломляющим: количество тепла оказалось столь велико, что его хватило не только для горячего водоснабжения, но и подогрева воды для отопления. Правда, при этом пришлось порядком потрудиться и придумать систему теплообменников, позволяющую утилизировать выделяемую холодильником тепловую энергию.

Однако вначале изобретение Роберта Вебера рассматривалось как забавная идея, и воспринималась подобно идеям из современной знаменитой рубрики «Очумелые ручки». Настоящий интерес к нему возник намного позже, когда действительно остро встал вопрос поиска альтернативных источников энергии. Вот тогда идея теплового насоса получила свое современное очертание и практическое применение.

Современные тепловые насосы можно классифицировать в зависимости от источника низкотемпературного тепла, которым может быть грунт, вода (в открытом или в подземном водоеме), а также наружный воздух.

Полученная тепловая энергия может передаваться воде и использоваться для устройства водяного отопления, и горячего водоснабжения, а также воздуху, и применяться для отопления и кондиционирования. Учитывая это, тепловые насосы делят на 6 видов:

• От грунта к воде (грунт-вода)
• От грунта к воздуху (грунт-воздух)
• От воды к воде (вода-вода)
• От воды к воздуху (вода-воздух)
• От воздуха к воде (воздух-вода)
• От воздуха к воздуху (воздух-воздух)

Каждый вид тепловых насосов имеет свои характерные особенности установки и эксплуатации.

Способ установки и особенности эксплуатации теплового насоса ГРУНТ-ВОДА

• Грунт универсальный поставщик низкотемпературной тепловой энергии

Грунт обладает колоссальным запасом низкотемпературной тепловой энергии. Именно земная кора постоянно аккумулирует солнечное тепло и при этом подогревается изнутри, от ядра планеты. В результате на глубине нескольких метров грунт всегда имеет положительную температуру. Как правило, в центральной части России речь идет о 150-170 см. Именно на этой глубине температура грунта имеет положительное значение и не опускается ниже 7-8 С.

Еще одна особенность грунта состоит в том, что даже при сильных морозах он промерзает постепенно. В результате минимальная температура грунта на глубине 150 см наблюдается тогда, когда на поверхности уже наступает календарная весна и потребность в тепле для отопления снижается.

Это значит, что для того, чтобы «отобрать» тепло у грунта в центральном районе России, теплообменники для аккумуляции тепловой энергии необходимо расположить на глубине ниже 150 см.

В этом случае теплоноситель, циркулирующий  в системе теплового насоса, проходя по теплообменникам, будет нагреваться за счет тепла грунта, затем, поступая в испаритель, передавать тепло воде, циркулирующей в системе отопления, и возвращаться за новой порцией тепловой энергии.

• Что может использоваться в качестве теплоносителя

В качестве теплоносителя в тепловых насосах типа грунт-вода чаще всего используют так называемый «рассол». Его готовят из воды и этиленгликоля или пропиленгликоля. В некоторых системах используют фреон, что в значительной степени усложняет конструкцию теплового насоса и приводит к повышению его стоимости. Дело в том, что теплообменник насоса этого вида должен иметь большую площадь теплообмена, следовательно, и внутренний объем, что требует соответствующего количества теплоносителя.

Использование фреона хоть и повышает эффективность работы теплового насоса, но при этом требует абсолютной герметичности системы и ее устойчивости к повышенному давлению.

Для систем с «рассолом» теплообменники обычно делают из полимерных труб, чаще всего полиэтиленовых, диаметром от40-60мм. Теплообменники имеют вид горизонтальных или вертикальных коллекторов.

• Горизонтальный грунтовый коллектор

Горизонтальный грунтовый коллектор представляет собой трубу, уложенную в грунт на глубине ниже 170 см. Для этого можно использовать любой незастроенный участок земли. Для удобства и увеличения площади теплообмена трубу укладывают зигзагом, петлями, спиралью и т.д. В дальнейшем этот участок земли можно использовать под газон, клумбу или огород. Следует отметить, что теплообмен между грунтом и коллектором идет лучше во влажной среде. Поэтому поверхность грунта можно смело поливать и удобрять.

Считается, что в среднем 1м2 грунта дает от 10 до 40 Вт тепловой энергии. В зависимости от потребности в тепловой энергии, петель коллектора может быть любое количество.

• Вертикальный коллектор

Вертикальный коллектор представляет собой систему труб, установленных в земле вертикально. Для этого бурятся скважины на глубину от нескольких метром до десятков, а то и сотен метров. Чаще всего вертикальный коллектор находится в тесном контакте с подземными водами, но это не является необходимым условием для его эксплуатации. То есть, вертикально установленный подземный коллектор может быть «сухим».

Вертикальный коллектор, так же, как и горизонтальный, может иметь практически любую конструкцию. Наибольшее распространение получили системы типа «труба в трубе» и «петли», по которым рассол подается насосом вниз и им же поднимается обратно к испарителю.

Следует отметить, что вертикальные коллекторы наиболее производительны. Объясняется это их расположением на большой глубине, где температура практически всегда находится на одном уровне и составляет 1—12 С. При их использовании с 1м2 можно получить от 30 до 100 Вт мощности. При необходимости количество скважин можно увеличивать.

Для улучшения процесс теплообмена между трубой и грунтом пространство между ними заливают бетоном.

• Достоинства и недостатки тепловых насосов типа «грунт-вода»

Монтаж теплового насоса типа «грунт-вода» требует значительных финансовых вложений, но его эксплуатация позволяет получать практически бесплатную тепловую энергию. При этом не причиняется никакого ущерба окружающей среде.

Среди достоинств теплового насоса этого типа следует отметить:

• Долговечность: может работать несколько десятилетий подряд без ремонта и технического обслуживания
• Простоту эксплуатации
• Возможность использования участка земли для земледелия
• Быструю окупаемость: при отоплении помещений значительной площади, например от 300 м2 и выше, насос окупается за 3-5 лет.

Учитывая то, что установка теплообменника в грунт представляет собой сложные агротехнические работы, выполнять их следует обязательно с предварительной разработкой проекта.

Как работает тепловой насос

Тепловой насос состоит из следующих элементов:

• Компрессора, работающего от обычной электрической сети
• Испарителя
• Конденсатора
• Капилляра
• Терморегулятора
• Рабочего тела или хладагента, на роль которого в наибольшей степени подходит фреон

Принцип действия теплового насоса можно описать с помощью хорошо известного из школьного курса физики «Цикла Карно».

Поступающий в испаритель по капилляру газ (фреон) расширяется, его давление уменьшается, что приводит к его последующему испарению, при котором он, соприкасаясь со стенками испарителя, активно забирает у них тепло. Температура стенок снижается, что создает разницу температур между ними и массой, в которой находится тепловой насос. Как правило, это подземные воды, морская вода, озеро или масса земли. Не трудно догадаться, что при этом начинается процесс передачи тепловой энергии от более нагретого тела к менее нагретому телу, которым в данном случае, являются стенки испарителя. На данном этапе работы тепловой насос «выкачивает» тепло из среды теплоносителя.

На следующем этапе хладагент всасывается компрессором, затем сжимается и под давлением подается в конденсатор. В процессе сжатия его температура возрастает и может составлять от 80 до 120 С, что более чем достаточно для отопления и горячего водоснабжения жилого дома. В конденсаторе хладагент отдает свой запас тепловой энергии, остывает, переходит в жидкое состояние, а затем и поступает в капилляр. Затем процесс повторяется.

Для управления работой теплового насоса используется терморегулятор, с помощью которого прекращается подача электроэнергии в систему при достижении в помещении заданной температуры и возобновление работы насоса при снижении температуры ниже заранее определенного значения.

Тепловой насос можно использовать в качестве источника тепловой энергии и устраивать с ним системы отопления, аналогичные системам отопления на основе котла или печи. Пример такой системы приведен на схеме выше.

Следует отметить, что работа теплового насоса возможна только при подключении его к источнику электрической энергии. При этом может ошибочно возникнуть мнение, что вся система отопления основа на использовании именно электрической энергии. В действительности, для передачи в систему отопления 1кВт тепловой энергии необходимо затратить приблизительно 0,2-0,3 кВт электрической энергии.  

Преимущества теплового насоса

Среди преимуществ теплового насоса следует выделить:

• Высокую эффективность
• Возможность переключения с режима отопления на режим кондиционирования и его последующее использование летом для охлаждения помещений
• Возможность использования эффективной системы автоматического контроля
• Экологическую безопасность
• Компактность( размер не более бытового холодильника)
• Бесшумность работы
• Пожарную безопасность, что особенно важно для обогрева загородных домов

Среди недостатков теплового насоса следует отметить его высокую стоимость и сложность монтажа.

aquagroup.ru

Другие статьи по теме:

Какой фильтр ставить перед насосной станцией Водонасосная станция Как работает помпа Дисковый обратный клапан Ручной насос родник Насос для полива