Тепловой насос принцип работы

Принцип работы теплового насоса

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:

Горизонтальный коллектор – это система горизонтально лежащего контура.
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

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.
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.
Экологичность. Принцип работы теплового насоса основан на малом потреблении электроэнергии и отсутствии продуктов горения. Используемый агрегатом хладагент не содержит хлоруглеродов и полностью озонобезопасен.
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.
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.
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

Хладагент поступает в испарительный контур и изменяет своё агрегатное состояние. При переходе из жидкого состояния в газообразное и из среды поглощается тепло.
С помощью компрессора газ под значительным давлением перемещается вместо, где необходимо отдать тепло. При этом температура самого хладагента многократно увеличивается.
Сжатый газ в теплообменнике конденсируется, отдавая при этом накопленную энергию.
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.

Отопление дома тепловым насосом: Система земля-вода и воздух-вода, а также вода-вода +Видео

В настоящее время существует альтернативный метод обычной отопительной системе — отопление дома тепловым насосом. Это агрегат, который в зимнее время отапливает ваш дом, в летнее охлаждает, и еще обеспечивает горячее водоснабжение круглогодично. Им используется энергия для производства тепла, способных в возобновлению источников. Таких, как нагретый воздух, земля и вода. Этого преобразования добиваются с использованием особого вещества -хладагента.

На заметку: Хладагент или холодильный агент является рабочим веществом холодильных машин, которым в процессе кипения отнимается теплота у охлаждаемого объекта, далее сжимается и отдает ее в виде конденсации в окружающую среду.

Принцип действия

Конструкция насоса любого типа насоса собрана из 2 элементов: наружный, забирающий тепло у неиссякаемого источника, и внутренний, который отдает тепло для отопления жилища. Небольшая концентрация тепловой энергии находится практически в любой среде вокруг нас. Почему бы не использовать это. Действие такого устройства заключается в том, что низкопотенциальный источник передает тепло на теплоноситель с большей температурой.

Что бы было наиболее понятно, представим работу холодильника. Компрессор перекачивает тепло из места, где его и так небольшое количество, а именно — из морозильной камеры, туда, где его больше — в помещение, где он установлен. Главным плюсом такого насоса считается то, что им энергия не выкидывается, а тратится лишь на перемещение тепла.

Виды насосов

Исходя из источника тепла, агрегаты подразделяются на типы: земляной, водяной и воздушный.

Система земля-вода

Земляные самые часто используемые модели. Энергия для их работы берется из земли. Геотермальный насос с использованием вертикальных зондов, углубляется в землю, откуда им забирается тепло почвы и применяется для обогревания строения.

Этот вид относительно эксплуатационных трат выделяется максимальной эффективностью среди всех подобных механизмов. Объясняется это высокой температурой низкопотенциальных источников. Чем температура ниже, тем понадобятся большие затраты электроэнергии на ее транспортировку.

Важно: Температура земли на глубине нескольких метров является неизменной весь год, даже в самые сильные морозы. Трубы, которые идут под землю, могут устанавливаться как горизонтально, так и вертикально. Исходя из этого земляной насос бывает вертикальным и горизонтальным.

Вертикальные требуют большого погружения труб от 50 до 200 м, по которым будет циркулировать хладагент. При горизонтальном способе не нужно глубокое бурение. Здесь труба закладывается на глубину около одного метра, в зависимости от климата региона.

Важно: Под коллектор должна отводится площадь, площадь которой в несколько раз больше здания. И площадь под садом или огородом не подойдет, т. к. не многие растения смогут пережить сильного охлаждения у корней.

Водный

Это также очень эффективный способ, т. к даже на не значительной глубине вода имеет постоянную и относительно высокую температуру. Здесь источниками могут быть: озеро, реки, скважины, колодцы.

Конструкция водяных насосов не сильно отличается от земляных. Затраты на сооружение такого насоса будут не большими. Трубопровод оснащенный теплоносителем снабжают грузом и погружают на дно источника. Если берется грунтовая вода, то структура здесь будет немного сложнее. Для сбрасывания жидкости, проходящей по теплообменнику, может понадобиться устройство еще одного колодца.

Воздух-вода

По показателям эффективности эта модель уступает предыдущим потому, что его мощность в холодный период понижается. Однако, тем не менее для его устройства нет необходимости в тяжелых земельных работах, оборудование может быть установлено прямо на крыше строения.

Достоинством воздушного вида считается повторное использование тепла, выходящее из отапливаемого пространства.

Недостаточная эффективность в морозное время может быть компенсирована альтернативным отоплением. Менее дорогостоящим будет вариант теплового агрегата по типу воздух-воздух.

Тепловые насосы бывают электрическими и газовыми. Самые популярные работают от электроэнергии. Существуют комбинированный тип, где совмещены нагреватели(газовый или электрический) с тепловым устройством. Их используют в ситуациях, когда тепловой агрегат не эффективно работает, например, из-за погодных условий. Это особенно касается воздушных моделей.

Заметка: Комбинирование снижает капитальные расходы и увеличивает период окупаемости.

Плюсы и минусы

Основным преимуществом подобного отопительного устройства считается, что здесь эксплуатационные расходы намного ниже других способов отопления дома. К тому же, это полностью экологически чистый и безопасный вариант. Агрегаты надежные, бесшумные и легкие при применении.

Еще одним несомненным плюсом является возможность ее переключения с функции отопления на охлаждение. Для чего понадобятся помимо отопительных радиаторов еще и наличие фанкойлов.Заметка: Охлаждающая система работает по тому же принципу, что и отопительная, только радиатор заменяется вентиляционными доводчиками.

Здесь регулирование температуры происходит с помощью термостатов, а также есть возможность программирования даже при отоплении инверторными кондиционером.

Выделяются следующие плюсы:

Помогает в сбережении не возобновляемых энергоресурсов;
невоспламеняемые детали пожарная;
тепловой насосустойчив к перегреванию и взрыву;
агрегатом не выделяется угарный газ;
универсальность — одним прибором может обогреваться либо охлаждаться строение, и нагреваться вода;
долговечны, эксплуатация до 50 лет;
нет необходимости в согласовании со специальными службами, как при установке газового котла;
автоматическая система управления.

Заметка: В Норвегии и Швеции более 95% всех жилых зданий топятся тепловыми насосами. Минусом здесь будет большие капитальные затраты на их приобретение и монтаж. Для устройства агрегата вертикального типа понадобится помощь спецтехники и квалифицированных специалистов.

Экономическая эффективность

Если вы хотите в течении долгих лет экономично отапливать свой дом, нужно изначально потратиться на проект и устройство. Здесь окупаемость будет растянута на неопределенное время, зависящее от условий эксплуатации. Окружающая среда и ее энергия неиссякаемая и за нее не придется платить. Если строение хорошо утеплено, то тепловой агрегат будет очень эффективно работать.

Не смотря на достаточно дорогостоящее оборудование и устройство, экономия на отоплении будет существенной. Очень выгодным будет подключение насоса к системе теплого пола или стен. т. к. рабочая температура в этих устройствах около 40 градусов.

Как показатель экономии выступает не возможность перегревания отопительного элемента и замерзания теплоносителя при отключенном насосе. Чем надежность системы повышается и снижается риск аварий.

Особенности выбора

В районах с умеренными климатическими условиями самым лучшим насосом для отопления считается земляной. И вернее всего вертикального типа, особенно если вы проживаете в скалистой местности. Но такой насос будет наиболее дорогостоящим.

В районах, где преобладает мягкий климат, можно использовать насос воздушного типа, не требующий серьезных вложений и обладающий наибольшей эффективностью при сравнительно небольших сезонных температурных колебаниях.

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, разновидности и использование

В условиях ухудшения экологической обстановки в мире и (что более актуально для рядового потребителя) стремительного роста тарифов на газ и электричество все больше европейцев старается внедрить в свою повседневную жизнь системы, использующие альтернативные источники энергии. Один из вариантов подобных систем – так называемый тепловой насос, посредством которого можно отапливать свое жилище в зимний период и нагревать воду для бытовых нужд, расходуя на это минимум электроэнергии.

В домах наших соотечественников в последние годы тоже все чаще можно встретить это чудо инженерной мысли. Конечно, для россиян проблема высоких цен на традиционные энергоносители пока стоит не так остро, как в Европе, но, во-первых, это лишь до поры до времени, а во-вторых, не хочется отставать от цивилизованного мира…

Итак, тепловой насос… Что это такое? На чем основан принцип его действия? Откуда, куда и как он перекачивает тепло? Давайте разбираться.

Принцип работы теплового насоса

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

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

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

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

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

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

Разновидности тепловых насосов и систем

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

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

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

Грунтовые тепловые насосы

Грунтовые тепловые насосы получают тепло, необходимое для подогрева хладагента в испарителе, от грунта. Температура последнего на глубине нескольких метров практически не подвержена сезонным колебаниям. По замкнутой системе труб, размещенных в грунте, циркулирует «рассол». Слово «рассол» мы не случайно взяли в кавычки: соли, как этого можно было бы ожидать исходя из названия, он не содержит.

На самом деле это антифриз на основе этиленгликоля или пропиленгликоля, реже водного этанола. Трубы теплообменника могут быть уложены в грунте как горизонтальным (горизонтальный коллектор), так и вертикальным (геотермальный зонд) способом.

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

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

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

Бурение скважины для геотермального зонда.

Водяные тепловые насосы

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

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

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

Воздушные тепловые насосы

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

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

Коэффициент эффективности тепловых насосов

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

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

У грунтовых насосов величина коэффициента эффективности чуть ниже – от 4 до 4.5. И, наконец, самым маленьким коэффициентом характеризуются воздушные тепловые насосы, при этом их эффективность сильно зависит от температуры окружающего воздуха: при 0°C величина коэффициента равна

3.5, а при –20°C он уже не превышает 1.5 (при такой низкой эффективности насос попросту не окупится, и имеет смысл подумать о приобретении более дешевого климатического оборудования, например электрического котла).

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

Применение тепловых насосов в условиях российского климата

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

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

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

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

Применение теплового насоса для охлаждения

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

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

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

Применение теплового насоса для горячего водоснабжения

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

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

Тепловые насосы со встроенным ТЭНом

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

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

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

Воздушный тепловой насос.

Советы и рекомендации

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

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

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

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

Тепловые насосы для отопления дома: виды и принцип работы

Среди вариантов альтернативного отопления можно отметить растущую популярность тепловых насосов. Высокая стоимость оборудования и монтажа такой конструкции не позволяет некоторым владельцам частных домов минимизировать затраты на отопление. Им обязательно стоит рассмотреть возможность сделать тепловой насос своими руками.

Устройство и принцип работы

Некоторым количеством тепловой энергии обладает практически любая среда, которая нас окружает, если только ее температура превышает 1 °C. Почему бы не использовать часть этой энергии для обогрева собственного дома? Делается это с помощью теплового насоса.

Основан принцип работы теплового насоса на передаче тепла от источника с низким потенциалом тепловой энергии к теплоносителю, который имеет более высокую температуру. На практике выглядит это таким образом:

Теплоноситель поступает в трубопровод, расположенный, например, в грунте, и нагревается на несколько градусов.
Затем теплоноситель попадает в теплообменник (или испаритель) и передаёт собранную тепловую энергию на внутренний контур.
Хладагент (вещество с низкой температурой кипения, находящееся под низким давлением), который находится во внешнем контуре, нагревается в испарителе и превращается в газ.
Затем газообразный хладагент попадает в компрессор, где сжимается под воздействием высокого давления. При этом температура хладагента становится ещё выше.
Горячий газ поступает в конденсатор, где передаёт тепловую энергию теплоносителю внутренней системы отопления дома.
После этого хладагент, потерявший тепло, возвращается в систему в жидком состоянии.

Работа холодильных установок основана на таком же принципе, поэтому некоторые виды тепловых насосов в летнее время можно вполне успешно использовать в качестве кондиционеров, т. е. для охлаждения помещения.

Тепловой насос позволяет обогревать дом, используя низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды

Видео: устройство и работа тепловых агрегатов

Виды агрегатов

Наглядное представление о вариантах устройства тепловых насосов представляет их классификация по виду теплоносителя на внешнем и внутреннем контурах конструкции. Получать энергию устройство может из:

грунта;
воды (водоём или источник);
воздуха.

Внутри дома полученная тепловая энергия может использоваться в системе отопления, а также для подогрева воды или для кондиционирования воздуха. Поэтому различают несколько видов тепловых насосов в зависимости от сочетания этих элементов и функций.

Система «грунт-вода»

Получение тепла из грунта считается одним из самых эффективных для этого типа альтернативного отопления, поскольку уже примерно в пяти метрах от поверхности температура грунта остаётся достаточно постоянной, мало подвержена изменениям погодных условий.

В геотермальном тепловом насосе используют специальные теплопроводящие зонды

В качестве теплоносителя на внешнем контуре используется специальная жидкость, которую принято называть рассолом. Это экологически безопасный состав.

Наружный контур теплового насоса типа «грунт-вода» выполняют из пластиковых труб. Разместить их в грунте можно горизонтально или вертикально. В первом случае могут понадобиться работы на значительной площади, от 25 до 50 кв. м на каждый киловатт мощности насоса. Площади, отведённые под устройство горизонтального коллектора, нельзя использовать для сельскохозяйственных нужд. Здесь допустима только разбивка газона или высадка однолетних цветущих растений.

Для сооружения вертикального коллектора понадобится ряд скважин глубиной 50-150 метров. Поскольку температура грунта на такой глубине выше и устойчивее, такой геотермальный тепловой насос считается более эффективным. Для передачи тепла в этом случае используются специальные глубинные зонды.

Насос «вода-вода»

Не менее эффективным выбором может стать тепловой насос вода вода, поскольку на большой глубине температура воды остается достаточно высокой и постоянной. В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии могут использоваться:

открытые водоёмы (озёра, реки);
грунтовые воды (скважины, колодцы);
сточные воды промышленных технологических циклов (обратное водоснабжение).

Принципиальных отличий в конструкции теплонасосов «грунт-вода» или «вода-вода» не имеется. Наименьших затрат потребует сооружение теплонасоса, использующего энергию открытого водоёма: трубы с теплоносителем нужно снабдить грузом и погрузить в воду. При использовании потенциала грунтовых вод понадобится более сложная конструкция. Может потребоваться сооружение дополнительного колодца для сброса воды, которая проходит через теплообменник.

Использование теплового насоса вода-вода в открытом водоеме может быть очень выгодным

Универсальный вариант «воздух-вода»

По эффективности тепловой насос воздух вода уступает другим моделям, поскольку в холодное время года мощность его ощутимо снижается. Однако для его монтажа не требуется сложных работ по выемке грунта или по сооружению глубоких скважин. Нужно только выбрать и установить подходящее оборудование, например, прямо на крыше дома.

Тепловой насос воздух-вода можно установить без масштабных монтажных работ

Несомненным преимуществом этой конструкции является способность повторно использовать тепло, которое покидает обогреваемые теплонасосом помещения с отработанным воздухом или водой, а также в виде дыма, газа и т. п. Чтобы компенсировать недостаток мощности воздушного теплонасоса в зимний период, следует предусмотреть варианты альтернативного отопления.

Наименее затратным вариантом может стать тепловой насос воздух-воздух, для сооружения которого не нужны сложные работы по созданию традиционной системы водяного отопления в помещениях.

Преимущества и недостатки системы

Установка теплового насоса дома и включение его в систему отопления или создание полноценной отопительной станции решит ряд насущных проблем и имеет следующие преимущества:

это автономная система отопления, единственным централизованным элементом которой является подключение к электросети;
этот способ позволяет значительно сэкономить на дорогостоящих энергетических носителях, которые традиционно применяются для отопления и существенно снизить затраты на коммунальные услуги. Средний Коэффициент преобразования теплоты равен 3,5 – 4,5. Из 1 кВт электроэнергии насос вырабатывает от 3 до 7 кВт тепла. Это самые высокие показатели среди всех видов котлов, работающих на любом топливе;
система безопасна для здоровья человека и для экологии. Она помогает сберечь невозобновляемые энергоресурсы планеты;
пожарная безопасность и невоспламеняемость деталей. Этот котёл не перегревается, не взрывается, не горит, не выделяет угарный газ;
один насос может вырабатывать как тепло, так и холод, обеспечивая нужный микроклимат в доме, а также нагревать воду для бытовых нужд;
долговечность – по опыту европейских жителей срок службы оборудования составляет 20-50 лет;
комфорт и бесшумная работа. Управление системой осуществляется с помощью автоматики;
установка насоса не требует согласований, которые нужны при монтаже, например, газового оборудования.

В Норвегии и Швеции 95% всех домов отапливаются тепловыми насосами.

Преимуществ у такой системы гораздо больше, чем недостатков

К недостаткам можно отнести:

относительно высокую стоимость установки и самого насоса, окупаемость такой системы напрямую зависит от интенсивности её эксплуатации;
необходимость привлечения специалистов и применения специальной бурильной и иной техники для обустройства геотермального насоса с вертикальным контуром, глубина которого может достигать 200 м.

Как сделать тепловой насос своими руками

Использовать тепловые насосы для отопления дома выгодно и удобно. Имеющийся опыт показывает, что в частных домах жилой площадью более 400 кв. м такая конструкция окупится в течение нескольких лет эксплуатации, несмотря на высокую стоимость. Владельцы домов с более скромными размерами успешно разрабатывают и устанавливают теплонасосы собственной конструкции. Вот некоторые принципы создания этих полезных устройств:

для начала нужно позаботиться о приобретении компрессора, например, предназначенного для кондиционера. Обычно его закрепляют на стене.
другую важную часть конструкции — конденсатор — можно сделать самостоятельно. Для этого понадобится сделать змеевик из медной трубы (толщина не менее 1 мм), который помещают в корпус из металла или пластика. В качестве корпуса подойдёт бак подходящего размера. После того как змеевик установлен, половинки бака сваривают, монтируя необходимые резьбовые соединения. Испаритель тоже обычно монтируют на стене. Чтобы сделать качественный змеевик, можно намотать медную сантехническую трубу вокруг предмета подходящего диаметра, вполне подойдет газовый баллон. Чтобы расстояние между витками было одинаковым, используют перфорированный алюминиевый уголок, на котором закрепляют витки змеевика.
окончательный монтаж этого оборудования: пайку медной трубы, закачку фреона и т. п. — должен выполнять только квалифицированный специалист. Неумелые действия могут повредить оборудование, кроме того, они связаны с высокой вероятностью получения бытовых травм.
после этого конструкцию подключают к внутренней системе отопления дома.
затем производится монтаж и подключение наружного контура, особенности этого процесса зависят от вида теплового насоса.

Перед пуском теплонасоса не помешает диагностировать состояние домовой электропроводки и счетчика. Ветхое и устаревшее оборудование необходимо заменить. Приемлемая мощность электросчётчика составляет не менее 40 ампер.

К сожалению, не всякий тепловой насос для отопления дома оправдывает ожидания владельцев. Чаще всего это связано с отсутствием правильных термодинамических расчётов. В результате получается система с недостаточной мощностью или неоправданно растут затраты на чрезмерно мощное оборудование. Чтобы подобрать систему с подходящей мощностью, следует учесть теплопотери здания, а также множество других характеристик. Поручать такие расчёты следует инженеру-проектировщику.

Рентабельность и целесообразность использования тепловых насосов

Чтобы достигнуть существенной экономии на отопительном бюджете на долгие годы, необходимо затратить значительные средства на этапе проектирования и установки. Окупаемость такой отопительной системы отложена во времени, она зависит от условий эксплуатации.

Энергия, взятая из окружающей среды, не требует оплаты и не заканчивается.

Если в доме пол и стены утеплены правильно, то тепловой насос будет работать максимально эффективно. Потери тепла не должны превышать 100 Вт на 1 кв. метр.

Ниже представлено сравнение затрат на отопление при использовании различных энергоносителей.

Чтобы экономить на отоплении, придётся потратить немалую сумму на установку теплового насоса

Очень выгодно включать насос в систему теплых полов или стен, где рабочая температура составляет примерно 40 градусов. Показателем экономии можно считать отсутствие перегрева отопительного контура и замерзания теплоносителя при отключении насоса, что позволяет повысить надежность системы и снизить риск аварии и частоту профилактических и ремонтных работ.

Стоимость установки такой системы, зависит от нескольких факторов:

площадь отапливаемых помещений дома;
разновидность конструкции насоса;
системы отопления и трубы, проложенные в доме;
показатели потерь тепла.

Для небольшого дома площадью 130 кв. м при установке насоса с грунтовым забором тепла, стоимость оборудования составит 450 000 р., а монтаж потянет на 300 000 р.

Насос «воздух-вода» будет стоить 300 00 р., установка составит 80 000 р., это самый недорогой вариант.

Стоимость установок начинается от 450 тыс. руб.

Максимальные затраты потребуются при глубоком бурении с низкой точкой промерзания и при большой площади дома, например, 400 кв. м. Оборудование обойдется в 800 000 р., а установка – в 360 000 р. Затраты включают в себя все проектные и земляные, наземные работы и все элементы насоса и отопительной системы.

Материал актуализирован 29.03.2018

Как выбрать тепловой насос для отопления дома: цены, виды, основы монтажа

Время чтения: 5 минут Нет времени?

Отправим материал вам на e-mail

Извлечение тепла из грунта и водных источников – не такое уж новшество. Западный мир давно использует геотермальную энергию для отопления жилья. Все актуальнее эта тема становится по мере того, как у коммунальщиков растут цены. Тепловой насос для отопления дома даёт возможность экологично, безопасно и бесплатно согреть батареи.

Тепловой насос обогревает дом природным теплом

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, достоинства и недостатки

Образец подобного тепловому насосу устройства есть в каждом доме – это холодильник. Он вырабатывает не только холод, но и тепло – это заметно по температуре задней стенки агрегата. Подобный принцип заложен и в тепловом насосе – он набирает термальную энергию из воды, земли и воздуха.

Принцип работы и устройство

Составляющие отопительной системы

Система работы устройства следующая:

вода из скважины или водоёма проходит через испаритель, где её температура падает на пять градусов;
после охлаждения жидкость попадает в компрессор;
компрессор сжимает воду, увеличивая её температуру;
нагретая жидкость перемещается в теплообменную камеру, где отдаёт своё тепло системе отопления;
остывшая вода возвращается к началу цикла.

Система отопления с тепловым насосом

Системы отопления на основе теплонасосных установок имеют три составные части:

Зонд – змеевик, расположенный в воде или земле. Он собирает тепло и передаёт его в устройство.
Тепловой насос – прибор, извлекающий термальную энергию.
Сама система отопления, включающая теплообменную камеру.

Плюсы и минусы устройства

Сначала о положительных сторонах подобного отопления:

Сравнительно небольшие энергозатраты. На отопление расходуется только электроэнергия, причём её потребуется гораздо меньше, чем, например, на отопление с помощью электроприборов. В тепловых насосах есть коэффициент преобразования, указывающий выход тепловой энергии по отношению к затраченной электрической. Например, если значение «ϕ» равно 5, значит на 1 киловатт в час расхода электричества придётся 5 киловатт тепловой энергии.

Тепловой насос не требует никакого специального ухода или расходных материалов

Универсальность. Эта отопительная система может устанавливаться в любой местности. Особенно это актуально для удалённых районов, где отсутствуют газовые магистрали. При невозможности подключения электроэнергии насос может работать на дизельном или бензиновом двигателе.
Полная автоматизация. В систему не нужно добавлять воду или следить за её работой.
Экологичность и безопасность. Теплонасосная установка не производит никаких отходов и газов. Устройство не может случайно перегреться.
Такой агрегат может не только отапливать дом зимой при температуре воздуха до минус пятнадцати градусов, но и охлаждать его летом. Такие функции есть в реверсивных моделях.

Принцип реверсивности в работе теплового насоса

Длительный период эксплуатации – до полувека. Примерно раз в двадцать лет может потребоваться замена компрессора.

Есть у этой системы и свои недостатки, о которых нельзя не упомянуть:

Цены. Тепловой насос для отопления дома – не дешёвое удовольствие. Окупится эта система не раньше, чем через пять лет.
В местности, где зимняя температура опускается ниже пятнадцати градусов мороза, для функционирования устройства потребуются дополнительные источники тепла (электрические или газовые).
Система, забирающая тепловую энергию из земли, нарушает экосистему участка. Урон не значительный, но следует это учитывать.

Устройство забирает тепло из грунта, понижая его температуру, это может неблагоприятно сказаться на корневой системе деревьев и кустарников

Какой насос выбрать

Установки различаются по источнику тепловой энергии и способу её передачи. Существует пять основных видов:

Вода-воздух.
Грунт-вода.
Воздух-воздух.
Вода-вода.
Воздух-вода.

Исследование участка

Перед монтажом отопительной системы важно исследовать особенности участка. Это исследование поможет определиться, какой источник термальной энергии станет оптимальным вариантом. Проще всего, если рядом с домом есть водоём. Этот факт освободит от необходимости проводить земляные работы. Ещё одно практичное решение – использовать участок, на котором постоянно дует ветер. Если нет ни того, ни другого, придётся остановиться на земляных работах.

Сравнение КПД разных систем отопления

Система отопления может иметь два варианта монтажа:

с применением зондов;
с установкой подземного коллектора.

Насос грунт-вода и варианты установки

Геотермальные зонды обычно устанавливают на небольшом участке, площадь которого не позволяет проложить большой трубопровод. Для установки этой системы потребуется оборудование для бурения, так как глубина скважин должна быть не менее ста метров, диаметр – двадцать сантиметров. В такие скважины опускаются зонды. Количество скважин влияет на производительность отопительной системы.

Если площадь участка достаточно большая, можно обойтись без бурения и установить горизонтальную систему. Для этой цели змеевик закапывают на полутораметровую глубину. Этот вариант системы считается самым стабильным и безотказным.

Насос вода-вода: простая установка

Тепловой насос для отопления дома вода-вода подходит для участков с водоёмами. Для трубопровода можно использовать обычные полиэтиленовые трубы. Собранный коллектор перемещают к пруду и там опускают на дно. Это один из самых дешёвых вариантов монтажа, который возможно выполнить самостоятельно.

Установка змеевика на водоеме

Тепловой насос воздух-воздух: цена монтажа

На участке, где постоянно присутствуют ветра, подойдёт система, использующая тепловую энергию воздуха. Монтаж в этом случае тоже не потребует особых затрат, его можно выполнить своими руками. Потребуется лишь установить насос не далее, чем за двадцать метров от дома в самом продуваемом месте.

Принцип работы установки воздух-воздух

Тепловой насос для отопления дома: цены и производители

Теплонасосные установки на российском рынке представлены продукцией фирм: Vaillant (Германия), Nibe (Швеция), Danfoss (Дания), Mitsubishi Electric (Япония), Mammoth (США), Viessmann (Германия). Не уступают им в качестве и российские производители SunDue и Henk.

Агрегат Nibe легко впишется в интерьер дома

Для отопления дома площадью сто квадратных метров потребуется десятикиловаттная установка.

Таблица 1. Средняя стоимость разных типов насосов мощностью 10 киловатт

Тип насоса	Стоимость оборудования, руб	Стоимость монтажных работ, руб
Грунт-вода Импортные производители	От 500 000	От 80 000
Грунт-вода отечественные производители	От 360 000	От 70 000
Воздух-вода Импортные производители	От 270 000	От 50 000
Воздух-вода Отечественные производители	От 210 000	От 40 000
Вода-вода импортные производители	От 230 000	От 50 000
Вода-вода отечественные производители	От 220 000	От 40 000

Цена под ключ теплового насоса в среднем составляет около 300 – 350 тысяч рублей. Самым бюджетным вариантом считается система «воздух-вода», так как она не требует осуществления дорогостоящих земляных работ.

Самостоятельный монтаж

Учитывая цены тепловых насосов для отопления дома, этот вид отопительных систем нельзя назвать самым дешёвым. Можно сократить расходы при помощи самостоятельного монтажа насоса, но стоит помнить, что неправильная установка чревата потерей КПД устройства.

С чем придётся столкнуться в ходе самостоятельного монтажа:

вся система должна быть включена в единый комплекс, включающий в себя скважины, насос, гидравлическую обвязку, автоматическое управление, отопительную систему;

Система отопления с теплонасосной установкой включает в себя целый комплекс агрегатов

работа по проектированию системы должна учитывать технические характеристики теплового насоса;
глубина термальных скважин должна подходить к мощности устройства, потребуется проведение тампонажа;
геотермальные зонды, работающие в суровых эксплуатационных условиях, желательно дублировать в каждой скважине;
батареи, конвекторы, тёплый пол в доме должны быть связаны с работой теплонасосной установкиа для эффективного отопления.

Есть ли смысл рисковать самостоятельной установкой при приобретении такого дорогостоящего оборудования?

Таким образом, если принято решение купить тепловой насос для отопления дома, цена профессионального монтажа должна быть включена в смету.

Из опыта эксплуатации

Подземные коллекторы могут нанести вред садовым растениям, это следует учитывать при установке системы.
Агрегат не обязательно устанавливать в подвальном помещении, он может быть расположен в ванной комнате или кухне. При установке стоит учитывать, что устройство не бесшумное.
Один раз в неделе нужно прогревать коллектор до шестидесяти градусов, чтобы предотвратить размножение в системе бактерий.

Итоги

Тепловой насос – довольно дорогостоящее устройство, которое окупится минимум через пять – семь лет. Но если учитывать долговечность работы системы, около полувека, то это выгодное приобретение. такое устройство позволит отапливать дом даже при отсутствии газовых и электрических сетей. Эта система отопления пожаробезопасна и эффективна, работает в автоматическом режиме и не требует специального обслуживания. Но чтобы добиться таких результатов, нужно доверить монтаж оборудования профессионалам.

Видео: тепловой насос из кондиционера своими руками

Экономьте время: отборные статьи каждую неделю по почте

Тепловой насос: принцип работы – особенности и виды

Такой агрегат как тепловой насос принцип работы имеет сходный с бытовыми приборами – холодильником и кондиционером. Примерно 80% своей мощности он заимствует у окружающей среды. Насос перекачивает тепло с улицы в помещение. Его работа подобна принципу функционирования холодильника, отличается только направление переноса тепловой энергии.

Например, для охлаждения бутылки с водой люди ставят ее в холодильник, затем бытовой прибор частично «забирает» у этого предмета тепло и теперь, по закону сохранения энергии должен его отдать. Но куда? Все просто, для этого в холодильнике имеется радиатор, как правило, находящийся на его задней стенке. В свою очередь радиатор, нагреваясь, отдает тепло помещению, в котором стоит. Таким образом, холодильник отапливает комнату. До какой степени она прогревается, можно почувствовать в небольших магазинах жарким летом, когда включено несколько холодильных установок.

А теперь немного фантазии. Предположим, что в холодильник постоянно подкладываются теплые предметы, и он обогревает комнату или его расположили в оконном проеме, открыли дверцу морозильной камеры наружу, при этом радиатор находился в помещении. В процессе своей работы, бытовой прибор, охлаждая воздух на улице, одновременно будет переносить тепловую энергию, которая есть снаружи, в здание. Точно такой имеет тепловой насос принцип действия.

Откуда насос берет тепло?

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

Система отопления с тепловым насосом

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

Q = (T₁ – T₂) x V, где:
V – расход теплоносителя в час (м 3 /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

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.
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.
Экологичность. Принцип работы теплового насоса основан на малом потреблении электроэнергии и отсутствии продуктов горения. Используемый агрегатом хладагент не содержит хлоруглеродов и полностью озонобезопасен.
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.
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.
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.

Схема и технология работы теплового насоса

Сжигание классического топлива (газ, дрова, торф) является одним из древних способов получения тепла. Однако истощение традиционных источников энергии побудили человека искать более сложные, но не менее эффективные альтернативные варианты. Одним из ни стало изобретение теплового насоса, работа которого основана на школьных законах физики.

1 Работа теплового насоса
2 Видео о технологии работы
3 Схема теплового насоса
4 Основные виды

Работа теплового насоса

Очень сложный на первый взгляд принцип работы тепловых насосов базируется на нескольких простых законах термодинамики и свойствах жидкостей и газов:

Когда газ переходит в жидкое состояние (конденсация), выделяется тепло
Когда жидкость переходит в газ (испарение), поглощается тепло

Большинство жидкостей могут закипать при достаточно высоких температурах, близких к 100 градусам. Но встречаются вещества и с достаточно низкими температурами кипения. У фреона она около 3-4 градусов. Превращаясь в газ, он легко сжимается и внутри емкости начинает расти температура.

Теоретически фреон можно сжимать до получения любых желаемых температур, но на практике ограничиваются 80-90 градусами, необходимыми для полноценной работы классической системы отопления.

Каждый сталкивается с тепловым насосом не один раз в день, когда проходит мимо холодильника. Однако в нем он работает в обратном направлении, забирая тепло продуктов и рассеивая в атмосферу.

Если вы ищете где купить теплообменное оборудование для вашего производство, то советуем продукцию уральский завод котельного оборудования.

Видео о технологии работы

Схема теплового насоса

Работоспособность большинства тепловых насосов базируется на тепле грунта, в котором на протяжении года температура практически не колеблется (в пределах 7-10 градусов). Тепло перемещается между тремя контурами:

Контур отопления
Тепловой насос
Рассольный (он же земляной) контур

Классический принцип работы тепловых насосов в отопительной системе состоит из следующих элементов:

Теплообменник, отдающий внутреннему контуру тепло, забираемое у земли
Сжимающее устройство
Второе теплообменное устройство, передающее отопительной системе энергию, получаемую во внутреннем контуре
Механизм, понижающий давление в системе (дросселе)
Рассольный контур
Земляной зонд
Отопительный контур

Труба, которая выполняет роль первичного контура, помещается в колодец или закапывается непосредственно в землю. По ней перемещается незамерзающий жидкий теплоноситель, температура которого повышается до аналогичной характеристики земли (около +8 градусов) и поступает во второй контур.

Вторичный контур забирает тепло у жидкости. Циркулирующий внутри фреон начинает закипать и преобразовываться в газ, который направляется в компрессор. Поршень сжимает его до 24-28 атм, благодаря чему происходит увеличение температуры до +70-80 градусов.

На данном рабочем этапе происходит концентрирование энергии в один небольшой сгусток. Благодаря этому увеличивается температура.

Разогретый газ поступает в третий контур, который представлен системами горячего водоснабжения или даже отопления дома. При передаче тепла возможны потери до 10-15 градусов, но они оказываются не существенны.

Когда фреон остывает, происходит уменьшение давления, и он вновь превращается в жидкое состояние. При температуре 2-3 градуса он поступает обратно во второй контур. Цикл повторяется снова и снова.

Основные виды

Устроен принцип работы тепловых насосов так, чтоб они легко эксплуатировались без перебоев в широком диапазоне температур – от -30 до +40 градусов. Наибольшую популярность получили следующие два вида моделей:

Абсорбционного типа
Компрессионного типа

Абсорбционного типа модели имеют достаточно сложное устройство. Они передают полученную тепловую энергию непосредственно при помощи источника. Их эксплуатация значительно снижает материальные затраты на расходующиеся электричество и топливо. Компрессионного типа модели для переноса тепла потребляют энергию (механическую и электрическую).

В зависимости от применяемого теплового источника насосы подразделяются на следующие виды:

Перерабатывающие вторичное тепло – самые дорогостоящие модели, получившие популярность для обогрева объектов в промышленности, в которых вторичное тепло, вырабатываемое другими источниками, расходуется в никуда
Воздушные – забирающие тепло из окружающего воздуха
Геотермальные – выбирают тепло из воды или земли

По видам входного/выходного теплоносителя все модели можно классифицировать следующим образом – грунт, вода, воздух и их различные сочетания.

Геотермальные тепловые насосы

Популярными являются геотермальные модели насосов, которые подразделяются на два вида: замкнутого или открытого типа.

Простое устройство открытых систем позволяет нагревать проходящую внутри воду, которая в последствии вновь поступает в землю. Идеально она работает при наличии неограниченного объема чистого жидкого теплоносителя, который после потребления не наносят вред среде.

Замкнутые системы геотермальных тепловых насосов делят на следующие разновидности:

Водный – коллектор располагается в водоеме на непромерзаемой глубине
С вертикальным расположением – коллектор помещается в скважину на глубину до 200 м и применим в местностях с неровным ландшафтом
С горизонтальным расположением – коллектор помещается в землю на глубину 0.5-1 м, очень важно обеспечить на ограниченной площади большой контур

Насос типа воздух-вода

Одним из наиболее универсальных вариантов является модель «воздух-вода». В теплые периоды года она весьма эффективна, но зимой производительность может существенно падать.

Преимуществом системы является простой монтаж. Подходящее оборудование может монтироваться в любом удобном месте, например, на крыше. Тепло, которые в виде газа или дыма удаляется из помещения, может использоваться повторно.

Тепловой насос «вода-вода» один из самых эффективных. Но его использование может быть ограничено наличием поблизости водоема или недостаточной глубиной, на которой в зимний период не наблюдается существенного падения температуры.

Низко потенциальная энергия может выбираться из следующих источников:

Грунтовые вода
Водоемы открытого типа
Сточные промышленные воды

Наиболее прост принцип работы тепловых насосов у моделей, отбирающих тепло в водоеме. Если принято решение использовать подземные воды, может потребоваться бурение колодца.

Тепло из грунта можно получать на протяжении всего года, так как на глубинах от 1 м температура практически не меняется. В качестве носителя тепла используют «рассол» — незамерзающую жидкость, которая циркулирует по пластиковым трубам.

Один из недостатков системы «грунт-вода» — необходимость большой площади для достижения желаемой эффективности. Нивелировать его стараются укладкой труб кольцами.

Коллектор можно располагать в вертикальном положении, но потребуется скважина глубиной до 150 м. На дне монтируются зонты, отбирающие тепло грунта.

Плюсы и минусы отопительных систем с тепловым насосом

Тепловые насосы нашли широкое применение в системах отопления частной жилой площади или промышленных площадей. Они постепенно вытесняют более классические источники энергии благодаря надежности и экономичности.

Среди многочисленных преимуществ, которые предоставляет эксплуатация теплового насоса, выделяют:

Экономия материальных средств на техническом обслуживании систем и теплоносителе
Насосы работают полностью в автономном режиме
В окружающую среду не выделяются вредные продукты горения и прочие токсичные вещества
Пожаробезопасность монтируемого оборудования
Возможность легко реверсировать работу системы

Несмотря на массу преимуществ, необходимо принять во внимание и отрицательные стороны эксплуатации теплового насоса:

Большие первоначальные вложения на обустройства отопительной системы – от 3 до 10 тысяч долларов
В холодные периоды, когда температура отпускается ниже -15 градусов, необходимо подумать об альтернативных вариантах отопления
Отопление, основанное на работе теплового насоса, наиболее эффективно только в системах низкотемпературным теплоносителем

Еще одно схематичное видео:

Узнав и освоив принцип работы теплового насоса, можно подумать и принять решение о целесообразности его установки и использования. Первоначальные затраты, которые могут показаться очень масштабными, в скором времени окупятся и начнут приносить своеобразную прибыль в виде экономии на классическом топливе.