Принцип работы и описание тепловых насосов для отопления дома

Виды

В зависимости от функционирования выделяют тепловые насосы абсорбционные и компрессионные. Для работы вторых нужен еще один источник энергии, а первая модель дает возможность полноценно эксплуатировать тепло для выполнения всех поставленных задач.

Первым делом насосная группа разделяется по источнику отбора тепла:

• геотермальные системы – закрытые и открытого типа;
• воздушные;
• от эксплуатации вторичного тепла.

Два первых вида успешно эксплуатируются для отопления помещений с помощью отбора тепла у грунтовых вод или воздуха, а оборудование третьего типа подходит для эксплуатации только в производственных помещениях, где оно зарекомендовало себя с лучшей стороны.

Для комфорта покупателей тепловые насосы для отопления загородного дома еще разделяют по циркулярным теплоносителям, которые применяются во входном контуре и выходят на обратке. Каждый из нижеперечисленных видов отличается монтажом, эксплуатируется в различных региональных условиях,

Они имеют свои достоинства и недостатки, которые описаны ниже:

• «Воздух – воздух». Наилучший вариант для покупателей. Суть работы воздушной конструкции – взяв тепло из воздуха, система сразу же пускает его в комнаты. Данный тип эксплуатируется для отопления помещения или же для подогрева воды. Иногда можно его включать для того, чтобы снизить температуру воздуха, такой вариант идеально подходит для жарких летних детей. Функционируют приборы «воздух – воздух» совсем тихо. Они оснащены улучшенной вентиляцией.
• «Воздух – вода». Суть функционирования очень похожа на систему «воздух – воздух». Отличается легким монтажом, не надо проводить работы в земле и стоит относительно дешево. В отопительном контуре конструкции есть беспрерывно циркулирующая жидкость, подающаяся на обратку, благодаря чему такие насосы уместно применять для работы отопительной системы.
• «Лед – вода». Модель не востребована, но приспособлена к эксплуатации на территории России. Функционирует по принципу модели «воздух – вода», только при охлаждении применяется замерзшая вода. Получаемой при этом энергии вполне хватает на выполнение поставленных задач

• «Грунт – вода». Высококачественный прибор, который для своего функционирования применяет тепло планеты. Но для качественной работы насоса надо проложить трубопроводы в почве, где будет проходить циркуляционный процесс жидкости. Это нужно для того, чтобы грунт, который отдал тепло, нагрелся, и насос далее функционировал. Такая модель требует больших финансовых затрат.
• «Вода – воздух». Тепловой насос для отопления частного дома, который для функционирования нуждается в тепле грунтовых и других вод. В данном оборудовании обогрев выполняется с помощью воздуха. Это далеко не лучший выбор для дома.
• «Вода – вода». Рециркуляционный прибор с наилучшей производительностью, работа которого заключается в применении грунтовых и других вод с постоянной температурой.

Каждый из видов оборудования имеет несколько плюсов и минусов. Некоторые модели подходят для конкретных участков, а некоторые отличаются низкой эффективностью в конкретных регионах. Именно поэтому выбор такого оборудования должен выполняться с учетом всех нюансов, условий эксплуатации. Для того чтобы правильно выбрать модель, рекомендуется тщательно изучить все критерии либо же обратиться за помощью к профессионалам.

Принцип работы насоса воздух-вода

Как уже было сказано, основным источником тепловой энергии для установок этого типа является атмосферный воздух. В принципиальной основе работы воздушных насосов лежит физическое свойство жидкостей к поглощению и отдаче тепла во время фазового перехода из жидкого состояния в газообразное, и обратно. В результате смены состояния выделяется температура. Система работает по принципу холодильника наоборот.

Для эффективного использования этих свойств жидкости легкокипящий хладагент (фреон, хладон) циркулирует по замкнутому контуру в конструкцию которого входят:

• компрессор с электроприводом;
• обдуваемый вентилятором испаритель;
• дроссельный (расширительный) клапан;
• пластинчатый теплообменник;
• медные или металлопластиковые циркуляционные трубки, соединяющие основные элементы схемы.

Движение хладагента по контуру осуществляется благодаря давлению, развиваемому компрессором. Для снижения тепловых потерь трубы покрываются теплоизоляционным слоем из искусственного каучука или вспененного полиэтилена с защитным металлизированным покрытием. В качестве хладагента используют хладон или фреон, способный закипать при отрицательной температуре и не замерзающий до -40°C.

Весь процесс работы состоит из следующих последовательных циклов:

1. В радиаторе испарителя находится жидкий хладагент, температура которого ниже, чем у наружного воздуха. Во время активного обдува радиатора тепловая энергия от низко потенциального воздуха передается хладону, который закипает и переходит в газообразное состояние. При этом его температура повышается.
2. Подогретый газ поступает в компрессор, где в процессе сжатия еще более нагревается.
3. В сжатом и разогретом состоянии пары хладагента подаются в пластинчатый теплообменник, где по второму контуру циркулирует теплоноситель системы отопления. Поскольку температура теплоносителя значительно ниже, чем у разогретого газа, фреон активно конденсируется на пластинах теплообменника, отдавая тепло в систему отопления.
4. Охлажденная парожидкостная смесь поступает на дроссельный клапан, который пропускает к испарителю только охлажденный жидкий хладагент с низким давлением. После чего весь цикл повторяется.

Для увеличения эффективности теплоотдачи трубки на испарителя навито спиральное оребрение. Расчет системы отопления, выбор циркуляционных насосов и другого оборудования должен учитывать гидравлическое сопротивление и коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника установки.

Видео обзор устройства системы и ее работы

Инверторные тепловые насосы

Наличие инвертора в составе установки позволяет обеспечить плавный пуск оборудования и автоматическое регулирование режимов в зависимости от температуры наружного воздуха. Это позволяет максимально повысить эффективность работы теплового насоса за счет:

• достижения КПД на уровне 95-98%;
• снижения потребления энергии на 20-25%;
• минимизации нагрузок на электрическую сеть;
• увеличения сроков эксплуатации установки.

В результате температура внутри помещений стабильно поддерживается на одном уровне, не зависимо от изменения погоды. При этом наличие инвертора в комплекте с автоматизированным блоком управления обеспечит не только зимний обогрев, но и подачу охлажденного воздуха летом при жаркой погоде.

В то же время следует учесть, что наличие дополнительного оборудования всегда влечет за собой его удорожание и увеличение срока окупаемости.

Технология монтажа

Сборка оборудования этого типа производится в несколько этапов:

• составляется проект;
• собираются коллекторные коммуникации;
• в систему устанавливается тепловой насос;
• монтируется оборудование внутри дома;
• производится заливка теплоносителя.

Далее рассмотрим, как установить тепловой насос под ключ своими руками пошагово.

Как составить проект

Прежде чем приступать к сборке коммуникаций этого типа, конечно же, следует произвести все необходимые расчеты. Работа внешней части системы должна быть полностью согласована с работой внутренней. Расчеты производятся в зависимости от выбранного типа оборудования. Для горизонтальных коллекторов они выполняются так:

• Определяется количество необходимого антифриза. При этом используется формула Vs = Qo·3600 / (1,05·3,7·t), где Qo — тепловая мощность источника, t — разность температур между подающей и обратной линией. Параметр Qo рассчитывается как разница между мощностью насоса и электромощностью, затрачиваемой на нагрев хладагента.
• Определяется необходимая длина коллектора. Формула расчета в этом случае выглядит так: L = Qo/q, где q — удельный теплосъем. Величина последнего показателя зависит от типа грунта на участке. Для глины, она, к примеру, составляет 20 Вт на п. м., для песка — 10 Вт и т. д.
• Определяется необходимая под укладку коллектора площадь участка. В данном случае расчет ведется по формуле A = L·da, где da — шаг укладки труб.

Мощность теплового насоса определяется приблизительно из расчета 70 Вт тепла на 1 м2 при высоте потолков в 2.7 м. Трубы коллектора обычно прокладывают на расстоянии 0.8 м друг от друга или чуть больше.

Как собрать тепловой насос

Стоит оборудование этого типа довольно-таки дорого. Конструкция же теплового насоса относительно проста. Поэтому сделать его можно попробовать и самостоятельно. Выполняется эта процедура примерно так:

• Приобретается компрессор (подойдет оборудование от кондиционера).
• Изготавливается корпус конденсатора. Для этого бачок из нержавейки на 100 л разрезается напополам.
• Изготавливается змеевик. Газовый или кислородный баллон обматывается медной трубкой от холодильника. Последнюю можно зафиксировать с помощью алюминиевых перфорированных уголков.
• Змеевик устанавливается в корпус, после чего последний запаивается.
• Из пластмассовой емкости 80 л изготавливается испаритель. В него монтируется змеевик из трубы ¾ дюйма.
• К испарителю подключаются водопроводные трубы для доставки и слива воды.
• Система заполняется хладагентом. Эту операцию стоит доверить специалисту. При неумелых действиях можно не только испортить собранное оборудование, но и получить травму.

Монтаж коллекторных коммуникаций

Технология установки внешнего контура системы отопления также зависит от ее разновидности. Для вертикального коллектора пробуриваются скважины глубиной 20-100 м. Под горизонтальный прорываются траншеи глубиной в 1.5 м. На следующем этапе производится укладка труб. Рядом с горизонтальным коллектором не должно расти деревьев, так как их корни могут повредить магистрали. Для сборки последних можно использовать полиэтиленовые трубы низкого давления.

Установка оборудования

Производится эта операция обычным образом. То есть в помещениях устанавливаются радиаторы отопления, проводятся магистрали и производится их подключение к котлу. На обратной трубе монтируются расширительный бак, фильтр и циркуляционный насос на байпасе. Можно также собрать и подключить к тепловому насосу систему «теплый пол». На заключительном этапе во внешний и внутренний контур заливается выбранный тип теплоносителя.

Как видите, смонтировать тепловой насос и коллектор можно и самостоятельно. Технологически процедура это не особенно сложная. Однако в отличие от других видов подобного оборудования, сборка такой системы даже горизонтального типа — операция физически довольно-таки трудоемкая. Скважины же для вертикальной пробурить самостоятельно без специального оборудования и вообще практически нереально. Поэтому, возможно, для выполнения расчетов и работ по сборке системы стоит все же нанять специалистов. Сегодня на рынке существуют компании, устанавливающие такое оборудование, как тепловой насос, под ключ.

Что такое тепловой насос для отопления частного дома? Как работает?

Специальное устройство, которое способно извлекать тепло из окружающей среды называется тепловой насос.

Применяются такие приборы в качестве основного или дополнительного метода обогрева помещений. Некоторые устройства также работают на пассивное охлаждение здания — при этом насос применяется как для летнего охлаждения, так и для зимнего обогрева.

В качестве топлива используется энергия окружающей среды. Такой обогреватель извлекает тепло из воздуха, воды, грунтовых вод и так далее, поэтому это устройство относят к классу возобновляемых источников энергии.

Важно! Для работы таких насосов требуется подключение к электросети. В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан. В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства

Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан. В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло).

Большинство приспособлений работают как при положительных, так и при отрицательных температурах, однако КПД устройства напрямую зависит от внешних условий (т. е. чем выше температура окружающей среды, тем мощнее будет устройство). В общем случае прибор работает следующий образом:

1. Тепловой насос вступает в контакт с окружающими условиями. Обычно аппарат извлекает тепло из земли, воздуха или воды (в зависимости от типа устройства).
2. Внутри прибора установлен специальный испаритель, который заполнен хладагентом.
3. При контакте с внешней средой хладагент закипает и испаряется.
4. После этого хладагент в виде пара поступает в компрессор.
5. Там он сжимается — благодаря этому серьёзно повышается его температура.
6. После этого разогретый газ поступает в систему отопления, что приводит к нагреванию основного теплоносителя, который и используется для отопления помещений.
7. Хладагент понемногу охлаждается. В конце он превращается обратно в жидкость.
8. Потом жидкий хладагент поступает в специальный клапан, который серьёзно понижает его температуру.
9. В конце хладагент вновь попадает в испаритель, после чего цикл нагрева повторяется.

Фото 1. Принцип работы теплового насоса типа грунт-вода. Синим цветом показан холодный теплоноситель, красным — горячий.

Преимущества:

• Экологичность. Такие устройства относятся к возобновляемым источникам энергии, которые не загрязняют атмосферу своими выбросами (тогда как в случае использования природного газа образуются вредные парниковые испарения, а для производства электроэнергии часто применяется сжигание угля, из-за чего также загрязняется воздух).
• Хорошая альтернатива газу. Тепловой насос идеально подойдёт для отопления помещений в случаях, когда использование газа затруднительно по тем или иным причинам (например, когда дом находится вдали ото всех основных инженерных сетей). Насос также выгодно отличается от газового отопления тем, что для установки такого прибора не требуется получать государственное разрешение (но при бурении глубокой скважины его все же придётся получить).
• Недорогой дополнительный источник тепла. Насос идеально подойдёт в качестве дешёвого вспомогательного источника питания (оптимальный вариант — применение газа зимой и насоса — весной и осенью).

Недостатки:

1. Тепловые ограничения в случае использования водяных насосов. Все тепловые аппараты хорошо функционируют при положительных температурах, тогда как в случае работы при отрицательных температурах многие насосы перестают работать. В основном это связано с тем, что при этом вода замерзает, что делает невозможным её применение как источника тепла.
2. Могут появиться проблемы с устройствами, которые в качестве тепла используют воду. Если для нагрева применяется вода, то потребуется найти её стабильный источник. Чаще всего для этого следует пробурить скважину, благодаря чему расходы на монтаж устройства могут возрасти.

Внимание! Насосы обычно стоят в 5—10 раз дороже газового котла, следовательно использование таких приборов в целях экономии в ряде случаев может быть нецелесообразно (чтобы насос окупился, потребуется подождать несколько лет)

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы теплового насоса

Согласитесь: все вышеупомянутые достоинства теплового насоса выглядят несколько фантастично. Особенно КПД на уровне 300-500 процентов. Однако, все достоинства тепловых агрегатов – это не вымысел, а угрожающая энергетическим компаниям реальность.

Секрет подобной эффективности кроется в оригинальном принципе работы насоса, который, в кратком изложении, заключается в следующем: циркулирующая по трубам среда отбирает тепло у источника с низким потенциалом (воздух, грунт, скальные породы, вода) и сбрасывает его в выбранной потребителем точке.

То есть, перед нами «вывернутый» холодильник: отбирающий тепло у потенциальных источников с помощью испарителя и отдающий энергию потребителю посредством конденсатора.

Подробная схема работы

В итоге, при более детальном рассмотрении схема работы тепловых агрегатов выглядит следующим образом:

Схема теплового насоса

• На глубине 5-6 метров в грунте монтируют циклический трубопровод с теплоносителем, в который встроен особый радиатор – испаритель. Причем эта глубина выбрана не случайно – на такой отметке температура держится выше нуля в любое время года.
• К испарителю подводят второй трубопровод с залитым хладагентом. Под высоким давлением хладагент вскипает даже при одном градусе Цельсия. Причем процесс испарения, как известно из школьного курса физики, сопровождается поглощением энергии, отбираемой у циркулирующего в грунте теплоносителя.
• Пары хладагента выкачиваются из трубопровода компрессором, который не только транспортирует эту среду по арматуре, но и генерирует еще большее давление, провоцирующее дополнительный разогрев хладагента.
• Далее перегретые пары хладагента закачиваются (тем же компрессором) в конденсатор, где происходит трансформация агрегатного состояния вещества (пар превращается в жидкость). А все те же основы термодинамики утверждают, что при конденсации газообразной среды происходит выделение энергии.
• Выделенное тепло, генерируемое в конденсаторе, поглощает уже третий трубопровод – система теплоснабжения жилища. То есть конденсатор выступает в роли газового или электрического котла. Ну а вернувшийся в жидкое состояние хладагент возвращается к испарителю, проходя сквозь регулирующий дроссель.

Достоинства и недостатки тепловых насосов

Принцип работы тепловых насосов, если говорить простым языком, основан на сборе низкопотенциальной тепловой энергии и ее дальнейшей передаче в отопительные и климатические системы, а также в системы подготовки воды, но уже с более высокой температурой. Можно привести простой пример в виде газового баллона – когда он наполняется газом, компрессор нагревается за счет его сжатия. А если выпустить газ из баллона, то баллон охладится – попробуйте резко выпустить газ из многоразовой зажигалки, чтобы понять суть этого явления.

Таким образом, тепловые насосы как бы отбирают тепловую энергию у окружающего пространства – она есть в земле, в воде и даже в воздухе. Даже если воздух имеет отрицательную температуру, в нем по-прежнему присутствует тепло. Также оно имеется в любых водоемах, которые не промерзают до самого дна, а также в глубоких слоях грунта, тоже не поддающихся глубокому промерзанию – если, конечно, это не вечная мерзлота.

Тепловые насосы обладают довольно сложным устройством, в чем можно убедиться, попробовав разобрать холодильник или кондиционеры. Эти привычные нам бытовые агрегаты чем-то похожи на вышеупомянутые насосы, только работают они в обратном направлении – забирают тепло из помещений и отправляют его наружу. Если приложить руку к заднему радиатору холодильника, то мы отметим, что он теплый. И это тепло есть не что иное, как энергия, отобранная у фруктов, овощей, молока, супов, колбасы и прочих продуктов, лежащих в камере.

Аналогичным образом работают кондиционеры и сплит-системы – тепло, выделяемое уличными блоками, представляет собой тепловую энергию, собранную по крупицам в охлаждаемых помещениях.

Принцип действия теплового насоса обратен принципу действия холодильника. Он по тем же крупицам собирает тепло из воздуха, воды или грунта, после чего перенаправляет его к потребителям – это отопительные системы, теплоаккумуляторы, системы теплых полов, а также водонагреватели. Казалось бы, нам ничто не мешает греть теплоноситель или воду обычным ТЭНом – так проще. Но давайте сравним продуктивность тепловых насосов и обычных ТЭНов:

При выборе теплового насоса самое главное – наличие конкретного природного источника энергии.

• Обычный ТЭН – на выработку 1 кВт тепла он расходует 1 кВт электроэнергии (без учета погрешностей;
• Тепловой насос – на выработку 1 кВт тепла он потребляет всего 200 Вт электроэнергии.

Нет, никакого КПД, равного 500%, здесь нет – законы физики непоколебимы. Просто здесь работают законы термодинамики. Насос как бы аккумулирует энергию из пространства, «сгущает» ее и отправляет потребителям. Аналогичным образом мы можем собирать дождевые капли через большую лейку, получая на выходе солидный ручеек воды.

Мы уже привели множество аналогий, позволяющих понять суть тепловых насосов без заумных формул с переменными и константами. Давайте теперь рассмотрим их достоинства:

• Экономия электроэнергии – если стандартное электрическое отопление домовладения площадью 100 кв. м. приведет к затратам в 20-30 тыс. рублей в месяц (в зависимости от температуры воздуха на улице), то отопительная система с тепловым насосом снизит расходы до приемлемых 3-5 тыс. рублей – согласитесь, это уже довольно солидная экономия. И это без подвохов, без обмана и без маркетинговых уловок;
• Забота об окружающей среде – угольные, атомные и гидроэлектростанции вредят природе. Поэтому пониженное потребление электроэнергии позволяет снизить количество вредных выбросов;
• Широкая сфера использования – полученную энергию можно использовать для обогрева жилища и подготовки горячей воды.

Есть и недостатки:

• Высокая стоимость тепловых насосов – этот недостаток накладывает ограничение на их использование;
• Необходимость в регулярном обслуживании – за это нужно платить;
• Трудность в монтаже – в наибольшей степени это относится к тепловым насосам с закрытыми контурами;
• Отсутствие восприятия людьми – мало кто из нас согласится потратиться на это оборудование, чтобы снизить нагрузку на окружающую среду. Но некоторые люди, живущие вдали от газовых магистралей и вынужденные отапливать жилье альтернативными источниками тепла, согласны потратить деньги на покупку теплового насоса и снизить расходы на ежемесячную оплату электроэнергии;
• Зависимость от электросети – если поставка электроэнергии прекратится, оборудование сразу же замрет. Ситуацию спасет установка теплоаккумулятора или резервного источника электропитания.

Как видим, некоторые минусы довольно серьезные.

В качестве источников резервного питания для тепловых насосов могут выступать бензиновые и дизельные электрогенераторы.

Принцип работы теплового насоса

Для этих целей используется такой агрегат, как тепловой насос. Фактически многие из технически образованных людей его уже знают – он реализован в любой современной холодильной либо климатической системе.

Причем в сплит-системах кондиционирования этот агрегат работает самым непосредственным образом: в режиме обогрева они аккумулируют внешнее атмосферное тепло, передавая его на внутренние теплопередающие устройства – вентилируемые радиаторы.

Сразу следует оговориться, что посредством такого аппарата эффективным будет отопление любых изолированных пространств при температуре источника тепла, превышающей один градус по Цельсию.

• Весной и осенью подобные устройства могут эксплуатироваться в качестве практически бесплатных источников тепловой энергии.
• Летом они могут работать в обратном режиме – в качестве систем микроклиматического охлаждения.
• Зимой, при минусовой температуре, скорее всего необходимо будет пользоваться другими источниками отопления, поскольку подобные системы способны аккумулировать тепловую энергию исключительно при положительных температурах, либо получать ее от незамерзающих источников, например, из глубинных скважин, в которых всегда положительные температурные показатели.

Принцип действия этого агрегата основоположен на законе Карно. Он основан на аккумуляции низкопотенциальной тепловой энергии хладагентом с последующей передачей ее потребителю.

1. Хладагент, имеющий более низкую температуру, нагревается от внешних источников – грунта, глубинных скважин, естественных водоемов, при этом переходя в газообразное агрегатное состояние.
2. Он принудительно сжимается компрессором, при этом нагреваясь еще больше, и вновь обретает жидкое состояние, высвобождая при том всю накопленную тепловую энергию в радиаторах отопления.
3. Цикл повторяется – жидкий хладагент вновь попадает во внешний контур системы, где, испаряясь, заряжается тепловой энергией от внешних источников тепла.

При этом расходуется только электроэнергия, необходимая для сжатия и циркуляции в системе хладагента, то есть, обогрев внутренних помещений осуществляется максимально экономичным способом.

Схемы циркуляции теплоносителей

При работе теплового насоса (ТН) используется три замкнутых контура, по которым циркулируют различные жидкости/газы — теплоносители. Каждый из них выполняет свои функции.

Контур съема потенциала энергии источника

При заборе тепла воздуха используется искусственный обдув корпуса испарителя воздушными потоками от вентиляторов.

Замкнутый цикл жидкого теплоносителя для передачи тепла водной среды или земли осуществляется по трубопроводам, которые соединяют змеевик испарителя с коллектором, утопленным на дно водоема либо заглубленным в землю на расстояние, превышающее промерзание грунта в сильные холода.

В качестве теплоносителя применяются незамерзающие жидкости на основе разбавленных водных растворов спирта. Их принято называть «антифризы» или «рассолы». Они под влиянием более высокой температуры (≥+3ºС) поднимаются к испарителю, передают ему тепло, а после охлаждения (≈-3ºС) самотеком направляются назад к источнику энергии, обеспечивая непрерывную циркуляцию.

Внутренний контур

По нему циркулирует хладагент на основе фреона, «поднимая» тепло на более высокий уровень. Под действием температуры он последовательно переходит в газообразное и жидкостное состояние.

В состав внутреннего контура входят:

• испаритель, забирающий энергию от рассолов и передающий ее фреону, который при этом закипает и становится разреженным газом;
• компрессор, сжимающий газ до высокого давления. При этом резко увеличивается температура фреона;
• конденсатор, в котором горячий газ передает свою энергию теплоносителю выходного контура, а сам остывает, переходя в жидкое состояние;
• дроссель (расширительный клапан), редуцирующий фреон за счет перепада давления до состояния насыщенного пара для поступления в испаритель. При прохождении хладагента через узкое отверстие давление теплоносителя падает до начального значения.

Выходной контур

Здесь циркулирует вода. Она обогревается в змеевике конденсатора для использования в обычной жидкостной системе отопления. При этом способе ее температура достигает порядка 35ºС, что обусловливает ее применение в системе «Теплый пол» с длинными магистралями, позволяющими равномерно передавать генерируемую энергию всему объему помещения.

Использование только радиаторов отопления, создающих меньшие объемы теплообмена с пространством комнат, не так эффективно.

Тепловой насос

Прежде чем приступить к детальному рассмотрению устройства, необходимо расшифровать само понятие “тепловой насос”, поскольку далеко не все люди знают, что это такое. 

Что собой представляет

Итак, тепловой насос представляет собой специальное оборудование, которое работает по прямому или обратному циклу термодинамической машины. Основной его задачей является перенос тепла из одной среды в другую при помощи термодинамически расширяющегося газа или жидкости с определёнными свойствами.

Если буквально: тепловой насос – комплекс оборудования, позволяющий передавать тепло от нагретого тела к холодному. Конструктивно состоит из двух основных блоков: внутреннего – для установки внутри помещений и наружного.

Внутренний блок выполнен в виде металлического шкафа, в котором располагаются: компрессор, дроссели, расширительный бак. От внутреннего блока идёт разводка труб на систему отопления или кондиционирования.

Тепловые насосы, изготавливаемые крупными заводами, оснащаются управляющей автоматикой. Она информирует пользователя о текущем состоянии, критических параметрах насоса, а также позволяет управлять режимами работы.

Технические характеристики

Тепловой насос любой конструкции обладает следующими основными параметрами:

• КПД в режиме нагрева (СОР);
• коэффициент энергоэффективности в режиме охлаждения (EER).

Коэффициент СОР показывает уровень энергозатрат на нагрев помещений внутри зданий. То есть, сколько киловатт тепловой энергии будет получено при затратах 1 кВт электричества. Диапазон СОР может быть 3-5, а EER – 5-7.

Не менее важными являются и другие технические характеристики:

1. диапазон рабочих температур для работы насоса в стабильном режиме;
2. максимально допустимая длина труб, по которым будет протекать хладагент или теплоноситель;
3. мощность и тип компрессора, одно- или трёхфазное питание;
4. внутренняя площадь медного теплообменника;
5. перепад высот между источником и потребителем, для функционирования насоса в заданных режимах;
6. тип используемых теплоизоляционных материалов;
7. уровень шумов компонентов установки в разных режимах работы.

Таблица 1. Параметры тепловых насосов мощностью 4,5 кВт и 9 кВт.

Температура источника, °С	Тепловая мощность насоса, кВт	Электрическая мощность, кВт	СОР	Температура входной воды, °С	Температура выходной воды, °С
20	4,5	1,2	3,75	30	50
7	1,45	3,1
-15	2,48	1,81
20	9	2,4	3,75
7	2,9	3,1
-15	5	1,8

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы основан на теплопередаче от нагретой среды в холодную посредством хладагента, циркулирующего по замкнутому контуру. Для работы насоса достаточно, чтобы разница температур составляла минимум 1°С.

Упрощённая схема, объясняющая принцип работы теплового насоса.

В качестве источника тепла или холода могут выступать массивные тела со стабильной температурой в течение достаточно длительного времени, независимо от условий окружающей среды. Это может быть грунт, вода, камни или воздух. То есть, чтобы охладить или нагреть помещение, достаточно транспортировать теплообменную среду по замкнутому контуру между источником и потребителем, а также изменять её температуру путём термодинамического сжатия или расширения.

Тепловой насос работает так:

1. При включении насоса теплоноситель начинает двигаться по замкнутому контуру системы.
2. В ходе циркуляции теплоноситель от среды-источника при прохождении через теплообменник нагревается.
3. Нагретый теплоноситель начинает нагревать хладагент при попадании во внутренний циркуляционный контур.
4. Хладагент начинает испаряться внутри испарителя, то есть переходит из жидкого в газообразное состояние.
5. Испаренный хладагент по коммуникациям попадает в компрессор, сжимается и начинает нагреваться (эффект Джоуля-Томсона).
6. После сжатия нагретый хладагент попадает в конденсатор, внутри которого происходит обмен теплом с контуром системы отопления дома. Там он теряет свою температуру, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние.
7. Жидкий хладагент по трубам при прохождении через редукционный клапан теряет высокое давление и снова поступает в испаритель.

Тепловой насос – грунт, вода

На грунтовых тепловых насосах хочу остановиться отдельно. Их можно разбить на несколько, не схожих между собой, систем. Прежде всего это ТН с открытым циклом, где вода, имеющая плюсовую температуру, забирается прямо из водоносного горизонта и после охлаждения при отборе тепла отправляется обратно.

Широкое применение имеют системы с закрытым циклом, когда теплоноситель прокачивается через замкнутый трубопроводный контур, который уложен в грунте либо на дне открытого водоема. Контур для выбора тепла можно установить вертикально в скважине или уложить горизонтально в глубокой траншее.

При выборе между горизонтальном коллекторе или вертикальном зондом необходимо учесть, что во втором случае каждый погонный метр скважины насоса отдает 50 Вт тепловой энергии, а коллектор всего-то – 20. Помимо этого, коллектор за весь отопительный сезон выхолаживает грунт. А это приводит к падению эффективности теплового устройства. Зато бурение скважины под тепловой насос обходится на порядок дороже.

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.

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

Итоги

Современные тепловые насосы — это высокоэффективные устройства, которые легко обеспечивают 3-4 кВт тепла на один затраченный киловатт электроэнергии. Но стоимость самого оборудования и устройства первичного контура не многим по карману. Если же говорить о моделях воздух-воздух или воздух-вода, то хорошую эффективность они показывают при плюсовых температурах, с падением температуры их производительность сильно снижается (хотя последние линейки могут работать и до -40oC). Технология, несомненно, очень интересная и перспективная, но пока доступна немногим.

Возможно, вам интересна будет статья «Солнечное отопление: насколько эффективно?»