Принцип работы теплового насоса. Как работает тепловой насос? Схема и технология работы теплового насоса Тепловой насос для воды

Тепловой насос - хорошая альтернатива традиционному отоплению частного дома. Прибор, используемый в течение 30 лет в странах Запада, в России еще является новинкой. Препятствием для его широкого использования являются два фактора: высокая стоимость и недостаток сведений о тепловых насосах, их преимуществах и принципах работы. Показателем практичности геотермальной системы отопления служит ее популярность на Западе. Так, тепловыми насосами в Швеции и Норвегии отапливаются около 95% домов. Предлагаем вам подробнее ознакомиться с устройством и принципами работы этого теплового оборудования, за которым, непременно, будущее.

Что такое тепловой насос?

Тепловой насос - прибор, поглощающий из окружающей среды (вода, земля, воздух) низко потенциальную тепловую энергию и передающий ее в системы теплоснабжения с более высокой температурой.

Природа вокруг нас пропитана энергией. Даже мороз обладает теплом. Энергию невозможно извлечь из окружающей среды только при температуре -273 °С. Поэтому даже в самую лютую зиму загородный дом может отапливаться за счет энергии, полученной от природы.

В зависимости от источника энергии (вода, земля, воздух), происходит модификация тепловых насосов. Однако наиболее практичным и испытанным является геотермальный тепловой насос, применяющий энергию грунта. Он идеально подходит для российских условий.

Геотермальное отопление работает по одному из трех направлений:

Использование геотермального отопления, как и любой системы теплоснабжения, позволит не только обогреть дом, но и обеспечить горячей водой, обогреть автостоянку или теплицу, нагреть воду в бассейне

Преимущества использования теплового насоса

Принцип работы теплового насоса

Работу теплового насоса можно сравнить с работой обычного холодильника. Только вместо холода аппарат вырабатывает тепло. Веществом, передающим энергию, является фреон - газ или жидкость с низкой температурой кипения. При испарении он поглощает тепло, а при конденсации - отдает его.

Тепловой насос - главный элемент системы. Его размеры не превышают габаритов средней стиральной машины , что облегчает установку прибора. Сам насос включается в два контура: внутренний и внешний.

Внутренний контур состоит из системы теплоснабжения дома (трубы и радиаторы).Внешний контур находится в воде или под землей. Он включает в себя коллектор-теплообменник и трубы, связывающие коллектор с насосом.

Тепловые насосы комплектуются различными дополнительными устройствами. Это могут быть:

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

Процесс работы насоса состоит из нескольких этапов:

1. Незамерзающая смесь подается в коллектор. Происходит поглощение тепловой энергии и транспортировка ее к насосу.
2. В испарителе энергия передается фреону, где он нагревается до 8 °C , закипает и превращению в пар.
3. При увеличении давления в компрессоре повышается температура. Она может достигать 70 °C.
4. Внутридомовая система отопления получает тепловую энергию через конденсатор . Фреон мгновенно охлаждается и переходит в жидкое состояние, отдавая при этом оставшееся тепло. Затем он идет обратно в коллектор. Так завершается цикл.
5. Далее работа повторяется по тому же принципу.

Наиболее эффективно тепловой насос функционирует при наличии в доме теплых полов . Тепло распределяется по всей площади пола равномерно. При этом отсутствуют зоны перегрева. Теплоноситель в системе редко нагревается больше 35 °C, а отопление путем нагрева полов считается наиболее комфортным при 33 °C. Это меньше на 2 °C чем при отоплении радиаторами. Отсюда возникает экономия до 18% в год от всего отопительного бюджета. Кроме того, считается, что отопление на уровне пола наиболее комфортно для проживания человека.

Система отопления может быть моновалентной и бивалентной. У моновалентных систем один источник отопления. Он полностью отвечает круглогодичной потребности в тепле. У бивалентных, соответственно, - два источника.

Отопление дома в зимний период

На территории с более суровыми климатическими условиями актуально использование бивалентной системы отопления . За счет второго источника тепла расширяется диапазон температур. Работы одного теплового насоса достаточно только до уровня температуры -20 °С. При большем ее понижении подключаются электрообогреватель , камин, жидкотопливный или газовый котел. При этом мощность теплового насоса ограничивается от максимальной зимней потребности до 70 - 80%. Недостающие 20 - 30% дает дополнительный источник тепла. Это снижает общую эффективность работы системы. Однако снижение является незначительным.

При полном переходе на отопление здания геотермальной системой (в случае, когда не планируется устанавливать дополнительно котел или электроприбор) тепловой насос применяется совместно с внутренним модулем, содержащим небольшой встроенный электронагреватель. Он поддержит прибор, когда температура окружающей среды будет ниже -20 °С.

В каких случаях использование теплового насоса является обоснованным?

Вопрос отопления загородного дома предполагает рассмотрение нескольких вариантов:

• Газ . При отсутствии рядом с домом газопровода это становится невозможным. В ряде регионов купить газ можно только в баллонах.
• Уголь или дрова . С ними отопление превращается в трудоемкий и малоэффективный процесс.
• Жидкотопливный котел требует больших расходов на топливо и специального помещения. Особое хранение необходимо и самому топливу, что неудобно в небольшом доме.
• Отопление электричеством обходится очень дорого.

В таком случае на помощь приходит геотермальная система отопления . Ее используют даже там, где доступен газ. Установка теплового насоса дороже установки оборудования для отопления газом. Однако, газ в дальнейшем придется оплачивать постоянно, в отличие от энергии, взятой из окружающей среды.

Окупаемость теплового насоса сложно выразить в усредненном числовом значении. Все зависит от его начальной стоимости. Суть установки такого отопления сводится к перспективе. Хотя количество потребляемой электроэнергии - в 3−5 раз меньше , чем у других систем отопления, все же необходимо подсчитать в денежном эквиваленте все энергозатраты за год и сравнить их со стоимостью системы, ее монтажа и эксплуатации.

Достигнуть максимальной эффективности применения теплового насоса можно при соблюдении двух важных условий:

• Отапливаемое здание должно быть утепленным , а показатель теплопотерь не должен превышать 100 Вт/м2. Существует прямая связь между тем, как утеплен дом и тем, насколько выгодно будет установка теплонасоса.
• Подключение теплового насоса к низкотемпературным источникам обогрева (конвекторам , теплым полам), температурный режим которых колеблется между 30 - 40 °C.

Итак, тепловой насос станет неплохой альтернативой традиционным способам отопления. Прибор гарантирует экономичность и полную безопасность . Владельцу, после установки геотермальной системы отопления, не придется зависеть от различных внешних факторов, как, например, перебои с газоснабжением или вызовом сервисной службы. Энергия, взятая из окружающей среды, не требует оплаты и не исчерпывается.

В соответствии с прогнозами Мирового комитета по энергетике в 2020 г. геотермальные насосы составят три четверти всего отопительного оборудования.

Практика применения тепловых насосов: видео

Сегодня весь цивилизованный мир борется за экономию энергоресурсов. Конечно, вечный двигатель пока создать никому не удалось, но практически постоянный источник теплоснабжения уже найден. Это – окружающая нас среда:

• атмосфера;
• почва;
• грунтовые воды;
• естественные водоемы.

Остается только вопрос: каким образом можно аккумулировать тепло из внешней среды и направить его на внутренние потребности?

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 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 .

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.

Виды тепловых насосов

Существует три основные модификации тепловых насосов:

• • • «вода – вода»;
    • «грунт – вода»;
    • «воздух – вода».

Теплогенераторы класса «вода – вода»

Сегодня теплонасосные агрегаты широко применяются в высокоразвитых странах Европы. Например, в Нидерландах посредством этого теплообменного устройства отапливаются целые коттеджные поселки , поскольку там имеется изобилие геотермальных шахт, заполненных водой с постоянной температурой в 32 градуса по Цельсию. А это практически дармовой источник тепла.

Подобная вариация теплогенерирующего
оборудования называется «вода – вода». К этой категории относятся любые типы тепловых систем, использующих в качестве источников тепловой энергии жидкие среды .

Обычно этот принцип действия реализуется следующим образом:

• теплая вода из скважины подается к внешнему , после чего она сбрасывается в другую скважину либо в близлежащий водоем.
• радиатор монтируется на дне незамерзающего водоема . Исполняется он из нержавеющей либо металлопластиковой трубы. Причем для экономии дорогостоящего хладагента – фреона – зачастую применяется промежуточный контур теплоносителя, заполненный «незамерзайкой» - тосолом либо раствором гликоля (антифризом).

Стоимость агрегатов типа «вода – вода» варьируется в значительных пределах и зависит, в первую очередь, от мощности теплогенерации и страны-производителя.

Так, самый маломощный агрегат российского производства , способный развивать тепловую мощность порядка 6 кВт, обойдется в сумму почти 2000 долларов , а промышленноe двухкомпрессорное оборудование мощностью более 100 кВт, будет стоить уже почти тридцать тысяч долларов США .

Агрегаты класса «воздух – вода»

При использовании в качестве источника тепловой энергии атмосферы либо солнечных лучей тепловой насос считается класса «воздух – вода». В этом случае на внешний теплообменник зачастую устанавливается циркуляционный вентилятор, дополнительно нагнетающий теплый внешний воздух.

Стоимость 18-киловаттного воздушного теплового аппарата этого класса российского производства начинается с отметки в 5000 долларов США , а за двенадцатикиловаттное оборудование японской компании Fujitsu потребителю придется выложить уже почти 9 тысяч долларов США.

Оборудование класса «грунт – вода»

Существует также вариация, использующая в качестве источника тепловой энергии потенциал, накопленный в грунте .
Возможны два типа подобных конструкций: вертикальная и горизонтальная.

• Вертикальная — компоновка теплосборного коллектора линейная. Вся система размещается в вертикальных траншеях, глубина которых составляет 20…100 метров .
• Горизонтальная — компоновки внешнего коллектора, обычно металлопластиковые спирально свитые трубы, укладываются в 2…4-метровые горизонтальные траншеи . Причем в этом случае, чем больше глубина залегания внешнего теплоприемника, тем лучше работает отопление «из земли» .

Цена на агрегаты класса «грунт – вода» сравнима с оборудованием аналогичной мощности класса «вода – вода» и начинается с отметки в две тысячи долларов США за шестикиловаттный насос .

Плюсы и минусы отопительной системы, основанной на тепловом насосе

К положительным свойствам тепловых насосов можно отнести:

Отзыв: В прошлом году приобрел тепловой насос моноблок системы «воздух — вода» для отопления загородного дома. Дорого, конечно, но надеюсь, лет за 10 окупится. Поставщик сам установил насос и подключил к системе отопления, все работает практически без моего участия. Выбором доволен.

К недостаткам теплового насоса относят:

• Высокую стоимость монтажа . Для нормальной работы теплового оборудования необходимо приложить значительные усилия – вырыть траншеи большой продолжительности, проложить глубокие скважины либо преодолеть зачастую значительные расстояния до ближайшего водоема.
• Необходимость качественной реализации системы . Малейшая утечка хладагента либо промежуточного теплоносителя способна свести на нет все старания. Поэтому при закладке схемы любой вариации необходимо использовать труд исключительно квалифицированных специалистов и в процессе эксплуатации системы исключить риск ее разгерметизации.

Тепловой насос своими руками. Сборка и установка

Конечно, первичные вложения на организацию отопления дома согласно этой технологии весьма высоки. Поэтому у многих обывателей, заинтересовавшихся этой сверхэконмичной системой, возникает желание хоть немного сэкономить, соорудив ее самостоятельно.

Для этого нужно:

• Приобрести компрессор . Подойдет любой работоспособный агрегат от бытовой сплит-системы кондиционирования.
• Соорудить конденсатор . В самом простом случае в качестве оного может выступать обычный бак из нержавейки, объем которого составляет 100 литров . Он разрезается напополам, внутри его монтируется змеевик из медной трубы малого диаметра. Толщина стенки змеевика должна быть не ниже одного миллиметра. После раскрепления змеевика необходимо обратно сварить бак в целостную конструкцию, соблюдая условия герметичности.
• Собрать испаритель . Это может быть и пластиковая 60–80-литровая емкость с вмонтированной в нее трубой на ¾ дюйма.
• Для организации внешнего контура, расположенного в грунте, лучше использовать современные – они намного более долговечные, нежели классические металлические и монтаж их гораздо надежнее и быстрее.

Осталось только пригласить мастера по холодильному оборудованию, чтобы он, используя специализированную оснастку, качественно загерметизировал все стыки системы и заправил ее фреоном.

Смотрите видео о монтаже теплового насоса Daikin Altherma:

На этом монтаж теплогенерирующей установки заканчивается. Можно пользоваться всеми ее преимуществами, главным из которых является низкое потребление энергоресурса – электроэнергии при значительной мощности теплогенерации.

Мировой энергетический комитет составил прогноз использования источников тепла для обогрева зданий на 2020 год. В нем утверждается, что в развитых странах 75% домов будут получать горячее водоснабжение и отапливаться геотермальной энергией нашей планеты.

На сегодняшний день 40% всех новых домов Швейцарии оборудованы тепловыми насосами, а в Швеции этот показатель доведен до 90%. Россия и страны СНГ меньше внедряют тепловой насос для отопления дома, хотя первые энтузиасты уже пользуются этим методом, передавая свой опыт последователям.

Принципы работы

Для обогрева здания используется перенос энергии источника низкого потенциала (температуры) теплоносителем к потребителю. В технологическом процессе используется закон термодинамики, обеспечивающий выравнивание тепловых энергий двух систем с разными температурами: передача мощности горячего источника холодному потребителю.

При использовании тепла окружающей среды осуществляется повышение его температурного потенциала для обогрева и горячего водоснабжения.

Источником регенеративного тепла могут быть:

• поверхность земли или ее объем;
• водная среда (озеро, река);
• воздушные массы.

Более популярны модели, забирающие энергию от земли, поверхность которой обогревается солнечными лучами и энергией внешнего и внутреннего ядра планеты. Они отмечаются:

1. лучшим сочетанием потребительских качеств;
2. эффективностью;
3. ценой.

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.

Конструктивное исполнение

Промышленность выпускает различные по эксплуатационным характеристикам модели, но они имеют в своем составе оборудование, выполняющее типовые задачи, описанные выше.

Как вариант конструктивного исполнения на рисунке представлен тепловой насос для отопления дома.

Здесь по входным трубопроводам принимается тепло от геотермальных источников, а по выходным - передается в систему обогрева дома.

Работа теплового насоса обеспечивается:

• системой контроля параметров схемы и управления, включая дистанционные способы через интернет;
• дополнительным оборудованием (узлы промывки и заполнения, расширительные баки, группы безопасности, насосные станции).

Грунтовые конструкции

Они используют три схемы устройства теплообменников для забора энергии от источника:

1. поверхностное расположение;
2. установка вертикальных грунтовых зондов;
3. заглубление горизонтальных конструкций.

Первый метод наименее эффективен. Поэтому он редко применяется для отопления дома.

Установка зондов в скважинах

Этот способ наиболее эффективен. Он предусматривает создание скважин на глубины порядка 50÷150 метров и больше для размещения U-образного трубопровода из пластиковых материалов с диаметром от 25 до 40 мм.

Увеличение площади поперечного сечения трубы, как и углубление скважины, создает улучшенный теплосъем, но удорожает конструкцию.

Горизонтальные коллекторы

Бурение скважин для зондов стоит дорого. Поэтому часто выбирается этот способ, как более дешевый. Он позволяет обойтись рытьем траншей ниже глубины промерзания почвы.

В проекте горизонтального коллектора следует учитывать:

1. теплопроводность грунта;
2. среднюю влажность почвы;
3. геометрию участка.

Они влияют на габариты и конфигурацию коллектора. Трубы могут укладываться:

• петлями;
• зигзагами;
• змейкой;
• плоскими геометрическими фигурами;
• винтовыми спиралями.

Важно понимать, что площадь участка, отводимого под такой коллектор, обычно превышает габариты фундамента дома в 2÷3 раза. Это основной недостаток такого метода.

Водные коллекторы

Это наиболее экономичный способ, но он требует расположения около здания глубокого водоема. На его дне размещают и закрепляют грузами собранные трубопроводы. Для эффективной работы теплового насоса требуется просчитать минимальную глубину закладки коллектора и объем водоема, способного обеспечить теплосъем.

Габариты такой конструкции определяются проведением тепловых расчетов и могут достигать протяженности более 300 метров.

Рисунок ниже демонстрирует подготовку магистралей для сборки на льду весеннего озера. Он позволяет визуально оценить масштабы предстоящей работы.

Воздушный метод

Внешний или встроенный вентилятор нагнетает воздух с улицы прямо на испаритель с фреоном, как в кондиционере. При этом не требуется создавать громоздкие конструкции из труб и помещать их в грунт или водоем.

Тепловой насос для отопления дома, работающий по такому принципу, стоит дешевле, но использовать его рекомендуется в относительно теплом климате: морозный воздух не позволит работать системе.

Подобные устройства нашли широкое применение для обогрева воды в бассейнах или помещений, расположенных рядом с промышленными устройствами, постоянно участвующими в технологическом процессе и выделяющими в атмосферу тепло мощными системами охлаждения. В качестве примера можно привести силовые автотрансформаторы энергетики, дизельные станции, котельные.

Основные характеристики

При выборе модели ТН следует учитывать:

• выходную тепловую мощность;
• коэффициент трансформации тепловых насосов;
• условный кпд;
• годовую эффективность и издержки.

Выходная мощность

При создании нового проекта дома учитывают его потребности в тепле с учетом конструктивных особенностей материалов, создающих теплопотери через стены, окна, двери, потолок и пол помещений различных габаритов. Расчет учитывает создание комфорта при самых низких морозах в конкретной местности.

Потребляемая тепловая мощность здания выражается в кВт. Она должна покрываться вырабатываемой энергией теплового насоса. Однако часто при расчетах делают упрощение, позволяющее экономить: длительность самых холодных дней в течение года не превышает нескольких недель. На этот период подключается дополнительный источник тепла, например, ТЭНы, подогревающие воду в котле.
Они работают только в критических ситуациях при морозах, а в остальное время отключены. Это позволяет использовать ТН с меньшими мощностями.

Возможности конструкций

Для справки. Модели выходной мощности 6÷11 кВт «рассольно-водяных» схем способны нагревать воду встроенных баков в относительно небольших постройках. Мощность в 17 кВт достаточна для поддержания температуры воды 65ºС у котла с емкостью 230÷440 литров.
Потребности в тепле средних по величине зданий покрывают мощности 22÷60 кВт.

Коэффициент трансформации тепловых насосов Ктр

Он определяет эффективность конструкции по безразмерной формуле:

Kтр=(Твых-Твх)/Твых

Величина «Т» обозначает температуру теплоносителей на выходе и входе в конструкцию.

Коэффициент преобразования энергии (ͼ)

Его рассчитывают для определения доли полезной мощности тепла по отношению к приложенной энергии на компрессор.

ͼ=0,5Т/(Т-То)=0,5(ΔТ+То)/ΔТ

Для этой формулы температура потребителя «Т» и источника «То» определяется в градусах Кельвина.

Величину ͼ можно определить по количеству затраченной энергии на работу компрессора «Рэл» и полученной полезной теплопроизводительности «Рн». В этом случае его называют «СОР» по сокращению от английского термина «Coefficient of perfomance».

Коэффициент ͼ - переменная величина, зависимая от перепада температур между источником и потребителем. Он обозначается цифрами от 1 до 7.

Условный КПД

Это неверное утверждение: коэффициент полезного действия учитывает потери мощности при работе конечного устройства.
Для его определения надо выходную тепловую мощность разделить на приложенную с учетом энергии геотермальных источников. При таком расчете вечного двигателя не получится.

Годовая эффективность и издержки

Коэффициент СОР оценивает работу теплового насоса в определенный момент времени при конкретных условиях эксплуатации. Чтобы проанализировать работу ТН, введен показатель эффективности системы за год (β).

Здесь символ Qwp обозначает величину тепловой энергии, произведенной за год, а Wel - значение потребленного электричества установкой за то же время.

Показатель издержек Eq

Эта характеристика обратна показателю эффективности.

Для определения характеристик ТН используется специализированное программное обеспечение и заводские стенды.

Отличительные черты

Преимущества

Отопление дома тепловым насосом в сравнении с другими системами обладает:

1. хорошими параметрами экологичности;
2. большим сроком службы оборудования без технического обслуживания;
3. возможностью простого переключения режима обогрева зимой на кондиционирование летом;
4. высокой годовой эффективностью.

Недостатки

На стадии проекта и при эксплуатации приходится учитывать:

1. сложность выполнения точных технических расчетов;
2. высокую стоимость оборудования и монтажных работ;
3. возможности образования «воздушных пробок» при нарушениях технологии укладки трубопроводов;
4. ограниченную температуру воды на выходе из системы (≤+65ºС);
5. строгую индивидуальность каждой конструкции для любого здания;
6. потребность больших площадей для коллекторов с исключением строительства объектов на них.

Краткий перечень производителей

Современный тепловой насос для отопления дома выпускают такие компании, как:

• Bosch - Германия;
• Waterkotte - Германия;
• WTT Group OY - Финляндия;
• ClimateMaster - США;
• ECONAR - США;
• Dimplex - Ирландия;
• FHP Manufacturing - США;
• Gustrowr - Германия;
• Heliotherm - Австрия;
• IVT - Швеция;
• LEBERG - Норвегия.

Все больше и больше интернет пользователей интересуются альтернативами способами отопления: тепловыми насосами .

Для большинства это абсолютно новая и неизвестная технология, поэтому и возникают вопросы типа: «Что такое ?», «Как выглядит тепловой насос?», «Как работает тепловой насос?» и пр.

Здесь мы постараемся просто и доступно дать ответы на все эти и еще много других вопросов, связанных с тепловыми насосами.

Что такое Тепловой Насос?

Тепловой насос - устройство (другими словами «тепловой котел»), которое отбирает рассеянное тепло из окружающей среды (грунт, вода или воздух) и переносит его в отопительный контур вашего дома.

Благодаря солнечным лучам, которые непрерывно поступают в атмосферу и на поверхность земли происходит постоянная отдача тепла. Именно таким образом поверхность земли круглый год получает тепловую энергию.

Воздух частично поглощает тепло от энергии солнечных лучей. Остатки солнечной тепловой энергии почти полностью поглощается землей.

Кроме того, геотермальное тепло из недр земли постоянно обеспечивает температуру грунта +8°С (начиная с глубины 1,5-2 метра и ниже). Даже холодной зимой температура на глубине водоемов остается в диапазоне +4-6°С.

Именно это низкопотенциальное тепло грунта, воды и воздуха переносит тепловой насос из окружающей среды в отопительный контур частного дома, предварительно повысив температурный уровень теплоносителя до необходимых +35-80°С.

ВИДЕО: Как работает тепловой насос Грунт-Вода?

Что делает Тепловой Насос?

Тепловые насосы - тепловые машины, которые предназначены для производства тепла с использованием обратного термодинамического цикла. переносят тепловую энергию от источника с низкой температурой в систему отопления с более высокой температурой. В процессе работы теплового насоса происходят затраты энергии, не превышающие объем произведенной энергии.

В основе работы теплового насоса лежит обратный термодинамический цикл (обратный цикл Карно), состоящий из двух изотерм и двух адиабат, но в отличии от прямого термодинамического цикла (прямого цикла Карно) процесс протекает в обратном направлении: против часовой стрелки.

В обратном цикле Карно окружающая среда выступает в роли холодного источника тепла. При работе теплового насоса тепло внешней среды благодаря совершению работы передается потребителю, но с уже более высокой температурой.

Передать тепло от холодного тела (грунт, вода, воздух) возможно только при затрате работы (в случае с тепловым насосом - затраты электрической энергии на работу компрессора, циркуляционных насосов и пр.) или другого компенсационного процесса.

Еще тепловой насос можно назвать «холодильником наоборот», так как тепловой насос это та же холодильная машина, только в отличии холодильника тепловой насос забирает тепло снаружи и переносит его в помещение, то есть обогревает помещение (холодильник же охлаждает путем отбора тепла из холодильной камеры и выбрасывает его через конденсатор наружу).

Как работает Тепловой Насос?

Теперь поговори о том как работает тепловой насос. Для того, что понять принцип работы теплового насоса нам нужно разобраться в нескольких вещах.

1. Тепловой насос способен извлекать тепло даже при отрицательной температуре.

Большинство будущих домовладельцев не могут понять принцип работы (в принципе любого воздушного теплового насоса), так как не понимают каким образом может извлекаться тепло из воздуха при отрицательной температуре зимой. Вернемся к основам термодинамики и вспомни определение теплоты.

Теплота - форма движения материи, представляющая собой беспорядочное движение образующих тело частиц (атомов, молекул, электронов и др.).

Даже при температуре 0˚С (ноль градусов по Цельсию), когда замерзает вода, в воздухе все еще есть теплота. Ее значительно меньше чем, например при температуре +36˚С, но тем не менее и при нулевой и при отрицательной температуре происходит движение атомов, а значит и происходит выделение теплоты.

Движение молекул и атомов полностью прекращается при температуре -273˚С (минус двести семьдесят три градуса по Цельсию), что соответствует абсолютному нулю температуры (ноль градусов по шкале Кельвина). То есть и зимой при минусовой температуре в воздухе есть низкопотенциальное тепло, которое можно извлекать и переносить в дом.

2. Рабочая жидкость в тепловых насосах - хладагент (фреон).

Что такое холодильный агент? Хладагент - рабочее вещество в тепловом насосе, которое отбирает теплоту от охлаждаемого объекта при испарении и передает тепло рабочей среде (например, воде или воздуху) при конденсации.

Особенность хладагентов в том, что они способны закипать и при отрицательных и при относительно низких температурах. Кроме того хладагенты могут переходить из жидкого состояния в газообразное и наоборот. Именно во время перехода из жидкого состояния в газообразное (испарения) происходит поглощение теплоты, а во время перехода из газообразного в жидкое (конденсации) происходит передача теплоты (отделение тепла).

3. Работа теплового насоса возможна благодаря его четырем ключевым компонентам.

Для того, чтобы понять принцип работы теплового насоса его устройство можно разделить на 4 основные элементы:

1. Компрессор , который сжимает хладагент для повышения его давления и температуры.
2. Расширительный клапан - терморегулирующий вентиль, который резко понижает давление хладагента.
3. Испаритель - теплообменник, в котором хладагент с низкой температурой поглощает тепло от окружающей среды.
4. Конденсатор - теплообменник, в котором уже горячий хладагент после сжатия передает тепло в рабочую среду отопительного контура.

Именно эти четыре компонента позволяют холодильным машинам производить холод, а тепловым насосам - тепло. Для того, чтобы разобраться как работает каждый компонент теплового насоса и для чего он нужен предлагаем просмотреть видео о принципе работы грунтового теплового насоса.

ВИДЕО: Принцип работы теплового насоса Грунт-Вода

Принцип работы теплового насоса

Теперь попытаемся подробно описать каждый этап работы теплового насоса. Как уже говорилось ранее - в основе работы тепловых насосов лежит термодинамический цикл. Это значит, что работа теплового насоса состоит из нескольких этапов цикла, которые повторяются снова и снова в определенной последовательности.

Рабочий цикл теплового насоса можно разделить на четыре следующие этапы:

1. Поглощение тепла из окружающей среды (кипение хладагента).

В испаритель (теплообменник) поступает хладагент, который находиться в жидком состоянии и имеет низкое давление. Как мы уже знаем при низкой температуре хладагент способен закипать и испаряться. Процесс испарения необходим для того, чтобы вещество поглотило тепло.

Согласно второму закону термодинамики тепло передается от тела с высокой температурой к телу с более низкой температурой. Именно на этом этапе работы теплового насоса хладагент с низкой температурой проходя по теплообменнику отбирает тепло от теплоносителя (рассола), который ранее поднялся из скважин, где отобрал низкопотенциальное тепло грунта (в случаи с грунтовыми тепловым насосами Грунт-Вода).

Дело в том, что температура грунта под землей в любое время года составляет +7-8°С. При использовании устанавливаются вертикальные зонды, по которым циркулирует рассол (теплоноситель). Задача теплоносителя - нагреться до максимально возмножной температуры во время циркуляции по глубинным зондам.

Когда теплоноситель отобрал тепло из грунта, он поступает в теплообменник теплового насоса (испаритель) где «встречается» с хладагентом, который имеет более низкую температуру. И согласно второму закону термодинамики происходит теплообмен: тепло от более нагретого рассола передается менее нагретому хладагенту.

Здесь очень важный момент: поглощение тепла возможно во время испарения вещества и наоборот, отдача теплоты происходит при конденсации. Во время нагрева хладагента от теплоносителя он меняет свое фазовое состояние: хладагент переходит из жидкого состояния в газообразное (происходит процесс закипания хладагента, он испаряется).

Пройдя через испаритель хладагент находиться в газообразной фазе . Это уже не жидкость, но газ, который отобрал тепло у теплоносителя (рассола).

2. Сжатие хладагента компрессором.

На следующем этапе хладагент в газообразном состоянии попадает в компрессор. Здесь компрессор сжимает фреон, который за счет резкого увеличения давления нагревается до определенной температуры.

Аналогичным образом работает и компрессор обычного бытового холодильника. Единственное существенное отличие компрессора холодильника от компрессора теплового насоса - значительно меньшая производительность.

ВИДЕО: Как работает холодильник с компрессором

3. Передача тепла в систему отопления (конденсация).

После сжатия в компрессоре хладагент, который имеет высокую температуру поступает в конденсатор. В данном случае конденсатор - это тоже теплообменник, в котором во время конденсации происходит отдача теплоты от хладагента к рабочей среде отопительного контура (например воде в системе теплых полов, или радиаторов отопления).

В конденсаторе хладагент из газовой фазы снова переходит в жидкую. Этот процесс сопровождается выделением тепла, которое используется для системы отопления в доме и горячего водоснабжения (ГВС).

4. Понижение давления хладагента (расширение).

Теперь жидкий хладагент нужно подготовить к повторению рабочего цикла. Для этого хладагент проходит через узкое отверстие термо-регулирующего вентиля (расширительного клапана). После «продавливания» через узкое отверстие дросселя хладагент расширяется, вследствие чего падает его температура и давление.

Этот процесс сравним с распылением аэрозоля из балончика. После распыления балончик на короткое время становиться холоднее. То есть произошло резкое падение давления аэрозоля вследствие продавливания наружу, температура соответственно тоже падает.

Теперь хладагент снова находиться под таким давлением, при котором он способен закипеть и испаряться, что необходимо нам для поглощения тепла от теплоносителя.

Задача ТРВ (термо-регулирующий вентиль) - снизить давление фреона путем расширения его на выходе из узкого отверстия. Теперь фреон снова готов закипать и поглощать тепло.

Цикл снова повторяется до тех пор, пока система отопления и ГВС не получит от теплового насоса необходимый объем тепла .

• Принцип работы тепловых насосов
• Отопительный контур
• Достоинства и недостатки тепловых насосов
• Секреты самоделкиных

Как это работает

Тепловой или геотермальный насос собирает тепловую энергию из окружающей среды, преобразовывает ее, с использованием хладагента, и подает в домашнюю систему отопления.

Основные узлы агрегата: компрессор, теплообменник, циркуляционный насос, автоматика, подающий контур. Насос способен забирать тепло из трех источников.

• Воздух.
• Вода.
• Грунт.

Судя по веткам обсуждений, востребованы у нас два варианта – вода и грунт. Это обусловлено ограничениями по температуре – источник должен быть плюсовым. Расположение запитывающего контура бывает горизонтальным или вертикальным. В первом случае магистраль укладывают ниже уровня промерзания – от 1,5 метров глубины. Или на дно водоема, там даже по сильным морозам – до + 4⁰С. Длина контура зависит от габаритов отапливаемого помещения и мощности насоса. Во втором бурят скважины под зонды, средняя глубина – 50–70 метров. Пиастров А В , один из форумчан и владелец теплового насоса, так охарактеризовал вертикальную систему.

Пиастров А В Участник FORUMHOUSE

Тепло собирают геотермические зонды – закольцованный трубопровод, по которому циркулирует этиленгликоль. Они опускаются в скважины 50–70 метров глубины. Это наружный контур, а количество скважин зависит от мощности теплового насоса. Для домика в 100 метров квадратурой потребуется два зонда – две скважины.

Отопительный контур

Тепловой насос, в отличие от котлов на газу, угле или электричестве, нагревает носитель в среднем до 40⁰C. Это оптимальная температура, при которой и износ оборудования минимальный, и потребление электричества. Для обычных радиаторов таких показателей недостаточно. Поэтому с тепловым насосом обычно используют не трубы и батареи, а теплый пол. Он при таком нагреве теплоносителя эффективнее. Только шаг между трубами должен быть меньше. Стоит учесть, что теплый пол создает ограничения по выбору мебели и сушит воздух. Потребуется дополнительное увлажнение. Летом полы могут работать на охлаждение.

Достоинства и недостатки

Главное достоинство теплового насоса – высокая отдача, на каждый киловатт потребленного электричества он дает около 5 кВт тепла. Плюс никаких физических усилий в процессе работы, никаких отходов и угарных газов.

Кроме того, нет зависимости от газовщиков и хождений по инстанциям для согласования. Да и требования к котельной не такие строгие. После пуска затраты на эксплуатацию минимальные. Оплачивается только электричество, насос средней мощности потребляет около 4 кВт в час. Современные модели импульсные, работают не беспрерывно, а включаются при необходимости. Это снижает количество рабочих часов в сезон и затраты энергии.

Главный недостаток геотермального отопления – цена вопроса, даже китайский или отечественный агрегат, не говоря о европейских брендах, стоит несколько тысяч евро. Вместе с обустройством внешнего контура и монтажом, удовольствие выльется в сотни тысяч рублей. Согласно расчетам экспертов и владельцев, насос окупается за несколько лет. Работает он на дармовом источнике, по сравнению со стоимостью тонны угля или куба дров, экономия значительная. Но далеко не у каждого есть лишних полмиллиона на оборудование и пусконаладку.

Если недалеко от участка водоем, получается значительно дешевле, отпадают траты на дорогостоящее бурение.

Действующие скважины тоже оптимизируют процесс, становясь источником тепла. Это подтверждает форумчанин дет марос из Усть-Каменогорска. Он работает на предприятии, выпускающем тепловые насосы и оказывающем услуги по их установке. Поэтому досконально разбирается в ситуации и на вопрос участника ветки, нужны ли ему зонды, если на участке есть скважины, ответил исчерпывающе.

дет марос Участник FORUMHOUSE

Зачем вам заморачиваться с зондами, если воды хватает. Будете гонять из одной скважины в другую через ТН. С зондами возимся, когда на участке нет воды или столб маленький, потребности не покрывает. Для насоса мощностью 10 кВт нужен объем в 3 куба.

Секреты самоделкиных

Но самая большая экономия получается, когда тепловой насос собирают своими руками. Ведущий узел – компрессор, берут от мощных кондиционеров и сплит-систем, технические параметры у них сходные. Теплообменники продаются готовые, но некоторые умельцы и их умудряются паять из медных труб. В качестве хладагента – фреон, его тоже продают в баллонах. Контроллеры, реле, стабилизаторы, все элементы по отдельности обойдутся вполовину дешевле, чем в готовом комплекте.

Чаще всего самоделки организуют над прудами или когда уже есть действующая скважина. Из-за того, что львиная доля расходов приходится именно на земляные работы, и экономия максимальная на них же.

Умелец aparat2 , из Риги, сам собрал геотермальное и выложил об этом фоторепортаж, с подробным описанием всех операций.

aparat2 Участник FORUMHOUSE

Собрал ТН из двух однофазных компрессоров по 24000 БТУ (7 кв. ч. по холоду). Получился каскад, тепловой мощностью 16-18 киловатт, при расходе электричества около 4,5 кВт в час. Выбрал два компрессора, чтобы были токи меньше, запускать буду не одновременно. А пока обжит только второй этаж и хватит одного компрессора. Да и, поэкспериментировав на одном, потом усовершенствую вторую конструкцию.

Также форумчанин решил не тратиться на готовые теплообменники пластинчатого типа. Они требовательны к водоподготовке, да и стоят весомо. Самодельный обменник он совместил с аккумулятором, чтобы повысить отдачу. Получилась рабочая установка в разы дешевле покупной.

Тем не менее, тепловые насосы– это альтернативный вариант, когда нет газа и большие площади отопления. Даже при самостоятельной сборке системы затраты на комплектующие солидные. Ближе изучить тему можно на ветке по , там масса полезных советов, форумчане делятся опытом, обсуждают различные модели. поможет разобраться со сборкой. А варианты отопления большого дома без газа в ролике – наглядный пример. Для владельцев деревянных домов – видео