Тепловой насос принцип действия

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. Точка кипения, как известно из физики, может меняться в зависимости от давления, вот зачем нужны в этой системе расширитель и компрессор.

Предположим, что снаружи теплоноситель циркулирует по трубам, уложенным в земле, поскольку он имеет низкую температуру, то проходя по ним, он нагревается, даже когда внешняя температура составляет всего около 4-5оС. Поступая в испаритель, который выполняет функцию теплообменника, теплоноситель отдает полученное тепло во внутренний контур системы, который заполнен хладагентом. Даже этого тепла достаточно, чтобы хладагент перешел из жидкого 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.

В комплекс работ по установке теплового насоса входит проведение внутренних электромонтажных работ, прокладка внешнего трубопровода и внутренних воздуховодов.

Преимущества использования тепловых насосов

Экономическая выгода от использования тепловых насосов очевидна – их эксплуатация достаточно дешево обходится, поскольку электроэнергии тратится чуть больше, чем при работе холодильника. Цена оборудования также невысока, так же, как и стоимость монтажа и установки. Использование теплового насоса, позволяет избавиться от забот о приобретении и хранении топливных ресурсов, установке и эксплуатации отопительного оборудования, у вас в доме освобождаются дополнительные помещения, в которых раньше располагалась котельная.

www.kakprosto.ru

Устройство и принцип работы бытового теплонасоса

Тепловой насос – это система, с помощью которой можно переносить тепло от менее нагретого тела к более нагретому, увеличивая температуру последнего. Тепловые насосы являются альтернативными источниками энергии, позволяющими получать дешевое тепло без вреда для окружающей среды.

Принцип работы бытового теплонасоса основан на том факте, что любое тело с температурой выше абсолютного нуля обладает запасом тепловой энергии. Этот запас прямо пропорционален массе и удельной теплоемкости тела. Если в этом контексте обратить внимание, например, на моря, океаны, подземные воды, обладающие огромной массой, можно прийти к выводу, что их грандиозные запасы тепловой энергии можно частично использовать для отопления домов без ущерба мировой экологической обстановке. «Взять» тепловую энергию какого-либо тела можно, если охладить его. Грубый расчет выделяемого при этом тепла возможен по формуле: Q = C*M*(T2 − T1), где Q − полученное тепло, C − теплоемкость, M – масса, T1 − T2 − температура, на которую было произведено охлаждение тела. Формула показывает, что при росте массы теплоносителя разница температур может быть небольшой. Например, охлаждая 1 кг теплоносителя от 1000 до 0 ^o С, можно получить столько же тепла, сколько даст охлаждение 1000 кг от 1 до 0 ^o С.

Типы тепловых насосов

По виду передачи энергии тепловые насосы бывают двух типов:

• Компрессионные. Основные элементы установки – это компрессор, конденсатор, расширитель и испаритель. Используется цикл сжимания-расширения теплоносителя с выделением тепла. Этот тип тепловых насосов прост, высокоэффективен и наиболее популярен.
• Абсорбционные. Это теплонасосы нового поколения, использующие в качестве рабочего тела пару абсорбент-хладон. Применение абсорбента повышает эффективность работы теплового насоса.

По источнику тепла выделяют тепловые насосы:

• Геотермальные. Тепловая энергия берется из грунта или воды.
• Воздушные. Тепло извлекается из атмосферы.
• Использующие вторичное тепло. В качестве источника тепла используются воздух, вода, канализационные стоки.

По виду теплоносителя входного/выходного контура:

• Тепловые насосы «воздух-воздух». Этот вид тепловых насосов забирает тепло у более холодного воздуха, еще больше понижая его температуру, и отдает его в отапливаемое помещение.
• Тепловые насосы «вода-вода». Используется тепло грунтовых вод, которое передается воде для отопления и горячего водоснабжения.
• Тепловые насосы «вода-воздух». Используются зонды или скважины для воды и воздушная система отопления.
• Тепловые насосы «воздух-вода». Атмосферное тепло используется для водяного отопления.
• Тепловые насосы «грунт-вода». Трубы прокладываются под землей, и по ним циркулирует вода, забирающая тепло из грунта.
• Тепловые насосы «лед-вода». Для нагревания воды в системе отопления и горячего водоснабжения используется тепловая энергия, которая высвобождается при получении льда. Замораживание 100-200 л воды способно обеспечить обогрев среднего дома в течение часа.

Расчет эффективности тепловых насосов для отопления

Для того чтобы тепловой насос был эффективным, он должен давать тепловой энергии больше, чем потреблять электрической. Это соотношение называется коэффициентом преобразования. Коэффициент преобразования может меняться в зависимости от разницы температур входного и выходного контура. Чем холоднее снаружи, тем менее эффективна система. Для разных типов тепловых насосов коэффициент преобразования может варьироваться от 1 до 5. Для объективной оценки теплового насоса требуется дополнительный параметр годовой эффективности.

Эффективность конкретного теплового насоса будет зависеть от множества факторов, и ее расчет достаточно сложен. Дать обобщенную формулу, которая бы работала всегда, практически невозможно. Поэтому каждый конкретный случай требует обращения к экспертам, которые в зависимости от поставленной задачи и ее условий подберут необходимый тип теплового насоса и объем хладагента.

Сферы применения и степень распространения

Тепловые насосы востребованы прежде всего в случаях, когда другие способы организации системы отопления обходятся значительно дороже. Растущая распространенность тепловых насосов на производстве и в быту связана со следующими их преимуществами:

• Экономичность. Для передачи в отопительную систему 1 кВт•ч тепловой энергии, установке требуется в среднем затратить всего 0,2-0,35 кВт•ч электроэнергии.
• Простота эксплуатации.
• Упрощение требований к системам вентиляции помещений, повышение уровня пожарной безопасности.
• Возможность переключения с зимнего режима отопления на летний режим кондиционирования.
• Компактность и бесшумность, что делает тепловой насос привлекательным для отопления частного дома.

По данным Европейской ассоциации тепловых насосов, до недавнего времени европейский рынок этого оборудования был в основном сосредоточен во Франции. В последние несколько лет рынки стали расширяться в Германии, Великобритании и Восточной Европе. По оценке Мирового энергетического комитета, уже в ближайшие пять лет доля отопления и горячего водоснабжения от тепловых насосов будет составлять в развитых странах не менее 75%.

Общий недостаток тепловых насосов – не очень высокая температура нагреваемой воды. Как правило, она составляет 50-60 ^o С.

Стоимость оборудования

Традиционное решение для частных домов и коттеджей – газовое отопление. Однако вариант теплового насоса значительно выгоднее и удобнее. Чтобы установить газовый котел, требуются специальный дымоход, вентиляция, а также целый набор разрешительных документов. Применение тепловых насосов избавит вас от этих проблем и существенно сэкономит ваши средства. Чтобы провести газ в Подмосковье, потребуется около $20 000, и это в том случае, если ваш дом удален от газопровода менее, чем на 1 км, – иначе затраты вырастут в несколько раз! Помимо этого, придется учесть скорость работы отечественных газовщиков. Установка теплового насоса «под ключ» стоит от $15 000, а работы занимают всего 2-3 недели.

Из всего вышесказанного можно сделать однозначный вывод: использование тепловых насосов – это эффективное, простое в монтаже, экологичное и экономичное решение для организации отопления и горячего водоснабжения в частном доме.

www.kp.ru

Что такое тепловой насос, сфера его применения

Техническое определение теплового насоса — устройство для переноса энергии из одной области в другую с одновременным повышением результативности ее работы. Проиллюстрировать такую механику несложно. Представим ведро холодной воды и стакан горячей. Для их нагрева с определенной отметки тепла затрачено одинаковое количество энергии. Однако результативность ее применения — разная. Если одновременно снизить температуру ведра воды на 1 градус, полученной тепловой энергией можно довести жидкость в стакане практически до кипения.

Именно по такой механике работает тепловой насос, с помощью которого можно сделать обогрев бассейна или полностью обеспечить отопление загородного дома. Установка переносит тепло из одной области в другую, в общем случае снаружи помещения вовнутрь. Вариантов применения такой техники множество.

1. При определенных показателях мощности теплового насоса обогрев дома становится недорогим и эффективным.
2. Легко сделать ГВС с тепловым насосом, используя бойлеры вторичного нагрева.
3. При определенных усилиях и правильном проектировании доступно создание полностью автономной отопительной системы, питающейся от солнечных батарей.
4. Большинство моделей тепловых насосов — приемлемый вариант для теплого пола, используемого в роли нагревательного контура.

Чтобы выбрать и приобрести подходящую систему нужно, прежде всего, правильно ставить стоящую перед ней задачу. И только после выдвигать требования к мощности и оценивать приемлемость отдельных типов тепловых котлов для удовлетворения всех потребностей.

Общий принцип работы

Технологически тепловой насос работает по знакомому всем циклу Карно, серии преобразований состояний вещества. Такие слова могут быть совершенно чужими большинству пользователей. Однако практически каждый из них имеет дома минимум одно устройство, основанное на данном физическом процессе.

Говоря простыми словами, тепловой насос представляет собой холодильник. Любая бытовая модель, где горожане привыкли хранить мясо и напитки — это нагреватель с КПД более 100%. Работает все следующим образом:

• холодильник отнимает тепло от помещенных в него продуктов и передает его на решетку радиатора, а, следовательно — в пространство помещения;
• одновременно идет нагрев воздуха компрессором.

В итоге, затрачивая какое-то количество электроэнергии, пользователь получает два источника тепла, один из которых (отнятая у продуктов энергия) полностью бесплатен.

Именно таков принцип работы теплового насоса. Устройство имеет обратную функциональную схему в сравнении с холодильником — в нем полезным и отвечающим за конечную эффективность узлом является теплообменник, решетка радиатора. Работает все следующим образом:

• контур отбора тепла находится снаружи помещения, в окружении среды стабильной температуры;
• во время работы теплового насоса температура рабочего тела принудительно снижается естественными физическими процессами ниже показателей окружающей среды;
• происходит отбор тепла рабочим телом, интенсивность которого зависит от образованной разницы температур;
• рабочее тело поступает в контур преобразования состояния и теплообменник помещения;
• происходит отдача энергии воздуху или другой среде;
• рабочее тело в исходном состоянии подается в начало цикла (контур отбора тепла).

Такая схема отопления имеет ряд достоинств и недостатков. Однако в оптимальных условиях тепловой насос показывает значительную экономию. Для обогрева дома потребуется на 70-80% меньше затрат в сравнении с классическими системами газовых и твердотельных котлов.

Конечная эффективность теплового насоса зависит от множества факторов. Некоторые технологические решения способны решать только ограниченный ряд задач. Другие предполагают сложный монтаж теплового насоса.

Сегодня существует ряд бытовых приборов, владельцы которых и не подозревают, что в них применяются инновационные, революционные идеи отбора тепла окружающей среды. Причем это может происходить даже при отрицательной температуре воздуха за окном. Это кондиционеры с функцией отопления, которая, собственно, и построена на механике теплового насоса. Принципы работы таких устройств класса воздух-воздух будут рассмотрены позже.

Схема отопления частного дома с применением теплового насоса

Оптимальная схема применения теплонасоса для отопления дома включает в себя накопительный бак. Упрощенно это выглядит так:

Здесь блоки 1 и 2 — запорная арматура, которая решает задачу регулирования поступающих потоков тепла. Они могут быть ручного перекрытия потока или представлять собой автоматизированные термоголовки. Блок 3 — общий терморегулятор или система датчиков.

Работает отопление по следующему принципу:

• тепловой насос отбирает тепло окружающей среды и нагревает воду;
• жидкость поступает либо в теплообменник вторичного нагрева накопительной емкости, либо циркулирует в едином контуре;
• система отопления строится по классическому принципу, ток воды в ней обеспечивается циркулярным насосом.

Приведенная на рисунке схема — минимальное оснащение дома. Она может быть легко дополнена. В частности, никто не мешает установить две емкости и использовать принцип вторичного нагрева жидкости. Одна из них — бойлер с тепловым насосом (установленный непосредственно на выходе последнего) — используется для горячего водоснабжения. А более объемный бак решает задачу подачи теплоносителя в систему отопления.

Отлично работает вариант отопления дома с теплонасосом, накопительной емкостью и системой теплый пол. В этом случае не нужно нагревать жидкость до высокой температуры. Оптимальный показатель для теплого пола — от 30 до 40 градусов. Схема отопления аналогична уже приведенной, только вместо радиаторов вода поступает на коллекторный узел с собственной регулировкой потока.

Классификация тепловых насосов по характеристике сред

Классификация теплонасосов достаточно объемна. Устройства делятся по роду рабочего тела, принципу изменения его физического состояния, использованию устройств преобразования, характеру необходимого для работы энергоносителя. Если учесть, что на рынке представлены модели с разнообразными комбинациями классификационных критериев, становится понятно, что достаточно трудно перечислить все. Однако можно рассмотреть основные принципы группового деления.

От параметров источника тепла и среды-получателя зависит монтаж, конструкция, а также конечные характеристики теплового насоса. Сегодня предлагается несколько типов инженерных решений.

Воздух-воздух

Теплонасосы воздух-воздух — самые распространенные устройства. Они компактны и достаточно просты. На механике такого типа работают бытовые кондиционеры с режимом отопления. Принцип действия прост:

• уличный теплообменник охлаждается ниже температуры воздуха и отбирает тепло;
• после сжатия поступающего фреона в радиатор его температура сильно возрастает;
• вентилятор внутри комнаты, обдувая теплообменник, обогревает помещение.

Отбор энергии окружающей среды не обязательно производится внешним теплообменником. Для этой цели воздух может нагнетаться в расположенный в комнате блок. Именно так работают некоторые канальные системы.

Если в кондиционере происходит сжатие и расширение фреона, то в вихревых теплонасосах используется простой воздух. Механика работы аналогична: до поступления во внутренний теплообменник газ сжимается, а отдав энергию — задувается интенсивным потоком в камеру отбора тепла.

Вихревой теплонасос — большая, массивная установка, которая работает эффективно только при условии высокой температуры окружающей среды. Поэтому такие системы устанавливаются в промышленных цехах, они используют как источник тепла выхлопные газы печей или горячий воздух основной системы кондиционирования.

Вода-вода

Теплонасос типа вода-вода работает по тому же принципу, что и другие установки. Отличаются только среды передачи энергии. Оборудование оснащается погружными зондами, чтобы даже в условиях жесткой зимы добраться до горизонта грунтовых вод с положительной температурой.

В зависимости от потребностей отопления, теплонасосные системы вода-вода могут быть совершенно разного размера. К примеру, начиная от нескольких скважин, пробуренных вокруг частного дома, заканчивая расположенными непосредственно в водоносном слое теплообменниками большой площади, которые закладываются на этапе строительства здания.

Теплонасосы вода-вода отличаются большей производительностью и эффективной мощностью отдачи. Причина — в повышенной теплоемкости жидкости. Слой воды, в котором расположен зонд или теплообменник, быстро отдает энергию, а благодаря огромному объему незначительно снижает свои характеристики, способствуя стабильной работе системы. Также оборудование вода-вода отличается повышенным КПД.

Вода-воздух, воздух-вода

Комбинированные системы нужно выбирать особенно внимательно. При этом тщательно оцениваются существующие климатические условия. Например, цикл теплового насоса класса вода-воздух имеет хорошую эффективность для отопления в регионах с сильными морозами. Система же воздух-вода в связке с теплым полом и накопительным бойлером вторичного нагрева способна показать максимальные результаты экономии на территориях, где температура воздуха редко падает ниже -5…-10 градусов.

Расплав (рассол)-вода

Теплонасос данного класса — своеобразный универсал. Он может применяться буквально везде. Показатели его полезной тепловой мощности постоянны и стабильны. Принцип работы рассольно-водного устройства основан на отборе тепла, прежде всего, из почвы, имеющей нормальные показатели влажности или заболоченной.

Система отличается простым монтажом: для размещения внешних теплообменников достаточно зарыть их на определенную глубину. Также можно выбрать один из вариантов оборудования с газообразным или жидким рабочим телом.

Расчет теплового насоса класса рассол-вода делается по уровню потребности в энергии для отопления. Методик ее количественного определения предостаточно. Можно произвести максимально четкий расчет, принимая во внимание материал стен дома, конструкции окон, характер почвы, средневзвешенную температуру воздуха и многое другое.

Производители рассольно-водных систем предлагают различные варианты моделей, отличающихся мощностью потребления узла преобразования, конструкцией и габаритами внешних теплообменников, параметрами выходного контура. Выбрать оптимальный теплонасос по заранее сформированному списку требований несложно.

Деление по типу рабочего тела

Современные теплонасосы могут использовать газообразное тело или химический жидкий раствор аммиака в роли транспортера тепла. Пригодность той или иной схемы оценивается по нескольким факторам, особенностям систем.

1. Установки, использующие фреон, имеют цикл теплового насоса, основанный на процессах сжатия и расширения газа. Они так или иначе построены на компрессорной схеме. Оборудование обладает привлекательными показателями производительности, однако имеет и недостатки. Хотя средневзвешенное потребление системы в момент рабочего цикла стабильно, проводка сильно нагружается. Кроме этого, теплонасосы с газообразным транспортером тепла не будут полезны в регионах, где нет централизованных сетей электричества или источника питания достаточной нагрузочной способности.
   
2. Установки испарительного типа, использующие аммиачный раствор, имеют рабочий цикл, основанный на процессе испарения вещества при низких температурах кипения. Сжижение после прохода внешнего теплообменника происходит под действием источника энергии. Это — тепловая горелка. Для нее может применяться практически любое топливо: твердое, бензин, дизель, газ, керосин, в отдельных случаях — метиловый спирт. Поэтому испарительные теплонасосы привлекательны в местах, где нет электричества. Кроме этого, к выбору именно такого оборудования может подтолкнуть дешевизна топлива определенного вида в регионе.
   

Характер используемого в системе рабочего тела может многое сказать о производительности установки и отдачи мощности. Так, фреонные компрессорные теплонасосы способны на резкий рывок, быстро прогревая помещение. Аммиачные испарительные модели на такие подвиги не способны. Их предпочтительный режим использования — стабильная, постоянная работа с номинальной теплоотдачей.

Преимущества тепловых насосов и целесообразность их установки

Как заявлено в рекламе, главное преимущество тепловых насосов — экономичность отопления. В какой-то мере все работает именно так. Если теплонасос имеет среду отбора энергии, обеспечивающую оптимальные показатели температуры, установка работает эффективно, расходы на отопление снижаются примерно на 70-80%. Однако всегда есть случаи, когда теплонасос может быть нерациональным вложением средств.

Эффективность работы теплового насоса обуславливается следующими технологическими характеристиками:

• параметр граничного предела снижения температуры рабочим телом;
• минимальная разница в температурах внешнего обменника и окружающей среды, при которой отбор тепла крайне мал;
• уровень потребления энергии и отдачи полезной тепловой мощности.

Целесообразность применения теплонасоса зависит от нескольких факторов.

1. Территории, где такое оборудование не показывает хороших результатов — регионы с морозными зимами и низкими среднесуточными температурами. В этом случае, теплонасос просто не способен отобрать достаточно тепла из окружающей среды, вплотную приближаясь к зоне нулевой эффективности. В первую очередь, это касается систем воздух-воздух.
2. При росте объемов отапливаемого пространства технологические параметры теплонасоса увеличиваются почти в геометрической прогрессии. Становятся габаритнее теплообменники, размер и количество зондов погружения в воду или землю увеличиваются. В определенной точке стоимость теплонасоса для отопления, необходимые траты на его монтаж и обслуживание, а также оплату потребленной мощности становятся просто нерациональными вложениями. Гораздо дешевле создать классическую газовую схему отопления с котлом.
3. Чем сложнее система, тем дороже и проблематичнее ее ремонт в случае поломки. Это негативное дополнение к размеру отапливаемой площади и характеристикам климатической зоны.

Классика — это тепловой насос и газовый/твердотопливный котел, работающие в связке. Идея проста: продукты сгорания топлива выводятся по широкой трубе. В ней располагается обменник теплонасоса. В системе отопления и горячего водоснабжения устанавливаются накопительные емкости и бойлер косвенного нагрева. Оборудование (котел и насос) активируется одновременно при падении температуры жидкости в распределительной сети. Работая в паре, они практически полностью утилизируют энергию сгорающего топлива, показывая близкие к максимуму показатели эффективности.

Система с адаптацией к характеристикам окружающей среды построена на термонасосе, вентиляторном блоке, тепловой пушке любого класса. При достаточно высокой температуре воздуха на улице (до -5…-10 градусов Цельсия) теплонасос работает в штатном режиме, обеспечивая достаточную отдачу мощности для отопления. Особенность конструкции системы — расположение его внешнего теплообменника в отдельном вентиляционном канале. При падении температуры на улице ниже оптимальной отметки подаваемый воздух нагревается тепловой пушкой (дизельной, электрической или газовой).

Особо стоит отметить: большинство схем, предусматривающих адаптацию к температуре воздуха или стабилизирующие параметры эксплуатации теплонасоса, применяются к устройствам класса воздух-воздух и воздух-вода. Другие системы, из-за изолированных в земле или воде внешних теплообменников не позволяют создания подобных «тепличных» условий работы.

Основные характеристики и расчет мощности теплового насоса

Общая рациональность установки теплонасоса для отопления дома оцениваются, прежде всего, по финансовым тратам. Сюда входят:

• цена покупки оборудования;
• стоимость монтажа, которая может включать земельные работы;
• траты на периодическое обслуживание;
• примерная стоимость ликвидации частых неполадок.

Выбор модели по мощности, как было сказано выше, базируется на общей потребности в теплообеспечении. Примерный расчет для одноэтажного дома 10х10 метров (300 кубометров объема) выглядит примерно так:

• учитывается максимальная отрицательная зимняя температура (-20);
• определяется разница между комнатой и окружающей средой (20 — -20 = 40);
• высчитываются теплопотери стен, по справочным данным их материала (для кирпича табличное значение 1, теплопотери — 1х300х40 — 12000 килокалорий в час или 13,5 кВт).

Полученная цифра — показатель минимальной мощности теплового насоса, которого хватит для отопления дома. Для выбора оптимальной модели характеристику нужно увеличить минимум на 50%. Это делается из-за того, что теплонасосу зимой придется работать в неоптимальных условиях, близко к нижней точке нулевой эффективности по температуре окружающей среды. Полученная цифра для рассматриваемого примера — около 20 кВт.

Вторая часть расчета — выбор емкости накопительного бака. Данную часть системы рекомендуется устанавливать, чтобы теплонасос мог работать ограниченное число циклов в сутки. В документации к оборудованию приводятся рекомендации по объему теплоаккумулятора для определенного показателя цикличности. Среднестатистическая цифра — 30 литров на киловатт при 3 запусках, 20 литров — при 5 запусках. Таким образом, для дома в рассматриваемом примере понадобится бак накопителя минимум в 400 литров для пяти циклов работы теплонасоса в сутки.

Заключение

Если в результате анализа климата, доступных источников энергии, характера почв принято решение купить теплонасос для отопления — рекомендуется доверить проектирование системы профессионалам. Оптимальный выбор модели основывается не только на особенностях оборудования и механике его работы. Специалисты учтут теплоотдачу почв, выберут комбинированную схему с хорошей эффективностью, рассчитают лучший вариант проведения земельных работ. Поэтому разработанная профессионалами система отопления с тепловым насосом не заставит столкнуться с неожиданностями и пожалеть о своем выборе.

tehnika.expert

Принцип действия тепловых насосов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Преимущества и недостатки устройства

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

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

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

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

Разновидности тепло оборудования

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

Энергию устройства могут брать из:

• грунта
• воздуха
• воды.

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

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

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

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

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

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

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

Тепловой насос своими руками

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

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

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

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

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

Особенности монтажа теплового насоса

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

Какие трудности можно испытать во время проведения самостоятельной установки:

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

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

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

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

santehnikportal.ru

Принцип действия тепловых насосов

Стоит отметить, что практически любая среда обладает тепловой энергией. Почему бы не использовать возможное тепло для отопления своего дома? Поможет в этом тепловой насос.

Принцип работы теплового насоса таков: тепло передается теплоносителю от источника энергии с низким потенциалом. На практике же все происходит следующим образом.

Теплоноситель проходит через трубы, которые зарыты, к примеру, в земле. Потом теплоноситель попадает в теплообменник, где собранная тепловая энергия передается на второй контур. Хладагент, который расположен во внешнем контуре, нагревается, и превращается в газ. После этого газообразный хладагент проходит в компрессор, где сжимается. Это приводит к тому, что хладагент еще больше нагревается. Горячий газ идет в конденсатор, а там тепло переходит к теплоносителю, который уже обогревает сам дом.

Геотермальное отопление дома: принцип работы

Холодильные системы устроены по такому же принципу. Это значит, что холодильные установки могут использоваться для охлаждения воздуха в помещении.

Виды тепловых насосов

Существует несколько видов тепловых насосов. Но чаще всего устройства классифицируются характером теплоносителя на внешнем контуре.

Устройства могут черпать энергию с

• воды,
• грунта,
• воздуха.

Полученная энергия в доме может применяться для отопления помещения, для нагревания воды. Потому и различают несколько видов тепловых насосов.

Тепловые насосы: грунт — вода

Самый лучший вариант альтернативного отопления – получение тепловой энергии из грунта. Так, уже на глубине шести метров земля имеет постоянную и неизменную температуру. В качестве теплоносителя в трубах используется специальная жидкость. Наружный контур системы выполняется из пластиковых труб. Трубы в грунте могут размещаться вертикально или горизонтально. Если трубы размещаются горизонтально, то необходимо выделять большую площадь. Там, где трубы устанавливаются горизонтально, невозможно использовать земли для сельскохозяйственных нужд. Можно только устраивать газоны или сажать однолетние растения.

Чтобы устроить вертикально трубы в грунте, необходимо сделать несколько скважин глубиной до 150 метров. Это будет эффективный геотермальный насос, так как температура на большой глубине у земли высокая. Для передачи тепла применяются глубинные зонды.

Тип насоса «вода — вода»

Кроме того, тепло можно получать из воды, которая находится глубоко под землей. Могут использоваться водоемы, грунтовые воды или сточные воды.

Стоит отметить, что принципиальных отличий между двумя системами нет. Самые малые затраты требуются тогда, когда создается система получения тепла из водоема. Трубы нужно наполнить теплоносителем и погрузить в воду. Более сложная конструкция нужна для того, чтобы создать систему получения тепла из грунтовых вод.

Насосы «воздух — вода»

Можно собирать тепло и с воздуха, но в регионах, где очень холодные зимы, такая система не эффективна. В то же время монтаж системы очень простой. Вам понадобится только выбрать и установить нужное устройство.

Еще немного о принципе действия геотермических насосов

Для отопления очень выгодно использовать тепловые насосы. Дома, площадь которых имеет более 400 квадратных метров, очень быстро окупают затраты на систему. Но если ваш дом не очень большой, то можно сделать систему отопления своими руками.

Сначала нужно купить компрессор. Подойдет устройство, который оснащен обычный кондиционер. Его крепим на стене. Конденсатор можно изготовить самому. Нужно сделать из медных труб змеевик. Его помещают в пластиковый корпус. Испаритель также устанавливается на стене. Пайку, заправку фреоном и тому подобные работы должен выполнять только профессионал. Неумелые действия не приведут к хорошему результату. Мало того, можно получить травму.

Перед тем, как запустить в работу тепловой насос, необходимо проверить состояние электрификации дома. Мощность счетчика должна быть рассчитана на 40 ампер.

Самодельный тепловой геотермальный насос

Отметим, что не всегда созданный своими руками тепловой насос оправдывает ожидания. Причина тому – отсутствие правильных тепловых расчетов. Система имеет малую мощность, а также растут затраты на обслуживание. Поэтому важно провести точно все расчеты. опубликовано econet.ru 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

econet.ru

Типы тепловых насосов

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные.

Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать теплоту в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).

В зависимости от источника отбора теплоты тепловые насосы подразделяются на:

1) геотермальные (используют теплоту земли, наземных либо подземных грунтовых вод);

2) воздушные (источником отбора теплоты является воздух);

3) использующие производную (вторичную) теплоту (например, теплоту трубопровода центрального отопления). Подобный вариант является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где есть источники паразитной теплоты, которая требует утилизации.

Геотермальный тепловой насос может быть:

— замкнутого типа (горизонтальным, вертикальным или водным);

— открытого типа;

— с непосредственным теплообменом.

Рис. 1. Геотермальный тепловой насос

Рис. 2. Воздушный тепловой насос

Геотермальные тепловые насосы имеют такое устройство.

а) замкнутого типа:

— горизонтальные:

Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,2 м и более). Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.

— вертикальные:

Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м. Этот способ применяется в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта.

— водные:

Коллектор размещается извилисто либо кольцами в водоёме (озере, пруду, реке) ниже глубины промерзания. Это наиболее дешёвый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объёму воды в водоёме для конкретного региона.

— с непосредственным теплообменом (DX — сокращенно от английского «direct exchange» — «прямой обмен»).

В отличие от предыдущих типов, хладагент компрессором теплового насоса подаётся по медным трубкам, расположенным:

— вертикально в скважинах длиной 30 м и диаметром 80 мм;

— под углом в скважинах длиной 15 м и диаметром 80 мм;

— горизонтально в грунте ниже глубины промерзания.

Циркуляция хладагента компрессором теплового насоса и теплообмен фреона напрямую через стенку медной трубы с более высокими показателями теплопроводности обеспечивает высокую эффективность и надёжность геотермальной отопительной системы.

б) открытого типа:

Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно через систему геотермального теплового насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещён законодательством.

Рис. 3. Схема компрессионного теплового насоса: 1 — конденсатор; 2 — дроссель; 3 — испаритель; 4 — компрессор

Промышленные модели тепловых насосов по виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на восемь типов: «грунтвода», «вода-вода», «воздух-вода», «грунт-воздух», «вода-воздух», «воздух-воздух» «фреон-вода», «фреон-воздух». Тепловые насосы могут использовать теплоту выпускаемого из помещения воздуха, при этом подогревать приточный воздух (рекуператоры).

1. Отбор теплоты от воздуха

Эффективность и выбор определённого источника тепловой энергии сильно зависят от климатических условий, особенно, если источником отбора тепла является атмосферный воздух. По сути, этот тип более известен в виде кондиционера. В жарких странах таких устройств десятки миллионов. Для северных стран наиболее актуален обогрев зимой. Системы «воздух-воздух» и «воздух-вода» используются и зимой при температурах до минус 25 градусов, некоторые модели продолжают работать до -40 градусов. Но их эффективность невысока, порядка в 1,5 раза от затрат энергии, а за отопительный сезон в среднем около 2,2 раза по сравнению с электрическими нагревателями. При сильных морозах используется дополнительное отопление. Когда мощности основной системы отопления тепловыми насосами недостаточно, включаются дополнительные источники теплоснабжения. Такую систему называют бивалентной.

2. Отбор теплоты от горной породы

Скальная порода требует бурения скважины на достаточную глубину (100-200 метров) или нескольких таких скважин. В скважину опускается U-образный груз с двумя пластиковыми трубками, составляющими контур. Трубки заполняются антифризом. По экологическим соображениям это 30 % раствор этилового спирта. Скважина заполняется грунтовыми водами естественным путём, и вода проводит теплоту от камня к теплоносителю. При недостаточной длине скважины или попытке получить от грунта сверхрасчётную мощность, эта вода и даже антифриз могут замёрзнуть, что и ограничивает максимальную тепловую мощность таких систем. Именно температура возвращаемого антифриза и служит одним из показателей для схемы автоматики. Ориентировочно на 1 погонный метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой мощности. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной около 170 м. Нецелесообразно бурить глубже 200 метров, дешевле сделать несколько скважин меньшей глубины через 10- 0 метров друг от друга. Даже для сравнительно небольшого дома площадью в 110-120 м2 при небольшом энергопотреблении срок окупаемости 10-15 лет. Почти все имеющиеся на рынке установки работают и летом, при этом теплота (по сути солнечная энергия) отбирается из помещения и рассеивается в породе или грунтовых водах. В скандинавских странах со скальным грунтом гранит выполняет роль массивного радиатора, получающего теплоту летом (днём) и рассеивающего его обратно зимой (ночью). Также теплота постоянно приходит из недр Земли и от грунтовых вод.

3. Отбор теплоты от грунта

Самые эффективные, но и самые дорогие схемы предусматривают отбор теплоты от грунта, температура которого не меняется в течение года уже на глубине нескольких метров, что делает установку практически независимой от погоды. По данным 2006 года, в Швеции полмиллиона установок, в Финляндии 50000, в Норвегии устанавливалось в год 70000. При использовании в качестве источника теплоты энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на 30-50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе. 

На практике — на 0,7 — 1,2 метра. Минимальное рекомендуемое производителями расстояние между трубами коллектора — 1,5 метра, минимум —

1,2. Бурение не требуется, но нужны более обширные земельные работы на большой площади и трубопровод более подвержен риску повреждения. Эффективность такая же, как при отборе теплоты из скважины. Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода: в глине — 50-60 Вт, в песке — 30-40 Вт для умеренных широт, на севере значения меньше. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350-450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м2 (20х20 м). При правильном расчёте контур мало влияет на зелёные насаждения.

Преимущества и недостатки тепловых насосов

К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВтч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВтч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с КПД до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Рис. 4. Схема использования теплоты от теплового насоса в доме

Рис. 5. Схемы тепловых насосов

Ещё одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы «холодный потолок».

Тепловой насос надёжен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.

Важной особенностью системы является её сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Тепловой насос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

К 2012 году в Японии работали более 3,5 миллионов установок, в Швеции около 500 тысяч домов обогревается тепловыми насосами.

Недостатки геотермальных тепловых насосов, используемых для отопления, — большую стоимость установленного оборудования, необходимость сложного и дорогого монтажа внешних подземных или подводных теплообменных контуров. Недостаток воздушных тепловых насосов — более низкий коэффициент преобразования теплоты, связанный с низкой температурой кипения хладагента во внешнем «воздушном» испарителе. Общий недостаток тепловых насосов — сравнительно низкая температура нагреваемой воды, в большинстве не более +50 °С ^ +60 °С, причём, чем выше температура нагреваемой воды, тем меньше эффективность и надёжность теплового насоса.

www.eti.su

Насосное оборудование

Бытовые насосы и их виды

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

• погружные;
• поверхностные.

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

Насосы в системах отопления

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

Устройство теплового насоса

Теплонасос – это холодильник, который переносит тепло изнутри наружу.

Такая система включает:

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

Тепловой насос состоит из:

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

Принцип действия

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

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

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

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

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

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

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

Затем движение повторяет круг.

Альтернативное топливо для тепловых насосов

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

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

Грунтовые насосы

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

• горизонтального контура;
• вертикального коллектора.

Горизонтальный геотермальный контур

Требуется в зависимости от типа грунта:

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

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

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

Плюсы.

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

Вертикальные зонды

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

• месторасположения строения;
• типа грунта.

Такой вариант устройства системы теплового насоса для отопления сооружения характеризуется:

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

Кластерное бурение

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

• полимерных;
• коррозионно-стойких металлических.

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

Насосы системы типа «вода-вода»

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

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

Воздушные тепловые насосы

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

Сплит

Представлен наружным и внутренним боксами:

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

Моно

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

Преимущества выбора системы отопления тепловым насосом

Установка таких систем для отопления дома отличается:

• низким энергопотреблением (характеризуется теплоотдачей 3-7 кВт на 1 кВт затраченного электричества);
• автономностью – нет необходимости подавать топливо и прокладывать тепловые коммуникации;
• универсальностью – сочетание функций отопления и охлаждения;
• безопасностью – не взрывоопасна, не выделяет СО2;
• надёжностью – управляется автоматикой и проста в обслуживании;
• долговечностью – срок службы прибора 20-70 лет;
• комфортностью – бесшумна, не бывает скачков температуры и влажности;
• экологичностью – выбросы не загрязняют природу.

Выбор в пользу установки теплового насоса при отсутствии рядом газопровода – это наиболее оптимальное решение. А грамотные предварительные расчёты по проектированию дома, предусматривающие устройство тёплых полов и стен, использованию теплоизоляционных материалов в строительстве ограждающих конструкций, по выбору типа теплового насоса в комплексе даст максимальный эффект от эксплуатации дома.

kotel.guru