Виды и принцип работы тепловых насосов для отопления дома

Сегодня тема отопления так называемого частного сектора крайне актуальна. Как показывает практика, там не всегда есть газопровод, поэтому люди вынуждены искать альтернативные источники тепла. Давайте в данной статье поговорим о том, что такое грунтовый геотермальный теплонасос или, как его называют в быту — тепловой насос. Принцип работы данного агрегата известен далеко не каждому, ровно как и его конструкция. С этими моментами мы и попытаемся разобраться.

Принцип работы теплового насоса

Весь процесс работы системы представлен в виде цикла Карно – названного по имени изобретателя. Описать его можно следующим образом. Теплоноситель проходит через рабочий контур – воздушный, земляной, водный, их сочетания, откуда направляется в 1-й теплообменник – испарительную камеру. Здесь он передает накопленное тепло хладагенту, циркулирующему во внутреннем контуре насоса.

Принцип работы теплового насоса отопления дома

Принцип работы теплового насоса

Жидкий хладагент поступает в испарительную камеру, где низкие значения давления и температуры (50С) переводят его в газообразное состояние. Следующий этап – переход газа в компрессор и его сжатие. В результате чего температура газа резко возрастает, газ переходит в конденсатор, здесь он обменивается теплом с системой отопления. Охлажденный газ переходит в жидкость, и цикл повторяется.

Достоинства и недостатки тепловых насосов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Есть и недостатки:

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

Как видим, некоторые минусы довольно серьезные.

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

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.

Тепловой насос

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

Что собой представляет

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

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

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

Обратите внимание! Конструкция наружного блока зависит от типа теплового насоса. Например, в насосе типа «воздух-воздух» он представляет собой блок кондиционера, внутри которого располагается теплообменник с вентилятором. По трубным коммуникациям транспортируется теплоноситель.

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

Технические характеристики

Тепловой насос любой конструкции обладает следующими основными параметрами:

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

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

Не менее важными являются и другие технические характеристики:

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

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

Температура источника, °С

Тепловая мощность насоса, кВт Электрическая мощность, кВт СОР Температура входной воды, °С

Температура выходной воды, °С

20

4,5 1,2 3,75 30 50

7

1,45 3,1

-15

2,48 1,81
20 9 2,4

3,75

7 2,9

3,1

-15 5

1,8

 Принцип работы теплового насоса

Читайте также:  Все о центральном отоплении: что это такое и как от него отказаться

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

Упрощённая схема, объясняющая принцип работы теплового насоса.

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

 Тепловой насос работает так:

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

Выводы

Главным компонентом в схеме работы теплового насоса является хладагент — специальная жидкость, которая закипает при низкой температуре. Именно благодаря ей получаемые из земли или воздуха  0 … +7˚С превращаются в +40 … +50˚С необходимые для работы системы отопления.

Чем выше температура окружающей среды, тем стабильнее и выше КПД теплового насоса. Вот почему грунтовые тепловые насосы считаются более эффективными, чем воздушные.

Принцип работы теплового насоса: как преобразовывает тепло, схема и устройство

Самостоятельное изготовление теплового насоса

Учитывая достаточно высокую стоимость данного оборудования у многих самодельщиков возникает соблазн собрать его своими руками, используя подручные агрегаты и комплектующие. Что следует сказать по этому поводу?

Теперь посмотрим, можно ли собрать тепловой насос своими руками. Для этого нужен практический опыт мастера-холодильщика, поскольку заполнение системы фреоном и ее опрессовку новичок выполнить не сможет.

Изготовление установки на базе агрегатов от старого холодильника или кондиционера можно рассматривать лишь как демонстрационный вариант, не имеющий практической ценности из-за низкой эффективности.

В интернете тиражируется руководство по сборке теплового насоса на базе компрессора от кондиционера, емкости из нержавейки (конденсатор) и пластиковой бочки (испаритель). Назвать эту инструкцию серьезным подспорьем для самостоятельной работы нельзя.

Тепловой насос «Вода-вода»: принцип работы

Также не стоит сразу отбрасывать возможность использования кинетической энергии воды. Дело в том, что на большой глубине температура остается достаточно высокой и изменяется в небольших диапазонах, если это вообще происходит. Вы можете пойти несколькими путями и использовать:

  • Открытые водоемы, такие как реки и озера.
  • Грунтовые воды (скважина, колодец).
  • Сточные воды (обратное водоснабжение).

С экономической и технической точки зрения проще всего наладить работу геотермального насоса в открытом водоеме. При этом существенных конструктивных отличий между насосами «грунт-вода» и «вода-вода» нет. В последнем случае погружаемые в открытый водоем трубы снабжаются грузом. Что касается использования грунтовых вод, то конструкция и монтаж более сложные. Необходимо выделить отдельную скважину для сброса воды.

Принцип работы, виды и устройство теплового насоса

Тепловой насос – серьезный альтернативой традиционной отопительной системе, поскольку он не производит тепло, а лишь собирает его. При постоянно растущих тарифах на тепло и электричество он может стать неплохой альтернативой традиционным система отогрева.

  • Виды тепловых насосов
  • Грунт-вода     Воздух-вода     Вода-вода    

  • Принцип работы теплового насоса
  • Охлаждение с помощью теплового насоса
  • Окупаемость системы отопления
  • Расчет оборудования для дома
  • Безопасность

Виды тепловых насосов

Существует три вида тепловых насосов:

  • Грунт-вода;
  • Воздух-вода;
  • Вода-вода.

А теперь разберемся что из себя представляет каждый из видов теплового насоса. В качестве незамерзающей жидкости используется соленой раствор, вода со спиртом или гликолевая смесь.

Грунт-вода

Тепловой насос «извлекает» тепло из грунта на глубине более одного метра при помощи зондов или коллекторов. В системе циркулирует незамерзающая жидкость, которая перемещает тепловую энергию к системам отопления.

Для больших земельных участков подойдут геотермальные коллекторы, которые проложены ниже уровня промерзания грунта. Если же участок небольшой, то в данном случае оптимальны геотермальные зонды. В почве система трубопроводов устанавливается вертикально.

Воздух-вода

В данном случае насос извлекает тепло из воздуха. Вентиляторы прогоняют воздух через испаритель и при этом происходит «извлечение» тепла. Холодный воздух отводится обратно.

Вода-вода

Устройство работает с водой, а точнее с грунтовыми водами или с водоемами, из которых извлекается тепло. Вода закачивается из скважины и, проходя через тепловой насос, отдает тепло. Охлажденная вода потом отводится обратно.

Принцип работы теплового насоса

В систему входит:

  • Сам тепловой насос;
  • Устройство забора (зонд или коллектор);
  • Устройство распределения тепла (теплый пол или другие).

Внутренний контур теплового насоса состоит из элементов:

  • Компрессор;
  • Испаритель;
  • Дроссельный клапан;
  • Конденсатор
Принцип работы, виды и устройство теплового насоса

По принципу работы тепловой насос – холодильник, который работает наоборот. Только если холодильник отводит тепло из внутреннего пространства наружу, то тепловой насос – забирает тепло из окружающей среды и передает в отопительную систему.

Читайте также:  Инфракрасные обогреватели - расчет и выбор

Главное преимущество воздуха — его доступность, тогда как земные недра и грунтовые воды — оптимальные теплоаккумуляторы с относительно постоянной в течение всего года температурой.

При этом на обогрев дома уходит гораздо меньше электроэнергии, чем при обычном электрокотле.

Охлаждение с помощью теплового насоса

Тепловой насос может работать и на охлаждение. При этом есть две технологии работы: активная и пассивная. Пассивная охлаждение работает по принципу отопления. При активном охлаждении используется кондиционирование воздуха. В реверсивном тепловом насосе можно менять направление фреона или другого хладагента.

Производители предоставляют техническую поддержку при выборе, проектировании и дальнейшем запуске в эксплуатацию теплового насоса, при это они помогут с получением необходимых разрешительных документов.

Окупаемость системы отопления

Стоимость установки оборудования теплового насоса подразумевает значительные траты, большие чем электрический или газовый котел. Но зато система отопления в среднем доме в 100-150 квадратных метров окупит себя за полтора-два года на обслуживании. И это только на отоплении. Летом, в жаркие дни, тепловой насос может выступать в качестве кондиционера.

Надо помнить, что окупаемость системы во многом зависит от теплоизоляции дома, ведь дом с хорошей теплоизоляцией обогревать легче, чем дом с «открытыми» окнами.

Расчет оборудования для дома

При выборе теплового насоса надо учитывать энергетическое (теплопотери и теплоизоляцию) состояние дома. Должна быть установлена хорошая теплоизоляция здания. Чем выше показатели теплоизоляции, тем ниже будут затраты на обогрев здания.

Это позволит поставить тепловой насос меньшей мощности и позволит уменьшить стоимость монтажа, да и системы отопления в целом.

Если на данном этапе неправильно рассчитать мощность теплового насоса, то это приведет к его неэффективной работе — большее потребление электроэнергии впустую или сильной нагрузкой на систему.

Расчет мощность для дома производится с учетом теплопотерь. Перед установкой теплового насоса нужно максимально уменьшить потери тепла.

Для обогрева дома нужно от 70-80 ватт на квадратный метр с большими теплопотерями до 30Вт на кв. м у «пассивных» домов.

Тепловой насос лучше всего сочетается с водяным теплым полом, но при его расчете необходимо учитывать тип напольного покрытия – в идеале, напольная плитка.

Безопасность

Тепловой насос не выбрасывает вредные соединения в атмосферу. Также насос не подвержен взрыву, как котлы на жидком топливе или газе, ведь в системе нет нагрева деталей, чтобы произошел взрыв. При хорошей изоляции проводов система прослужит долго.

Водяное отопление с естественной циркуляцией

Открытая система отопления

Отопительные системы без насоса обычно классифицируются в соответствии с определенными характеристиками, отражающими их функциональность.

В зависимости от типа уравнительного бака, естественное циркуляционное отопление обычно подразделяется на следующие типы:

  1. Открытая система отопления. В этом исполнении расширительный бачок расположен как можно выше для создания избыточного давления и обеспечения откачки воздуха. В этом случае бак также используется для подачи жидкости в систему.
  2. Закрытая система отопления с естественной циркуляцией отличается тем, что вместо расширительного бачка устанавливается диафрагменный аккумулятор, с помощью которого создается дополнительное давление не более 1,5 атмосфер. Из соображений безопасности система имеет встроенный манометр, который регулирует внутреннее давление.

Нагревательные конструкции с естественной циркуляцией также разделены в зависимости от способа соединения нагревательных элементов. В соответствии с данной классификацией, существуют следующие виды отопления

  1. Монотрубная система отопления. Принцип действия этого типа отопления заключается в том, что все нагреватели соединены последовательно с системой, т.е. охлаждающая жидкость циркулирует от одного элемента к другому. Несомненным преимуществом этого типа отопления является то, что его установка достаточно проста и требует минимального количества материалов.
  2. Двухтрубная система отопления с естественной циркуляцией. В этом варианте нагревательные элементы соединяются параллельно с главной трубой. Другими словами, каждый агрегат поставляется с одинаковой температурой, и охлажденная жидкость возвращается в котел по трубе, обычно называемой «обратная труба».

Эта схема отопления является оптимальной для отопления жилых помещений. Единственным недостатком является то, что для монтажа такой отопительной системы требуется большое количество труб и другой сантехнической арматуры.

Совет по строительству: При выборе отопительной системы для вашего дома, вы должны учитывать ваши характеристики при покупке всех расходных материалов для отопительной установки.

Выводы

Исходя из нашего опыта в устройстве систем альтернативной энергетики, мы можем выделить основные факты, которые являются основополагающими при выборе нашими Заказчиками тепловых насосов:

  • полная безопасность и экологичность (отсутствую процессы горения и движущие части)
  • возможность «сегодня» заказать систему и через три недели наслаждаться ее использованием без каких-либо согласований с контролирующими и разрешительными органами.
  • Полная автономность и минимальное техническое обслуживание (нет необходимости состоять в газовом кооперативе, зависеть от него; не надо подбрасывать дрова или проводить ежемесячную чистку воздуховодов, организовывать подъезд топливозаправщика и прочее)
  • Стоимость участка для строительства индивидуального дома без подведенного газа значительно ниже и срок сдачи жилья не зависит от газовых служб
  • Возможность удаленного управления через интернет
  • Передовое и инновационное оборудование стильного исполнения, которое не стыдно показать друзьям и знакомым, что безусловно подчеркивает статус домовладельца.

Если в данной статье мы не затронули какие-то вопросы и вы хотите задать их лично – вы можете приехать к нам в офис по адресу: г. Минск, ул. Одоевского, 117, и проконсультироваться у наших инженеров.

Так же, у нас есть возможность организовать бесплатное посещение уже реализованных функционирующих объектов.

Контактные телефон для связи; 017 399 70 51

e-mail