Тепловые насосы для отопления дома: виды и принцип работы

Преимущества использования теплового насоса

• Экономичность. Благодаря высокому КПД системы достигается низкое энергопотребление. Из 1 кВт затраченной электроэнергии получается от 3 до 7 кВт тепловой энергии. Это больше, чем при работе любых котлов, использующих топливо.
• Автономность. Работа насоса не нуждается в подаче органического топлива, поэтому нет необходимости прокладывать тепловые коммуникации.
• Универсальность. В одном устройстве сочетаются одновременно системы нагрева воды, отопления и охлаждения.
• Безопасность. В отличие от котлов, которые могут воспламениться или взорваться, тепловой насос является абсолютно безопасным. Он не содержит деталей, температура которых может привести к пожару. Не выделяет угарный ядовитый газ. Остановка работы не приведет к поломке или замораживанию жидкости.
• Надежность. Работой насоса управляет автоматика. Обслуживание не требует специального обучения.
• Долговечность. Прибор может прослужить от 20 до 50 лет. Это на порядок больше, чем у стандартных систем отопления.
• Комфорт. Функционирование насоса не сопровождается колебанием температуры и влажности. Работает практически бесшумно.
• Минимум площади требуется под скважину. Так как зонд находится под землей, повредить его невозможно.
• Экологичность. Окружающая среда не загрязняется вредными выбросами.
• Отсутствие бумажной волокиты. При монтаже не нужны согласования, как, например, при установке газового отопления.

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

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

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

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

Важно! Для работы таких насосов требуется подключение к электросети. В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан

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

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

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

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

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

Преимущества:

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

Недостатки:

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

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

Применение геотермального насоса для горячего водоснабжения

Каждая из описанных выше схем позволяет не только обогревать жилище, но и снабжать людей горячей водой, причем независимо от времени года. Даже при отключенном отоплении в трубах будет вода с температурой от +45 до +60 град. Используется специальная емкость с теплообменником – бойлер. Проточные модификации не нашли применения ввиду слабой эффективности и отсутствия возможности иметь запас. Недостаток – необходимость обустройства отдельного помещения под котельную.

Обычный водонагреватель не подойдет. Покупают специализированное оборудование, предназначенное для подключения к теплонасосной установке. Такой бак обойдется дороже, ведь для эффективного разогрева объема воды потребуется развитая сеть теплообменных элементов, что влечет за собой удорожание. Материалов расходуется больше, а устройство сложнее в исполнении. Однако экономия перекроет затраты уже в первые год-два в зависимости от частоты использования и количества жильцов.

Принцип работы тепловых насосов

В любом ТН имеется рабочая среда, именуемая хладагентом. Обычно в этом качестве выступает фреон, реже – аммиак. Само устройство состоит всего из трех компонентов:

• испаритель;
• компрессор;
• конденсатор.

Испаритель и конденсатор – это два резервуара, имеющие вид длинных изогнутых трубок – змеевиков. Конденсатор одним концом присоединяется к выходному патрубку компрессора, а испаритель — ко входному. Концы змеевиков стыкуются и в месте соединения между ними устанавливается редукционный клапан. Испаритель контактирует – непосредственно или косвенно – со средой-источником, а конденсатор – с системой отопления или ГВС.

Принцип работы теплового насоса

Работа ТН основана на взаимозависимости объема, давления и температуры газа. Вот что происходит внутри агрегата:

1. Аммиак, фреон или другой хладагент, двигаясь по испарителю, нагревается от среды-источника, допустим, до температуры +5 градусов.
2. Пройдя испаритель, газ достигает компрессора, который перекачивает его в конденсатор.
3. Нагнетаемый компрессором хладагент удерживается в конденсаторе редукционным клапаном, поэтому его давление здесь выше, чем в испарителе. Как известно, с ростом давления температура любого газа увеличивается. Именно это происходит с хладагентом – он разогревается до 60 – 70 градусов. Поскольку конденсатор омывается циркулирующим в системе отопления теплоносителем, последний также нагревается.
4. Через редукционный клапан хладагент небольшими порциями сбрасывается в испаритель, где его давление снова падает. Газ расширяется и остывает, а поскольку часть внутренней энергии была потеряна им в результате теплообмена на предыдущем этапе, его температура опускается ниже изначальных +5 градусов. Следуя по испарителю, он снова нагревается, далее закачивается в конденсатор компрессором – и так по кругу. По-научному этот процесс называется циклом Карно.

Главная особенность ТН состоит в том, что тепловая энергия берется из окружающей среды буквально даром. Правда, для ее добычи необходимо потратить некоторое количество электроэнергии (для компрессора и циркуляционного насоса/вентилятора).

Но ТН все-равно остается очень выгодным: за каждый потраченный кВт*ч электроэнергии удается получить от 3 до 5 кВт*ч тепла.

Тепловые насосы — расчёт отопления.

Отопление загородного дома тепловым насосом или дома в черте города, в плане расчётов зависит от многих факторов. Но всё же можно выделить общие тенденции в расчётах.Коэффициент преобразования — определяет эффективность геотермального насоса. Этот коэффициент характеризуется соотношением полученного тепла и потраченной электроэнергией. Обычно, при правильном монтаже системы, такой коэффициент составляет около пяти. Другими словами 1 кВт потраченной электроэнергии даёт 5 кВт тепловой энергии.

Путём несложных математических махинаций можно вычислить стоимость одного кВт тепла, например с учётом тарифов в Украине. Тариф на март 2015 года составляет 30,84 коп за кВт/ч. Таким образом стоимость кВт тепла, которое произведено в системе отопления тепловым насосом, составляет около 7 копеек.

Типы тепловых насосов

Рассмотрим рабочие характеристики и типы тепловых насосов. Что касается условий эксплуатации, их можно использовать в достаточно широком температурном диапазоне от -30 °С до +35 °С. Наиболее распространенными считаются компрессионные и абсорбционные насосы. Первые обеспечивают циркуляцию в системе за счет механической и электрической энергии, вторые переносят тепло с помощью самого источника тепла. Абсорбционные насосы более экономичные, но имеют более сложную конструкцию и стоят дороже.

В зависимости от типа источника тепла тепловые насосы можно поделить на:

• геотермальные, забирающие тепло земли или воды (грунтовых вод, водоемов и т.д.);
• воздушные, забирающие тепло воздуха;
• насосы вторичного тепла, забирающие тепло, которое выделяется при отоплении, рабочих процессах на производстве и т.д. Обычно такие насосы используются именно на производствах, где есть источники «ненужного» тепла.

В качестве теплоносителя в тепловых насосах может использоваться вода, воздух, грунт или их комбинации.

Геотермальные тепловые насосы бывают замкнутыми и открытыми. Открытые системы используются для нагрева воды, которая попадает в контур, нагревается и выводится наружу. Использовать такую систему можно, если поблизости есть достаточно большой источник воды с достаточным объемом. Кроме того, вода, прошедшая через систему, не должна загрязнять окружающую среду, а ее выброс нужно согласовывать с государственными учреждениями.

Более предпочтительными являются замкнутые системы, которые тоже можно поделить на несколько типов:

• с горизонтальным расположением коллектора, когда он монтируется в выкопанной в земле траншее ниже уровня промерзания грунта. В зависимости от климата и типа грунта глубина монтажа коллектора может меняться, в среднем же она составляет порядка 1,5 м. Для увеличения площади и объема контура при сокращении затраченной площади коллектор лучше укладывать кольцами. Этот тип требует наличия на участке значительной свободной площади, что не всегда возможно;
• с вертикальным расположением коллектора, когда он размещается в скважине на глубине порядка 200 м. Такой тип используется в случаях, когда на участке не удается выделить нужную площадь для установки теплового насоса или же поверхность участка неровная;
• водный, когда коллектор монтируется в водоеме (природном или искусственном) на глубине ниже его промерзания. В этом случае коллектор тоже желательно размещать кольцами для экономии площади. Для установки водного теплового насоса должны быть соблюдены некоторые условия: объем воды в водоеме должен быть достаточным для получения нужного количества тепла, а также глубина водоема должна быть довольно большой, чтобы вода в нем не промерзала до самого дна.

Тепловой насос «воздух — воздух»

В качестве низкопотенциального источника энергии, данный тип оборудования использует уличный воздух. Внешне он не отличается от обычной сплит — системы кондиционирования, однако имеет ряд функциональных особенностей, позволяющих ему работать при низких температурах (до -30 С) и «изымать» энергию из окружающей среды. Обогрев дома осуществляется непосредственно теплым воздухом, нагреваемом в конденсаторе теплонасоса.

Достоинства ТН «воздух — воздух»:

• Невысокая стоимость
• Малое время монтажных работ и сравнительная простота установки
• Отсутствие возможности утечки теплоносителя

Недостатки:

• Значительное снижение СОР при низких температурах (до 1,2)
• Устойчивая работоспособность до -20 С
• Необходимость установки внутреннего блока в каждую комнату или организацию системы воздуховодов для подачи нагретого воздуха во все помещения.
• Невозможность получения горячей воды (ГВС)

На практике, такие системы применяются для сезонного жилья и не могут выступать в качестве основного источника обогрева.

Коэффициент эффективности

Именно этот параметр позволяет сопоставить эффективность установок различного типа, чтобы определить оптимальный вариант. Данный термин является тем самым КПД. Рассчитывается эффективность как отношение вырабатываемого количества энергии и потребляемому. Под потреблением стоит понимать электроэнергию, затраченную на запуск системы и расходуемую в процессе ее работы. Независимо от времени года для водяных модификаций коэффициент эффективности равен 5.

Другими словами, если устройство потребляет, скажем 2 кВт в час, то установка выдает до 10 кВт час, но уже в виде тепла. Геотермальное отопление частного дома менее эффективно, так как коэффициент равен 4,0-4,5. В случае с воздушным типом определяющим фактором является температура окружающей среды. Так при нуле он равен 3,5. Если же она снизится до -20 град. то эффективность будет равна 1,5. Именно нестабильность в последнем случае является фактором низкого спроса на устройства воздушного типа. А все больше людей отдают предпочтение «золотой» середине – геотермальным агрегатам.

Часто поставщики оборудования указывают в техническом описании КПД в процентах. Этот маркетинговых ход не должен ввести вас в заблуждение. Если, например, имеет место характеристика эффективности в 400%, то это означает, что коэффициент равен 4. Иными словами при потреблении 1 кВт*ч электроэнергии отопительная система способна вырабатывать до4 кВт*ч. То есть величину, указанную в процентах необходимо разделить на 100. Это и будет отношение потребления к «выработке».

Эффективность и целесообразность

КПД тепловых насосов зависит от их производительности и качества. Например, воздушные ТН в зависимости от модели и стоимости могут производить при +5 градусов от 2 до 5 кВт тепла на 1 кВт затраченной электроэнергии. У грунтовых и водяных термопомп все зависит от оборудования, некоторые имеют КПД до 1000%, но цена такого теплового насоса немаленькая.

В статье мы разобрали принцип работы теплового насоса для обогрева здания, а вопрос о выборе, покупке и установке каждый должен решать самостоятельно. В любом случае, тепловые насосы – достойная альтернатива другим источникам тепла. Особенно учитывая, что газ и твердое топливо постоянно дорожают. Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!

Loading…

Тепловой насос и его характерные особенности

Высокий уровень эффективности

В тепловом насосе в электричестве нуждается только компрессор. Для других элементов оно не нужно. При проведении даже приблизительных расчетов можно убедиться в том, что при получении 1 кВт тепла потребуется только 250 Вт электроэнергии. В результате можно заключить, что КПД теплового насоса составляет 400%!

Если это соотнести с суммарной сезонной стоимостью обогрева дома, то цифра кажется фантастической. Однако при более близком рассмотрении особенностей работы насоса можно поверить в ее реальность.

Что дает полная независимость от топливных ресурсов

• Во-первых, организовать отопление можно практически повсюду.
• Во-вторых, потребитель освобождается от затрат на топливо. Поскольку тепловой насос берет энергию из окружающей среды.
• В-третьих, исчезает необходимость создания запасов топлива и его складирования.

В-четвертых, агрегаты данной группы не относятся к объектам повышенной опасности. В принципе, установку насоса можно произвести своими руками.

Универсальность использования

Тепловой насос способен играть роль кондиционера. Чего не скажешь, конечно, о котле отопления. То есть какое-то дополнительное климатическое оборудование оказывается попросту ненужным. И данный свойство следует рассматривать как дополнительный момент экономии.

Свободный выбор схемы и способа установки

Если монтировать отопление в жилом доме на основе теплового насоса, то согласований не требуется. И это является существенным плюсом. Поскольку связываться с бюрократической машиной не придется.

Маркировка насоса

Все нужные пользователю данные содержит маркировка на передней панели. Цифры на циркуляционном насосе означают:

• тип устройства (чаще всего это UP — циркуляционный);
• тип регулировки скорости (не указан — односкоростной, S — ступенчатое переключение, E — плавное частотное регулирование);
• диаметр патрубков (указывается в миллиметрах, означает внутренний габарит трубы);
• напор в дециметрах или метрах (может отличаться у разных производителей);
• монтажный габарит.

Маркировка насоса содержит сведения и о типах соединений подводящих и выходных труб. Полная схема кодирования и порядка следования слов выглядит так:

Ответственные производители всегда следуют стандартным правилам маркировки. Однако отдельные компании могут не указывать часть данных, например, монтажный габарит. Его нужно узнавать непосредственно из документации к устройству.

Стоит выбирать насос только от проверенных брендов. Надежные устройства представлены и в средней ценовой категории

А если нужно высочайшее качество и есть возможность заплатить в полтора-два раза больше — следует обратить внимание на изделия марок GRUNDOFS, WILO

Со встроенным ТЭНом

Часто во время производства изготовители дополнительно встраивают в теплонасосы электрические нагреватели. Это позволяет при необходимости переходить на альтернативный для термонасоса источник энергии — электричество.

Это объясняется следующими факторами. Выбор теплонасоса для отопительной системы производится с учетом разных параметров, в частности и особенностями климата конкретного региона. Причем является нецелесообразным монтировать оборудование с избыточной мощностью. Просто экстремальные заморозки случаются редко.

Как показала практика, самым экономным способом «добрать» в эти холодные дни требуемую мощность — это электроэнергия. Это дешевле, чем изначально монтировать насос повышенной мощности. Наличие электрического нагревателя позволяет исключить необходимость устанавливать более мощный насос, чем это необходимо.

Для хозяев грунтовых или водяных теплонасосов установленный ТЭН не является необходимостью. Совершенно по-другому происходит ситуация с воздушным оборудованием. При температуре -17C этот насос будет малопроизводительным. Установка дополнительного теплового генератора в этом случае целесообразна.

Виды тепловых насосов

Классификация ТН зависит от теплового источника. Различают три основных вида тепловых насосов:

• Грунтовые (геотермальный тепловой насос).
• Использующие воду в качестве теплообменного вещества.
• Воздушные.
• Грунтовые ТН

В течение лета земля интенсивного накапливает тепло, которое сохраняет на протяжении года. Данный вид энергии прекрасно подойдет для отопления и горячего водоснабжения.

Как это работает?

• На участке земли расположенном рядом с домом выкапываются траншеи, в которые укладываются полиэтиленовые трубы (можно использовать обычные тонкостенные Ø40 мм).
• Трубы заполняются незамерзающей жидкостью (например антифризом), проводится опрессовка на предмет выявления протечек и траншеи закапываются.
• Концы коллектора заводятся в дом и подключаются к тепловому насосу.

Забирая низкопотенциальное тепло из грунта, антифриз или другой носитель передает его в ТН, где происходит преобразование (через испаритель, компрессор, конденсатор) в высокотемпературное тепло.

Насосы, извлекающие тепловую энергию из грунта, считаются максимально эффективными. Ведь даже в сильные морозы, температура на глубине неизменна и энергозатраты на отопление не увеличиваются.

Для устройства земляного контура потребуется на 1м2 площади дома, примерно 5 п.м. трубы. Это не много и за несколько дней можно выполнить все работы самостоятельно.