Тепловой насос что это такое


Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, разновидности и использование

В условиях ухудшения экологической обстановки в мире и (что более актуально для рядового потребителя) стремительного роста тарифов на газ и электричество все больше европейцев старается внедрить в свою повседневную жизнь системы, использующие альтернативные источники энергии. Один из вариантов подобных систем – так называемый тепловой насос, посредством которого можно отапливать свое жилище в зимний период и нагревать воду для бытовых нужд, расходуя на это минимум электроэнергии.

В домах наших соотечественников в последние годы тоже все чаще можно встретить это чудо инженерной мысли. Конечно, для россиян проблема высоких цен на традиционные энергоносители пока стоит не так остро, как в Европе, но, во-первых, это лишь до поры до времени, а во-вторых, не хочется отставать от цивилизованного мира…

Итак, тепловой насос… Что это такое? На чем основан принцип его действия? Откуда, куда и как он перекачивает тепло? Давайте разбираться.

Принцип действия тепловых насосов основан на способности вещества (хладагента) поглощать или отдавать тепло при изменении агрегатного состояния. По своей сути такие насосы мало чем отличаются от холодильных установок. (Это странное, на первый взгляд, утверждение нисколько вас не удивит, если вы хоть раз дотрагивались до горячей задней стенки обычного бытового холодильника.)

Схематично тепловой насос может быть представлен в виде системы, состоящей из трех контуров. В первом находится теплоноситель, переносящий энергию от источника низкопотенциального тепла. Во втором контуре циркулирует хладагент (фреон), который периодически то испаряется, отбирая тепло у первого контура, то вновь конденсируется, отдавая его третьему контуру. И, наконец, по третьему контуру «бегает» теплоприемник, в нашем случае – вода, переносящая тепло по системе отопления.

Рабочий цикл теплонасоса в общих словах может быть описан следующим образом. Жидкий хладагент поступает в испаритель, где переходит в газообразное состояние. Необходимая для протекания этого процесса энергия отбирается у теплоносителя, циркулирующего в первом контуре. Далее подогретый на несколько градусов газообразный хладагент всасывается в компрессор, главное назначение которого – сжатие газа (на совершение этой работы, разумеется, расходуется электроэнергия).

Давление газа возрастает в несколько раз, при этом он существенно разогревается: если на входе в компрессор температура хладагента составляет 6-10°C, то на выходе уже около 60°C. На следующей стадии разогретый газ направляется в конденсатор, где отдает полученное тепло системе отопления, сам же при этом конденсируется, т.е. переходит в жидкое состояние. Затем избыточное давление сбрасывается с помощью дроссельного клапана, и цикл начинается заново.

Как видите, устройство теплового насоса не отличается принципиально от устройства холодильной машины. Просто основным назначением холодильных установок является генерирование холода, поэтому там отбор теплоты производится испарителем, а конденсатор лишь сбрасывает эту теплоту в окружающее пространство. В тепловом же насосе картина обратная: конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, отдающий теплоту потребителю, а испаритель – это теплообменник, утилизирующий низкопотенциальную теплоту вторичных энергоресурсов.

Другими словами тепловой насос – это «холодильник наоборот». При этом «наоборот» не только устройство, но и результат. Если в случае холодильника тепло, отнимаемое у хранящихся внутри продуктов, выбрасывается впустую, то энергия, вырабатываемая тепловым насосом, приносит реальную пользу – тратится на целенаправленный обогрев дома.

Разновидности тепловых насосов и систем

Тепловая энергия, расходуемая на отопление здания и систему горячего водоснабжения, является результатом преобразования энергии окружающей среды, осуществляемого с помощью теплового насоса. Насос концентрирует эту низкопотенциальную (низкотемпературную) энергию и передает ее системе отопления.

Осталось разобраться, что в данном случае подразумевается под энергией окружающей среды. Большинство тепловых насосов бытового назначения позволяют использовать тепло Солнца и внутреннее тепло Земли, накапливаемые верхними слоями земной коры и водой в течение всего года.

По типу конструкции первого контура теплообменника все тепловые насосы делятся на грунтовые, водяные и воздушные.

Грунтовые тепловые насосы

Грунтовые тепловые насосы получают тепло, необходимое для подогрева хладагента в испарителе, от грунта. Температура последнего на глубине нескольких метров практически не подвержена сезонным колебаниям. По замкнутой системе труб, размещенных в грунте, циркулирует «рассол». Слово «рассол» мы не случайно взяли в кавычки: соли, как этого можно было бы ожидать исходя из названия, он не содержит. На самом деле это антифриз на основе этиленгликоля или пропиленгликоля, реже водного этанола. Трубы теплообменника могут быть уложены в грунте как горизонтальным (горизонтальный коллектор), так и вертикальным (геотермальный зонд) способом.

Трубы горизонтального коллектора укладываются в землю на глубине ниже уровня промерзания грунта в данном регионе (обычно 1.5-2 м). Теплообменная система этого вида занимает достаточно большую площадь. Например, для обеспечения теплом сравнительно небольшого дома площадью 100 м2 потребуется выделить 2-3 сотки земли. Следует принять во внимание, что на территории, занятой коллектором, можно садить лишь те деревья и кустарники, корни которых не уходят в почву слишком глубоко, а располагать здесь какие-либо постройки и вовсе нельзя.

Геотермальный зонд – это теплообменник, трубы которого располагаются вертикально и погружены в грунт на глубину до 100-200 м. Количество устанавливаемых зондов зависит от требуемой мощности установки. Для обогрева дома, уже рассматриваемого нами выше в качестве примера, достаточно будет двух зондов длиной около 80 м, расположенных на расстоянии 5 м друг от друга.

Как видите, для размещения этой системы не требуется больших площадей, вы можете пробурить скважины в любой части вашего участка – там, где вам это удобно. Главный недостаток грунтовых тепловых насосов с геотермальными зондами – высокая стоимость работ по бурению скважин. Однако, невзирая на это, большинство пользователей отдает предпочтение именно этим системам, ведь геотермальные зонды обладают большей эффективностью, чем горизонтальные коллекторы, и имеют при этом меньше ограничений.

Бурение скважины для геотермального зонда.

Водяные тепловые насосы

Водяной тепловой насос «черпает» энергию грунтовых вод, которые прокачивает через свой испаритель. Подобная система отличается повышенной эффективностью и неплохой стабильностью: первая характеристика является результатом высокой теплоотдачи воды, вторая обусловлена постоянством температуры грунтовых вод.

Разумеется, чтобы использовать установку такого типа, требуется, чтобы эти самые грунтовые воды имелись на вашей территории, причем в достаточно большом количестве. Очень желательно, чтобы водоносный слой располагался не глубже 30-40 м. Одновременное выполнение этих двух условий – явление нечастое. Еще одним условием, невыполнение которого может стать препятствием для установки водяного теплонасоса в вашем доме или коттедже, является низкое содержание в грунтовых водах солей железа и прочих примесей.

Использование воды низкого качества приведет к тому, что оборудование быстро выйдет из строя, поскольку теплообменник попросту забьется. Наличие такого количества ограничений является причиной того, что подобные тепловые насосы, несмотря на всю их привлекательность, устанавливают нечасто (около 5% от всех реализованных проектов).

Воздушные тепловые насосы

С точки зрения простоты монтажа воздушные тепловые насосы обладают огромным преимуществом перед своими «собратьями». Для использования окружающего воздуха в качестве источника тепла вам не придется бурить скважины или проводить какие-то другие крупномасштабные грунтовые работы. В результате, если заложить в смету стоимость работ по установке оборудования, воздушный насос обойдется вам значительно дешевле, чем водяной или грунтовый.

Несмотря на столь весомое достоинство, идеальным этот вид климатического оборудования не назовешь, поскольку есть у него и существенный недостаток. Такой насос эффективно работает лишь при температуре окружающего воздуха выше –15°C…–20°C. Падение температуры ниже этой границы, что в зимний период не является редкостью в большинстве регионов нашей страны, ведет к существенному уменьшению коэффициента эффективности воздушного теплонасоса.

Коэффициент эффективности тепловых насосов

Чуть выше мы использовали новый термин – «коэффициент эффективности». Было бы неправильно не пояснить, что это такое, тем более что это важная характеристика тепловых насосов, позволяющая сравнивать насосы разных типов между собой.

Коэффициент эффективности (называемый также коэффициентом трансформации) – это отношение выработанной насосом тепловой энергии к потребленной им электрической. По сути это КПД теплового насоса. В случае водяных теплонасосов этот коэффициент равен 5 вне зависимости от времени года. Это означает, что при потреблении 1 кВт*ч электроэнергии установка вырабатывает 5 кВт*ч тепловой энергии.

У грунтовых насосов величина коэффициента эффективности чуть ниже – от 4 до 4.5. И, наконец, самым маленьким коэффициентом характеризуются воздушные тепловые насосы, при этом их эффективность сильно зависит от температуры окружающего воздуха: при 0°C величина коэффициента равна ~3.5, а при –20°C он уже не превышает 1.5 (при такой низкой эффективности насос попросту не окупится, и имеет смысл подумать о приобретении более дешевого климатического оборудования, например электрического котла).

Некоторые менеджеры, рекламируя реализуемые ими тепловые насосы, уверяют потенциальных клиентов в том, что данное оборудование имеет КПД 400-500%. Разумеется, ни о каком нарушении законов термодинамики речи не идет. Просто в данном случае расчеты намеренно делаются неправильно: не учитываются источники энергии, отличные от потребляемого электричества, – воздух, вода или грунт, нагретые Солнцем и геотермальными процессами. Когда при расчете КПД учитывают только электроэнергию и забывают про источник низкопотенциального тепла, как раз и получается величина больше 100%.

Применение тепловых насосов в условиях российского климата

Познакомившись с приведенными выше описаниями различных типов тепловых насосов, вы без труда сами сможете ответить на вопрос, какой насос больше всего подходит для эксплуатации в условиях российского климата.

Воздушные тепловые насосы пригодны для применения лишь в ограниченном числе регионов нашей страны – там, где температура воздуха зимой почти не опускается ниже нулевой отметки. Разумеется, жителям Сибири, Дальнего Востока, севера европейской части России о воздушных тепловых насосах не стоит и размышлять.

Для применения водяных тепловых насосов есть много ограничений. О некоторых из них мы уже рассказывали, осталось упомянуть еще об одном. Более половины территории нашей страны находится в зоне вечной мерзлоты. Если даже какому-нибудь жителю Восточной Сибири или севера Дальнего Востока «повезло», и на его участке есть грунтовые воды, залегающие не слишком глубоко, то все равно эти грунтовые воды находятся в виде льда, а значит, не пригодны для использования в системе отопления.

Таким образом, большинству наших соотечественников приходится рассчитывать на единственный, беспроигрышный, вариант – грунтовый тепловой насос. При этом в условиях российского климата больше подойдет насос не с горизонтальным коллектором, а с геотермальным зондом, позволяющим достигнуть глубины, где температура грунта более стабильна.

Применение теплового насоса для охлаждения

Огромным достоинством тепловых насосов является то, что они способны не только отапливать дом, но и при необходимости охлаждать его. Наше короткое российское лето порою бывает очень жарким, и, когда ваше жилище буквально раскаляется, предложение превратить обогреватель в кондиционер будет очень кстати.

Техническое решение этого вопроса может быть интегрировано в тепловой насос изначально, на стадии изготовления, и практически у всех производителей имеются линейки насосов, умеющих кондиционировать помещение (режим Natural Cooling). Если ваш тепловой насос не обладает такими способностями, не все еще потеряно – работать на охлаждение может и обычный насос. Необходимое для этого дополнительное оборудование в виде гидравлической развязки будет смонтировано вне насоса. Оба варианта не требуют больших капиталовложений.

Нести генерируемый тепловым насосом холод непосредственно в помещение можно разными способами. Эта функция может быть возложена на холодные панели на стенах или потолке, охлаждающий теплый пол, радиаторы отопления с хорошим обдувом или же фанкойл – устройство, в чей корпус встроен обдуваемый вентилятором пластинчатый теплообменник.

Применение теплового насоса для горячего водоснабжения

Любой тепловой насос способен не только обогревать ваше жилище, но и круглогодично снабжать вас горячей водой. Однако следует учитывать, что эта система является низкотемпературной, а значит, температура воды в бойлере не превысит 45-55°C. Из этого следует, что объем бойлера должен быть больше, чем при использовании стандартной системы отопления, в противном случае вам и вашим домочадцам придется жить в условиях жесткой экономии горячей воды.

Данный факт следует учитывать при выделении площади для котельной, т. е. еще на стадии проектирования дома. Также при выборе бойлера нужно принимать во внимание, что это должно быть специальное оборудование, рассчитанное на работу с теплонасосными установками. Главное отличие такого бойлера от обычного – увеличенная площадь теплообменника, необходимая для максимально эффективной передачи тепла от теплового насоса.

Тепловые насосы со встроенным ТЭНом

Нередко производители встраивают в свои тепловые насосы дополнительные электрические нагреватели. Встроенный ТЭН позволяет в случае необходимости перейти на альтернативный с точки зрения теплового насоса источник энергии – электричество. Для чего это нужно? В каких случаях возникает потребность задействовать ТЭН?

Подбор теплового насоса для отопления дома осуществляется с учетом различных параметров, в том числе и климатических особенностей региона. При этом считается нецелесообразным устанавливать насос с избыточной мощностью. Дело в том, что экстремально холодные дни случаются не так уж и часто, по крайней мере, в центрально-европейской части России. Практика показывает, что более экономичным вариантом будет «добрать» в эти морозные периоды необходимую мощность электричеством, чем изначально устанавливать более мощный насос. Наличие ТЭНа исключает необходимость делать систему более мощной, чем это требуется большую часть отопительного сезона.

Для владельцев водяных и грунтовых тепловых насосов встроенный ТЭН – скорее излишество, чем необходимость. Совсем иначе выглядит ситуация с воздушными теплонасосами. При температуре воздуха –20°C и ниже такой насос, если и не отключится, будет малоэффективен. И пусть холодных дней и ночей в году не очень много, совсем не хочется в один прекрасный момент остаться в стремительно вымерзающем доме. Наличие дублирующего теплогенератора в данном случае никак не назовешь роскошью.

Воздушный тепловой насос.

Советы и рекомендации

Тепловой насос – оборудование технически сложное и достаточно дорогое, поэтому подходить к его выбору следует с большой ответственностью. Чтобы не быть голословными, приведем несколько вполне конкретным рекомендаций.

1. Никогда не приступайте к выбору теплового насоса без предварительного проведения расчетов и создания проекта. Отсутствие проекта может стать причиной фатальных ошибок, исправить которые можно будет лишь с помощью огромных дополнительных финансовых вложений.

2. Доверить проектирование, монтаж и сервисное обслуживание теплового насоса и системы отопления следует только профессионалам. Как убедиться в том, что в данной компании работают профессионалы? В первую очередь, по наличию всей необходимой документации, портфолио реализованных объектов, сертификатов от поставщиков оборудования. Очень желательно, чтобы весь комплекс необходимых услуг предоставляла одна компания, которая в данном случае будет нести полную ответственность за реализацию проекта.

3. Советуем вам отдать предпочтение тепловому насосу европейского производства. Пусть вас не смущает тот факт, что он дороже китайского или российского оборудования. При включении в смету стоимости работ по монтажу, запуску и отладке всей системы отопления разница в цене насосов будет практически незаметна. Но зато, имея в своем распоряжении «европейца», вы будете уверены в его надежности, поскольку высокая цена насоса – это лишь результат использования при его создании современных технологий и высококачественных материалов.

srbu.ru

Тепловые насосы для дома: особенности технологии, сфера применения и стоимость оборудования

Для прочтения нужно: 3 мин.

Тепловые насосы успешно используются в быту и промышленности в Европе и США уже более 25 лет. Их особенность состоит в преобразовании так называемого низкопотенциального тепла окружающей среды: земли, воды, воздуха. На российском рынке эта экологичная технология получила распространение сравнительно недавно.

Экспериментальные поселки, которые отапливались при помощи тепловых насосов, существовали еще в Советском Союзе. То, что было смелым экспериментом в двадцатом веке, в двадцать первом – вошло в практику.

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.

Это интересно!

Впервые в Москве теплонасосная система горячего водоснабжения для многоэтажного дома была сдана в эксплуатацию в микрорайоне Никулино-2 в 2002 г. Проект был реализован при участии Министерства обороны РФ.

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

Принцип работы теплового насоса

Тепловой насос представляет собой устройство, позволяющее переносить тепловую энергию от менее нагретого тела к более нагретому телу, увеличивая его температуру. В последние годы тепловые насосы пользуются повышенным спросом как источник альтернативной тепловой энергии, позволяющий получать действительно дешевое тепло, не загрязняя при этом окружающей среды.

Сегодня их выпускают многие производители теплотехнического оборудования, а общая тенденция такова, что в ближайшие годы именно тепловые насосы займут лидирующие позиции в ряду отопительного оборудования.

Как правило, тепловые насосы используют тепло подземных вод, температура которых круглый год находится приблизительно на одном уровне и составляет +10С, тепло окружающей среды или водоемов.

Принцип их работы основывается на том, что любое тело, имеющее температуру выше значения абсолютного нуля, обладает запасом тепловой энергии, прямо пропорциональным его массе и удельной теплоемкости. Понятно, что моря, океаны, а также подземные воды, масса которых велика,  обладают грандиозным запасом тепловой энергии, частичное использование которой на отоплении жилища никак не сказывается на их температуре и на экологической обстановке на планете.

«Забрать» тепловую энергию от какого-либо тела можно только охладив его. Количество выделенного при этом тепла (в примитивном виде) можно рассчитать по формуле

Q=CM(T2-T1), где

Q-полученное тепло

C-теплоемкость

M- масса

T1 T2 - разность температур, на которую было произведено охлаждение тела

Из формулы видно, что при охлаждении одного килограмма теплоносителя от 1000 градусов до 0 градусов может быть получено такое же количество тепла, что и при охлаждении 1000кг теплоносителя от 1С до 0С.

Главное, суметь использовать тепловую энергию и направить ее на отопление жилых домов и производственных помещений.

Идея использования тепловой энергии менее нагретых тел возникла еще в середине 19 столетия, а ее авторство принадлежит знаменитому ученому того времени лорду Кельвину. Однако далее общей идеи дело у него не продвинулось. Первый проект теплового насоса был предложен в 1855 году и принадлежал он Петеру Риттеру фор Риттенгеру. Но и он не получил поддержки и не нашел практического применения.

«Второе рождение» теплового насоса относится к середине сороковых годов прошлого столетия, когда широкое распространение получили обычные бытовые холодильники. Именно они натолкнули швейцарца Роберта Вебера на идею использовать тепло, выделяемое  морозильной камерой, для нагрева воды для хозяйственных нужд.

Полученный эффект оказался ошеломляющим: количество тепла оказалось столь велико, что его хватило не только для горячего водоснабжения, но и подогрева воды для отопления. Правда, при этом пришлось порядком потрудиться и придумать систему теплообменников, позволяющую утилизировать выделяемую холодильником тепловую энергию.

Однако вначале изобретение Роберта Вебера рассматривалось как забавная идея, и воспринималась подобно идеям из современной знаменитой рубрики «Очумелые ручки». Настоящий интерес к нему возник намного позже, когда действительно остро встал вопрос поиска альтернативных источников энергии. Вот тогда идея теплового насоса получила свое современное очертание и практическое применение.

Современные тепловые насосы можно классифицировать в зависимости от источника низкотемпературного тепла, которым может быть грунт, вода (в открытом или в подземном водоеме), а также наружный воздух.

Полученная тепловая энергия может передаваться воде и использоваться для устройства водяного отопления, и горячего водоснабжения, а также воздуху, и применяться для отопления и кондиционирования. Учитывая это, тепловые насосы делят на 6 видов:

  • От грунта к воде (грунт-вода)
  • От грунта к воздуху (грунт-воздух)
  • От воды к воде (вода-вода)
  • От воды к воздуху (вода-воздух)
  • От воздуха к воде (воздух-вода)
  • От воздуха к воздуху (воздух-воздух)

Каждый вид тепловых насосов имеет свои характерные особенности установки и эксплуатации.

Способ установки и особенности эксплуатации теплового насоса ГРУНТ-ВОДА

  • Грунт универсальный поставщик низкотемпературной тепловой энергии

Грунт обладает колоссальным запасом низкотемпературной тепловой энергии. Именно земная кора постоянно аккумулирует солнечное тепло и при этом подогревается изнутри, от ядра планеты. В результате на глубине нескольких метров грунт всегда имеет положительную температуру. Как правило, в центральной части России речь идет о 150-170 см. Именно на этой глубине температура грунта имеет положительное значение и не опускается ниже 7-8 С.

Еще одна особенность грунта состоит в том, что даже при сильных морозах он промерзает постепенно. В результате минимальная температура грунта на глубине 150 см наблюдается тогда, когда на поверхности уже наступает календарная весна и потребность в тепле для отопления снижается.

Это значит, что для того, чтобы «отобрать» тепло у грунта в центральном районе России, теплообменники для аккумуляции тепловой энергии необходимо расположить на глубине ниже 150 см.

В этом случае теплоноситель, циркулирующий  в системе теплового насоса, проходя по теплообменникам, будет нагреваться за счет тепла грунта, затем, поступая в испаритель, передавать тепло воде, циркулирующей в системе отопления, и возвращаться за новой порцией тепловой энергии.

  • Что может использоваться в качестве теплоносителя

В качестве теплоносителя в тепловых насосах типа грунт-вода чаще всего используют так называемый «рассол». Его готовят из воды и этиленгликоля или пропиленгликоля. В некоторых системах используют фреон, что в значительной степени усложняет конструкцию теплового насоса и приводит к повышению его стоимости. Дело в том, что теплообменник насоса этого вида должен иметь большую площадь теплообмена, следовательно, и внутренний объем, что требует соответствующего количества теплоносителя.

Использование фреона хоть и повышает эффективность работы теплового насоса, но при этом требует абсолютной герметичности системы и ее устойчивости к повышенному давлению.

Для систем с «рассолом» теплообменники обычно делают из полимерных труб, чаще всего полиэтиленовых, диаметром от40-60мм. Теплообменники имеют вид горизонтальных или вертикальных коллекторов.

  • Горизонтальный грунтовый коллектор

Горизонтальный грунтовый коллектор представляет собой трубу, уложенную в грунт на глубине ниже 170 см. Для этого можно использовать любой незастроенный участок земли. Для удобства и увеличения площади теплообмена трубу укладывают зигзагом, петлями, спиралью и т.д. В дальнейшем этот участок земли можно использовать под газон, клумбу или огород. Следует отметить, что теплообмен между грунтом и коллектором идет лучше во влажной среде. Поэтому поверхность грунта можно смело поливать и удобрять.

Считается, что в среднем 1м2 грунта дает от 10 до 40 Вт тепловой энергии. В зависимости от потребности в тепловой энергии, петель коллектора может быть любое количество.

Вертикальный коллектор представляет собой систему труб, установленных в земле вертикально. Для этого бурятся скважины на глубину от нескольких метром до десятков, а то и сотен метров. Чаще всего вертикальный коллектор находится в тесном контакте с подземными водами, но это не является необходимым условием для его эксплуатации. То есть, вертикально установленный подземный коллектор может быть «сухим».

Вертикальный коллектор, так же, как и горизонтальный, может иметь практически любую конструкцию. Наибольшее распространение получили системы типа «труба в трубе» и «петли», по которым рассол подается насосом вниз и им же поднимается обратно к испарителю.

Следует отметить, что вертикальные коллекторы наиболее производительны. Объясняется это их расположением на большой глубине, где температура практически всегда находится на одном уровне и составляет 1—12 С. При их использовании с 1м2 можно получить от 30 до 100 Вт мощности. При необходимости количество скважин можно увеличивать.

Для улучшения процесс теплообмена между трубой и грунтом пространство между ними заливают бетоном.

  • Достоинства и недостатки тепловых насосов типа «грунт-вода»

Монтаж теплового насоса типа «грунт-вода» требует значительных финансовых вложений, но его эксплуатация позволяет получать практически бесплатную тепловую энергию. При этом не причиняется никакого ущерба окружающей среде.

Среди достоинств теплового насоса этого типа следует отметить:

  • Долговечность: может работать несколько десятилетий подряд без ремонта и технического обслуживания
  • Простоту эксплуатации
  • Возможность использования участка земли для земледелия
  • Быструю окупаемость: при отоплении помещений значительной площади, например от 300 м2 и выше, насос окупается за 3-5 лет.

Учитывая то, что установка теплообменника в грунт представляет собой сложные агротехнические работы, выполнять их следует обязательно с предварительной разработкой проекта.

Как работает тепловой насос

Тепловой насос состоит из следующих элементов:

  • Компрессора, работающего от обычной электрической сети
  • Испарителя
  • Конденсатора
  • Капилляра
  • Терморегулятора
  • Рабочего тела или хладагента, на роль которого в наибольшей степени подходит фреон

Принцип действия теплового насоса можно описать с помощью хорошо известного из школьного курса физики «Цикла Карно».

Поступающий в испаритель по капилляру газ (фреон) расширяется, его давление уменьшается, что приводит к его последующему испарению, при котором он, соприкасаясь со стенками испарителя, активно забирает у них тепло. Температура стенок снижается, что создает разницу температур между ними и массой, в которой находится тепловой насос. Как правило, это подземные воды, морская вода, озеро или масса земли. Не трудно догадаться, что при этом начинается процесс передачи тепловой энергии от более нагретого тела к менее нагретому телу, которым в данном случае, являются стенки испарителя. На данном этапе работы тепловой насос «выкачивает» тепло из среды теплоносителя.

На следующем этапе хладагент всасывается компрессором, затем сжимается и под давлением подается в конденсатор. В процессе сжатия его температура возрастает и может составлять от 80 до 120 С, что более чем достаточно для отопления и горячего водоснабжения жилого дома. В конденсаторе хладагент отдает свой запас тепловой энергии, остывает, переходит в жидкое состояние, а затем и поступает в капилляр. Затем процесс повторяется.

Для управления работой теплового насоса используется терморегулятор, с помощью которого прекращается подача электроэнергии в систему при достижении в помещении заданной температуры и возобновление работы насоса при снижении температуры ниже заранее определенного значения.

Тепловой насос можно использовать в качестве источника тепловой энергии и устраивать с ним системы отопления, аналогичные системам отопления на основе котла или печи. Пример такой системы приведен на схеме выше.

Следует отметить, что работа теплового насоса возможна только при подключении его к источнику электрической энергии. При этом может ошибочно возникнуть мнение, что вся система отопления основа на использовании именно электрической энергии. В действительности, для передачи в систему отопления 1кВт тепловой энергии необходимо затратить приблизительно 0,2-0,3 кВт электрической энергии.  

Преимущества теплового насоса

Среди преимуществ теплового насоса следует выделить:

  • Высокую эффективность
  • Возможность переключения с режима отопления на режим кондиционирования и его последующее использование летом для охлаждения помещений
  • Возможность использования эффективной системы автоматического контроля
  • Экологическую безопасность
  • Компактность( размер не более бытового холодильника)
  • Бесшумность работы
  • Пожарную безопасность, что особенно важно для обогрева загородных домов

Среди недостатков теплового насоса следует отметить его высокую стоимость и сложность монтажа.

aquagroup.ru

Обзор тепловых насосов для отопления - плюсы и минусы. Жми!

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

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

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

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

Геотермальное отопление работает по одному из трех направлений:

  1. Сквозь специальную трубу, установленную в скважине, грунтовые воды извлекаются на поверхность земли. Они имеют определенную температуру. Проходя через теплообменник, вода передает свое тепло, за счет которого совершается прогрев дома. Затем вода возвращается в грунт, ниже по течению.
  2. В скважину глубиной примерно 75 — 100 метров опускается резервуар с антифризом, температура которого может повышаться от окружающего грунта. Тепловой насос разгоняет антифриз и пропускает его через теплообменник. За счет этого совершается отдача тепла.
  3. В данном случае бурение скважины не предусматривается, однако дом должен находиться рядом с крупным водоемом. Специальная магистраль в виде зондов прокладывается по дну водоема. Таким образом происходит перекачивание воды и извлечение из нее тепла. Важный нюанс — достаточная глубина водоема, которая даже зимой под толщей льда позволит сохранять до 150 сантиметров свободной воды.

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

Преимущества использования теплового насоса

  • 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.

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

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

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

Тепловые насосы комплектуются различными дополнительными устройствами. Это могут быть:

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

Процесс работы насоса состоит из нескольких этапов:

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

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

Отопление дома в зимний период

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

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

В каких случаях использование теплового насоса является обоснованным?

Вопрос отопления загородного дома предполагает рассмотрение нескольких вариантов:

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

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

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

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

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

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

Практика применения тепловых насосов: видео

  • Автор: nikolay-sivakov
  • Распечатать

teplo.guru


Смотрите также