Тепловой насос для отопления принцип. Принцип работы теплового насоса

Первые варианты теплонасосов могли лишь частично удовлетворить потребности в тепловой энергии. Современные разновидности более эффективны и могут применяться для систем отопления. Именно поэтому смонтировать тепловой насос своими руками пытаются многие домовладельцы.

Мы расскажем, как выбрать оптимальный вариант теплового насоса с учетом гео-данных участка, на котором его планируется установить. В предложенной к рассмотрению статье подробно описан принцип действия систем использования “зеленой энергии”, перечислены отличия. С учетом наших советов вы, без сомнения, остановитесь на эффективном типе.

Для самостоятельных мастеров мы приводим технологию сборки теплового насоса. Представленную к рассмотрению информацию дополняют наглядные схемы, подборки фото и развернутый видео-инструктаж в двух частях.

Под термином тепловой насос понимается набор определенного оборудования. Основной функцией этого оборудования является сбор тепловой энергии и ее транспортировка к потребителю. Источником такой энергии может стать любое тело или среда, обладающая температурой от +1º и более градусов.

В окружающей нас среде источников низкотемпературного тепла более чем достаточно. Это промышленные отходы предприятий, тепловых и атомных электростанций, канализационные стоки и пр. Для работы тепловых насосов в сфере отопления дома нужны три самостоятельно восстанавливающихся природных источника – воздух, вода, земля.

Тепловые насосы “черпают” энергию из процессов, регулярно происходящих в окружающей среде. Течение процессов никогда не прекращается, потому источники признаны неисчерпаемыми по человеческим критериям

Три перечисленных потенциальных поставщика энергии напрямую связаны с энергией солнца, которое путем нагревания приводит в движение воздух с ветром и сообщает тепловую энергию земле. Именно выбор источника является основными критерием, согласно которому классифицируют тепловые насосные системы.

Принцип действия тепловых насосов базируется на способности тел или сред передавать тепловую энергию другому телу или среде. Получатели и поставщики энергии в тепловых насосных системах работают обычно в паре.

Так различают следующие виды тепловых насосов:

• Воздух – вода.
• Земля – вода.
• Вода – воздух.
• Вода – вода.
• Земля – воздух.
• Вода – вода
• Воздух – воздух.

При этом первое слово определяет тип среды, у которой система отбирает низкотемпературное тепло. Второе указывает на вид носителя, которому и передается эта тепловая энергия. Так, в тепловых насосах вода – вода, тепло отбирается у водной среды и в качестве теплоносителя используется жидкость.

У отопительного оборудования, для работы которого используются достаточно дорогие виды энергоносителей, такие как газ, электричество, твердое и жидкое топливо, относительно недавно появилась достойная альтернатива – тепловой насос вода-вода. Для функционирования такого оборудования, которое только начинает набирать популярность в России, нужны неисчерпаемые источники энергии, характеризующиеся низким потенциалом. Тепловая энергия при этом может извлекаться практически из любых водных источников, в качестве которых могут быть использованы естественные и искусственные водоемы, скважины, колодцы и др. Если расчет и монтаж такой насосной установки выполнены правильно, то она способна обеспечивать отопление как жилых, так и производственных строений на протяжении всего зимнего периода.

Конструктивные элементы и принцип работы

У рассматриваемых тепловых насосов для отопления дома принцип действия напоминает принцип работы холодильного оборудования, только наоборот. Если холодильная установка выводит часть тепла из своей внутренней камеры наружу, тем самым понижая в ней температуру, то работа теплового насоса состоит в том, чтобы охлаждать окружающую среду и нагревать теплоноситель, который перемещается по трубам отопительной системы. По тому же принципу функционируют тепловые насосы «воздух – вода» и «земля – вода», которые также используют энергию из низкопотенциальных источников для обогрева жилых и производственных помещений.

Конструктивная схема теплового насоса вода-вода, который является наиболее продуктивным среди устройств, использующих источники энергии с низким потенциалом, предполагает наличие таких элементов, как:

• наружный контур, по которому перемещается вода, откачиваемая из водного источника;
• внутренний контур, по трубопроводной магистрали которого перемещается хладагент;
• испаритель, в котором холодильный агент превращается в газ;
• конденсатор, в котором газообразный хладагент снова становится жидкостью;
• компрессор, предназначенный для того, чтобы увеличивать давление газообразного холодильного агента перед его подачей в конденсатор.

Таким образом, в устройстве теплового насоса вода-вода нет ничего сложного. Если вблизи от дома имеется естественный или искусственный водоем, то для отопления строения лучше всего применять как раз тепловой насос типа вода-вода, принцип работы и конструктивные особенности которого состоят в следующем.

1. Контур, представляющий собой первичный теплообменник, по которому циркулирует антифриз, размещается на дне водоема. При этом глубина, на которой выполняют монтаж первичного теплообменника, должна быть ниже уровня промерзания водоема. Антифриз, проходя по первичному контуру, нагревается до температуры 6–8°, а затем подается к теплообменнику, отдавая тепло его стенкам. Задача антифриза, циркулирующего по первичному контуру, заключается в передаче теплоэнергии воды холодильному агенту (фреону).
2. В том случае если схема работы теплового насоса предусматривает забор и передачу тепловой энергии воды, откачиваемой из подземной скважины, контур с антифризом не используется. Вода из скважины по специальной трубе пропускается через камеру теплообменника, где и отдает свою тепловую энергию холодильному агенту.
3. Теплообменник для тепловых насосов – важнейший элемент их конструкции. Это устройство, состоящее из двух модулей – испарителя и конденсатора. В испарителе фреон, подающийся по капиллярной трубке, начинает расширяться и превращается в газ. При контакте газообразного фреона со стенками теплообменника хладагенту передается низкопотенциальная тепловая энергия. Зарядившийся такой энергией фреон подается в компрессор.
4. В компрессоре осуществляется сжатие газообразного фреона, в результате чего температура хладагента повышается. После сжатия в камере компрессора фреон поступает в другой модуль теплообменного аппарата – конденсатор.
5. В конденсаторе газообразный фреон снова превращается в жидкость, а накопленная им тепловая энергия передается стенкам емкости, в которой находится теплоноситель. Поступая в камеру второго модуля теплообменника, фреон, находящийся в газообразном состоянии, конденсируется на стенках накопительной емкости, сообщает им тепловую энергию, которая затем передается воде, находящейся в такой камере. Если при выходе из испарителя фреон обладает температурой 6–8 градусов Цельсия, то на входе в конденсатор теплового насоса вода-вода благодаря вышеописанному принципу работы такого устройства ее значение достигает 40–70 градусов Цельсия.

Таким образом, принцип работы теплового насоса базируется на том, что хладагент при переходе в газообразное состояние забирает тепловую энергию у воды, а при переходе в жидкое состояние в конденсаторе отдает накопленную энергию жидкой среде – теплоносителю отопительной системы.

Точно по такому же принципу работают тепловые насосы «воздух – вода» и «земля – вода», разница состоит лишь в типе источника, который применяется для получения тепловой энергии низкого потенциала. Другими словами, тепловой насос принцип работы имеет один, не варьирующийся в зависимости от типа или модели устройства.

То, насколько эффективно нагревается тепловым насосом теплоноситель системы отопления, во многом определяется колебаниями температуры воды – источника низкопотенциальной энергии. Высокую эффективность такие устройства демонстрируют при работе с водой из скважин, где температура жидкой среды в течение года находится в диапазоне 7–12 градусов Цельсия.

Насос «вода-вода» относится к одному из грунтовых типов тепловых насосов

Принцип работы теплового насоса вода-вода, обеспечивающий высокую эффективность данного оборудования, позволяет использовать такие устройства для оснащения систем отопления жилых и промышленных строений не только в регионах с теплыми зимами, но и в северных районах.

Чтобы тепловой насос, схема работы которого описана выше, демонстрировал высокую эффективность, следует знать, как правильно выбрать такое оборудование. Очень желательно, чтобы выбор теплового насоса вода-вода (а также «воздух – вода» и «земля – вода») осуществлялся с участием квалифицированного и опытного специалиста.

При выборе теплонасоса для водяного отопления учитываются следующие параметры такого оборудования:

• производительность, от которой зависит площадь здания, отопление которого насос может обеспечить;
• торговая марка, под которой произведено оборудование (учитывать данный параметр необходимо потому, что серьезные компании, продукция которых уже оценена многими потребителями, уделяют серьезное внимание как надежности, так и функциональности производимых моделей);
• стоимость как самого выбираемого оборудования, так и его монтажа.

При выборе тепловых насосов вода-вода, воздух-вода, земля-вода рекомендуется обращать внимание на наличие у такого оборудования дополнительных опций. Сюда, в частности, относятся возможности:

• управления работой оборудования в автоматическом режиме (работающие в таком режиме за счет специального контроллера тепловые насосы позволяют создать в обслуживаемом ими строении комфортные условия для проживания; изменение параметров работы и другие действия по управлению теплонасосами, которые оснащены контроллером, могут выполняться посредством мобильного устройства или пульта ДУ);
• использования оборудования для нагрева воды в системе ГВС (обращать внимание на данную опцию следует потому, что в некоторых (особенно старых) моделях тепловых насосов, коллектор которых устанавливается в открытых водоемах, она отсутствует).

Расчет мощности оборудования: правила выполнения

Прежде чем приступать к выбору определенной модели теплового насоса, надо разработать проект системы отопления, которую такое оборудование будет обслуживать, а также выполнить расчет его мощности. Такие вычисления необходимы для того, чтобы определить фактическую потребность в тепловой энергии здания с определенными параметрами. При этом обязательно учитывают тепловые потери в таком здании, а также наличие в нем контура ГВС.

Для теплового насоса вода-вода расчет мощности выполняется по следующей методике.

• Сначала определяют общую площадь здания, для отопления которого будет использоваться приобретаемый тепловой насос.
• Определив площадь здания, можно рассчитать мощность теплонасоса, способного обеспечить отопление. Выполняя такой расчет, придерживаются правила: на 10 кв. м площади здания необходимо 0,7 киловатт мощности теплового насоса.
• Если тепловой насос будет использоваться и для обеспечения функционирования системы ГВС, то к полученному значению его мощности добавляют 15–20 %.

Выполняемый по вышеописанной методике расчет мощности теплонасоса актуален для зданий, в помещениях которых высота потолков не превышает 2,7 метра. Более точные вычисления, учитывающие все особенности зданий, которые предстоит отапливать посредством теплового насоса, выполняются сотрудниками профильных организаций.

Для теплового насоса «воздух – вода» расчет мощности выполняется по похожей методике, но с учетом некоторых нюансов.

Как изготовить тепловой насос самостоятельно

Хорошо разобравшись в том, как работает тепловой насос типа вода-вода, можно изготовить такое устройство своими руками. Фактически самодельный тепловой насос является набором готовых технических устройств, правильно подобранных и соединенных в определенной последовательности. Чтобы тепловой насос, изготовленный своими руками, демонстрировал высокую эффективность и не вызывал проблем при эксплуатации, необходимо выполнить предварительный расчет его основных параметров. Для этого можно воспользоваться соответствующими программами и онлайн-калькуляторами на сайтах производителей подобного оборудования или обратиться к профильным специалистам.

Итак, чтобы изготовить тепловой насос своими руками, надо подобрать элементы его оснащения по предварительно рассчитанным параметрам и выполнить их правильный монтаж.

Компрессор

Компрессор для теплового насоса, изготавливаемого собственноручно, можно взять из старого холодильника или сплит-системы, обращая при этом внимание на мощность такого устройства. Преимуществом использования компрессоров от сплит-систем является низкий уровень шума, создаваемого при их работе.

Конденсатор

В качестве конденсатора для самодельного теплового насоса можно использовать змеевик, демонтированный из старого холодильника. Некоторые делают его самостоятельно, используя сантехническую или специальную холодильную трубку. В качестве емкости, в которую надо поместить змеевик конденсатора, можно взять бак из нержавейки объемом приблизительно 120 литров. Чтобы поместить в такой бак змеевик, ее предварительно разрезают на две половины, а затем, когда монтаж змеевика выполнен, сваривают.

Очень важно перед выбором или самостоятельным изготовлением змеевика рассчитать его площадь. Для этого нужна следующая формула:

П3 = MТ/0,8PТ

Параметрами, используемыми в данной формуле, являются:

• МТ – мощность создаваемого тепловым насосом тепла (кВт);
• PТ – разница между температурами на входе в тепловой насос и на выходе из него.

Чтобы в конденсаторе теплового насоса из холодильника не создавались воздушные пузырьки, вход в змеевик следует располагать в верхней части емкости, а выход из него – в нижней.

Испаритель

В качестве емкости для испарителя можно использовать простую пластмассовую бочку вместимостью 127 л с широкой горловиной. Для создания змеевика, площадь которого определяется по такой же схеме, как и для конденсатора, также используется медная трубка. В изготовленных в домашних условиях тепловых насосах, как правило, применяют испарители погружного типа, в которые сжиженный фреон поступает снизу, а превращается в газ в верхней части змеевика.

Очень аккуратно с помощью пайки при самостоятельном изготовлении теплового насоса следует выполнять монтаж терморегулятора, так как данный элемент нельзя нагревать до температуры, превышающей 100 градусов Цельсия.

Для подвода воды к элементам самостоятельно сделанного теплового насоса, а также ее отвода используются обычные канализационные трубы.

Тепловые насосы вода-вода, если сравнивать их с устройствами типа «воздух – вода» и «земля – вода», более простые по своей конструкции, но при этом более эффективные, поэтому оборудование именно данного типа чаще всего изготавливают самостоятельно.

Сборка самодельного теплонасоса и его запуск в работу

Для сборки и запуска в работу самодельного теплового насоса потребуются следующие расходные материалы и оборудование:

1. сварочный аппарат;
2. вакуумный насос (для проверки всей системы на вакуум);
3. баллон с фреоном, заправка которого осуществляется через специальный клапан (установку клапана в системе следует предусмотреть заранее);
4. температурные датчики, которые устанавливаются на капиллярные трубы на выходе из всей системы и на выходе из испарителя;
5. пусковое реле, предохранитель, дин-рейка и электрощиток.

Все сварочные и резьбовые соединения при сборке следует выполнять максимально качественно, чтобы обеспечить абсолютную герметичность системы, по которой будет перемещаться фреон.

В том случае, если в роли источника низкопотенциальной энергии выступает вода в открытом водоеме, дополнительно необходимо изготовить коллектор, наличие которого предполагает принцип работы тепловых насосов данного типа. Если же предполагается использование воды из подземного источника, надо пробурить две скважины, в одну из которых вода будет сбрасываться после того, как пройдет всю систему.

1 , средняя оценка: 5,00 из 5)

Тепловой насос - это устройство, которое может обеспечивать вашему дому отопление зимой, охлаждение летом и производство горячей воды круглый год.

Тепловой насос использует энергию возобновляемых источников - нагретого воздуха, земли, скальных пород или воды - для производства тепловой энергии. Это преобразование осуществляется с помощью особых веществ - .

Принцип действия теплового насоса

Конструктивно любой тепловой насос состоит из двух частей: наружной, которая «забирает» тепло возобновляемых источников, и внутренней, которая отдает это тепло в систему отопления или кондиционирования вашего дома. Современные тепловые насосы отличаются высокой энергоэффективностью, что в практическом плане означает следующее - потребитель, т.е. владелец дома, используя тепловой насос, тратит на обогрев или охлаждение своего жилища, в среднем, всего четверть тех денег, которые он потратил бы, если теплового насоса не было.

Иначе говоря, в системе с тепловым насосом 75% полезного тепла (или холода) обеспечивается за счет бесплатных источников - тепла земли, грунтовых вод или нагретого в помещениях и выбрасываемого на улицу использованного воздуха.

Рассмотрим, как действует, пожалуй, самый популярный в быту тепловой насос, работающий за счет тепла земли. Работа теплонасоса происходит в несколько циклов.

Цикл 1, испарение

Наружная часть «земляного» теплового насоса представляет собой замкнутую систему труб, зарытых в землю на определенную глубину, где температура круглый год стабильна и составляет 7-12°C. Чтобы «собрать» достаточное количество энергии земли, требуется, чтобы общая площадь, занимаемая системой подземных труб, была в 1,5-2 раза больше всей отапливаемой площади дома. Эти трубы заполнены хладагентом, который нагревается до температуры земли.

Хладагент имеет очень низкую температуру кипения, поэтому способен прейти в газообразное состояние уже при температуре грунта. Далее этот газ поступает в .

Цикл 2, сжатие

Именно этот компрессор и расходует всю необходимую для работы теплового насоса энергию, но по сравнению, к примеру, с отоплением от , эти затраты заметно ниже. К сравнению затрат мы вернемся позже.

Итак, нагретый до температуры 7-12°C газообразный хладагент из подземных труб в камере компрессора сильно сжимается, что приводит к его резкому нагреву. Чтобы понять это просто вспомните, как нагревается обычный велосипедный насос, когда вы накачиваете шины. Принцип тот же самый.

Хозяину на заметку

«Тепловой насос - современное отопление. Но реальные значения эффективности теплонасосов зависят от температурных условий, т.е. в холодные дни их эффективность падает. Она составляет порядка 150% при температуре −20 °C, и порядка 300% при температуре источника +7 °C».

Цикл 3, конденсация

После цикла сжатия, мы получили горячий пар под высоким давлением, который подается уже во внутреннюю, «домашнюю» часть теплового насоса. Теперь этот газ может быть использован для системы воздушного отопления или для нагрева воды в системе водяного отопления и горячего водоснабжения. Также этот горячий пар может применяться с системой « ».

Отдавая тепло в систему отопления, горячий газ охлаждается, конденсируется и превращается в жидкость.

Цикл 4, расширение

Эта жидкость поступает в расширительный клапан, где ее давление понижается. Теперь жидкий хладагент низкого давления снова направляется в подземную часть для нагрева до температуры земли. И все циклы повторяются.

Эффективность использования тепловых насосов

На каждый 1 кВт электроэнергии, потребляемой тепловым насосом для работы его компрессора, в среднем, вырабатывается около 4 кВт полезной тепловой энергии. Это соответствует 300% эффективности.

Сравнение отопления с помощью теплового насоса с другими способами.

Данные представлены Европейской ассоциацией тепловых насосов (EHPA)

Следует понимать, что показатели эффективности тепловых насосов отличаются, в зависимости от конкретных условий, в которых действует ваше устройство. Так, если вы используете «земляной» тепловой насос, и у вас на участке глинистая почва, то эффективность теплонасоса будет примерно вдвое выше, чем если бы трубы теплового насоса лежали в песчаном грунте.

Также следует помнить, что укладка подземной части должна осуществляться ниже отметки промерзания грунта. Иначе тепловой насос работать вообще не будет.

Реальные значения эффективности тепловых насосов зависят от температурных условий, т.е. в холодные дни их эффективность падает. Она составляет порядка 150% при температуре −20 °C, и порядка 300% при температуре источника +7 °C. Но технологии не стоят на месте - современные модели отличается большей энергоэффективностью, причем эта тенденция сохраняется.

Тепловые насосы для охлаждения дома

По своему принципу действия тепловой насос аналогичен или . Поэтому в летнее время он может применяться не для обогрева дома, а для его охлаждения или кондиционирования. Вспомним, что, если речь идет о «земляном» теплонасосе, то температура грунта стабильна в пределах 7-12°C круглогодично. И с помощью теплового насоса она может передаваться в помещения дома.

Принцип работы системы охлаждения с помощью теплового насоса аналогичен системе отопления, только вместо радиаторов используются . При пассивном охлаждении теплоноситель просто циркулирует между фанкойлами и скважиной, т.е. холод из скважины напрямую поступает в систему кондиционирования, но сам компрессор при этом не работает. Если пассивного охлаждения недостаточно, включается компрессор теплового насоса, который дополнительно охлаждает теплоноситель.

Типы тепловых насосов

Бытовые тепловые насосы бывают 3-х основных типов, различающихся по внешнему источнику тепла:

• «земляные» или «грунт-вода», «грунт-воздух»;
• «водяные» или «вода-вода», «вода-воздух»;
• «воздушные» или «воздух-вода», «воздух-воздух».

«Земляные» тепловые насосы

Самые популярные - это тепловые насосы, использующие тепло земли. О них уже шла речь выше. Это самые эффективные, но и самые дорогие из всех типов. Трубы, уходящие под землю, могут располагаться вертикально или горизонтально. В зависимости от этого, «земляные» тепловые насосы делятся на вертикальные и горизонтальные .

Вертикальные тепловые насосы требуют погружения труб, по которым циркулирует хладагент на значительную глубину: 50-200 м. Правда, есть альтернатива - сделать не одну такую скважину, а несколько, но более «мелких». Расстояние между такими скважинами должно быть не менее 10 м. Чтобы рассчитать глубину бурения, можно грубо прикинуть, что тепловой насос мощностью 10 кВт потребует скважины (одну или несколько) общей глубиной около 170 м. Следует также помнить, что бесполезно бурить очень мелкие - менее 50 м - скважины.

При горизонтальной укладке дорогостоящее бурение на большую глубину не требуется. Глубина заложения трубопроводов при этом способе - около 1 м, в зависимости от региона установки эта величина может как уменьшаться, так и увеличиваться. Труба с хладагентом при этом способе укладывается так, чтобы расстояние между соседними участками было не менее полутора метров, иначе сбор тепла не эффективен.

Хозяину на заметку

«Если вы живете в зоне умеренного климата - например, на Северо-Западе - то наиболее эффективный вариант для вас - тепловой насос, использующий тепло земли. Причем, лучше установить вертикальный вариант теплонасоса - особенно, если ваш дом находится на скальных породах».

Для установки теплового насоса мощностью 10 кВт необходима общая длина зарытой трубы порядка 350-450 м. Если принять во внимание ограничения, связанные с соседством разных участков между собой, то вам понадобится участок земли с размерами 20 на 20 метров. Есть ли такой свободный участок в наличии - большой вопрос.

Как выбрать нужный тепловой насос

Если вы живете в зоне умеренного климата - например, на Северо-Западе - то наиболее эффективный вариант для вас - тепловой насос, использующий тепло земли. Причем, лучше установить вертикальный вариант теплонасоса - особенно, если ваш дом находится на скальных породах, где найти свободный обширный участок земли проблематично. Но такой тип теплового насоса наиболее дорог по сумме капитальных затрат.

В зоне с мягким климатом - например, в Сочи - можно установить тепловой насос «воздух-вода», который не требует чрезмерных капитальных затрат и особенно эффективен в местности, где сезонные колебания температур сравнительно невелики.

В зависимости от принципа действия, бывают и . Более популярны модели, работающие от электричества.

Еще одно важное замечание. Хорошей идеей являются комбинированные модели тепловых насосов, которые совмещают классический вариант теплонасоса с газовым или электрическим нагревателем. Такие нагреватели могут применяться при неблагоприятных погодных условиях, когда эффективность теплового насоса снижается. Как уже говорилось, особенно снижение эффективности свойственно тепловым насосам «воздух-вода» и «воздух-воздух».

Комбинация этих двух источников тепла позволяет снизить стоимость капитальных затрат и увеличить срок окупаемости теплонасосной установки.

Преимущества и недостатки тепловых насосов

Главным достоинством тепловых насосов являются их низкие эксплуатационные расходы. Т.е. стоимость произведенного тепла или охлаждения для конечного потребителя является самой низкой по сравнению с другими способами отопления/кондиционирования. Кроме этого, система с тепловым насосом практически безопасна для дома. Следовательно, упрощаются требования к системам вентиляции его помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Что также положительно влияет на стоимость установки этих систем.

Тепловые насосы просты в эксплуатации и весьма надежны, а еще - практически бесшумны.

Еще один плюс - вы легко можете переключить тепловой насос с отопления на охлаждение в случае необходимости. Нужно лишь иметь дома не только отопительные , но и фанкойлы.

Но есть у них и минусы, главный из которых является оборотной стороной главного плюса - капитальные затраты на их установку весьма существенны. Еще одним недостатком тепловых насосов до недавнего времени была сравнительно низкая температура теплоносителя - не более 60 C. Но последние разработки дали возможность устранить этот недостаток. Правда, и цена на такие модели выше, чем на стандартные.

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

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

Принципы работы

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

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

Источником регенеративного тепла могут быть:

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

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

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

Схемы циркуляции теплоносителей

При работе теплового насоса (ТН) используется три замкнутых контура, по которым циркулируют различные жидкости/газы - теплоносители. Каждый из них выполняет свои функции.

Контур съема потенциала энергии источника

При заборе тепла воздуха используется искусственный обдув корпуса испарителя воздушными потоками от вентиляторов.

Замкнутый цикл жидкого теплоносителя для передачи тепла водной среды или земли осуществляется по трубопроводам, которые соединяют змеевик испарителя с коллектором, утопленным на дно водоема либо заглубленным в землю на расстояние, превышающее промерзание грунта в сильные холода.

В качестве теплоносителя применяются незамерзающие жидкости на основе разбавленных водных растворов спирта. Их принято называть «антифризы» или «рассолы». Они под влиянием более высокой температуры (≥+3ºС) поднимаются к испарителю, передают ему тепло, а после охлаждения (≈-3ºС) самотеком направляются назад к источнику энергии, обеспечивая непрерывную циркуляцию.

Внутренний контур

По нему циркулирует хладагент на основе фреона, «поднимая» тепло на более высокий уровень. Под действием температуры он последовательно переходит в газообразное и жидкостное состояние.

В состав внутреннего контура входят:

• испаритель, забирающий энергию от рассолов и передающий ее фреону, который при этом закипает и становится разреженным газом;
• компрессор, сжимающий газ до высокого давления. При этом резко увеличивается температура фреона;
• конденсатор, в котором горячий газ передает свою энергию теплоносителю выходного контура, а сам остывает, переходя в жидкое состояние;
• дроссель (расширительный клапан), редуцирующий фреон за счет перепада давления до состояния насыщенного пара для поступления в испаритель. При прохождении хладагента через узкое отверстие давление теплоносителя падает до начального значения.

Выходной контур

Здесь циркулирует вода. Она обогревается в змеевике конденсатора для использования в обычной жидкостной системе отопления. При этом способе ее температура достигает порядка 35ºС, что обусловливает ее применение в системе «Теплый пол» с длинными магистралями, позволяющими равномерно передавать генерируемую энергию всему объему помещения.

Использование только радиаторов отопления , создающих меньшие объемы теплообмена с пространством комнат, не так эффективно.

Конструктивное исполнение

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

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

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

Работа теплового насоса обеспечивается:

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

Грунтовые конструкции

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

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

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

Установка зондов в скважинах

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

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

Горизонтальные коллекторы

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

В проекте горизонтального коллектора следует учитывать:

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

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

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

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

Водные коллекторы

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

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

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

Воздушный метод

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

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

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

Основные характеристики

При выборе модели ТН следует учитывать:

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

Выходная мощность

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

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

Возможности конструкций

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

Коэффициент трансформации тепловых насосов Ктр

Он определяет эффективность конструкции по безразмерной формуле:

Kтр=(Твых-Твх)/Твых

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

Коэффициент преобразования энергии (ͼ)

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

ͼ=0,5Т/(Т-То)=0,5(ΔТ+То)/ΔТ

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

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

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

Условный КПД

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

Годовая эффективность и издержки

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

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

Показатель издержек Eq

Эта характеристика обратна показателю эффективности.

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

Отличительные черты

Преимущества

Отопление дома тепловым насосом в сравнении с другими системами обладает:

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

Недостатки

На стадии проекта и при эксплуатации приходится учитывать:

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

Краткий перечень производителей

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

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