Принцип действия тепловых насосов. Тепловой насос отопит дом

03.08.2023

Этой осенью наблюдается обострение в сети по поводу тепловых насосов и их применения для отопления загородных домов и дач. В загородном доме, который я построил своими руками, с 2013 года установлен такой тепловой насос. Это полупромышленный кондиционер, способный эффективно работать на обогрев при уличной температуре до -25 градусов по Цельсию. Он является основным и единственным отопительным прибором в одноэтажном загородном доме общей площадью 72 квадратных метра.

2. Коротко напомню предысторию. Четыре года назад был куплен участок 6 соток в садовом товариществе, на котором, я, своими руками, без привлечения наемной рабочей силы, построил современный энергоэффективный загородный дом. Предназначение дома - вторая квартира, расположенная на природе. Круглогодичная, но не постоянная эксплуатация. Требовалась максимальная автономность в совокупности с простой инженерией. В районе расположения СНТ отсутствует магистральный газ и на него рассчитывать не стоит. Остается привозное твердое или жидкое топливо, но все эти системы требуют сложной инфраструктуры, стоимость возведения и содержания которой сопоставимо с прямым отоплением электричеством. Таким образом выбор уже был частично предопределен - электрическое отопление. Но здесь возникает второй, не менее важный момент: ограничение электрических мощностей в садовом товариществе, а также достаточно высокие тарифы на электроэнергию (на тот момент - не «сельский» тариф). По факту на участок выделено 5 квт электрической мощности. Единственный выход в данной ситуации - использовать тепловой насос, который позволит сэкономить на отоплении примерно в 2,5-3 раза, по сравнению с прямой конвертацией электрической энергии в тепловую.

Итак, переходим к тепловым насосам. Они различаются по тому, откуда они забирают тепло и по тому, куда его отдают. Важный момент, известный из законов термодинамики (8 класс средней школы) - тепловой насос не производит тепло, он его переносит. Именно поэтому его КОП (коэффициент преобразования энергии) всегда больше 1 (то есть тепловой насос всегда отдает тепла больше, чем потребляет из сети).

Классификация тепловых насосов следующая: «вода - вода», «вода - воздух», «воздух - воздух», «воздух - вода». Под «водой» указываемой в формуле слева подразумевается отбор тепла от жидкого циркулирующего теплоносителя проходящего по трубам находящимся в земле или водоеме. Эффективность таких систем практически не зависит от времени года и температуры окружающего воздуха, но они требуют дорогостоящих и трудоемких земляных работ, а также наличие достаточных свободных площадей под укладку грунтового теплообменника (на котором, впоследствии будет плохо что-либо расти летом, ввиду вымораживания грунта). Под «водой» указываемой в формуле справа подразумевается отоплительный контур, находящийся внутри здания. Это может быть как система радиаторов, так и жидкостные теплые полы. Такая система также потребует сложных инженерных работ внутри здания, но при этом имеет и свои плюсы - с помощью такого теплового насоса можно заодно получить горячую воду в доме.

Но самым интересной выглядит категория тепловых насосов класса «воздух - воздух». По сути это самые обычные кондиционеры. Во время работы на обогрев они забирают тепло из уличного воздуха и переносят его на воздушный теплобменник находящийся внутри дома. Несмотря на некоторые недостатки (серийные модели не могут работать при температурах окружающего воздуха ниже -30 градусов по Цельсию), они имеют колоссальное преимущество: такой тепловой насос очень легко установить и его стоимость сопоставима с обычным электрическим отоплением с помощью конвекторов или электрокотла.

3. На основании этих рассуждений был выбран канальный полупромышленный кондиционер Mitsubishi Heavy, модель FDUM71VNX. По состоянию на осень 2013 года, комплект состоящий из двух блоков (внешний и внутренний) стоил 120 тысяч рублей.

4. Внешний блок установлен на фасаде с северной стороны дома, там где меньше всего ветра (это важно).

5. Внутренний блок установлен в холле под потолком, от него с помощью гибких шумоизолированных воздуховодов обеспечена подача горячего воздуха во все жилые помещения внутри дома.

6. Т.к. подача воздуха находится под потолком (организовать подачу горячего воздуха около пола в каменном доме решительно невозможно), то очевидно, что забирать воздух нужно на полу. Для этого с помощью специального короба забор воздуха был опущен на пол в коридоре (во всех межкомнатных дверях также установлены переточные решетки в нижней части). Рабочий режим - 900 кубометров воздуха в час, за счет постоянной и стабильной циркуляции совершенно нет разницы по температуре воздуха между полом и потолком в любой части дома. Если быть точным, то разница составляет 1 градус по Цельсию, это даже меньше, чем при использовании настенных конвекторов под окнами (с ними перепад температуры между полом и потолком может достигать 5 градусов).

7. Кроме того, что внутренний блок кондиционера за счет мощной крыльчатки способен прогонять в режиме рециркуляции большие объемы воздуха по дому, не нужно забывать о том, что для людей наобходим свежий воздух в доме. Поэтому система отопления также выполняет роль системы вентиляции. По отдельному воздушному каналу с улицы в дом подается свежий воздух, который при необходимости подогревается (в холодное время года) с помощью автоматики и канального ТЭНа.

8. Раздача горячего воздуха осуществляется через вот такие решетки, расположенные в жилых комнатах. Также стоит обратить внимание на то, что в доме нет ни одной лампы накаливания и используются исключительно светодиоды (запомните этот момент, это важно).

9. Отработанный «грязный» воздух удаляется из дома через вытяжку в санузле и на кухне. Горячая вода готовится в обычном накопительном водонагревателе. Вообще, это достаточно большая статья расходов, т.к. колодезная вода очень холодна (от +4 до +10 градусов по Цельсию в зависимости от времени года) и кто-то может резонно заметить, что можно использовать солнечные коллекторы для нагрева воды. Да, можно, но стоимость вложений в инфраструктуру такова, что за эти деньги можно греть воду напрямую электричеством в течение 10 лет.

10. А это - «ЦУП». Главный и основной пульт управления воздушным тепловым насосом. У него есть различные таймеры и простейшая автоматика, но мы используем только два режима: вентиляция (в теплое время года) и нагрев (в холодное время года). Построенный дом оказался настолько энергоэффективным, что кондиционер в нём ни разу не использовался по прямому назначению - для охлаждения дома в жару. В этом большую роль сыграло и светодиодное освещение (теплоотдача от которого стремится к нулю) и очень качественное утепление (шутка ли, после обустройства газона на крыше нам даже пришлось этим летом использовать тепловой насос для обогрева дома - в дни, когда среднесуточная температура опускалась ниже +17 градусов по Цельсию). В доме круглогодично поддерживается температура не ниже +16 градусов по Цельсию, независимо от наличия в нём людей (когда в доме люди, то температура устанавливается +22 градуса по Цельсию) и никогда не выключается приточная вентиляция (потому, что лень).

11. Счетчик технического учета электроэнергии был установлен осенью 2013 года. То есть ровно 3 года назад. Нетрудно подсчитать, что среднегодовое потребление электрической энергии составляет 7000 квтч (на самом деле сейчас эта цифра немного меньше, т.к. в первый год расход был большим из-за использования осушителей во время отделочных работ).

12. В заводской комплектации кондиционер способен работать на обогрев при температуре окружающего воздуха не ниже -20 градусов по Цельсию. Для работы при более низких температурах требуется доработка (на самом деле она актуальна при эксплуатации даже при температуре -10, если на улице высокая влажность) - установка греющего кабеля в дренажный поддон. Это необходимо для того, чтобы после цикла разморозки внешнего блока вода в жидком состоянии успела покинуть дренажный поддон. Если она не успеет это сделать, то в поддоне будет намерзать лед, который впоследствии выдавит раму с вентилятором, что, вероятно, приведет к обламыванию лопастей на нём (можете посмотреть фотографии обломанных лопастей в интернете, я сам с этим чуть не столкнулся т.к. положил греющий кабель не сразу).

13. Как я уже упоминал выше - в доме везде используется исключительно светодиодное освещение. Это важно, когда речь заходит о кондиционировании помещения. Возьмем стандартную комнату, в которой расположено 2 светильника, по 4 лампы в каждом. Если это лампы накаливания мощностью 50 ватт, то суммарно они потребляют 400 ватт, в то время как светодиодные лампы будут потреблять менее 40 ватт. А вся энергия, как мы знаем из курса физики, в конечном итоге все равно превращается в тепловую. То есть освещение на лампах накаливания это такой неплохой обогреватель средней мощности.

14. Теперь поговорим о том, как работает тепловой насос. Всё, что он делает - переносит тепловую энергию из одного места в другое. Именно по такому принципу работают и холодильники. Они переносят тепло из холодильной камеры в помещение.

Есть такая хорошая загадка: Как изменится температура в комнате, если в ней оставить включенный в розетку холодильник с открытой дверцей? Правильный ответ - температура в комнате будет расти. Для просты понимания это объяснить можно так: комната это замкнутый контур, в него по проводам поступает электричество. Как мы знаем энергия в конечном итоге превращается в тепловую. Именно поэтому температура в комнате и будет расти, ведь в замкнутый контур извне поступает электричество и в нём же остается.

Немного теории. Теплота это форма энергии, которая передается между двумя системами из-за разницы температур. При этом тепловая энергия переходит из места с высокой температурой к месту с более низкой температурой. Это естественный процесс. Перенос тепла может осуществляться за счет теплопроводности, теплового излучения или путём конвекции.

Существует три классических агрегатных состояния вещества, преобразование между которыми осуществляется в результате изменения температуры или давления: твердое, жидкое, газообразное.

Для изменения агрегатного состояния тело должно либо получить, либо отдать тепловую энергию.

При плавлении (переход из твердого состояния в жидкое) поглощается тепловая энергия.
При испарении (переход из жидкого состояния в газообразное) поглощается тепловая энергия.
При конденсации (переход из газообразного состояния в жидкое) выделяется тепловая энергия.
При кристаллизации (переход из жидкого состояния в твердое) выделяется тепловая энергия.

Тепловой насос использует в работе два переходных режима: испарение и конденсацию, то есть оперирует веществом, находящимся либо в жидком, либо в газообразном состоянии.

15. В качестве рабочего тела в контуре теплового насоса используется хладагент R410a. Это фторуглеводород, закипающий (переход из жидкого состояния в газообразное) при очень низкой температуре. А именно, при температуре - 48,5 градусов по Цельсию. То есть, если обычная вода при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре +100 градусов по Цельсию, то фреон R410a кипит при температуре почти на 150 градусов ниже. Более того, при сильно отрицательной температуре.

Именно это свойство хладагента используется в тепловом насосе. Путем целеправленного измерения давления и температуры ему можно придать необходимые свойства. Либо это будет испарение при температуре окружающей с поглощением тепла, либо конденсации при температуре окружающей среды с выделением тепла.

16. Вот как выглядит контур циркуляции теплового насоса. Его основные компоненты: компрессор, испаритель, расширительный клапан и конденсатор. Хладагент циркулирует в замкнутом контуре теплового насоса и попеременно меняет свое агрегатное состояние с жидкого на газообразное и обратно. Именно хладагент передает и переносит тепло. Давление в контуре всегда избыточно по сравнению с атмосферным.

Как это работает?
Компрессор всасывает холодный газообразный хладагент низкого давления поступающий из испарителя. Компрессор сжимает его под высоким давлением. Температура повышается (тепло от работы компрессора также добавляется к хладагенту). На этом этапе мы получается газообразный хладагент высокого давления и высокой температуры.
В таком виде он поступает в конденсатор, обдуваемый более холодным воздухом. Перегретый хладагент отдает свое тепло воздуху и конденсируется. На этом этапе хладагент находится в жидком состоянии, под высоким давлением и со средней температурой.
Далее хладагент поступает в расширительный клапан. В нём происходит резкое снижение давления, вследствие расширения объема, который занимает хладагент. Уменьшение давления приводит к частичному испарению хладагента, что в свою очередь снижает температуру хладагента ниже температуры окружающей среды.
В испарителе давление хладагента продолжает снижаться, он еще сильнее испаряется, а необходимое для этого процесса тепло отбирается от более теплого наружного воздуха, который при этом охлаждается.
Полностью газообразный хладагент снова поступает в компрессор и цикл замыкается.

17. Попробую еще раз объяснить попроще. Хладагент кипит уже при температуре -48,5 градусов по Цельсию. То есть, условно говоря при любой более высокой температуре окружающей среды он будет иметь избыточное давление и в процессе испарения забирать тепло из окружающей среды (то есть уличного воздуха). Есть хладагенты используемые в низкотемпературных холодильниках, у них температура кипения еще ниже, вплоть до -100 градусов по Цельсию, но его не получится использовать для работы теплового насоса на охлаждение помещения в жару из-за очень высокого давления при высоких температурах окружающей среды. Хладагент R410a это некий баланс между возможностью работы кондиционера как на нагрев, так и охлаждение.

Вот, кстати, хороший документальный фильм снятый в СССР и рассказывающий о том, как устроен тепловой насос. Рекомендую.

18. Любой ли кондиционер можно использовать для работы на обогрев? Нет, не любой. Хотя на фреоне R410a и работают почти все современные кондиционеры, не менее важны и другие характеристики. Во-первых кондиционер должен иметь четырехходовой клапан, позволяющий так сказать переключиться на «реверс», а именно поменять местами конденсатор и испаритель. Во-вторых, обратите внимание, что компрессор (он расположен справа снизу) находится в теплоизолированном кохуже и имеет электрический подогрев картера. Это нужно для того, чтобы всегда поддерживать положительную температуру масла в компрессоре. По факту, при температуре окружающей среды ниже +5 градусов по Цельсию даже в выключенном состоянии кондиционер потребляет 70 ватт электрической энергии. Второй, важнейший момент - кондиционер должен быть инверторным. То есть и компрессор и электромотор крыльчатки должны иметь возможность изменять производительность в процессе работы. Именно это позволяет тепловому насосу эффективно работать на обогрев при наружной температуре ниже -5 градусов по Цельсию.

19. Как мы знаем, на теплообменнике внешнего блока, который является испарителем во время работы на обогрев, происходит интенсивное испарение хладагента с поглощением тепла из окружающей среды. Но в уличном воздухе находятся пары воды в газообразном состоянии, которые конденсируются, а то и кристаллизуются на испарителе из-за резкого снижения температуры (уличный воздух отдает свою теплоту хладагенту). А интенсивное обмерзание теплообменника приведет к снижению эффективности теплоосъема. То есть, по мере снижения температуры окружающей среды необходимо «притормозить» и компрессор и крыльчатку, чтобы обеспечить наиболее эффективный теплосъем на поверхности испарителя.

Идеальный тепловой насос работающий только на обогрев должен иметь площадь поверхности внешнего теплообменника (испарителя) в несколько раз превышающую площадь поверхности внутреннего теплообменника (конденсатора). На практике мы возращаемся к тому самому балансу, что тепловой насос должен уметь работать как на обогрев, так и охлаждение.

20. Слева можно видеть практически полностью покрытый инеем внешний теплообменник, кроме двух секций. В верхней, не замерзшей, секции фреон имеет еще достаточно высокое давление, что не позволяет ему эффективно испаряться с поглощением тепла из окружающей среды, в нижней же секции он уже перегрет и не может больше забирать тепло извне. А фотография справа дает ответ на вопрос почему внешний блок кондиционера был установлен на фасаде, а не спрятан от глаз на плоской кровле. Именно из-за воды, которую нужно отводить от дренажного поддона в холодное время года. Отводить эту воду с кровли было бы значительно сложнее, чем с отмостки.

Как я уже писал, во время работы на обогрев при отрицательной температуре на улице испаритель на внешнем блоке обмерзает, на нём кристаллизуется вода из уличного воздуха. Эффективность обмерзшего испарителя заметно снижается, но электроника кондиционера в автоматическом режиме контролирует эффективность теплосъема и периодически переключает тепловой насос в режим разморозки. По сути режим разморозки это прямой режим кондиционирования. То есть из помещения забирается тепло и переносится на внешний, обмерзший теплообменник, что растопить на нём лед. В это время вентилятор внутреннего блока работает на минимальной скорости, а из воздуховодов внутри дома поступает прохладный воздух. Цикл разморозки обычно длится 5 минут и происходит каждые 45-50 минут. Ввиду высокой тепловой инерционности дома, никакого дискомфорта во время разморозки не ощущается.

21. Вот таблица теплопроизводительности данной модели теплового насоса. Напомню, что номинальное потребление энергии составляет чуть более 2 кВт (ток 10А), а теплоотдача колеблется от 4 кВт при -20 градусах на улице, до 8 кВт при уличной температуре +7 градусов. То есть коэффициент конвертации составляет от 2 до 4. Именно во сколько раз тепловой насос позволяет экономить энергию по сравнению с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую.

Кстати, есть еще один интересный момент. Ресурс у кондиционера при работе на обогрев в разы выше, чем при работе на охлаждение.

22. Осенью прошлого года я установил счетчик электрической энергии Smappee, который позволяет вести статистику энергопотребления по месячно и предоставляет более менее удобную визуализацию проведенных измерений.

23. Smappee был установлен ровно год назад, в последних числах сентября 2015 года. Он также пытается показать стоимость электрической энергии, но делает это исходя из заданных вручную тарифов. А с ними есть важный момент - как известно, у нас повышают цены на электроэнергию 2 раза в год. То есть за представленный период измерений тарифы менялись 3 раза. Поэтому не будем обращать внимание на стоимость, а подсчитаем количество потребленной энергии.

На самом деле с визуализацией графиков потребления у Smappee есть проблемы. Например, самый короткий столбец слева это потребление за сентябрь 2015 года (117 квтч), т.к. у разработчиков что-то пошло не так и на экране за год почему-то 11, а не 12 столбцов. Но суммарные цифры потребления подсчитаны безошибочно.

А именно, 1957 квтч за 4 месяца (включая сентябрь) в конце 2015 года и 4623 квтч за весь 2016 год с января по сентябрь включительно. То есть суммарно было израсходовано 6580 квтч на ВСЁ жизнеообеспечение загородного дома, который круглогодично отапливался, независимо от нахождения в нём людей. Напомню, что летом этого года впервые пришлось использовать тепловой насос для обогрева, а на охлаждение летом он не работал ни разу за все 3 года эксплуатации (кроме автоматических циклов разморозки, разумеется). В рублях, по текущим тарифам в Московской области это менее 20 тысяч рублей в год или около 1700 рублей в месяц. Напомню, что в эту сумму входит: отопление, вентиляция, нагрев воды, плита, холодильник, освещение, электроника и техника. То есть это фактически в 2 раза дешевле, чем ежемесячная плата за квартиру в Москве аналогичной площади (разумеется без учета взносов на содержание, а также сборов на капитальный ремонт).

24. А теперь давайте подсчитаем сколько же денег позволил сэкономить тепловой насос в моём случае. Сравнивать будем электрическим отоплением, на примере электрокотла и радиаторов. Считать буду по докризисным ценам, которые были на момент установки теплового насоса осенью 2013 года. Сейчас тепловые насосы подорожали из-за обвала курса рубля, а техника вся импортная (лидеры по производству тепловых насосов - японцы).

Электрическое отопление:
Электрический котел - 50 тыс рублей
Трубы, радиаторы, фитинги и т.д. - еще 30 тыс. рублей. Итого материалов на 80 тысяч рублей.

Тепловой насос:
Канальный кондиционер MHI FDUM71VNXVF (внешний и внутренний блок) - 120 тыс. рублей.
Воздуховоды, адаптеры, теплоизоляция и т.д. - еще 30 тыс. рублей. Итого материалов на 150 тысяч рублей.

Установка своими руками, но в обоих случаях по времени это примерно одинаково. Итого «переплата» за тепловой насос по сравнению с электрокотлом: 70 тысяч рублей.

Но это не всё. Воздушное отопление с помощью теплового насоса это заодно кондиционер в теплое время года (то есть кондиционер все равно нужно ставить, так ведь? значит добавим еще минимум 40 тысяч рублей) и вентиляция (обязательна в современных герметичных домах, еще минимум 20 тысяч рублей).

Что имеем? «Переплата» в комплексе составляет всего 10 тысяч рублей. Это еще только на стадии ввода системы отопления в эксплуатацию.

А дальше начинается эксплутация. Как я уже писал выше, в самые холодные зимние месяцы коэффициент преобразования составляет 2,5, а в межсезонье и летом можно принять его равным 3,5-4. Возьмем усредненный годовой СОР равный 3. Напомню, что за год в доме расходуется 6500 квтч электрической энергии. Это суммарное потребление на все электрические приборы. Возьмем для простоты расчетов по минимуму, что тепловой насос потребляет из этой суммы всего лишь половину. То есть 3000 квтч. При этом в среднем за год он отдал 9000 квтч тепловой энергии (6000 квтч «притащил» с улицы).

Переведем перенесенную энергию в рубли, предположив, что 1 квтч электрической энергии стоит 4,5 рубля (усредненный дневной/ночной тариф в Московской области). Получаем 27000 рублей экономии, по сравнению с электрическим отоплением только за первый год эксплуатации. Вспомним, что разница на стадии ввода системы в эксплуатацию составляла всего 10 тысяч рублей. То есть уже за первый год эксплуатации тепловой насос СЭКОНОМИЛ мне 17 тысяч рублей. То есть он окупился в первый же год эксплуатации. При этом напомню, что это не постоянное проживание, при котором экономия была бы еще больше!

Но не забываем про кондиционер, который конкретно в моем случае не потребовался ввиду того, что построенный мною дом оказался переутепленным (хотя и используется однослойная стена из газобетона без дополнительного утепления) и он просто не нагревается летом на солнце. То есть скинем 40 тысяч рублей из сметы. Что имеем? ЭКОНОМИТЬ на тепловом насосе в таком случае я стал не с первого года эксплуатации, а со второго. Не велика разница-то.

Но если мы возьмем тепловой насос класса «вода-вода» или даже «воздух-вода», то цифры в смете будут совершенно иными. Именно поэтому тепловой насос «воздух-воздух» это лучшее соотношение цена/эффективность на рынке.

25. И напоследок несколько слов про электрические отопительные приборы. Меня замучали вопросами о всяких инфракрасных обогревателях и нано-технологиях не сжигающих кислород. Отвечу коротко и по делу. Любой электрический обогреватель имеет КПД 100%, то есть вся электрическая энергия переходит в тепловую. На самом деле это касается любых электрических приборов, даже электрическая лампочка дает тепло ровно в том количестве, в котором она его получила из розетки. Если же говорить про инфракрасные обогреватели, то их преимущество заключается в том, что они греют предметы, а не воздух. Поэтому самое разумное применение для них - обогрев на открытых верандах в кафе и на автобусных остановках. Там, где есть необходимость передать тепло напрямую предметам/людям, минуя нагрев воздуха. Аналогичная история про сжигание кислорода. Если где-то в рекламном проспекте вы видите эту фразу, знайте - производитель держит покупателя за лоха. Горение это реакция окисления, а кислород это окислитель, то есть он сам себя сжечь не может. То есть это все бред дилетантов, прогулявших уроки физики в школе.

26. Еще одним вариантом экономии энергии при электрическом отоплении (не важно, прямой конвертацией или с помощью теплового насоса) является использование теплоемкости ограждающих конструкций (или же специального теплоаккумулятора) для накопления тепла при использовании дешевого ночного электрического тарифа. Именно с этим я и буду экспериментировать этой зимой. По моим предварительным расчетам (с учетом того, что в ближайший месяц я буду платить по сельскому тарифу на электроэнергию, т.к. строение уже зарегистрировано как жилой дом), даже несмотря на рост тарифов на электроэнергию, в следующем году я заплачу за содержание дома менее 20 тысяч рублей (за всю потребленную электрическую энергию на отопление, нагрев воды, вентиляцию и технику с учетом того, что в доме круглогодично поддерживается температура примерно 18-20 градусов тепла, независимо от того есть ли в нём люди).

Что в итоге? Тепловой насос в виде низкотемпературного кондиционера класса «воздух-воздух» это самый простой и доступный способ экономии на отоплении, что вдвойне может быть актуально при существовании лимита электрических мощностей. Я полностью доволен установленной отопительной системой и не испытываю какого-либо дискомфорта от её эксплуатации. В условиях Московской области использование воздушного теплового насоса полностью себя оправдывает и позволяет окупить инвестиции не позднее, чем через 2-3 года.

Кстати, не забывайте что у меня еще есть Instagram, в котором я публикую ход работ практически в реальном времени -

Тепловой насос представляет собой парокомпрессионную установку, которая переносит тепло от холодных, низкопотенциальных источников тепла к горячим, высокопотенциальным. Тепло передается за счет конденсации и испарения хладагента, в качестве которого чаще всего используется фреон, циркулирующий по замкнутому контуру. Электроэнергия, от которой работает тепловой насос, тратится только на эту принудительную циркуляцию.

Принцип работы теплового насоса основан на так называемом цикле Карно, который прекрасно знаком вам по работе холодильных установок. На самом деле, бытовой холодильник, стоящий на вашей кухне, также является тепловым насосом. Когда вы помещаете в него продукты, пусть даже холодные, но температура которых все-таки выше, чем температура в камере холодильника, по закону сохранения энергии выделяемое ими тепло никуда не девается. Поскольку температура внутри повышаться не должна, тепло выводится наружу через решетку радиатора, нагревая воздух в кухне. Чем больше продуктов вы поместите одновременно в холодильник, тем больше будет теплоотдача.

Простейшим вариантом теплового насоса станет открытый холодильник, помещенный на улице, радиатор которого находится в комнате. Но пусть холодильник исполняет свои прямые обязанности, ведь уже существуют специальные устройства - тепловые насосы, имеющие кпд гораздо выше. Принцип их действия достаточно прост.

Как работает тепловой насос

Любой теплонасос состоит из испарителя, конденсатора, расширителя, понижающего давление, и компрессора, который давление повышает. Все эти устройства соединены в один замкнутый контур трубопроводом. По трубам циркулирует хладагент, инертный газ с очень низкой температурой кипения, поэтому в одной части контура, холодной, он представляет собой жидкость, а во второй, теплой, он переходит в газообразное состояние. Точка кипения, как известно из физики, может меняться в зависимости от давления, вот в этой системе расширитель и компрессор.

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

Двигаясь дальше, газ перемещается в компрессор, где под действием высокого давления сжимается, а его температура при этом повышается. Став горячим, газ поступает в конденсатор, который также является теплообменником. В нем происходит передача тепла от горячего газа к теплоносителю обратного трубопровода, входящего в отопительную систему дома. Отдав тепло, газ охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, в то время, как нагретый теплоноситель поступает в систему горячего водоснабжения и отопления. Проходя через редукционный клапан расширителя, сжиженный газ снова попадает в испаритель – цикл замыкается.

В холодное время года тепловые насосы работают на обогрев дома, а в жару – на его охлаждение. В этом случае принцип работы тот же, только летом тепло в теплоноситель поступает из внутренних помещений, а не снаружи.

Конструктивные особенности тепловых насосов

В настоящее время используются тепловые насосы, имеющие разные конструкции. Так, насос с открытым циклом применяют, когда дом расположен рядом с водоемом. В этом случае теплоноситель, вода, поступает в открытый контур, проходит весь цикл и, охлаждаясь, вновь сливается в водоем.

Геотермальные насосы закрытого типа прокачивают теплоноситель – воздух или воду, по трубам, заложенным глубоко в землю и проложенным по дну водоема. Закрытый цикл в экологическом плане считается более безопасным. К закрытому типу относятся насосы с вертикальным и горизонтальным теплообменником, которые используются, когда поблизости нет водоемов. Вертикальные тепловые насосы применяются, когда площадь земельного участка, на котором расположен дом, невелика. Иногда вертикальные насосы устанавливают в пробуренных поблизости скважинах.

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

Преимущества использования тепловых насосов

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

Тепловой насос - механическое приспособление позволяющее обеспечить перенос тепла от ресурса с низкой потенциальной тепловой энергией (с низкой температурой) до отопительной системы (теплоносителю) с повышенной температурой. Попробуем объяснить это более понятным языком.

Уходят в прошлое времена, когда человек отапливал свое жилище путем сжигания древесины в каминах или печах. На смену приходят многофункциональные котлы длительного горения. В регионах где доступен магистральный газ для отопления применяют эффективное газовое оборудование. В местах, не доступных для газовых магистралей, все активнее используется .

Человечество понимает, что сжигать невозобновляемые источники энергии дело не перспективное, ресурсы постепенно истощаются. Ученые не останавливаясь ищут новые способы добычи тепловой энергии и разрабатывают современные механизмы для реализации поставленных задач.

В одном из таких проектов был сконструирован тепловой насос. Действительно, как и большинству генерирующих тепло агрегатов, функционирование теплового насоса не возможно без электрической энергии. Серьезным отличием является то, что электричество не задействовано в нагреве например ТЭНа, как в масляном радиаторе и не замыкает спираль в тепловой пушке. В тепловом насосе нет нагревательных элементов, он не создаёт тепловую энергию, тепловой насос служит лишь переносчиком её из окружающей среды до потребителя (теплоносителя).

Электричество, потребляемое тепловым насосом, затрачивается только на сжатие хладагента и его перекачку обеспечивая циркуляцию. Хладагент выступает в качестве необходимой рабочей среды, именно он перемещает тепло из окружающей среды в отопительную систему и систему горячего водоснабжения. Как подобрать тепловой насос, принцип его работы, а также узнать о плюсах и минусах подобного оборудования нам поможет этот обзор.

Тепловой насос для отопления

Традиционное отопление частного дома по прежнему остается предпочтительным, если в избытке недорогие ресурсы. Вопрос, что делать, когда доступность дешевых источников ограниченна? Альтернативным решением выступает тепловой насос - опыт эксплуатации более 40 лет в странах Евросоюза, говорит нам о том, что это может быть весьма эффективно.

В Российской Федерации тепловой насос не получил должного распространения. Причиной тому два фактора. Во первых, в избытке нефть, газ, древесина. Во вторых, останавливает высокая цена и отсутствие популяризации. Сведения о тепловых насосах, весьма скудные, принцип их работы не понятный, а о преимуществах информации недостаточно.

В Европейском союзе цены на сжигаемое топливо настолько высоки, что геотермальная система отопления показывает выгоду в эксплуатации. К примеру до 95% домохозяйств в Швеции и Норвегии используют тепловые насосы как основной источник отопления . Международное энергетическое агентство, прогнозирует что тепловые насосы к 2020 году начнут обеспечивать 10 % спроса энергии на отопление в странах организации экономического сотрудничества и развития, а к 2050 году этот показатель достигнет 30%.

Тепловой насос для отопления – принцип действия

Из школьного курса физики, вспоминая второй закон термодинамики, доподлинно известно, что тепло от горячего тела передается холодному без каких бы то ни было механизмов. Фокус в том, как передать тепло в обратном направлении? Для этого нам потребуется и и ряд действий обеспечивающих результат.

Именно эти действия нам и поможет совершить тепловой насос. Затраты электроэнергии на работу теплового насоса пропорционально зависят от разницы значений температур между средами, участвующих в этом процессе.

Вам доводилось дотронуться до черной решетки холодильника сзади? Убедиться в том, что задняя стенка очень горячая может любой желающий. Направив на черную решетку лазерный пирометр, видно что ее температура на поверхности составляет порядка 40°С. Таким образом, инженеры хладогенерирующего оборудования утилизируют изнутри морозильной камеры ненужное тепло.

Известно, что в конце сороковых годов прошлого столетия изобретатель Роберт Вебер обратил внимание на бесполезный обогрев воздуха радиатором холодильника. Изобретатель подумал и подсоединил к нему бойлер косвенного нагрева. В результате Роберт снабдил домочадцев горячей водой в необходимом объеме. Именно тогда, энтузиаст и задумался, каким образом “вывернуть” холодильник на изнанку и трансформировать охладительное устройство в отопительный прибор. Надо признать, у него получилось.

Как работает тепловой насос?

Принцип работы теплового насоса основывается на том, что под землей в любое время года, опустившись ниже отметки уровня промерзания мы наткнемся на температуру выше нуля. Получается, непромерзаемый земельный слой находится прямо у нас под ногами. А что, если использовать его в качестве задней стенки морозильной камеры?

Применяя принцип работы холодильного оборудования, для переноса тепла из подземелья в домашнее пространство используется система труб по которым осуществляется циркуляция хладагента. Хладоны Фреона нагреваются подземельным теплом и начинают испаряться. Холодный воздух снаружи его охлаждает, в результате чего фреон конденсируется.

Нагревая тепло чередуя циклы испарения и нагрева тепловой насос заставляет циркулировать хладагент. Компрессор создает давление, заставляя двигаться фреон по трубкам двух теплообменников.

В первом тепловом обменнике фреон испаряется при низком давлении, во время которого происходит поглощение тепла из атмосферы непосредственного окружения. Затем тот же хладагент сжимается компрессором под высоким давлением и перемещается во вторую катушку, где он конденсируется. Затем он выделяет тепло, поглощенное ранее в цикле.

Основную роль в процессе играет повышающий компрессор. Увеличивая давление, фреон конденсируясь выдает больше жара, чем получил от теплой земли. Таким образом, грунтовые плюсовые значения в + 7°С и преобразовывается в комфортные домашние условия + 24°С.

Применяя тепловой насос для отопления, получаем высокую эффективность.

Хочется заметить, что вся конструкция не требует специально выделенной линии электропроводки. Потребляемая мощность сопоставима с расходом энергии бытового электро чайника. Фокус в том, что тепловой насос “добывает” тепловой энергии в четыре раза больше, чем потребляет электричества. На отопление коттеджа в 300 м2, в лютый – 30°С мороз будет затрачено не более 3 кВт.

Впрочем, владельцу геотермального насоса придется заметно раскошелиться в начале. Стоимость оборудования и материалов на подключение составляет не менее 4 500 долларов. Прибавим монтажные работы и бурение, еще столько же, выходит что самая простая система обойдется в 10 тысяч долларов.

Понятно, что будет стоить дешевле на порядок. Но платить ежемесячно из расчета 1 кВт на 10 м2 придется в любом случае. Вот и получается, что на 300 кв. метров дома уйдет 30 кВт - в 10 раз больше чем будет потрачено на тепловой насос.

Расчеты по отоплению газом с помощью газового котла, дают примерно тот же порядок цифр - 2000 рублей в месяц, что сравнимо с эксплуатацией теплового насоса. К сожалению не все проживают в газифицированном районе.

Теплового насос, обладает неоспоримым преимуществом. Такую “морозильную камеру наоборот” в летний период можно “вывернуть” на изнанку и легким движением руки - тепловой насос превращается в кондиционер. На улице в жаркие деньки +30°С, а в подземелье царит прохлада. Используя трубки заполненные теплоносителем, насос перенесет холод подземелья в жилище. Далее в работу включается вентилятор, таким образом мы получаем экономную систему охлаждения.

Практика эксплуатации указывает на сроки окупаемости от 3 до 7 лет. Скандинавские страны давно посчитали прибыль и отапливаются этим методом. Ярким примером может служить гигантский тепловой насос в Стокгольме, геотермальное оборудование. Источником тепловой энергии в зимний период и прохлады в летний, служат воды балтийского моря. В полной мере к тепловому насосу относится лозунг: плати сейчас – экономь потом! Экономия становится все больше, в силу того, что энергоносители дорожают.

Тепловой насос. Правда о его эффективности.

К сожалению не все так радужно с эффективностью на сегодняшний день. Одним из главных вопросов, мучающих потребителя остается: покупать или не покупать тепловой насос. Наш совет, тщательно взвешивайте все за и против, скорее всего вариант покупки обычного по итогам эксплуатации обойдется дешевле, а установка проще.

Если рассматривать тепловой насос как концепт будущего, как новую идею генерации тепла - однозначно инженерная мысль заслуживает уважения. Геотермальное оборудование работает, его можно потрогать руками, с каждым годом оно становится все более эффективно. Однако, если мы посчитаем, сколько денег мы потратим на его работу, прибавим первоначальные затраты на покупку и монтаж, то скорее всего получим сумму показывающую, что мы потратим на него гораздо больше финансов, чем на любой другой вид тепло генерирующего устройства.

Рассматривая тепловой насос как экономическую систему, когда затратив на его работу 100 рублей, вы получаете тепловой энергии на 300 рублей, не забывайте о том, что за право получения сверхприбыли в 200 рублей, вы заплатили большие деньги. К слову сказать, в том же Евросоюзе, продажи тепловых насосов поддерживаются государственными программами.

Так в Финляндии, ежегодно продается более 60 тысяч тепловых насосов и число продаж растет 5% темпами. Но во первых, экономический эффект применения подобного оборудования там выше по причине дорогой электроэнергии. Стоимость электроэнергии в Финляндии 35 евро центов, в сравнении с Россией – 7 евро центов. Во вторых программа субсидирования предполагает возмещение на покупку теплового насоса в размере 3 000 EURO.

До тех пор, пока существуют низкие цены на газ и электричество, внедрение теплового насоса в качестве основного конкурента остается трудно выполнимой задачей. Массовое потребление станет возможным, только в случае кризисной ситуации с добычей углеводородов или кризиса с генерацией электроэнергии.

Как правильно выбрать тепловой насос

Первый этап.

Расчет требуемого тепла для отопления дома. Чтобы подобрать тепловой насос (ТН), который входит в отопительную систему дома, важно рассчитать потребность тепла. Точный расчет позволит избежать ненужного перерасхода средств, т. к. это ведет к лишним расходам.

Второй этап.

Какой источник тепла выбрать для вашего теплового насоса. Данное решение зависит от многих составляющих, основные из них:

Финансовая составляющая. Сюда входит непосредственно стоимость самого оборудования, а также работы по установке геотермального зонда или укладке подземного теплового контура. Это зависит от месторасположения самого участка, а также от ближайшего окружения (водоемы, здания, коммуникации) и геологии.

Эксплуатационная составляющая. Основная часть расходов - это функционирование теплового насоса. Эта цифра зависит от режима отопления вашего здания и от выбранного источника тепла.

Третий этап.

Анализ исходных данных для выбора теплового насоса:

Бюджет на предполагаемую систему.
Отопительная система: радиаторы, воздушное отопление, теплый пол.
Площадь участка, которую возможно выделить для укладки теплового коллектора.
Возможно ли бурение на участке.
Геология участка для определения глубины заложения геотермального зонда в случае принятия такого решения.
Требуется ли кондиционирование воздуха в летний период.
Имеется ли воздушное отопление или предполагается ли в будущем.
Капитальная стоимость покупки и монтажа ТН со всеми работами (приблизительная первоначальная оценка).

Разберём всё по порядку

Бюджет на предполагаемую систему

При создании системы отопления на ТН имеется возможность устройство контура «воздух-вода». Капитальные вложения будут минимальными, т. к. не требуется проведения дорогостоящих земляных работ. Но будут высокие затраты на этапе эксплуатации данной системы отопления ввиду низкой эффективности работы.

Если же вы хотите значительно уменьшить эксплуатационные расходы, то вам подойдет установка геотермального насоса. Правда, потребуется провести земляные работы для укладки теплового контура. Также данная система позволит получать «пассивный» холод.

Отопительная система: радиаторы, воздушное отопление, теплый пол

Для увеличения эффективности системы ТН желательно уменьшить разницу между температурой нагреваемой среды и температурой источника тепла.
Если вы ещё не выбрали систему отопления, то рекомендуется выбрать теплые полы, позволяющие более эффективно использовать систему ТН.

Площадь участка, которую возможно выделить для укладки теплового коллектора

Площадь участка для установки коллектора критична в случае невозможности бурения и установки геотермального зонда. Тогда вам придется осуществить горизонтальную укладку коллектора, а это потребует пространства примерно в 2 раза больше, чем площадь отапливаемого дома. При этом надо учесть, что данную площадь нельзя использовать под застройки, а только в виде лужайки или газона, чтобы не перекрывать потоки солнечных лучей.

Возможно ли бурение на участке

При возможности проведения бурения на участке (хорошая геология, возможность подъезда, отсутствие подземных коммуникаций) лучшим решением будет установка геотермального зонда. Он обеспечивает стабильный и долгосрочный источник тепла.

Геология участка для определения глубины заложения геотермального зонда, в случае принятия такого решения

После проведения расчета общей глубины бурения необходимо изучить план участка и установить, каким образом обеспечить глубину бурения. На практике глубина одной скважины обычно не превышает 150 м.

Поэтому если, например, расчетная глубина бурения 360 м, то исходя из особенностей участка её можно разбить на 4 скважины по 90 м, или 3 по 120 м, или 6 по 60 м. Но надо учесть, что между ближайшими скважинами расстояние должно быть не меньше 6 м.
Стоимость буровых работ прямо пропорционально глубине бурения.

Требуется ли кондиционирование воздуха в летний период

Если в летнее время требуется кондиционер, то очевиден выбора ТН типа «вода-вода» или «грунт-вода», остальные тепловые насосы не готовы эффективно и экономично выполнять функции кондиционирования.

Имеется ли воздушное отопление или предполагается ли в будущем

Возможна интеграция ТН в единую систему воздушного отопления. Данное решение позволит унифицировать инженерные сети.

Капитальная стоимость покупки и монтажа теплового насоса со всеми работами

Приблизительная первоначальная оценка капитальных затрат* на покупку и монтаж зависят от типа теплового насоса:

ТН с подземным коллектором:

Работы - 2500 $
Эксплуатационные расходы - 350 $/год

ТН с зондом:
Оборудование и материалы - 4500 $
Работы - 4500 $
Эксплуатационные расходы - 320 $/год

Воздушный ТН:
Оборудование и материалы - 6500$
Работы - 400 $
Эксплуатационные расходы - 480 $/год

ТН «вода-вода»:
Оборудование и материалы - 4500 $
Работы - 3500 $
Эксплуатационные расходы - 280 $/год

* – ориентировочные, среднерыночные цены. Конечная стоимость зависит от выбранного производителя оборудования, региона производимых работ, стоимости буровых работ и условий площадки и так далее.Примечание сметного отдела

Четвёртый этап. Виды работы

Одиночный. Тепловой насос является единственным источником тепла, обеспечивая 100% потребность в тепле. Работает для рабочих температур не выше 55 °С.
Спаренный. ТН и котел работают совместно, что позволяет с помощью котла получать более высокие рабочие температуры.

Моноэнергетический. ТН и электрокотел образуют энергосистему только с одним внешним источником энергии. Это позволяет плавно регулировать электропотребление, но увеличивает нагрузку на вводной автомат.

Выбор теплового насоса

После сбора всех исходных данных и проработки основных технических решений возможно выбрать подходящий тип ТН. Комплектация и выбор поставщика оборудования будет зависеть от ваших финансовых возможностей. Главное, подойти к выбору системы с полным пониманием того, чего вы хотите. Мы поможем вам выбрать и реализовать комфортную систему отопления. В ней можно учесть все нюансы: от климаторегулирующей функции до распределения тепла по зонам дома.

Заключение

Остановив свой выбор на экологической системе отопления с тепловым насосом, можно быть уверенным в завтрашнем дне. Вы получаете полную независимость от тепло снабжающих организаций, мировых цен на нефть и политической ситуации в стране. Единственно, что вам потребуется, это электроэнергия. Но со временем и получение электроэнергии можно перевести на абсолютную автономность с помощью ветряка.

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.

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 .

Многие участники нашего портала давно пользуются тепловыми насосами и считают их наилучшим способом отопления. Тепловой насос до сих пор остается дорогим устройством, и срок окупаемости у него большой. Но есть удачные опыты самостоятельного изготовления тепловых насосов: это позволяет избежать каких-то нереальных расходов.

Принцип работы теплового насоса
Как сделать тепловой насос своими руками
Выгодно ли делать тепловой насос

Принцип работы теплового насоса

Объясняя принцип действия теплового насоса, люди часто вспоминают холодильник, где в радиатор на задней стенке сбрасывается тепло, «снятое» с продуктов в камере.

Saga Участник FORUMHOUSE

Принцип работы теплового насоса, как холодильника: решетка на его обратной стороне греется, морозилка – охлаждается. Если мы удлиним трубки с фреоном и опустим их в ванну, то вода в ней будет охлаждаться, а решетка холодильника – нагреваться; холодильник будет перекачивать тепло из ванны и греть помещение.

По этому же принципу работают и кондиционеры, и тепловые насосы. Работа приборов основана на цикле Карно.

Теплоноситель движется по грунту или воде, в процессе «снимая» тепло и повышая свою температуру на несколько градусов. В теплообменнике теплоноситель отдает накопленное тепло хладагенту, тот становится паром, поступает в компрессор, где поднимается его температура. В этом виде он поставляется в конденсатор, отдает тепло теплоносителю ОС дома, и охладившись, снова превращается в жидкость и поступает в испаритель, где нагревается от новой порции нагретого теплоносителя. Цикл повторяется.

Хотя тепловой насос не будет работать без электричества, это выгодное устройство, поскольку тепла он выдает в 3-7 раз больше, чем тратит электроэнергии.

Мы разберем это на конкретном примере нашего пользователя, который сделал тепловой насос своими руками.

Тепловые насосы работают на энергии природных источников тела:

грунта;
воды;
воздуха.

Собирать тепло с грунта (ниже глубины промерзания его температура всегда около +5 - +7 градусов), можно двумя способами:

горизонтальный грунтовый коллектор
уложенные горизонтально разными способами трубы.

По трубам течет «рассол» - на FORUMHOUSE часто используют пропиленгликоль, который забирает тепло земли, передает его хладагенту, и остыв, снова отправляется в грунтовый коллектор.