Как обогревать дом кондиционером, или всё о тепловых насосах.

Что такое тепловой насос?

Второе начало термодинамики гласит: «Теплота самопроизвольно переходит от тел более нагретых к телам менее нагретым». А можно ли заставить тепло двигаться в обратном направлении? Да, но в этом случае потребуются дополнительные затраты энергии (работа). Системы, которые переносят тепло в обратном направлении, часто называют тепловыми насосами. Тепловой насос может представлять собой парокомпрессионную холодильную установку, которая состоит из следующих основных компонентов: компрессор, конденсатор, расширительный вентиль и испаритель. Газообразный хладагент поступает на вход компрессора. Компрессор сжимает газ, при этом его давление и температура увеличиваются (универсальный газовый закон Менделеева—Клапейрона). Горячий газ подается в теплообменник, называемый конденсатором, в котором он охлаждается, передавая свое тепло воздуху или воде, и конденсируется — переходит в жидкое состояние. Далее на пути жидкости высокого давления установлен расширительный вентиль, понижающий давление хладагента. Компрессор и расширительный вентиль делят замкнутый гидравлический контур на две части: сторону высокого давления и сторону низкого давления. Проходя через расширительный вентиль, часть жидкости испаряется, и температура потока понижается. Далее этот поток поступает в теплообменник (испаритель), связанный с окружающей средой (например, воздушный теплообменник на улице). При низком давлении жидкость испаряется (превращается в газ) при температуре ниже, чем температура наружного воздуха или грунта. В результате часть тепла наружного воздуха или грунта переходит во внутреннюю энергию хладагента. Газообразный хладагент вновь поступает в компрессор — контур замыкается. Можно сказать, что работа компрессора идет не столько на производство» теплоты, сколько на ее перемещение. Поэтому, затрачивая всего 1 кВт электрической мощности на привод компрессора, можно получить теплопроизводительность конденсатора около 5 кВт. Тепловой насос несложно заставить работать в обратном направлении, то есть использовать его для охлаждения воздуха в помещении летом.

Принцип получения тепла с помощью теплового насоса отличается от традиционных систем нагрева, основанных на сжигании газа или жидкого топлива, а также прямого преобразования электрической энергии в тепловую. В таких системах единица энергии энергоносителя преобразуется в неполную единицу тепловой энергии. В то время как тепловой насос, затрачивая единицу электрической энергии, «перекачивает» в помещение от 2 до 6 единиц тепловой энергии, забирая ее из наружного воздуха. Поэтому высокая эффективность воздушного теплового насоса делает естественным выбор в пользу таких систем для отопления помещений и нагрева воды на объектах, имеющих ограниченные энергоресурсы.

Системы отопления, основанные на применении теплового насоса, отличаются экологической чистотой, так как работают без сжигания топлива и не производят вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, они характеризуются экономичностью: при подводе к тепловому насосу, например, 1 кВт электроэнергии в зависимости от режима работы и условий эксплуатации он дает до 3—5 кВт тепловой энергии. Среди достоинств теплового насоса указывают снижение капитальных затрат за счет отсутствия газовых коммуникаций, безопасность эксплуатации благодаря отсутствию взрывоопасного газа, возможность одновременного получения от одной установки отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования.

Системы отопления бывают моновалентные и бивалентные. Различие между двумя видами состоит в том, что моновалентные системы имеют один источник тепла, который полностью покрывает годичную потребность в отоплении. Бивалентные системы имеют в своем составе два источника тепла для расширения диапазона рабочих температур. Например, тепловой насос работает до температуры наружного воздуха –25°С, а при дальнейшем понижении температуры в дополнение к нему подключается газовый или жидкотопливный котел для компенсации снижения производительности теплового насоса.

В настоящее время лидером в производстве тепловых насосов является компания Mitsubishi Electric. Компания представляет системы серии ZUBADAN (на японском языке это означает «супер обогрев»). Известно, что производительность тепловых насосов, использующих для обогрева помещений низкопотенциальное тепло наружного воздуха, уменьшается при снижении температуры на улице. И это снижение весьма значительное: при температуре -20°С теплопроизводительность на 40% меньше номинального значения, указанного в спецификациях приборов и измеренного при температуре +7°С. Именно по этой причине воздушные тепловые насосы не рассматривают в странах с холодными зимами как полноценный нагревательный прибор. Отношение к ним коренным образом изменилось с появлением тепловых насосов серии ZUBADAN. Положительный эффект основан на утилизации тепла в едином контуре систем охлаждения, отопления, нагрева воды и технологического оборудования. Охлаждая помещения, система передает «лишнее» тепло для «бесплатного» нагрева воды, которая требуется круглогодично. Зимой же применение теплового насоса позволяет в 2 — 3 раза снизить потребление электроэнергии на обогрев помещений. Вот как это работает:

Сегодня мы вкратце рассмотрели тепловые насосы, их принцип работы и варианты исполнения. От себя лично я могу добавить, что всерьез рассматриваю подобную систему для установки на даче. Не сочтите за рекламу, но Зубадан — пока что самая эффективная из подобных систем. Если же ее дополнить альтернативным источником энергии, то получится идеальная автономная система отопления и охлаждения для жилого дома. Цены на оборудование — вот основная проблема на пути к мечте. Лично меня пока только это и останавливает, но со временем, надеюсь, я все-таки смонтирую себе подобное оборудование! В дальнейшем я планирую написать статьи о тепловых насосах с привязкой к конкретным жилым домам, для наглядности. До новых встреч, не забывайте подписываться на канал, будет еще много интересного!

Тепловые насосы для отопления дома

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.

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.

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

Тепловые насосы работают на энергии природных источников тела:

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.

Горизонтальный грунтовый коллектор – самый дешевый способ получения энергии для работы теплового насоса. Проблема в том, что он занимает большую площадь. Чтобы обогреть дом 100 кв.м. потребуется около 5 соток на участке, и над коллектором нельзя будет возводить капитальных строений и сажать деревья с мощной корневой системой.

Люди с небольшими участками вынуждены использовать более дорогой способ – вертикальный грунтовый зонд. Это целая U-образная труба, опущенная на большую глубину (около 150 метров), или несколько таких труб, заглубленных на 20 метров (в итоге это получается дешевле и не требует получения разрешения).

Для экономии места можно бурить маленьким буром много неглубоких скважин. Получится дешевле чем бурить одну большую.

Также для работы теплового насоса используется вода – или из открытого водоема, или из скважины.

Способ устройства теплового насоса для отопления дома «вода- вода» считается самым выгодным (нет расходов на бурение и прокладку траншей), но только если дом, в котором будет установлен тепловой насос, стоит на берегу, не дальше, чем в 50 метрах от водоема. В этом случае трубопровод с «рассолом» опускается на дно реки — и все.

При втором способе необходимо пробурить две скважины: из одной вода будет поступать к тепловому насосу и передавать ему свое тепло, а во вторую будет отправляться уже «отработанная», остывшая вода. Расстояние между скважинами должно быть не менее 20 метров.

Тепловые насосы «воздух-воздух» эффективны только в южных регионах, где температура зимой не опускается ниже -5 градусов.

Самодельный тепловой насос

При всех преимуществах, которые имеет тепловой насос, цена этого устройства даже без обустройства коллектора составляет несколько тысяч у.е. Сократить расходы можно, сделав его самостоятельно.

Участник FORUMHOUSE c ником Saga сделал тепловой насос для отопления трехуровневого дома площадью 300 квадратных метров, собрав его из компрессора, пластинчатых теплообменников, фильтра-осушителя, ТРВ и других компонентов. В качестве хладагента использовал фреон R22.

На участке на глубине полутора метров проложил два контура трубы ПНД по 450 метров и один контур, на 600 метров, поместил в речку рядом с домом. Копал траншеи и все соединения делал сам – сейчас, с опытом, сделал бы все надежнее и экономнее.

Спустя три года домовладелец не пожалел о своем решении установить тепловой насос. Он смонтировал к нему еще и вентиляцию (ТН подогревает воздух перед рекуператором), а холодным воздухом летом бесплатно остужает дом. Отопление, подогрев воды и кондиционирование обходится ему в 25 000 в год.

На этой исторической фотографии видно, сколько электричества было потрачено за три года на отопление и подогрев воды — 38586 киловат (напомнаем, площадь дома — 300 кв.метров).

Счетчик на фото специально для теплового насоса: когда-то сам не верил .

Соседи, оценив потенциал теплового насоса, сделали себе такие же. Главной ошибкой в устройстве теплового насоса наш пользователь считает чрезмерную длину холодных контуров – 200 метров было бы достаточно. Еще один промах – теплообменник в системе вентиляции, его надо делать с большим запасом; обязательно пригодится.

Все мелкие ошибки связаны с попытками сэкономить.

Не экономьте на диаметре труб, покупайте фирменные фитинги и циркуляционные насосы и будет вам счастье.

Подведение итогов

Участники нашего портала используют тепловой насос, как полноценную систему отопления (а не вспомогательную). По нашим наблюдениям, тепловой насос становится все более популярным способом отопления загородного дома. По отзывам наших пользователей, тепловой насос лучше всего работает в домах с низкими теплопотерями, поэтому в идеале дом нужно «затачивать» под это устройство еще на этапе проектирования. Хорошим вариантом будет каркасник со всеми необходимыми утеплениями, мембранами и пленками, или каменный дом. Второй момент: тепловой насос наиболее эффективен в альянсе с низкотемпературными отопительными приборами, так что лучше сразу ориентироваться на теплый пол.

На FORUMHOUSE можно найти огромное количество информации для тех, кто решится сделать тепловой насос своими или чужими руками. Есть рекомендации по правильному устройству геотермального контура теплового насоса, бесценные подсказки для самостоятельного изготовления теплового насоса, узнайте, как сделать самую бюджетную, «народную» систему отопления на основе теплового насоса, посмотрите наше видео про дом, который успешно отапливается тепловым насосом.

Отопление дома кондиционером: тепловые насосы

Ограниченность в выборе энергоресурсов сегодня не редкость, особенно в районах «молодой» застройки. Если иных источников энергии кроме электричества на объекте нет, кондиционеры станут не только отменным способом охладить жильё летом, но и обеспечат качественный и экономичный обогрев в холода.

Подходящий класс оборудования

Не все кондиционеры пригодны для использования в качестве отопительных приборов. Существует отдельная группа климатической техники, называемая тепловыми насосами. Если кратко, то ключевое отличие такого оборудования заключается в возможности инвертировать направление хладагента в контуре испарителя и компрессора. Таким образом, в летнем режиме установка отбирает излишек тепла из комнатной атмосферы и сбрасывает его на улицу, зимой же всё происходит по обратной схеме.

Принцип работы теплового насоса «воздух-воздух» в зимнем и летнем режимах

Нагрев воздуха тепловым насосом происходит не за счёт преобразования электрической энергии в тепловую (как в простейших кондиционерах с функцией нагрева), а за счёт перекачки тепла из одной среды в другую. Отсюда происходит и название оборудования: даже в морозную погоду воздух содержит некоторое количество теплоты, которую можно изъять и направить внутрь здания для поддержания комфортного климата. Но такой принцип работает только при определённых условиях, главным ограничением действует разница температур между улицей и помещением, а также температурные пределы, при которых рабочий теплоноситель — хладагент, может испаряться и конденсироваться.

Устройство воздушного теплового насоса

По конструкции тепловые насосы — приборы достаточно сложные. С одной стороны в комплектацию входит ряд устройств, обеспечивающих обратную циркуляцию теплового контура под управлением автоматики. Это четырёхходовой клапан, расширительный клапан особой конструкции и более сложная система каналов, по которым циркулирует хладагент. С другой стороны, настоящий тепловой насос обязательно комплектуется устройствами, помогающими основным узлам насоса работать в экстремальных условиях. Всё вспомогательное оборудования на языке маркетинга называется «зимним комплектом», в него входят:

• нагреватель компрессорного масла;
• радиаторы специальной конструкции, устойчивые к образованию конденсата и обмерзанию;
• устройства рекуперации, подающие на внешний теплообменник вытяжной вентиляционный поток;
• система инжекции подогретого хладагента;
• специальная марка хладагента.

Сфера применения

Основной критерий оценки для тепловых насосов — коэффициент тепловой эффективности, иначе называемый COP. Эту величину в действительности определить достаточно сложно, она зависит как от степени термодинамического совершенства — реального КПД машины с учётом всех цепочек преобразований, так и от мощности источника низкопотенциальной энергии. Эти два фактора склонны изменяться, в основном в зависимости от текущей разницы температур, то есть реальный интерес представляет динамика изменения COP в различных условиях работы. Иначе говоря, производительность отдельно взятой модели теплового насоса рассматривается в соответствии с доминирующим тепловым режимом, а не по самой холодной пятидневке. Экономия, полученная от установки в период умеренной разницы температур, должна покрывать затраты на работу конвекционных и лучистых источников в сильный мороз, когда тепловой насос работать не может.

Тепловые насосы рассчитаны не только для бытового применения. Они отлично справляются с сильным охлаждением ограниченных пространств: морозильных камер или отсеков с вычислительной техникой. В странах Запада активно развивается практика отведения под комнату-холодильник отдельного подвального помещения с последующей передачей тепла наружу летом или в приток вентиляции зимой. Это так называемые бивалентные системы теплоснабжения, другим частным случаем можно назвать подачу на внешний теплообменник воздуха, пропущенного по грунтовому теплообменнику или сухому солнечному коллектору.

Проблемы тепловых насосов

Системы отопления, основанные на воздушных тепловых насосах, отличаются высокой сложностью проектирования: требуется определить не только достаточный объём притока энергии для восполнения теплопотерь, но также эффективный режим работы, количество и расположение узлов нагревательной системы. При этом число единиц и стоимость задействованного оборудования должны быть, безусловно, минимальными.

Обычно следствием ошибок расчёта и установки воздушных систем отопления служит появление в помещении холодных зон, а также конденсация влаги на остеклении, не имеющем тепловой завесы. Места размещения внутренних блоков нужно определять по представленным производителем эпюрам распределения температуры и скорости потока для стандартных режимов нагрева. Эту задачу выполнить особенно сложно с учётом того, что введение каждого нового источника нагрева требует в разных вариациях:

• установки дополнительного внешнего блока;
• прокладки магистрали фреона до внешнего блока;
• прокладки воздушного канала.

Из-за этого окончательная конфигурация системы отопления должна быть выбрана один раз, зачастую задолго до начала работ по внутреннему обустройству дома. Всё из-за крайне низкой пригодности тепловых насосов к модернизации и отсутствия существенного запаса мощности. Крайне важно уметь определить, в каких случаях использовать традиционные нагревательные приборы удобнее и выгоднее, чем инверторный кондиционер. Не в последнюю очередь следует думать и об эксплуатационном ресурсе теплового насоса: наиболее эффективной его работа будет при значениях COP выше 2–2,3.

Разновидности конфигураций: сплит-системы, моноблоки, руфтопы

При всей своей «неуклюжести» тепловые насосы имеют достаточно много конфигураций для выбора наиболее удобного размещения оборудования. Системы мультисплит обязаны своим появлением стремлению сохранить внешний вид зданий, а также обеспечить более высокий уровень технологической организации. Принципиальное отличие таких систем — наличие разветвителя и устройства автоматической регулировки мощности в достаточно высоком диапазоне.

Следующий шаг в этом направлении был сделан при выходе на рынок мультизональных систем VRF и, как частный их случай, систем VRV. В гражданском применении такие системы направлены на коллективное использование, они допускают одновременное подключение нескольких дюжин внутренних блоков к одной уличной установке, при этом протяжённость фреоновой магистрали может достигать сотни метров, а разница по высоте между элементами системы — вплоть до 12 этажей.

Тепловой насос VRV

Единственное строгое ограничение для тепловых насосов представляет необходимость нахождения внешнего испарителя на открытом воздухе, все остальные изменения в конфигурации — на усмотрение технологов. Это позволило действовать в обратном направлении, избежав применения фреоновых магистралей или сведя к минимуму их протяжённость. Компактные тепловые насосы для локального обогрева достаточно дёшевы, при этом они не требуют обустройства соединительных трубопроводов или воздушных каналов. Моноблочные инверторы, встраиваемые в стену или окно, а также руфтопы, блоки которых расположены по разные стороны от кровельного перекрытия на минимальном расстоянии, позволяют эффективно распределить тепло по всей полезной площади максимально равномерно.

Инженерные коммуникации

Очевидно, что наиболее пригодные места установки источников тепла в случае использования тепловых насосов — внешние стены и верхние этажи под плоской кровлей или холодным чердаком. Однако при значительных размерах здания его центральные помещения остаются без активного отопления, что не всегда удобно. Решить такую проблему можно за счёт правильной разводки фреоновых магистралей или организации воздушного обогрева, источником тепла в котором выступает атмосферный тепловой насос.

В последнем случае размещать внешний блок лучше в небольшой технической пристройке, обычно расположенной на уровне земли, что облегчает подключение к грунтовому теплообменнику, или на крыше — для подключения к полю гелиосистемы. Внутренний блок располагается внутри здания, соединяясь с внешним через проход в ограждающей стене. Транспортировка нагретого воздуха до потребителей осуществляется через замкнутую систему воздушных каналов:

• в подающем контуре поддерживается постоянное давление воздуха, объём поступления которого по каждой ветке регулируется канальными шиберами;
• входы вытяжных каналов расположены в точках, диаметрально противоположным местам установки тёплого притока, через них частично охлаждённый комнатный воздух собирается и подаётся ко внешнему блоку, обеспечивая тем самым цикл рекуперации.

Сама возможность полного контроля над вентиляцией подразумевает существенную экономию. При этом высокая сложность и стоимость воздушных каналов нивелируется относительно низкой стоимостью установки: один блок всегда обходится дешевле нескольких поменьше при равной суммарной мощности.

Когда система с тепловым насосом включает также внутренние блоки с системой медных трубопроводов, стоимость коммуникаций возрастает, однако вместе с тем повышается и комфорт пользования системой. С одной стороны — проложить сложную разводку фреоновых магистралей можно даже при небольшой толщине перегородок и перекрытий. С другой — иногда более эффективным решением оказывается организация замкнутых контуров, в которых циркулирует хладагент, для дальнейшего параллельного подключения к ним внутренних блоков — на это и рассчитаны мультизональные системы.

Канальные кондиционеры

Отдельная категория тепловых насосов, которая включает в себя преимущества воздушного рекуперативного отопления и экономичность инверторной схемы — канальные кондиционеры. Сама по себе концепция скрытого размещения внутренних блоков не нова, однако тепловые насосы подобного типа стали доступны широкому кругу покупателей сравнительно недавно.

Главное отличие такой конфигурации — практически полная бесшумность при наличии внутренних блоков, позволяющих настроить режим работы отопления с высокой гибкостью и точностью. Единственное ограничение для монтажа канальных тепловых насосов представляют строительные конструкции, которые должны содержать как достаточно широкие полости для прокладки каналов, так и внушительных размеров нишу для установки корпуса основного устройства. Но при этом фреоновые магистрали можно прокладывать параллельно с воздуховодами.

Внутренний блок канального теплового насоса выполняет функцию не только нагрева воздушного потока, но также его распределения по отдельным потребителям, фильтрацию и подготовку. Контур рекуперации также может присутствовать, но обычно это устройство выполняется в виде приставки. Помимо широких возможностей в управлении и настройке, скрытое расположение внутреннего блока может быть попросту удобным и никак не повлияет на интерьер помещения.

Резюме

Воздушные тепловые насосы пока не приходится рассматривать как основной и единственный источник обогрева, особенно если в течение отопительного периода возможны затяжные падения температуры ниже -5. -10 °C. Установки, способные работать в более экстремальном температурном режиме, существуют, но входят в значительно более высокую ценовую категорию с более продолжительным сроком окупаемости.

И всё же в среднем диапазоне температур такие приборы демонстрируют действительно высокую эффективность: для восполнения теплопотерь им необходима всего четверть их энергетического эквивалента. При сроке службы такого оборудования свыше 20–30 лет оно успевает окупить себя несколько раз, так что своевременный переход на современные энергоэффективные системы отопления поможет сэкономить в будущем, когда цена на энергоносители станет значительно более высокой, чем сегодня.