Тепловой насос: принцип работы, сферы применения

Создано при поддержке FORUMHOUSE

Мы получаем тепло за счёт сжигания дров, угля, нефтепродуктов и газа. Но эти привычные для нас способы отопления на самом деле примитивные и опасные: они безвозвратно тратят ресурсы земли и загрязняют атмосферу. Продолжаться долго так не может. Поэтому на смену традиционным способам приходят энергоэффективные технологии, которые могут генерировать тепло из земли и воздуха, не причиняя вреда природе.

Что такое тепловой насос?

Тепло находится везде: в воздухе, воде и земле. Тепловой насос — это повышающий трансформатор теплоты, — устройство, которое забирает тепло из окружающей среды и передаёт его в систему отопления и горячего водоснабжения. При работе теплового насоса энергия тратится не на прямой нагрев теплоносителя, а на перекачку и преобразование тепла из окружающей среды в дом. Так достигается высокая энергоэффективность прибора: при затрате 1 киловатта электричества на работу компрессора, вырабатывается 3–5 кВт тепловой энергии (тепловой коэффициент СОР 3–5 единиц).

Какие бывают тепловые насосы?

Тепловые насосы подразделяются на три вида:

• Аэротермальные (воздушные), которые получают тепловую энергию из атмосферы.
• Геотермальные, добывающие тепло из земли.
• Акватермальные (водные) — класс оборудования, использующий тепло водной среды: реки, озера, моря, подземного водоносного слоя.

Аэротермальный насос забирает тепло через воздушный теплообменник — уличный радиатор. Геотермальные насосы получают тепловую энергию из земли через геотермальные поля — это проложенные горизонтально под поверхностью земли трубы, либо скважины (зонды), куда трубы устанавливается вертикально. Зонды могут также располагаться и под углом, так как не на всех участках есть возможность пробуриться в глубину. Коллекторы акватермального насоса помещаются в водоём или водяную скважину.

Геотермальные тепловые насосы работают более эффективно благодаря стабильной температуре грунта круглый год. У аэротермальных насосов тепловой коэффициент (СОР) падает при наружной температуре от -15 °C. Водные тепловые насосы зависят от качества воды: водоросли, известковый налёт, коррозия — эти факторы значительно снижают производительность устройства.

Как работает воздушный тепловой насос?

Работа любого теплового насоса делится на три этапа:

• сбор тепла из окружающей среды;
• повышение температуры собранного тепла;
• передача тепла в систему отопления и ГВС.

Отличается только способ получения низкопотенциального тепла из окружающей среды. У воздушного теплового насоса это осуществляется следующим образом:

• По испарителю воздушного теплонасоса циркулирует хладагент — фреон. Эта незамерзающая и легкоиспаряющаяся жидкость, которая закипает при низких температурах. Температура фреона всегда ниже температуры воздуха и, следовательно, под её воздействием хладагент закипает и преобразуется в пар. Это называется теплообмен в температурном дифференциале.
• Парообразный фреон поступает в компрессор, где сжимается. Под воздействием высокого давления пар хладагента разогревается: температура сжатых паров фреона может достигать 128 °C. Это тепло поступает в конденсатор.
• В конденсаторе горячий фреоновый пар передаёт тепловую энергию в контур отопления и нагрева воды. При отдаче тепловой энергии пар охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, но сохраняет при этом высокое давление. И также температура хладагента на этом этапе ещё недостаточна для нового цикла поглощения тепла из окружающей среды. Поэтому после теплообменника фреон проходит через дроссельный вентиль, где понижается давление и падает температура. После этого хладагент идёт в наружный контур для прохождения повторного цикла.

Как работает геотермальный и акватермальный тепловые насосы?

Принцип работы этих тепловых насосов отличается только получением тепла из окружающей среды. Здесь в качестве теплообменника выступает контур из труб, проложенных под землёй или погруженных в воду. По трубам циркулирует не хладагент, как у воздушных насосов, а посредник — пропиленгликоль, спирт или водно-гликолевая смесь. Именно эти жидкости аккумулируют полученное из воды или почвы тепло и передают его в испаритель установки.

Теплоноситель поступает в испаритель, нагревает фреон, превращая его в пар. Парообразный фреон проходит через компрессор, где сжимается и нагревается. После этого он также попадает в конденсатор, где и передаёт тепло отоплению и горячему водоснабжению. Цикл завершается, когда хладагент проходит через дроссельный вентиль, где происходит процесс снижения давления и охлаждения. Охлаждённый фреон снова попадает в испаритель.

Если упрощённо: тепло воздуха, воды или земли требуется лишь для того, чтобы вскипятить фреон и превратить его в пар. Далее в компрессоре пар под воздействием давления разогревается до высоких температур, энергия которых идёт на подогрев воды в системе отопления и ГВС. Так низкопотенциальное тепло внешней среды преобразуется в высокие температуры теплоносителя контура отопления.

Как повысить эффективность работы теплового насоса?

Немаловажную роль в производительности теплового насоса играет отопительная система. Наиболее эффективно оборудование функционирует с низкотемпературными системами отопления: тёплым водяным полом; фанкойлами (вентиляторными теплообменниками). Дело в том, что тепловой насос работает максимально продуктивно при температуре от 35–40 °C на выходе, а это соответствует оптимальной температуре теплоносителя в системе водяного тёплого пола или воздушного отопления.

Может ли тепловой насос охлаждать?

Тепловые насосы могут не только нагревать, но и охлаждать — использоваться для кондиционирования. То есть, устройство может забирать тепло из помещения и выводить его наружу по такому же принципу, но только в обратном порядке. Холодильник — это тоже тепловой насос. Этот бытовой прибор не производит холод, он просто удаляет всё тепло из герметичной теплоизоляционной камеры.

В каких сферах применяются тепловые насосы?

Тепловые насосы применяются для отопления и кондиционирования промышленных объектов, муниципальных зданий, многоэтажных и частных жилых домов. Данная технология способна заменить все традиционные способы отопления. Пример тому Швеция, где при помощи тепловых насосов отапливается более 90% зданий различного назначения. Геотермальные и аэротермальные насосы широко распространены в Европе, США, Японии.

Кому подойдёт этот вид отопления?

Для функционирования тепловому насосу требуется только электричество. Этот вид отопления подойдёт для частных домов, расположенных вдали от газовых магистралей или где подключение к газу неоправданно дорого. Тепловой насос отлично подходит для негазифицированных посёлков, где не хватает мощности для установки электрического котла. Данный вид отопления пользуется популярностью у тех, кто не желает жить на «пороховой бочке», то есть подходит людям опасающимся удушья или взрыва при утечке газа. Тепловой насос можно применить на коммерческих объектах в качестве энергоэффективного отопления.

Какую опасность представляет тепловой насос?

В тепловом насосе не сжигается топливо; он не производит вредные выбросы в атмосферу и отходы в окружающую среду. Это пожаро/взрывобезопасное и экологически чистое устройство. Хладагент циркулирует по закрытому контуру и опасности для природы и человека не представляет.

На что обращать внимание при выборе теплового насоса?

Как мы упоминали, тепловые насосы делятся на три вида: аэротермальные, акватермальные и геотермальные. Первые работают от атмосферного тепла и у них есть два существенных недостатка: температурные перепады и регулярное загрязнение радиатора. При сильных морозах тепловой коэффициент (СОР) падает до 1, вместо заявленных 3–5. И также постоянное загрязнение уличных радиаторов снижает эффективность аэротермальных насосов. Эти установки больше подходят для умеренного климата с мягкими зимами.

Акватермальные насосы требовательны к качеству воды и их эффективность падает, когда контур теплоносителя загрязняется или покрывается налётом.

Для наших условий наилучший выбор — это геотермальные тепловые насосы. Система «грунт-вода» является наиболее удобной, надёжной и эффективной для отопления и горячего водоснабжения дома. Связано это с почти постоянной температурой почвы в течение всего года. Геотермальное поле закладывается ниже отметки промерзания грунтов, что позволяет установке функционировать стабильно и выдавать высокий тепловой коэффициент. Например, СОР геотермальных тепловых насосов серии ФХ (ФХ-401 , ФХ-405 , ФХ-415) до 5 единиц!

При выборе оборудования важно, чтобы оно не только банально нагревало воду, но и обладало расширенными характеристиками, отвечающим требованиям современного теплового насоса. Возьмём для примера геотермальный тепловой насос IQ (инвертор) ФХ-415. Установка оснащена: устройством для удалённого доступа; автоматическим перезапуском при отключении электричества; защитой циркуляционных насосов; защитой от перекоса фаз; режимом климат-контроля по температуре воздуха; недельным графиком работы; погодозависимым режимом; управлением ТЭНом бака ГВС; энергонезависимой памятью; шумоизоляцией корпуса. Это гарантирует надёжность, долговечность и высокую энергоэффективность оборудования.

Как вы относитесь к таким системам отопления? Напишите в комментариях.

Друзья, нас уже больше 85 тысяч! Поставьте лайк, подпишитесь на канал, поделитесь публикацией — мы работаем , чтобы вы получали полезную и актуальную информацию!

Тепловые насосы: недостатки, преимущества, проблемы и выгоды, виды ТН

Перед строительством собственного жилья хозяевам приходится обдумывать множество вещей. Одним из самых важных вопросов, встающих перед ними, становится выбор системы обогрева помещений и способ получения горячего водоснабжения. Так как электроэнергия постоянно дорожает, владельцам приходится рассматривать и изучать потенциальные альтернативные источники. Например, солнечные коллекторы или тепловые насосы (ТН). Несмотря на то, что оборудование нельзя назвать новым, у нас оно появилось сравнительно недавно, поэтому его устройство незнакомо, непривычно, непонятно. Поэтому разобраться в том, что такое тепловые насосы, оценить серьезность недостатков и их неоспоримые преимущества, необходимо.

Как работает тепловой насос?

ТН — парокомпрессионная установка, забирающая тепло у холодных источников. Чтобы понять принцип действия чудо-конструкции, надо вспомнить о том, как функционирует холодильник, который тоже можно назвать небольшим тепловым насосом. Продукты с комнатной температурой помещаются в агрегат, затем тепло выкачивается из камеры и скапливается во внешнем радиаторе, отдающем его помещению. По этой причине для нормальной его работы нужно оставлять между стеной и прибором свободное место.

Подобный принцип, который называют циклом Карно, используется и в бытовых кондиционерах. Для тепловых насосов тоже характерно извлечение тепловой энергии из окружающей среды: из воздуха, грунта, подземных вод или водоемов. Передача тепла происходит за счет конденсации, испарения хладагента. В тепловых насосах, как и в холодильниках, в этой роли также чаще выступает фреон.

Любой тепловой насос имеет испаритель, конденсатор, и компрессор, повышающий давление. Все приборы соединены трубопроводом в единый замкнутый контур. По этим трубам циркулирует фреон — углеводород, у которого температура кипения очень низкая. В холодной части контура он находится в жидком состоянии, в теплой — превращается в газ.

Теперь надо рассмотреть, как работает тепловой насос. Двигаясь по источнику тепла (например, по трубам, уложенным в грунт) теплоноситель нагревается на несколько градусов даже в том случае, если температура мала и составляет всего 4-5°. Потом он поступает в испаритель и отдает тепло во внутренний контур системы, которая заполнена фреоном. Даже небольшого количество тепла хватает для перехода хладагента из жидкого состояния в газообразное.

Хладагент, превратившийся в пар, поступает в компрессор, где он сжимается. Повышение давления приводит к повышению его температуры. Далее горячий фреон следует в конденсатор, где отдает тепло тому теплоносителю, который функционирует в системе отопления дома. Им может быть вода, воздух, тот же фреон. Нагретый теплоноситель поступает с систему горячего водоснабжения и отопления, а хладагент, отдавший тепло, охлаждается, превращается в жидкость, поступает в испаритель, в котором снова нагревается, и кругооборот его в контуре повторяется.

Преимущества или недостатки?

Так как данные устройства появились у нас относительно недавно, многие россияне до сих пор относятся к ним с большим недоверием. В США, Европе и Японии их используют давно и успешно. Однако нельзя сказать, что такое оборудование для нашей страны абсолютная загадка, «терра инкогнита».

В СССР тоже проводились эксперименты, касающиеся таких альтернативных источников энергии. Однако широкого распространения эта технология так и не получила. Поэтому важно понять, почему, и имеет ли большой смысл замена привычных систем на эко-новинку? Приставка «эко» в этом случае может означать как экологию, так и экономию.

Достоинства

Первое и несомненное преимущество тепловых насосов — значительная экономия электроэнергии. Да, им, в отличие от солнечных коллекторов, она необходима, однако в гораздо меньших количествах. Например, электрический котел (или обогреватель) забирает столько же энергии, сколько выдает тепла. Тепловой насос, наоборот, тратит минимум электроэнергии, а тепла производит в три-семь раз больше. Оборудование может потратить 5 кВт/ч, однако тепла оно выделяет не менее 17 кВт/ч. Высокий КПД — самое привлекательное качество тепловых котлов.

Другие плюсы установки альтернативной системы:

1. Серьезная экономия на энергоносителях. Цены на все виды топлива неумолимо растут, а тепловой насос позволит получать большее количества тепла при сократившихся расходах на электроэнергию.
2. Возможность установки в любой местности, так как источником тепла способны стать воздух вода либо грунт. Особенно актуально оборудование для участков, расположенных далеко от газовой магистрали.
3. Реверсивность установки. Тепловые насосы универсальны. Зимой они обеспечивают тепло, жарким летом дают возможность обеспечить помещению прохладу. Однако такой функцией оснащают не все модели.
4. Долговечность. Оборудование, за которым ухаживают должным образом, способно бесперебойно работать 25-50 лет. Замена компрессора может потребоваться раз в 10-15 (максимум 20) лет.
5. Возможность использования в любых условиях: там, где нет электричества, устанавливают бензиновый либо дизельный двигатель.
6. Экономия на техническом обслуживании. Оборудование не потребует на него больших расходов.
7. Бесперебойная работа при температуре -15°.
8. Полная автоматизация теплового насоса.
9. Безопасность для окружающей среды.
10. Бесплатность источника тепла.

Помимо плюсов есть у систем и слабые стороны.

Недостатки

К ним относится:

1. Цена тепловых насосов и стоимость обустройства геотермальной системы. Причем окупится оборудование далеко не сразу. Владельцам придется ждать как минимум 5 лет. Исключение — воздушные устройства, не требующие дополнительных вложений.
2. Необходимость добавления дополнительного источника тепла в тех регионах, где температура нередко бывает ниже -20°. Такая система называется бивалентной. Если не справляется тепловой насос, то подключается теплогенератор (газовый котел, электрообогреватель).
3. Экологичность, все же находящаяся под вопросом. Для человека угрозы нет, но она существует для экосистемы. Например, в грунте живут микроорганизмы — анаэробы. При сильном охлаждении пространства около труб им грозит неминуемая гибель.
4. Почти необходимость обеспечить в доме трехфазную электросеть. Для исправной работы теплового насоса надо свести к минимуму перепады напряжения, которые способны спровоцировать поломку установки.

Оптимально использование такого оборудования в системах, где низкотемпературный теплоноситель, пример — «теплый пол».

Чтобы понять, целесообразна ли покупка и установка теплового насоса, владельцам придется оценить все плюсы и минусы. Главные «противники» — экономия электроэнергии (топлива) и серьезные расходы на приобретение и установку. К существенным минусам ТН относят низкий КПД в холодное время года, однако есть модели, которые могут вырабатывать тепло даже при -35°. Но заплатить за них придется еще дороже.

Стоит ли тратиться на покупку и установку ТН? Каждый решает сам. Единоразовое вложение даст шанс навсегда забыть о больших счетах за отопление. Кроме того, в пользу оборудования свидетельствует его полная безопасность для жильцов, и почти полная — для окружающей среды.

Тепловые насосы: виды систем

Если решения принято в пользу этой альтернативы, то следующий шаг — знакомство с разновидностями таких систем. Их существует несколько. Воздушные (аэротермальные) установки забирают тепло из воздуха, геотермальные используют тепловую энергию земли, гидротермальные — наземных/подземных вод.

Воздушные

Аэротермальные насосы используют тепловую энергию воздуха, находящегося снаружи здания. Эта конструкция максимально проста, поэтому дополнительное оборудование ей не требуется. Воздух сразу поступает в испаритель, там он передает тепло хладагенту, а тот, в свою очередь, теплоносителю внутри дома.

Из-за простоты системы затраты на нее минимальны, однако в этом случае самой важный критерий — производительность установки, но она сильно зависит от температуры внешней среды. В тех регионах, где зимы теплые (от 0° до +5°), такое оборудование будет самым экономичным вариантом из всех возможных.

Если температура зимой в местности, где стоит дом, нередко минует отметку -15°, то тепловые насосы использовать попросту не имеет смысла: производительность ТН в холода сильно падает, а об окупаемости его даже думать не придется. В этом случае рациональнее включать традиционный электрообогреватель либо котел.

Другой «влиятельный» фактор — влажность воздуха. В тех районах, где он сухой, а температура зимой не падает ниже -15°, тепловые насосы устанавливать можно. Холодному, влажному климату такое оборудование противопоказано: тепловые установки не смогут эффективно работать из-за обмерзания и обледенения.

Водяные

Эти гидротермальные источники тепла могут использоваться по-разному.

1. Река, озеро или море. В этом случае коллектор располагают на дне водоема. Эти трубы с жидкостью-антифризом притапливают грузом. Так как температура теплоносителя высока, то оборудование обещает серьезную экономию. Однако целесообразно делать такую установку лишь в тех домах, которые расположены не расстоянии 50 метров, но не более, так как эффективность оборудования уменьшается с каждым лишним метром.
2. Канализационные стоки. Коллектор, установленный в них, можно использовать как для отопления частных и многоэтажных домов, так и для систем горячего водоснабжения. Этот способ с успехом применяют в некоторых российских городах, чаще для обеспечения обогрева и ГВС промышленных зданий.
3. Грунтовая, скважинная вода. Это система предполагает наличие двух колодцев. Из одного воду забирают, в другой сбрасывают. Такая установка сложна в монтаже и трудозатратна.

Самые лучшие условия у тех, кто живет недалеко у глубокого водоема. Если климат позволяет, а дом расположен у реки, озера или на побережье, то шанс получить бесплатное отопление и ГВС упускать нельзя.

Грунтовые

Это самый практичный вариант: грунт — стабильный источник, который накапливает тепло в течение сезона. На 10-метровой глубине температура неизменна, она составляет +10 °. С каждым метром она падает примерно на один градус: на расстоянии 5-7 метров от поверхности земли температура земли может колебаться в минимальных пределах — От +5 до +8°.

Если говорить о способах «добычи» тепла, то их есть два — горизонтальный и вертикальный.

Горизонтальный коллектор

Этот коллектор — труба, расположенная параллельно поверхности земли. Глубину для нее рассчитывают отдельно для каждого конкретного участка. В одних случаях ее закладывают на глубине 1-1,2 м, либо ниже уровня промерзания грунта (1,5-1,7 м), в других — еще глубже — на 2-3 м. Последний вариант дает возможность обеспечить большую стабильность температуры. Иногда для максимальной эффективности системы устраивают двойной коллектор — двухслойный.

Трубы для коллектора используют разные: их диаметр может быть 25, 30, 32 либо 40 мм. Возможная форма коллектора — зигзаг, змейка, петли, спирали. Минимальное расстояние между соседними трубами 600 мм, чаще оно составляет 800-1000 мм. Удельный теплосъем полностью зависит от характеристик грунта:

• сухой песок — 10 Вт/м, такая же глина — 20 Вт/м;
• глина средней влажности — 25 Вт/м;
• глина, в которой содержится много воды, — 35 Вт/м.

Чтобы было понятно, какие площади должен занимать такой коллектор, лучше привести самый показательный пример, для участка с влажной глиной. В этом «тяжелом российском случае» для отопления дома в 100 м 2 потребуется конструкция, имеющая площадь 400 м 2 . Мало кто может позволить такие масштабные работы. К тому же на этом участке не должно быть никаких построек.

В трубы коллектора закачивают специальную жидкость — антифриз, который еще называют «рассолом». Например, раствор пропиленгликоля или этиленгликоля (30%). Антифриз забирает у грунта тепло, затем следует к тепловому насосу, где отдает его хладагенту. Затем «охладевший» раствор снова возвращается под землю.

Вертикальный зонд

Эта конструкция серьезно экономит площадь участка, зато глубина его значительна. Есть два варианта — одна U-образная труба или их система. В первом случае ее заглубляют на 80-100 м, затем заливают бетонным раствором. Во втором несколько конструкций соединяют и закапывают на глубину «всего» 20 м.

Так как бурение на большую глубину требует «дозволения» властей, обещает расставание с большой суммой, то чаще используют несколько труб-зондов, расположенных не так глубоко. Расстояние между ними — 5-7 м. В этом случае удельный теплосъем с коллектора-зонда зависит от породы:

• сухие осадочные породы — 20 Вт/м;
• каменистая почва — 50 Вт/м;
• осадочные породы, насыщенные водой — 50 Вт/м;
• каменистая почва с высоким уровнем теплопроводности — 70 Вт/м;
• грунтовые подземные воды — 80 Вт/м.

Достоинства вертикальных зондов — меньшая площадь, максимальный теплосъем и стабильная температура, а значит, большая эффективность за счет глубины, которая является минусом, так как требует больших трат на обустройство вертикального коллектора.

Как выбрать тепловой насос?

Если тепловые насосы кажутся владельцам дома перспективными системами, то оценивать любую модель надо по нескольким критериям. К ним относятся:

• размеры отапливаемого дома;
• климатические условия в местности;
• наличие рядом с доступных источников;
• желание потратить на оборудование ту или иную сумму.

Каждый пункт этого небольшого списка влияет на выбор класса модели. Большой дом требует максимально мощного оборудования, а оно означает как серьезные расходы, так и трудозатраты. Вид источника напрямую влияет на качество будущего отопления. Регионы с холодным климатом значительно ограничивают список кандидатов, а иногда вовсе не позволяют обустройство такого экологичного оборудования. Платежеспособность, возможность сразу расстаться с большой суммой — самый главный «ограничитель» для тепловых насосов на российских просторах.

Расчет мощности установки

Мощность ТН зависит от многих факторов. В список входит предполагаемый объем теплоотдачи системам дома, площадь поверхности змеевиков в конденсаторе и испарителе, объем хладагента. По этим причинам целесообразнее доверить расчет мощности специальным программам, которые учитывают и другие данные.

Самый популярный вариант — использование онлайн сервисов-калькуляторов. В них требуется ввести такие параметры:

• для расчета объема — общую площадь здания, высоту потолков;
• регион, где построен дом — для определения среднегодовой температуры;
• степень утепления объекта — для определения производительности установки.

Для расчета используются коэффициенты: в них преобразуют два последних параметра. Затем их умножают на объем помещения. Полученный результат сравнивают с таблицей, в которой мощность насоса связана с объектом.

Обычно получаются такие значения:

• чтобы отопить дом, имеющий площадь 100-150 м 2 , необходим тепловой насос мощностью 5-8 кВт, а для подогрева воды потребуется запас по мощности — 12-16 кВт;
• для отопления здания площадью 350 м 2 понадобится прибор, который сможет обеспечить 28 кВт.

Понятно, что цифры все же получаются приблизительными, однако ориентироваться на них можно.

Советы

Так как оборудование это дорогое и его нельзя назвать элементарным, покупка теплового насоса — дело ответственное. Чтобы выбрать идеальный агрегат, надо:

• сначала провести все расчеты, создать проект, но всю работу с цифрами, а также проектирование следует доверить профессионалам;
• весь комплекс услуг — монтажные работы и сервисное обслуживание — заказывать в одной компании, которая будет ответственна за работу системы;
• проверять всю документацию: как самого оборудования, так и фирмы, которая будет заниматься «установкой установки»;
• при выборе модели отдавать предпочтение высококачественной продукции европейских производителей.

Тепловые насосы — оборудование, которое в теплых регионах можно и нужно рассматривать в качестве достойной альтернативы традиционным системам. Число таких установок ежегодно растет во многих странах мира. Безусловно, за ними будущее, ведь ресурсы Земли не бесконечны.

В России самая большая беда не дороги и не слишком умные люди, это цены. Однако есть надежда, что ситуация со временем изменится, и безопасное оборудование станет более доступным. Для уменьшения расходов на электричество можно задействовать две системы — ТН и солнечный коллектор (для лета) или тепловой насос и теплогенератор (для зимы), но в этом случае траты возрастут.

Поближе познакомиться с безопасными системами поможет это видео: