Что такое тепловой насос?

Что такое тепловой насос?

Для полноценного функционирования систем отопления, подачи горячей воды, а также работы кондиционеров необходим постоянный источник энергии. Существует множество различных теплогенераторов, работающих от электричества, на дизельном топливе или газе. Каждый имеет свои недостатки: запах, опасность воспламенения, сложность конструкции и т.д. Тепловой насос – современное решение, которое избавит от большинства проблем.

Самым важным достоинством устройства является его удобство в применении. Тепловое оборудование использует энергию, накопленную в течение теплого времени года из окружающей природы: земли, воды, каменных пород. При выборе такого типа устройства вы навсегда забудете запах газа и дизеля, снизите пожароопасность жилья, сэкономите на энергопотреблении.

Функционирование систем отопления, работа которых основана на электрической энергии, требуют большой мощности, что не всегда представляется возможным. Решить данную проблему поможет установка теплового насоса. Для его успешной эксплуатации потребуется природный источник питания. Если сравнить количество потребления такого устройства с традиционным отоплением, то для его полноценного функционирования достаточно 1/4 мощности стандартной системы.

Тепловой насос существенно экономит затраты на энергию. Цена на установку такого оборудования в сравнении с монтажом котлов, функционирующих на топливе или электричестве, дорогостояща. Но оно окупает себя за счет экономии на расходе энергоносителя в течение 3-5 лет.

Принципы работы устройства

Конструкция теплового насоса имеет два трубопровода: внешний и внутренний. Один прокладывается через источник энергии, которым является природный элемент. Им может быть грунт, водоемы, породы скал или воздух.

Теплоноситель прокачивается по трубам через источник и нагревается на несколько градусов. Затем он проникает внутрь насоса, проходит через теплообменник, выполняющий функцию испарителя. Тепло отдается внутреннему контуру, который заполнен материалом, закипающему при маленьких температурах. При соприкосновении с данным элементом жидкость испаряется и превращается в пар. Для этого достаточно иметь температуру – 50 °С.

Газообразное вещество проводится в компрессорный отдел. Здесь оно сжимается, давление внутри резко увеличивается, температура повышается. После этого газ переносится в конденсатор, в котором отдает тепло жидкости, циркулирующей в радиаторах отопления. Горячий газ остывает и вновь возвращается в свое прежнее состояние, а нагретый теплоноситель поступает по трубам в радиаторы.

Хладагент, проходя обратно через конденсатор, понижает свою температуру еще на несколько градусов, но давление его остается прежним. Для того чтобы понизить напор жидкости, она поступает обратно в испаритель через специальный редукционный клапан. Цикл начинается снова.

Виды природных источников тепла

Источником теплоэнергии может быть любой природный материал, который имеет температуру независимо от времени года не ниже – 1 °С. В качестве него используют озера, реки, море, породы скал, землю, теплый воздух из системы кондиционирования и вентиляции и другие.

Внешний контур – полиэтиленовые трубы. Они устанавливаются в источнике тепла. Трубопровод собирает тепловую энергию из окружающей среды. Жидкость, находящаяся внутри системы, состоит из 30% этилового спирта или этиленгликоля.

Скалистые породы

При использовании скалистых пород вырывается скважина. В нее опускается полиэтиленовый трубопровод. Скважина должна быть глубокой. Для удешевления процесса часто выкапывают два или более отверстий в породе. Глубина в таком случае рассчитывается из общих размеров. Для того чтобы все сделать правильно, следует учесть производительную силу теплового насоса. 50-60 Вт энергии тепла – это 1 метр глубины скважины. При использовании насоса мощностью 10 кВт необходимо вырыть ее на 170 метров.

Грунт

Для теплового насоса используется грунт с повышенной влажностью. Лучше всего для этого подходят участки с расположенными рядом подземными реками. Благодаря грунтовым водам земля будет постоянно увлажняться в любое время года. Внешний контур теплового насоса прокладывается глубоко в почву на расстояние не менее, чем 1 метр от поверхности. Между трубопроводами должен быть выдержан отрезок от 80 см до 1 метра.

Полезная мощность теплового насоса с уложенным в грунт внешним контуром составляет от 20 до 30 Вт/м. Поэтому для монтажа оборудования, имеющим производительность 10 кВт, необходимо взять трубу длиной не менее 450 м. Для этого достаточно иметь площадь 20 на 20 кв.м.

Перед укладкой трубопровода в землю участок не требует специальной подготовки. Расположенные на поверхности объекты и растения никакого влияния на внешний контур теплового насоса не имеют. Самым важным при монтаже труб в грунт является правильный расчет.

Самым идеальным источником тепла для насоса является водоем, расположенный на близком расстоянии от объекта отопления. При использовании озер или рек трубопровод прокладывается по самому дну. Данный способ считается наиболее удачным, потому что в водоеме в любое время года температура всегда остается положительной. Зачастую зимой на дне вода имеет самый «высокий» показатель.

Для получения максимальной пользы не нужно прокладывать длинный внешний контур. Короткие трубы позволяют преобразовать максимум энергии. Для того чтобы выработать 30 Вт мощности, необходим 1 м трубопровода, на 10 кВт понадобится около 300 м. При монтаже внешнего контура важно его закрепить на дне водоема так, чтобы он не всплывал, поэтому рекомендуется подвесить на каждый метр трубопровода груз весом около 5 кг.

Теплый воздух

Воздух может стать хорошим источником тепла. Для этого разработана специальная модель. Насос преобразует тепло из вытяжки вентиляции. Часто такой тип отопления используется на крупных промышленных помещениях, где вырабатывается горячий воздух в большом количестве. Это могут быть пекарни. Также воздушные насосы широко применяются при производстве керамических изделий. Подобные модели отлично подходят для отопления загородных дач в летний период.

Пиковый электронагреватель

Практически все модели тепловых насосов имеют важный элемент – электронагреватель. При покупке отопительного оборудования необходимо учитывать показатель номинальной мощности. Он высчитывается в условиях максимальной нагрузки при самой низкой температуре. Но в большинстве регионах страны такие условия держатся всего несколько недель в году, поэтому приобретать тепловой насос большей мощностью из расчета на данный период нецелесообразно. Фактически потенциальные возможности устройства не будут использоваться. Выгоднее приобрести оборудование меньшей мощности и в случае необходимости подключать к нему электрообогрев.

Электронагреватель имеет небольшую стоимость, но он затратен в потреблении электроэнергии. Тепловой насос наоборот, сам по себе стоит дорого, но вырабатывает дешевую энергию. Использование их в комбинации друг с другом позволит получить максимальную отдачу тепла и существенно сэкономить на коммунальных платежах. Разумное применение сократит окупаемость оборудования в несколько раз. Определение совместимых мощностей для теплового насоса и электронагревателя высчитывается по универсальному интегральному графику.

Активное и пассивное кондиционирование

При работе теплового насоса происходит естественный процесс кондиционирования. Зимой тепло забирается из природных источников и запускается в систему отопления дома, а летом холодные температуры переносятся в помещение из скважин или водоемов. Принцип работы при кондиционировании такой же, что и при отоплении. Единственным различием является то, что вместо радиаторов ставятся фанкойлы.

Существует два режима, при которых происходит поступление холодного воздуха в помещение. При пассивном кондиционировании теплоноситель просто проходит цикл за циклом между источником и фанкойлом. Холодный воздух поступает в дом без включения компрессора. Его подключают в том случае, если такого охлаждения недостаточно. Охлаждение с работающим компрессором называется активным.

Тепловой насос в системе теплых полов

Тепловой насос идеально походит для нагрева системы теплых полов. По своим техническим характеристикам оборудование подает теплоноситель, который имеет максимальную температуру не выше 55 °С. Для успешной организации радиаторного отопления следует правильно произвести все расчеты, иначе насос не сможет дать нужное количество тепла. Для подогрева пола такой температуры хватит сполна.

При комплексной установке насоса и системы теплого пола энергия будет не только экономно затрачиваться, но и равномерно распределяться по всей поверхности. Энергоресурсы в данном техническом тандеме расходуются на 80% меньше, чем при эксплуатации традиционных методов отопления.

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы

Проблема истощения энергетических ресурсов Земли становится все более острой. Ученые, энергетики и просто потребители все чаще задумываются об альтернативных источниках энергии. Одним из таких восполняемых самой природой источников можно назвать геотермальные. Многие задумываются над тем, как осуществить термальное отопление для дома. Сделать это можно благодаря установке теплового насоса. Эти устройства становятся все популярнее. Что такое тепловой насос? Это приспособление, сочетающее в себе функциональные особенности кондиционера, водонагревателя и котла отопления. Главная его особенность – высокая степень экологичности, поскольку принцип действия теплового насоса включает задействование в качестве топлива энергию возобновляемых источников природной среды. Сегодня тепловые насосы для отопления дома, их принцип действия, являются экономически самыми выгодными агрегатами, поскольку их эксплуатация не базируется на топливе.

Схема теплового насоса:

• Испаритель. Устанавливается на глубине 5–6 метров.
• Компрессор. Устанавливается для увеличения давления паров хладагента.
• Конденсатор. Через него термическая энергия передаётся теплоносителю.

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы

Как работает тепловой насос? Чтобы понимать принцип работы теплового насоса, потребуется вспомнить, как работает холодильный агрегат, в котором испаряется рабочее вещество и возвращается холод. В нем оно конденсируется, вырабатывая энергию. Потом часть тепла отдаётся на коллектор, после достижения необходимых значений передаётся теплоносителю и распространяется по комнате.

Термальное отопление дома тепловым насосом, принцип действия которого основан на том, что все тела, температура которых выше абсолютного нуля, могут выделять тепло, возможно в широком диапазоне температур. Работа теплового насоса управляется специальными терморегуляторами. Если температура превысит заданное значение, терморегулятор отключает этот прибор от сети, и, наоборот, при падении – включает. Тем самым в помещении поддерживается постоянная температура.

Схема работы теплового насоса

Тепловые насосы, схема которых основана на том, что из окружающей среды они получают температуру от 0 до +7 градусов Цельсия, преобразовывают её до 35–50 градусов. Подробная схема выглядит следующим образом:

1. Неглубоко в грунте устанавливается специальный трубопровод, в который заложен испаритель. Глубина должна выбираться таким образом, чтобы в любое время года там была температура выше нуля.
2. К испарителю присоединяют другой трубопровод, залитый хладагентом. Если в нем обеспечить высокое давление, то хладагент вскипает даже при одном градусе по Цельсию. Данный процесс сопровождается поглощением энергии, которая идет в теплоносители, которые размещены в грунте.
3. С помощью компрессора выкачиваются пары хладагента. Кроме того, компрессор ещё больше повышает давление в арматуре, благодаря чему хладагент разогревается более эффективно.
4. Затем пары охлаждающей жидкости перемещаются к конденсатору, где изменяется агрегатное состояние вещества. При этом выделяется энергия.
5. Система теплоснабжения загородного дома поглощает выделенную энергию, которая образовалась вследствие трансформации агрегатного состояния. Охлаждающая жидкость транспортируется по регулирующему дросселю, после чего возвращается к испарителю.

Выгода использования тепловых насосов

Рациональность отопления тепловым насосом заключается в его высокой степени экономичности. Чтобы получить 1 кВт энергии, нужно израсходовать приблизительно 0,2–0,3 кВт электроэнергии на питание компрессора. Выходит, что КПД равняется фантастическим 400–500 процентов. Кроме того, для работы эксплуатируется бесплатная энергия, которая при этом полностью возобновляется. Причём найти источник можно повсеместно. Тепловые насосы для отопления дома настраиваются под конкретные условия эксплуатации, поэтому избытка энергии нет.

Классификация тепловых насосов

Тепловые насосы по принципу работы разделяются на абсорбционные и компрессионные. Первые более выгодны экономически, но они имеют сложную конструкцию, что вызывает некоторые трудности в процессе монтажа.

Они классифицируются следующим образом:

• Геотермальные. Обогрев дома тепловым насосом выполняется за счёт подземного тепла. Принцип действия таких насосов для отопления дома основан на том, что температура грунтовых вод даже зимой не бывает ниже 7 градусов.
• Воздушные. Забирают тепло атмосферного воздуха. Их установка происходит снаружи, проведение грунтовых работ не требуется. Широко используются при совместной работе с котлом отопления.
• Вторичное тепло. Тепловые насосы для отопления дома, принцип работы которых построен на тепловых сбросах, эксплуатируются теперь чаще.

Стоит упомянуть, что принцип работы всех типов тепловых насосов не отличается, но разные устройства имеют свои конструктивные отличия и функционируют по-разному.

Достоинства и недостатки тепловых насосов

В сравнении с использованием газового котла, термальное отопление имеет больше преимуществ. Основными достоинствами, которыми обладает устройство теплового насоса, является высокая степень экономичности – потребляется незначительное количество электроэнергии, а также абсолютная экологическая безвредность. Среди других достоинств можно выделить следующие:

• Высокая степень надёжности агрегата. При его корректном использовании срок службы может превышать 15 лет. Перепады в электросети не наносят вреда деталям.
• Комфорт в использовании. Отопление тепловым насосом полностью бесшумное, работа системы не зависит от погодных условий.
• Гибкость настраиваемых характеристик. Каждый агрегат настраивается полностью под конкретные условия работы и предпочтения клиентов.
• Универсальность. Устройство обладает большим диапазоном мощностей, с его помощью можно обеспечить теплом практически любое помещение.
• Эффективность теплового насоса. Принцип работы тепловых насосов основывается не на выработке энергии, а на её переносе, поэтому можно утверждать, что его КПД существенно больше единицы.

При большом количестве плюсов, термальное отопление имеет один недостаток – высокую стоимость оборудования и монтажа, поскольку для его установки нужно выполнить целый ряд подготовительных работ. Но термальное отопление имеет два неоспоримых преимущества – экономически выгодный вид источника тепла и экологическую чистоту получения энергии.

Что такое тепловые насосы и для чего они применяются

Тепловой насос это один из способов обогрева жилых домов. Он является альтернативой (или дополнением) традиционному газовому отоплению. Кроме функции обогрева он также работает и на пассивное охлаждение здания, тем самым совмещая в себе две функции: обогрев зимой и охлаждение летом.

Но что именно представляет собой отопление тепловым насосом, какие насосы бывают и за счет чего работают — об этом пойдет речь в статье.

Топливо для теплового насоса

«Топливом» для теплового насоса является энергия окружающей среды.

Он извлекает тепло из земли, воздуха, грунтовых вод и преобразовывает его в тепловую энергию, предназначенную для обогрева здания. За счет этого тепловой насос по праву относится к возобновляемым источником энергии.

Как работает насос

Как работает обычный масляный электронагреватель? Он подключается к сети, потребляет 1кВт электроэнергии и выдает 1кВт тепла. Такой регулярный обогрев приводит к быстрому разорению.

Образно тепловой насос является тем же самым электронагревателем, но с более высоким КПД. Он расходует 1кВт электроэнергии и превращает его в 3-5кВт тепла. Это уникальность насоса: вы получаете 2-4кВт тепловой энергии бесплатно за счет природной энергии.

Соотношение затраченной и полученной энергии называется коэффициентом преобразования – СОР. Для разных типов тепловых насосов СОР отличается и зависит от:

• Температуры источника тепла – среды, из которой черпается энергия. Чем выше и стабильнее температура в течение года, тем выше КПД насоса
• Температуры теплоносителя в системе отопления. Тепловые насосы рассчитаны под низкотемпературную систему отопления – радиаторы большой площади, теплые полы, фанкойлы, которые работают при температуре подачи 35-50˚С. Если рабочая температура в системе отопления выше указанной, то КПД теплового насоса снижается.

О том, как и за счет чего происходит преобразования тепла, подробно рассматривается в статье принцип работы теплового насоса.

Какие бывают тепловые насосы

Этой теме посвящена отдельная статья — виды тепловых насосов. Здесь же мы вкратце рассмотрим их отличия. Главное отличие насосов между собой — способ и источник получения тепла. Тепловые насосы для дома бывают:

• Воздушные — извлекают тепло из окружающего воздуха;
• Геотермальные — извлекает тепло из грунта;
• Другие. Например, получающие тепло из грунтовых вод.

Преимущества тепловых насосов

1. Минимальное загрязнение атмосферы. Также как и солнечные коллектора, тепловые насосы используют возобновляемую природную энергию и тем самым не загрязняют атмосферу вредными выбросами.
2. Альтернатива газу. Отопление дома тепловым насосом возможно в тех местах, где отсутствует газ. Или стоимость подключения очень высокая. Кроме того, для установки теплового насоса не требуется разрешение (кроме разрешения на бурение скважины).
3. Дополнительный источник тепла. Применяя тепловой насос для отопления дома в паре с другим (основным) источником тепла, вы снижаете свою зависимость от газа и получаете дополнительный источник тепла для длительных и сильных холодов.
4. Экономия газа. При правильном расчете, эксплуатации и управлении энергопотреблением здания, тепловой насос обеспечит экономию газа. А если у вас подключен двухтарифный счетчик, то вы сможете уменьшить затраты на отопление тепловым насосом еще на 30-50%.

Недостатки

1. Высокая стоимость. Главный недостаток всех тепловых насосов. Они стоят намного дороже газового котла, а срок окупаемости может быть очень долгим (более 10 лет). Поэтому ставить насосы исключительно ради экономии не всегда целесообразно
2. Другие недостатки. Это недостатки, связанные в первую очередь с особенностями эксплуатации и монтажа насосов каждого вида насосов

Режимы работы теплового насоса

• Моновалентный режим – тепловой насос является единственным источником тепла. Его отопительной мощности хватает для полного обеспечения здания теплом. Этот режим наиболее целесообразен для грунтовых тепловых насосов.
• Моноэнергетический режим – тепловой насос также является основным источником тепла, а в пиковые нагрузки теплоноситель подогревается за счет установленного внутри электрического нагревателя. В результате КПД насоса снижается, так как увеличивается потребление электроэнергии для работы электронагревателя
• Бивалентный режим – насос работает в паре с другим источником тепла, чаще всего с газовым котлом. Такой режим наиболее предпочтителен (с экономической и практической точки зрения).

Что следует учитывать при покупке

Основная задача продавца продать тепловой насос. Поэтому вот что важно помнить при выборе насоса:

• Не верьте в постоянный КПД воздушного теплового насоса. При низких температурах (0˚С и ниже) эффективность насоса падает. СОР = 1:1. Да, он выдает нужную температуру, но потребляет очень много электроэнергии.
• Тепловой насос не экономичнее газа (если рассматривать его как альтернативу газовому котлу). При высоких тарифах на электроэнергию отопление тепловым насосом обойдется дороже. А срок окупаемости может быть более 10 лет.
• Ваша система отопления должна быть рассчитана под низкотемпературное отопление. Если у вас стоят чугунные радиаторы, то тепловой насос будет с низкой эффективностью.

Выводы

Тепловой насос это один из альтернативных способов отопления частного дома. Он извлекает тепло из окружающей среды и посредством электроэнергии преобразовывает его в тепловую энергию.

В каких случаях имеет смысл отапливаться тепловым насосом:

• Если к месту строительства не подведен газ или стоимость подключения очень высока, то имеет смысл использовать тепловой насос.
• Как дополнение к основному источнику тепла.Для большей энергонезависимости, экономии газа и страховки на случай длительных и сильных холодов. В этом случае лучше всего использовать воздушный тепловой насос, так как он имеет наименьшие начальные затраты.

В остальных случаях использование теплового насоса неоправданно. Применять насос ради экономии газа не всегда целесообразно. Существует масса других простых и недорогих способов сократить затраты на газ, а также и другие альтернативные источники энергии — например, камины с водяной рубашкой.

Если в вашем регионе преобладают в основном низкие температуры (ниже нуля), то воздушный тепловой насос будет работать с низким КПД – 1:1. А это будет дороже, чем газовое отопление.

Кроме того, каждый тепловой насос имеет свои особенности монтажа и эксплуатации, которые важно учитывать при выборе насоса.

Рекомендуем к прочтению