Принцип действия теплового насоса: виды и схемы, из чего состоят

Что такое тепловой насос

Тепловой насос — это парокомпрессионная система, которая переносит тепло от холодного источника тепла с низким потенциалом к горячему источнику тепла с высоким потенциалом. Тепло передается путем конденсации и испарения хладагента, обычно фреона, который циркулирует в замкнутом контуре. Электроэнергия, питающая тепловой насос, используется только для этой принудительной циркуляции.

Принцип работы теплового насоса основан на так называемом цикле Карно, который знаком вам по работе холодильных систем. Фактически, бытовой холодильник на вашей кухне также является тепловым насосом. Когда вы кладете в него продукты, даже если они холодные, температура все равно выше, чем в холодильном отделении, и выделяемое им тепло не может быть рассеяно в силу закона сохранения энергии.

Поскольку температура в помещении не должна повышаться, тепло выводится через радиаторную решетку, нагревая воздух в кухне. Чем больше продуктов вы помещаете в холодильник за один раз, тем выше тепловая мощность. Самый простой вариант теплового насоса — поставить открытый холодильник на улице, а радиаторы в помещении. Но гораздо эффективнее позволить холодильнику выполнять свои прямые обязанности, в конце концов, с помощью уже имеющегося специального устройства — теплового насоса. Принцип их действия прост.

Основные функции теплового насоса

Тепловые насосы способны одновременно выполнять несколько функций.

• Отопление зданий.
• Нагрев воды, которая затем используется в быту (ГВС).
• Кондиционирование воздуха в номерах с помощью фанкойлов.
• Подогрев воды в бассейне.
• Обогрев крыш и дорог для предотвращения образования ледяной корки.

Это означает, что одна геотермальная система отопления может обеспечивать все функции отопления и охлаждения, в зависимости от потребностей здания в любой момент времени.

Как работает тепловой насос

Каждый тепловой насос состоит из испарителя, конденсатора, расширителя для снижения давления и компрессора для повышения давления. Все эти устройства соединены трубами в замкнутый контур. Хладагент, инертный газ с очень низкой температурой кипения, циркулирует по трубам так, что в одной части контура, самой холодной, он представляет собой жидкость, а во второй, самой горячей, становится газом.

Далее газ перемещается в компрессор, где он сжимается под высоким давлением и его температура повышается. После нагревания газ поступает в конденсатор, который также является теплообменником. Там тепло передается от горячего газа к теплоносителю в обратной линии, которая является частью системы отопления в доме.

После высвобождения тепла газ охлаждается и возвращается в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель поступает в систему горячего водоснабжения и отопления. Через расширительный клапан сжиженный газ снова поступает в испаритель — цикл закончен.

В холодное время года тепловой насос работает на обогрев дома, а в жаркое время — на его охлаждение. В этом случае принцип работы тот же, но летом тепло поступает изнутри, а не снаружи.

Принцип действия

1. Охлаждающая жидкость поступает в контур испарителя и изменяет свое состояние полимеризации. Он переходит из жидкого состояния в газообразное, и тепло поглощается из среды.
2. Компрессор перемещает газ под значительным давлением, а не в точке, где необходимо рассеивать тепло. Это многократно повышает температуру самого хладагента.
3. Сжатый газ конденсируется в теплообменнике, высвобождая накопленную энергию.
4. Выделяемое тепло передается жидкости, циркулирующей в системе отопления дома.

Устройства, способные поддерживать процесс теплообмена таким образом, называются тепловыми насосами. Энергия способна непрерывно перемещаться от устройства, извлекающего ее, к нагреваемым радиаторам, поэтому процесс похож на перекачку некоторых жидких или газообразных веществ. Хотя тепловые насосы для отопления потребляют много электроэнергии, этот вид отопления в конечном итоге будет гораздо дешевле, чем использование обычных печей и котлов.

Конструктивные особенности тепловых насосов

В настоящее время тепловые насосы используются в различных конструкциях.

Таким образом, насосы с открытой циркуляцией используются, когда дом расположен вблизи водоема. В этом случае теплоноситель, т.е. вода, поступает в открытый контур, проходит весь цикл и после охлаждения сбрасывается обратно в водоем.

Закрытые геотермальные тепловые насосы перекачивают теплоноситель — воздух или воду — по трубам, заглубленным глубоко под землю и проложенным по дну водоема. Замкнутые контуры считаются более экологичными. Закрытые контуры состоят из насосов с вертикальными и горизонтальными теплообменниками и используются, когда поблизости нет водоема. Вертикальные тепловые насосы можно использовать, когда участок, на котором расположен дом, невелик. Вертикальные насосы иногда устанавливаются в скважинах, пробуренных неподалеку.

Основные элементы конструкции

Тепловой насос для отопления состоит из следующих элементов.

• Компрессор. Функция этого устройства заключается в существенном повышении температуры хладагента. В современных тепловых насосах обычно используются модели со спиральным компрессором.
• Испаритель. Этот элемент представляет собой емкость, в которой жидкая рабочая жидкость преобразуется в газ, и за счет поглощения тепловой энергии температура хладагента значительно повышается.
• Конденсатор. Этот блок используется для передачи тепла от нагреваемого хладагента к отопительному контуру.
• Дроссельная заслонка. Механизм, способный перекрывать подачу хладагента из одной части системы в другую, тем самым разделяя систему на участки низкого и высокого давления.

Тепловые насосы оснащены различными аксессуарами.

• Устройства связи — для управления системой через персональный компьютер или мобильный телефон.
• Холодильный агрегат — для локального или центрального охлаждения.
• Дополнительный насосный агрегат — для напольного отопления.
• Циркуляционные насосы — для циркуляции горячей воды.

Понравилась ли вам эта статья? Расскажите друзьям: оцените эту статью, это важно для нас: Проголосовало: 2 чел.
Средняя оценка: 5.

Разновидности тепловых насосов и систем

Грунтовые тепловые насосы

Тепловой энергии, полученной от земли, достаточно для нагрева теплоносителя до такой степени, что он меняет состояние полимеризации на пар. Удобно, что на глубине нескольких метров отсутствуют сезонные колебания температуры. Это позволяет использовать устройство круглый год, и в доме всегда есть горячая вода.

Существует два способа размещения труб под землей.

1. Горизонтальный коллектор представляет собой горизонтально расположенную циркуляционную систему.
2. Геотермальные тепловые детекторы — приемники расположены вертикально и соединены между собой.

Геотермальные тепловые насосы с горизонтальными коллекторами предполагают глубину залегания от 1,5 м до 2 м. Главное — пройти отметку морозоустойчивости. Для каждого региона этот показатель разный. В среднем она составляет 1,2 метра. Если вы хотите обогреть здание площадью не более 100 квадратных метров, вам придется вырыть траншею для фундамента или сеть траншей площадью 2-3 квадратных метра. Это не обязательно должно быть сделано под самой конструкцией. Главное — не сажать на рассматриваемом участке растения с корнями, уходящими глубоко под землю.

Водяные тепловые насосы

Для использования такого теплового насоса принцип работы тот же. Но тип источника отличается.

В данном случае это грунтовые воды. Естественно, их глубина должна отражаться на местности. Но если это возможно, система характеризуется термической стабильностью, так как грунтовые воды имеют постоянную температуру в течение всего года. Это делает установку пригодной для использования во все четыре сезона. Перед установкой проводится геологическое исследование, чтобы убедиться, что вода течет на глубине 30-40 метров.

Однако необходимо также провести химический анализ. Если в составе мало солей железа и некоторых других примесей, можно установить геотермальный зонд.

В противном случае это нецелесообразно из-за риска преждевременного выхода из строя и низкой производительности.

В этом случае необходимо использовать тепловой насос с наземным источником тепла или тепловой насос с воздушным источником тепла. Это требование является причиной того, что тепловые насосы с водяным источником тепла используются в эксплуатируемых сегодня системах реже — примерно в 5% случаев.

Воздушные тепловые насосы

Основное преимущество этого метода отопления и горячего водоснабжения заключается в том, что не требуется полномасштабного строительства.

Для геотермального зондирования нет необходимости бурить скважины. Нет необходимости рыть траншеи, как в случае с тепловыми насосами с грунтовым источником. Все компоненты размещаются на поверхности. В результате расчетные затраты значительно ниже. Меньше времени тратится на установку и обустройство. Однако, несмотря на кажущийся комфорт, это устройство далеко от идеала.

Он будет эффективно работать при температуре воздуха до -15°C.

В принципе, тепловой насос можно представить как систему с тремя контурами.

• Первый контур содержит теплоноситель, который передает энергию от низкопотенциального источника тепла.
• В следующем контуре циркулирует хладагент. Он может испаряться, забирая тепловую энергию из первого контура, или повторно конденсироваться, передавая тепло в третий контур.
• В последнем контуре теплоноситель (обычно вода) циркулирует и передает тепло радиаторам для обогрева дома.

Основные виды

Тепловая энергия, используемая для отопления и обеспечения горячей водой загородного дома, является результатом преобразования энергии из внешней среды с помощью теплового насоса. Насос концентрирует эту низкотемпературную энергию и передает ее через систему отопления.

Бытовые насосы чаще всего используют тепло от солнца или тепло от поверхности земли, которое накапливается в верхней части земной коры или в грунтовых водах в течение всего года. Другими словами, все тепловые насосы можно разделить на тепловые насосы с источником воздуха, тепловые насосы с источником воды и тепловые насосы с источником грунта.

Грунтовые помпы

Охлаждающие насосы

Этот тип насосного оборудования получает тепло от грунта. на глубине более 3 метров практически отсутствуют сезонные колебания температуры грунта. Этанол или антифриз циркулирует по замкнутому контуру труб в земле. Трубы теплообменника могут быть проложены под землей горизонтально или вертикально.

В случае горизонтальных систем трубы необходимо закапывать ниже точки промерзания грунта (обычно 1,6-2,1 метра). Теплообменник этого типа занимает значительную площадь. Например, для обогрева дома площадью 100 квадратных метров требуется примерно 10-20 квадратных метров земли.

На территории, занимаемой коллектором, можно выращивать только растения, корни которых не уходят глубоко в землю, и нельзя строить постоянные сооружения.

В вертикальном коллекторе трубы устанавливаются перпендикулярно земле и закапываются примерно на 150-220 метров в землю. Количество устанавливаемых зондов зависит от мощности системы отопления. Это означает, что для отопления дома площадью 100 квадратных метров требуется два зонда длиной около 90 метров и на расстоянии 4-6 метров друг от друга.

Типы тепловых насосов

Этот тип насоса «забирает» энергию из грунтовых вод. Этот тип теплового насоса характеризуется высокой эффективностью и стабильностью. Это обусловлено отличным теплоотводом внутри системы и постоянным тепловым режимом грунтовых вод.

Воздушные агрегаты

Тепловые насосы с источником воздуха

С точки зрения простоты установки тепловые насосы с воздушным источником тепла для бытового отопления имеют явное преимущество перед своими аналогами. Использование воздуха в качестве источника тепла не требует бурения скважин или проведения других масштабных земляных работ. Это означает, что установка воздушного насоса намного дешевле, чем двух других типов насосов.

Несмотря на это огромное преимущество, воздушные насосы имеют один существенный недостаток. Этот тип насоса может эффективно работать только при температуре воздуха выше -17C. Температура опускается ниже установленной границы, что часто происходит зимой во многих регионах, что приводит к значительному снижению коэффициента полезного действия агрегата.

Типы тепловых насосов

Существует четыре основных типа тепловых насосов, в зависимости от среды, используемой для извлечения и перераспределения энергии, а также конструктивных особенностей и способов применения.

Тепловой насос «воздух — воздух»

Этот тип оборудования использует уличный воздух в качестве низкопотенциального источника энергии. Визуально он неотличим от обычной сплит-системы кондиционирования воздуха, но имеет ряд функциональных особенностей, позволяющих ему работать при низких температурах (до -30°C) и «собирать» энергию из окружающей среды. Дом отапливается непосредственно теплым воздухом, нагретым в конденсаторе теплового насоса.

Преимущества TH «воздух-воздух».

• Низкая стоимость
• Короткое время установки, относительно простая установка
• Отсутствие возможности утечки теплоносителя

Недостатки.

• Значительно более низкий SOR при низких температурах (до 1,2)
• Стабильная работоспособность до -20 C
• Необходимо установить внутренние блоки в каждой комнате или организовать систему воздуховодов для подачи нагретого воздуха во все помещения
• Доступ к горячей воде (ГВС) невозможен.

На практике эти системы используются для сезонного проживания и не могут быть использованы в качестве основного источника отопления.

Тепловой насос «воздух — вода»

Похожи по принципу действия на предыдущий тип, но нагревают не непосредственно воздух в помещении, а теплоноситель, который используется для обогрева дома и приготовления ГВС.

Преимущества ВТ «воздух-вода».

• Нет необходимости организовывать «внешний контур» (скважину).
• Надежность и долговечность
• Высокие показатели эффективности (SOR) осенью и весной.

Недостатки TN.

• Значительно более низкий SOR при низких температурах (до 1,2).
• Требуется размораживание наружных блоков (реверсивное)
• Не может работать при температурах ниже -25 C -30 C

Эти насосы все равно не могут быть единственным источником отопления в нашем климате. Поэтому их обычно устанавливают вместе с дополнительным отопительным оборудованием (электрические, пеллетные, твердотопливные, дизельные котлы, камины с водяными рубашками) (бивалентное решение). Они также подходят для реконструкции и автоматизации старых котлов, работающих на традиционном топливе. Это позволяет автоматически работать системе большую часть года (нет необходимости загружать твердое топливо или заправляться дизельным топливом), используя только мощность теплового насоса.

Тепловой насос «рассол – вода»

Один из самых распространенных в Республике Беларусь. По статистике нашей организации, 90% установленных тепловых насосов являются геотермальными. В этом случае в качестве «внешнего кольца» используется кишечник земли. Благодаря этому, эти ТН имеют самое важное преимущество перед другими типами тепловых насосов — стабильную производительность (SOR), независимо от времени года.

В устоявшейся терминологии внешние контуры называются геотермальными контурами.

Существует два основных типа геотермальных контуров.

• Поперечный
• Вертикальный

Давайте рассмотрим каждый из них более подробно.

Горизонтальный контур

Горизонтальный контур представляет собой систему полиэтиленовых труб, проложенных под поверхностью земли на глубину примерно 1,5-2 метра ниже слоя промерзания. Температура в районе остается положительной (от +3 до +15 градусов Цельсия) в течение всего календарного года, достигая максимума в октябре и минимума в мае. Площадь, занимаемая коллекторами, зависит от размера здания, степени его изоляции и размера остекления. Так, например, для двухэтажного здания площадью 200 м2 с хорошей теплоизоляцией, соответствующего современным нормам, под геотермальное поле необходимо выделить около 4 га земли (400 м2). Конечно, для более точной оценки диаметра используемых труб и занимаемой площади необходимы подробные теплотехнические расчеты.

Так выглядит горизонтальный коллектор, который мы установили на объекте в Дзержинске (Республика Беларусь).

Преимущества горизонтальных коллекторов.

• Более низкие затраты по сравнению с геотермальными скважинами
• Возможность проведения монтажных работ совместно с другими коммуникациями (водопровод, канализация)

Недостатки горизонтальных коллекторов.

• Большая площадь (не позволяет создавать капитальные здания, необходимо предусмотреть асфальтирование, укладку плитки, естественное освещение и осадки)
• Невозможно договориться с готовым ландшафтным дизайном
• Менее стабильны, чем вертикальные коллекторы.

Установка коллектора этого типа обычно осуществляется двумя способами. В первом случае со всей площади укладки снимается верхний слой грунта толщиной 1,5-2 метра, трубы теплообменника укладываются через равные промежутки (0,6-1,5 метра) и засыпаются. Для этого вида работ подходит мощное оборудование, такое как фронтальные погрузчики, бульдозеры, экскаваторы с большим вылетом и емкостью ковша.

Во втором случае контур заземления укладывается поэтапно в подготовленную траншею шириной от 0,6 до 1 м. Для этой цели подходят небольшие экскаваторы и экскаваторы-погрузчики.

Вертикальный контур

Вертикальный коллектор — это скважина глубиной от 50 до 200 метров и более, в которую помещается специальное устройство — геотермический зонд. Температура в этой зоне остается постоянной на протяжении многих лет и десятилетий и повышается с увеличением глубины. Через каждые 100 метров температура повышается в среднем на 2-5°C. Эта характерная величина известна как градиент температуры.

Процесс установки вертикального коллектора на нашем объекте в Крыжовке, под Минском.

Изучая карты распределения температуры на разной глубине на территории РБ, особенно в городе Минске, можно отметить, что температура различается в разных районах и может существенно меняться в зависимости от местоположения. Например, на глубине 100 м в районе Светлогорска она может достигать +13°C, в то время как в некоторых районах Витебской области на той же глубине не превышает +8,5°C.

Разумеется, это необходимо учитывать при расчете глубины бурения и проектировании размера, диаметра и других характеристик геотермального зонда. Кроме того, необходимо учитывать геологический состав буримой породы. Только на основе этих данных можно правильно спроектировать геотермальный контур.

Как показывает практика и статистика нашей организации, 99% проблем в работе ТД связаны с работой внешнего контура, и эта проблема не проявляется сразу после ввода установки в эксплуатацию. И это неспроста, ведь если геоконтур рассчитан неправильно (например, на территории Витебской области, где, как мы помним, геотермальный градиент один из самых низких в стране), то его первоначальная эксплуатация не вызывает нареканий, но со временем толща грунта «остывает» и нарушает термодинамическое равновесие, и вот тут-то и возникают проблемы, ведь проблема может проявиться только во втором или третьем отопительном сезоне. Негабаритный контур не кажется большой проблемой, но из-за некомпетентности подрядчика клиент вынужден оплачивать лишние метры бурения, что неизбежно приводит к увеличению стоимости всего проекта.

Изучение недр особенно важно при строительстве крупных коммерческих объектов, где количество скважин исчисляется десятками и где экономия (или расточительство) при их оборудовании может быть очень важной.

Тепловой насос «вода — вода»

Одним из видов геотермальных источников могут быть подземные воды. Они имеют постоянную температуру (от +7 С и выше) и встречаются в значительных количествах на разных глубинах в Беларуси. Согласно этой технологии, грунтовые воды поднимаются центробежными насосами из скважин в станцию тепломассообмена, где энергия передается антифризу в нижнем контуре теплового насоса. Эффективность этой системы зависит от уровня грунтовых вод (в зависимости от глубины подъема требуется определенная мощность насоса), расстояния от скважины добычи до обменной станции. Эта технология имеет самые высокие показатели COP, но обладает некоторыми особенностями, которые ограничивают ее применение.

Среди них.

• Отсутствие грунтовых вод или низкий уровень грунтовых вод.
• Отсутствие постоянного притока воды из скважины, с низким статическим и динамическим уровнем.
• необходимость учитывать соленость и загрязненность воды (если вода некачественная, теплообменник будет загрязнен, и урожайность снизится)
• Для сброса больших объемов сточных вод (2200 л/ч и более) требуется дренажный колодец

Если поблизости есть пруд или река, установка такой системы оказывается вполне осуществимой. Сточные воды также могут использоваться в бытовых или промышленных целях, например, для орошения или создания искусственных водоемов.

Что касается качества поступающей воды, то немецкий производитель альтернативных систем отопления Stiebel Eltron, например, рекомендует следующие параметры: общее железо и магний не более 0,5 мг/л, содержание хлоридов менее 300 мг/л и отсутствие осаждающихся веществ. При превышении этих параметров необходимо установить дополнительную систему очистки, т.е. очистные и опреснительные сооружения, что увеличивает материалоемкость проекта.

Откуда насос берет тепло?

Тепловые насосы работают, используя низкокачественные природные источники тепла, такие как

• Окружающий воздух.
• Водоемы (реки, озера, океаны).
• Поверхностная и подземная водопроводная вода и вода горячих источников.

Теплоноситель, поглощающий тепло из окружающей среды, циркулирует во внешнем контуре. Он поступает в испаритель насоса и отдает хладагенту, температура которого составляет примерно 4-7°C, температуру кипения -10°C. Поэтому хладагент закипает и переходит в газообразное состояние. Уже охлажденный теплоноситель во внешнем контуре направляется в следующий цикл для набора температуры.

Функциональная схема теплового насоса состоит из.

• Испаритель.
• Хладагент.
• Электрический компрессор.
• Конденсатор.
• Капиллярные сосуды.
• Устройство термостатического контроля.

Тепловой насос работает примерно следующим образом.

• Хладагент после закипания движется по трубам и попадает в компрессор с электрическим приводом. Этот блок сжимает хладагент, находящийся в газообразном состоянии, до высокого давления, вызывая повышение его температуры.
• Горячий газ поступает в другой теплообменник (конденсатор), где тепло хладагента выделяется в теплоноситель, циркулирующий во внутреннем контуре отопления, или в воздух в помещении.
• По мере охлаждения хладагент переходит в жидкое состояние, проходит через капиллярный редукционный клапан, теряет давление и возвращается в испаритель.
• Таким образом, цикл завершается, и процесс может быть повторен.

Примерный расчет теплопроизводительности

За один час через насос через внешний коллектор проходит 2,5-3 кубических метра теплопроводной жидкости (которую земля может нагреть до ∆t = 5-7°C) (читайте также «Важное замечание: как рассчитать тепловой насос»). Чтобы рассчитать тепловую мощность данной цепи, используйте формулу.

Q = (T1 — T2) x V, где. V — расход тепла в час (м3 /час); T1 — T2 — разница температур между входом и выходом (°C).

Преимущества тепловых насосов

1. Экономичность и эффективность. Принцип работы теплового насоса, как показано на схеме, основан не на производстве тепловой энергии, а на ее передаче. Поэтому эффективность теплового насоса должна быть больше единицы. Но как это возможно? Применительно к работе тепловых насосов используется величина, известная как эффективность преобразования тепла, или сокращенно KPI. характеристики данного типа агрегатов сравниваются на основе именно этого параметра. Физический смысл этой величины заключается в определении соотношения между произведенным теплом и энергией, затраченной на его производство. Например, если COP равен 4,8, это означает, что один киловатт электроэнергии, потребляемой насосом, будет производить 4,8 киловатта тепла без каких-либо затрат для природы.
2. Применяется повсеместно. Если у потребителя нет доступа к электрическим кабелям, насос может запускать свой компрессор через дизельный привод. Поскольку природное тепло присутствует везде, устройство работает так, что его можно использовать в любом месте.
3. Экологически чистый. Принцип работы теплового насоса основан на низком энергопотреблении и отсутствии продуктов сгорания. Охлаждающая жидкость, используемая в устройстве, не содержит хлороуглеродов и полностью безопасна для озонового слоя.
4. Двустороннее управление. Тепловой насос может обогревать здание в отопительный сезон и охлаждать его в летние месяцы. Извлеченное из помещений тепло можно использовать для обеспечения дома горячей водой или, если есть бассейн, для нагрева воды в нем.
5. Безопасная эксплуатация. В работе теплового насоса отсутствуют опасные процессы — нет открытого огня и не распространяются вредные для здоровья человека вещества. Теплоноситель не достигает высоких температур, что делает прибор безопасным и в то же время полезным в повседневной жизни.
6. Автоматическое управление процессом отопления в помещениях.

Некоторые особенности эксплуатации насосов

Для того чтобы тепловой насос работал эффективно, необходимо соблюдение ряда условий

• Помещение должно быть хорошо изолировано (теплопотери не должны превышать 100 Вт/м²).
• Тепловой насос выгодно использовать в низкотемпературной системе отопления. Системы напольного отопления соответствуют этому критерию, так как имеют температуру 35-40°C. COP в значительной степени зависит от соотношения между температурами на входе и выходе.

Принцип работы теплового насоса заключается в передаче тепла, в результате чего коэффициент преобразования энергии составляет от 3 до 5. Другими словами, на каждый 1 кВт использованной электроэнергии в дом поступает 3-5 кВт тепла.

Что такое воздушный теплонасос

Простейший тепловой насос был разработан еще в 1852 году и назывался «тепловой мультипликатор». Лорд Кельвин открыл основной принцип работы, который лежит в основе всего современного нагревательного оборудования.

Согласно законам физики, тепло передается от нагреваемого тела к телу с более низкой температурой. Но возможен и обратный процесс, при условии, что для этого используется дополнительная энергия.

Чуть позже был открыт принцип обратного цикла Карно. Вещество поглощает тепло при испарении, конденсируется на поверхности, а затем отдает тепло. Именно этот закон лежит в основе работы холодильников и кондиционеров. Низкотемпературные тепловые насосы с источником воздуха работают по схожему с этими бытовыми приборами принципу, только в «обратном направлении».

Некоторые производители кондиционеров используют этот принцип для обеспечения потребителей кондиционерами, способными обогревать помещение. Однако системы кондиционирования воздуха неэффективны при отрицательных температурах, поскольку основная цель технологии — охлаждать, а не нагревать.

Низкотемпературные тепловые насосы с источником воздуха, используемые для отопления дома, работают по этому закону физики. Как отопление работает на практике?

• • Любое тело, даже охлажденное, обладает высокой или низкой потенциальной энергией. Даже при отрицательных температурах в воздухе содержится определенное количество тепла. При температуре -15°C теплее, чем при -25°C. При температуре -5°C в воздухе содержится еще больше тепла. Принцип работы теплового насоса с источником воздуха позволяет извлекать небольшое количество тепловой энергии, оставшейся после зимы, и передавать ее в помещение.

• • Наружный блок устанавливается вне помещения и содержит змеевик с испарителем. Фреон, жидкость, которая может свободно переходить в газообразное состояние и возвращаться обратно, циркулирует внутри контура. Фреон испаряется и поглощает оставшееся тепло даже при отрицательных температурах.

• • Газ поступает в компрессор. Компрессор создает высокое давление и условия для превращения фреона обратно в жидкость.

• • Под давлением фреон нагревается и поступает в конденсатор. В блоке газ со временем превращается в жидкость, отдавая все тепло, которое он получил в наружном блоке.

• Фреон проходит через замкнутый контур и возвращается в испаритель.

Тепловая мощность теплового насоса воздух/вода зависит от температуры наружного воздуха. По этой причине производители указывают, что к тепловому насосу подключается дополнительное отопительное оборудование, чтобы компенсировать недостаток тепла, когда температура наружного воздуха опускается ниже -15°C. Работа продолжается и в более холодных условиях, хотя и с меньшей эффективностью.

Существует несколько типов тепловых насосов с источником воздуха, которые отличаются принципами, используемыми для обогрева помещений.

Тепловые воздушно-водяные насосы

Системы бытового горячего водоснабжения и отопления ГВС на основе тепловых насосов с воздушным источником тепла очень эффективны для использования в средних широтах Российской Федерации. Средний SOR (коэффициент преобразования) 3. Доказано, что на каждый потраченный 1 кВт приходится 3 кВт полученной тепловой энергии.

Принцип работы такой же, как и у других переоборудованных насосов, с некоторыми отличиями.

• • Конденсатор расположен в накопительном баке, подключенном к системе отопления и санитарной воды.

• • Тепло, выделяемое при конденсации фреона, используется для косвенного нагрева теплоносителя.

• Для подачи нагретого теплоносителя в систему ГВС и отопления используется циркуляционный насос.

Прочность теплоносителя варьируется от +30°C до +60°C. Комбинированный тепловоздушный тепловой насос активируется при температуре ниже -15°C, что незаменимо в холодном климате. Любой котел (электрический, газовый или дровяной) может компенсировать недостаток тепла.

Поскольку наружный блок устанавливается на улице, дополнительным преимуществом является функция защиты от замерзания или оттаивания.

Теплонасосы воздушного отопления

Насосы воздушного отопления используются для обогрева отдельных помещений. Принцип работы очень похож на принцип работы тепловентилятора, за исключением того, что конденсатор берет на себя функцию нагревательного змеевика.

Корпус теплового насоса с источником воздуха похож на корпус кондиционера и может также использоваться для обогрева и охлаждения.

Пользователю доступны различные решения для обогрева.

1. 1. Установка индивидуальных автономных нагревателей.

1. Установка нескольких комбинаций тепловых насосов в сети.

Тепловые насосы, отапливающие помещения теплым воздухом, имеют следующие преимущества.

• • Максимальная эффективность — не требуется предварительного нагрева теплоносителя, что приводит к более экономичному использованию энергии. Воздух нагревается до температуры всего 20-40°C, что обеспечивает высокий COP, равный 4.

• • Быстрый обогрев здания — теплый воздух начинает поступать в помещение через несколько секунд после включения.

• Универсальность — устройство можно использовать в качестве кондиционера в летние месяцы. В базовом блоке предусмотрена функция охлаждения помещения.

При достижении критической отрицательной температуры автоматически включается резервный источник тепла с помощью кондиционера. Таким образом, компенсируется недостаток тепловой энергии.

В чем отличие кондиционера и воздушного ТН

На самом деле, в холодном климате нагрев тепловых насосов с источником воздуха очень похож на нагрев обычного кондиционера. Используются внутренние и наружные блоки, схожие по конструкции. Даже во внутренних подразделениях есть много общего. Разница в том, что внутренние кондиционеры воздуха эффективнее нагревают, чем охлаждают, тогда как кондиционеры воздуха, наоборот, эффективнее охлаждают.

Вы можете получить представление о различиях, сравнив некоторые характеристики устройств. Кондиционеры перестают работать на обогрев уже при температуре около -5°C. Тепловые насосы работают при температурах от -25°C до +45°C.

Поскольку существует тенденция к совершенствованию тепловых насосов с воздушным источником тепла для «пассивного» жилья, вскоре модели оборудования, способные поддерживать работу при температуре до -32°C, станут выбором большинства потребителей.

Разница между тепловыми насосами с воздушным источником и кондиционерами заключается в их различных технических характеристиках, хотя между ними есть много общего.

 

Как подобрать воздушный теплонасос

Выбор теплового насоса с воздушным источником тепла не так сложен, как может показаться на первый взгляд. При выборе подходящей модели следует руководствоваться следующими параметрами.

1. 1. Тип отопления.

1. 1. Отапливаемая площадь.

1. Производитель.

Кроме того, определите, какой котел будет использоваться в качестве резервного источника тепла. Наиболее популярным оказалось воздушное отопление, подключенное к электрическому котлу, что позволяет полностью отказаться от газа.

Какой марки выбрать теплонасос воздушного типа

Если проанализировать отзывы о тепловых насосах с воздушным источником тепла, то легко определить производителей оборудования, наиболее востребованных отечественными потребителями.

• • Stiebel Eltron — немецкая компания, начавшая свой путь с изобретения бойлера. Со временем ассортимент продукции постоянно расширялся. Сегодня Stiebel Eltron является лидером в области водонагревательной и отопительной техники. Компания предлагает два типа тепловых насосов: геотермальные и воздушные, для нагрева теплоносителей и воздуха.

• • Viessmann — еще один немецкий производитель с более чем 30-летним опытом производства воздушных насосов. Станция Viessmann, подключенная к контуру водяного отопления, заслуживает самой высокой оценки. Преимуществом является доступ к датчикам контроля погодных условий и множество дополнительных функций в базовой комплектации.

• • Японская компания Mitsubishi первой использовала технологию Zubadan. Это решение позволяет увеличить COP (который является самым высоким в аналогичных устройствах) и расширить область применения. Mitsubishi была одной из первых компаний, предложивших потребителям тепловые насосы для отопления, кондиционирования воздуха и воздушные источники тепла. Они постоянно внедряют новые технологии для расширения областей применения.

• Vaillant — компания разработала полный спектр экономичного оборудования geoTHERM. в ассортимент входит оборудование, извлекающее тепло из земли, воды, воздуха и солнечного света. Продукция Vaillant максимально адаптирована для использования в условиях РФ.

Стоимость воздушного ТН с установкой

Самым дорогим является тепловой насос, который нагревает помещение с помощью теплоносителя. Они будут стоить около 80 000 рублей. (мощность 4,5 кВт) и составляет 800 000 рублей. (18,5 кВт). Тепловые насосы для воздушного отопления варьируются по цене от 50 000 рублей (4 кВт) до 120 000 рублей (18,5 кВт) (при 4 кВт/ч) до 120 000 рублей. (при 8 кВт/ч). Для расчета стоимости воздушного теплового насоса Thermia Atec вы можете связаться с нашим менеджером, перейдя по ссылке.

Стоимость установки воздушного теплового насоса рассчитывается отдельно в зависимости от технических параметров помещения и других факторов.

Срок службы оборудования составляет не менее 20 лет. Установленное оборудование окупается через 3-5 отопительных сезонов, в зависимости от интенсивности использования.

 

Плюсы и минусы использования воздушных теплонасосов

Всего пять лет назад у бытовых потребителей было мало опыта в отоплении зданий в зимний период с помощью тепловых насосов с воздушным источником тепла. Нам приходилось довольствоваться заявлениями и просто положительными отзывами на сайтах различных производителей оборудования, в которых не были четко указаны возможности оборудования. С тех пор появился определенный опыт их использования, который позволил нам выявить не только преимущества, но и недостатки тепловых насосов с воздушным источником тепла.

Преимущества

• • Преимущества использования теплового насоса «воздух-вода» — главным преимуществом является полная независимость от газового отопления. В некоторых районах Российской Федерации дороже, чем покупка и установка теплового насоса, только подведение труб к дому. Лицензия на ввод в эксплуатацию не требуется.

• • Эти системы предназначены для установки в «пассивных домах». Поэтому изначально они были разработаны для экономичного отопления домов и нагрева горячей воды. Тепловая мощность составляет от 3 до 5 кВт на каждый 1 кВт потребленной электроэнергии. Простой расчет стоимости теплового насоса при его применении показывает, что полная окупаемость оборудования достигается в течение 3-5 лет.

• Работа насоса не оказывает негативного воздействия на здоровье человека. Системы тепловых насосов также можно дезинфицировать, просто очищая фильтры время от времени.

Недостатки

• • Высокая стоимость оборудования — системы, достаточной мощности для обогрева домов, будут стоить 800-1,2 миллиона рублей, что является недоступной ценой для большинства покупателей.

• Зависимость от температуры окружающей среды. Характеристики автономного отопления дома с помощью теплового насоса с воздушным источником напрямую связаны с общим количеством получаемой тепловой энергии. Чем ниже внешняя температура, тем хуже производительность насоса. Начиная с -15°С необходимо подключить резервный источник тепла.
  Целесообразность такого устройства становится очевидной, если учесть высокий средний температурный режим в большинстве регионов Российской Федерации. Лучшими климатическими зонами для использования тепловых насосов с воздушным источником тепла являются регионы России с мягким климатом и средней зимней температурой не ниже -15°С.

При сравнении тепловых насосов с воздушными источниками тепла с газовым отоплением преимущества первого становятся очевидными, особенно потому, что модели насосных установок последнего способны поддерживать работу при температуре -32°C. Тепловые насосы экономичны, не требуют разрешения на эксплуатацию, могут быть установлены за 1 день и более эффективны, чем газовые агрегаты.

В последнее время производители несколько снизили стоимость тепловых пунктов, что позволило большему числу покупателей оценить преимущества тепловых пунктов. Если эта тенденция сохранится, можно ожидать увеличения спроса на тепловые насосы.

Цены и производители

Примерная средняя рыночная цена на оборудование и его установку составляет

Горизонтальный коллектор.

• Насос — 4 500 долларов США.
• Установка — 2 500 долларов США.
• Эксплуатационные расходы: 350 долларов США в год.

Геотермальное зондирование.

• Насос — 4 500 долларов США.
• Установка — 4 500 долларов США.
• Эксплуатационные расходы — 320 долларов США в год.

Воздух — для дома.

• Насос — 6 500 долларов США.
• Установка — 400 долларов США.
• Эксплуатационные расходы — 480 долларов США в год.

Насос для подачи воды в дом.

• Тепловой насос — 4 500 долл.
• Установка — 3500 долларов США.
• Эксплуатационные расходы — 280 долларов США в год.

Эти цены не являются окончательными. Окончательная стоимость будет зависеть от страны и компании, производящей установку, типа местности, климата, стоимости бурения, условий строительства и т.д. Например, цена газового насоса от российского производителя составляет около 7 000 долларов США, а от иностранного производителя — около 13 000 долларов США.

Не следует забывать и о стоимости электроэнергии. Даже если оборудование не потребляет много электроэнергии, эти расходы обязательно должны быть учтены при составлении общей сметы и планировании бюджета.

Как сделать насос своими руками

Не исключено, что ВТ можно собрать самостоятельно, но очень важно найти хороший компрессор. Его можно купить в магазине запчастей или использовать от старого холодильника или кондиционера.

Используемый конденсатор представляет собой бак из нержавеющей стали емкостью около 100 литров. Тонкие медные водопроводные трубы образуют хорошую цепь.

Этапы производства.

1. Закрепите компрессор на стене под углом в том месте, где будет располагаться TH.
2. Катушку можно изготовить из медной трубки, намотанной на подходящий цилиндр. Витки должны быть равномерно распределены по всей катушке.
3. Банку нужно разрезать пополам и вставить внутрь катушку, а затем припаять ее. При этом в верхней части необходимо вырезать несколько входных отверстий, через которые выводятся трубки змеевика.
4. В качестве испарителя можно использовать пластиковый барабан, в который вставляются трубки для внутреннего контура.
5. Затем необходимо подать давление в контур, чтобы проверить наличие утечек.

В системе могут использоваться обычные трубы из ПВХ (поливинилхлорида) для транспортировки нагретой воды. Для заправки системы фреоном рекомендуется обратиться к специалисту.

В представленном ниже видеоролике рассказывается все о системах «вода-вода»: принципы работы, типы, преимущества и недостатки, правила монтажа.

Расчет грунтового контура и теплообменников насоса

На основании собственных рекомендаций мы провели расчеты для геотермального теплового насоса с помощью вертикального U-образного зонда, помещенного в скважину. Необходимо знать общую длину внешнего контура, затем глубину и количество валов.

Исходные данные для примера: отдельно стоящий дом площадью 80 м2 с изоляцией и потолками высотой 2,8 м, расположенный в центре сельской местности, подлежащий отоплению. Мы не будем рассчитывать отопительную нагрузку, мы определим потребность в тепле по площади и учтем теплоизоляцию — 7 кВт.

Существует также вариант строительства горизонтального коллектора, но тогда придется выделить больше места для земляных работ.

Важное уточнение. Инженерные расчеты для тепловых насосов довольно сложны и требуют высокой квалификации исполнителя, и на эту тему написаны целые книги. В этой статье мы приводим упрощенные расчеты, основанные на практическом опыте строителей и мастеров — любителей DIY.

Интенсивность теплообмена между грунтом и неохлаждаемыми жидкостями, циркулирующими по контуру, зависит от типа грунта.

• Вертикальный зонд, погруженный в грунтовые воды на 1 погонный метр, получит около 80 Вт тепла.
• На каменистых почвах прирост тепла составляет около 70 Вт/м.
• Насыщенная глина обеспечит коллектор примерно 50 Вт/м.
• Сухая порода — 20 Вт/м.

Справка. Вертикальные зонды представляют собой 2 петлевые трубки, опущенные на дно скважины и залитые бетоном.

Пример расчета длины трубы. Для того чтобы извлечь из исходной глины необходимые 7 кВт тепловой энергии, значение 7000 Вт, разделенное на 50 Вт/м, дает общую глубину залегания зондов 140 м. Теперь трубки распределены в скважинах длиной 20 м, которые вы можете пробурить своими руками. 2 контура теплообмена пробурены в общей сложности 7 раз, общая длина трубок составляет 7 x 20 x 4 = 560 м.

Следующим шагом является расчет площади теплообмена испарителя и конденсатора. На различных интернет-ресурсах и форумах приводится множество формул расчета, которые в большинстве случаев являются неверными. Мы не смеем рекомендовать такой способ и вводить вас в заблуждение, но предоставим вам хитрый вариант.

1. Пожалуйста, свяжитесь с любым авторитетным производителем пластинчатых теплообменников, таким как Alfa Laval, Kaori, Anvitek и др. Вы можете зайти на официальный сайт этого бренда.
2. Заполните форму подбора теплообменника или свяжитесь с менеджером по телефону и запросите подбор, указав параметры (например, антифриз, фреон), температуру на входе и выходе и тепловую нагрузку.
3. Специалист проведет необходимые расчеты и предложит подходящую модель теплообменника. Среди его характеристик вы найдете главную — площадь обменной поверхности.

Пластинчатые аппараты очень эффективны, но дороги (200-500 евро). Дешевле собирать кожухотрубные теплообменники из медных труб с наружным диаметром 9,5 или 12,7 мм. Умножьте цифру производителя на коэффициент безопасности 1,1 и разделите на окружность трубы, чтобы получить количество метров.

Пластинчатый теплообменник из нержавеющей стали является идеальным испарителем, он высокоэффективен и занимает мало места. Проблема заключается в высокой цене продукта

Пример. Рекомендуемый блок имеет площадь теплообмена 0,9 м2. Выбрав медную трубку диаметром 1/2″ 12,7 мм, рассчитаем длину окружности в метрах: 12,7 x 3,14 / 1000 ≈ 0,04 м. Общее количество метров составляет 0,9 x 1,1 / 0,04 ≈ 25 метров.

Оборудование и материалы

Будущие тепловые насосы рекомендуется строить на базе наружного блока сплит-системы с соответствующей мощностью (указанной на этикетке). Почему лучше использовать подержанный кондиционер?

• Устройство уже оснащено всеми компонентами — компрессором, дросселем, ресивером и электрикой стартера.
• Самодельный теплообменник можно поместить в корпус охладителя.
• Имеется удобный порт для заправки фреоном.

Обратите внимание. Опытные пользователи подбирают оборудование отдельно — компрессор, расширительный клапан, контроллер и т.д. С опытом и знаниями этот метод можно только приветствовать.

Не стоит собирать ТН на базе старого холодильника — мощность агрегата слишком мала. В лучшем случае можно «выжать» до 1 кВт тепла, что достаточно для обогрева небольшой комнаты.

Помимо внешнего сплит-блока, необходимы следующие материалы.

• Труба ПНД Ø20 мм — для контура заземления.
• Фитинги из полиэтиленовых труб для сборки коллектора и подключения к теплообменнику.
• Циркуляционные насосы — 2 единицы
• Манометр, термометр.
• Высококачественные водопроводные трубы для корпуса испарителя и конденсатора или трубы из ПНД Ø 25-32 мм.
• Медные трубы диаметром 9,5-12,7 мм с толщиной стенки не менее 1 мм.
• Изоляция труб и линий хладагента.
• Уплотнительное устройство для герметизации греющего кабеля, установленного внутри водопроводной трубы (потребуется герметизация обоих концов медной трубы).

Комплект прокладок для уплотнения входа медной трубы

Использование внешнего теплоносителя (горячая вода или антифриз для отопления — гликоль) Также необходимо поставить фреон, марка которого указана на заводской табличке сплит-системы.

Сборка теплообменного блока

Перед началом монтажных работ наружный блок необходимо разобрать — снять все крышки, снять вентилятор и большой стандартный радиатор. Если насос не будет использоваться в качестве охладителя, отсоедините электромагнитное соединение, управляющее реверсивным клапаном. Датчики температуры и давления должны быть сохранены.

Процедура сборки основного блока ТН.

1. Изготовьте конденсатор и испаритель, вставив медную трубку внутрь шланга рассчитанной длины. Установите тройники на обоих концах для соединения контуров заземления и обогрева, используя специальные комплекты греющего кабеля для герметизации выступающих медных трубок.
2. Используя кусок пластиковой трубки Ø150-250 мм в качестве сердечника, намотайте временную схему из двух трубок и проложите концы, как показано на видео ниже.
3. Установите и закрепите два кожухотрубных теплообменника на месте оригинального радиатора и припаяйте медные трубки к соответствующим выходам. «Горячий» теплообменник-конденсатор предпочтительно подключать к сервисному порту.
4. Установите заводской датчик для измерения температуры хладагента. Изолируйте открытые участки труб и сам теплообменник.
5. Установите термометр и счетчик воды на водяном контуре.

Совет. Если основной блок устанавливается на открытом воздухе, необходимо принять меры для предотвращения замерзания масла в компрессоре. Приобретите и установите комплект электроподогрева поддона для зимнего масла.

На тематическом форуме был найден еще один способ изготовления испарителя — свернуть медные трубы и вставить их в закрытую емкость (бак или бочку). Этот вариант вполне оправдан в случае большого количества змеевиков, когда рассчитанный теплообменник просто не помещается в корпус кондиционера.

Устройство грунтового контура

На этом этапе выполняются простые, но трудоемкие земляные работы, а в скважины закладываются зонды. Последнее может быть выполнено вручную или с помощью сверлильного станка. Расстояние между соседними скважинами должно составлять не менее 5 метров. Дальнейшая последовательность работы.

1. Выкопайте неглубокую траншею между отверстиями для прокладки подводящих труб.
2. Установите 2 кольца из полиэтиленовой трубы в каждое отверстие и заполните яму бетоном.
3. Подведите трубопровод к месту соединения и установите общий коллектор с фитингами из ПНД.
4. Изолируйте трубы, уложенные на землю, и засыпьте грунтом.

На рисунке слева показан зонд, вставленный в пластиковый корпус, а на рисунке справа — линия, проложенная в траншее.

Важный вопрос. Всегда проверяйте герметичность контура перед заливкой бетона и обратной засыпкой. Например, подключите к коллектору воздушный компрессор, накачайте давление до 3-4 бар и оставьте на несколько часов.

При подключении цепи руководствуйтесь приведенной ниже схемой. При заполнении системы рассолом или гликолем потребуются колена с уловителями. Проведите две основные трубы от коллектора к тепловому насосу и подсоедините их к «холодному» теплообменнику-испарителю.

В самой высокой точке двух водяных контуров необходимо установить вентиляционное отверстие, не показанное на схеме.

Не забудьте установить насосную установку, отвечающую за циркуляцию жидкости по направлению потока к фреону в испарителе. Среда, протекающая через конденсатор и испаритель, должна двигаться навстречу друг другу. О том, как правильно заполнять холодные боковые линии.

Конденсатор подключается к системе напольного отопления таким же образом. Из-за низкой температуры подаваемой воды нет необходимости устанавливать смесительное устройство с 3-ходовым клапаном. Если ТН будет использоваться в сочетании с другими источниками тепла (солнечные коллекторы, бойлеры), используйте буферную емкость с несколькими выходами.

Заправка и запуск системы

После установки и подключения устройства к сети важным шагом является заправка системы хладагентом. Здесь вас поджидает загвоздка: вы не знаете, сколько фреона вам нужно заправить, поскольку объем основного контура значительно увеличился из-за установки временного конденсатора с испарителем.

Эта проблема решается методом заправки через давление и температуру перегрева хладагента, измеренные на входе в компрессор (фреон подается в виде газа). Подробные инструкции по использованию метода измерения температуры при заполнении можно найти в следующей брошюре.

Во второй части представленного видеоролика показано, как заправлять систему хладагентом R22 в соответствии с давлением и температурой перегрева хладагента.

После завершения зарядки переключите два циркуляционных насоса на первую скорость и запустите компрессор. Проверьте температуру рассола и внутреннего теплоносителя с помощью термометра. На этапе предварительного нагрева линии хладагента могут замерзнуть и должны растаять после замерзания.