Тепловой насос: принцип работы – особенности и виды

Что такое тепловой насос для отопления частного дома? Как работает?

Специальное устройство, которое способно извлекать тепло из окружающей среды называется тепловой насос.

Применяются такие приборы в качестве основного или дополнительного метода обогрева помещений. Некоторые устройства также работают на пассивное охлаждение здания — при этом насос применяется как для летнего охлаждения, так и для зимнего обогрева.

В качестве топлива используется энергия окружающей среды. Такой обогреватель извлекает тепло из воздуха, воды, грунтовых вод и так далее, поэтому это устройство относят к классу возобновляемых источников энергии.

Важно! Для работы таких насосов требуется подключение к электросети. В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан

В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства

Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан. В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло).

Большинство приспособлений работают как при положительных, так и при отрицательных температурах, однако КПД устройства напрямую зависит от внешних условий (т. е. чем выше температура окружающей среды, тем мощнее будет устройство). В общем случае прибор работает следующий образом:

1. Тепловой насос вступает в контакт с окружающими условиями. Обычно аппарат извлекает тепло из земли, воздуха или воды (в зависимости от типа устройства).
2. Внутри прибора установлен специальный испаритель, который заполнен хладагентом.
3. При контакте с внешней средой хладагент закипает и испаряется.
4. После этого хладагент в виде пара поступает в компрессор.
5. Там он сжимается — благодаря этому серьёзно повышается его температура.
6. После этого разогретый газ поступает в систему отопления, что приводит к нагреванию основного теплоносителя, который и используется для отопления помещений.
7. Хладагент понемногу охлаждается. В конце он превращается обратно в жидкость.
8. Потом жидкий хладагент поступает в специальный клапан, который серьёзно понижает его температуру.
9. В конце хладагент вновь попадает в испаритель, после чего цикл нагрева повторяется.

Фото 1. Принцип работы теплового насоса типа грунт-вода. Синим цветом показан холодный теплоноситель, красным — горячий.

Преимущества:

• Экологичность. Такие устройства относятся к возобновляемым источникам энергии, которые не загрязняют атмосферу своими выбросами (тогда как в случае использования природного газа образуются вредные парниковые испарения, а для производства электроэнергии часто применяется сжигание угля, из-за чего также загрязняется воздух).
• Хорошая альтернатива газу. Тепловой насос идеально подойдёт для отопления помещений в случаях, когда использование газа затруднительно по тем или иным причинам (например, когда дом находится вдали ото всех основных инженерных сетей). Насос также выгодно отличается от газового отопления тем, что для установки такого прибора не требуется получать государственное разрешение (но при бурении глубокой скважины его все же придётся получить).
• Недорогой дополнительный источник тепла. Насос идеально подойдёт в качестве дешёвого вспомогательного источника питания (оптимальный вариант — применение газа зимой и насоса — весной и осенью).

Недостатки:

1. Тепловые ограничения в случае использования водяных насосов. Все тепловые аппараты хорошо функционируют при положительных температурах, тогда как в случае работы при отрицательных температурах многие насосы перестают работать. В основном это связано с тем, что при этом вода замерзает, что делает невозможным её применение как источника тепла.
2. Могут появиться проблемы с устройствами, которые в качестве тепла используют воду. Если для нагрева применяется вода, то потребуется найти её стабильный источник. Чаще всего для этого следует пробурить скважину, благодаря чему расходы на монтаж устройства могут возрасти.

Внимание! Насосы обычно стоят в 5—10 раз дороже газового котла, следовательно использование таких приборов в целях экономии в ряде случаев может быть нецелесообразно (чтобы насос окупился, потребуется подождать несколько лет)

Какие помпы подходят для установки в жилых помещениях

Установка циркуляционного насоса.

Оптимальная температура отопительной системы загородного дома достигается при использовании вмонтированных термоклапанов. Если заданные параметры температуры отопительной системы будут превышены, то это может привести к тому, что клапан будет перекрыт, а гидравлическое сопротивление и давление увеличатся.

Использование насосов с электронной системой управления помогает предотвратить появление шумов, поскольку приборы автоматически будут следить за всеми изменениями объемов воды. Насосы будут обеспечивать плавную регулировку перепадов давления.

Для автоматизации работы насоса пользуются моделью агрегата автоматического типа. Это позволяет защитить его от неверной эксплуатации.

Используемые помпы могут отличаться по типу их применения. Например, сухие в процессе работы не соприкасаются с теплоносителем. Мокрые помпы качают воду при их погружении. Сухие виды помп являются шумными, а схема монтажа насоса в отопительную систему больше подходит для предприятий, а не жилых помещений.

Для загородных домов и дач подходят помпы, созданные для работы в воде, имеющие специальные бронзовые или латунные корпусы. Детали, используемые в корпусах, являются нержавеющими, так система не будет повреждаться под действием воды. Таким образом, эти конструкции обеспечены защитой от воздействия влаги, высоких и низких температур. Осуществление монтажа такой конструкции возможно на обратном и подающем трубопроводе. Вся система потребует определенного подхода при ее обслуживании.

Особенности подключения

При подключении прибора желательно учитывать ряд рекомендаций. Соблюдение несложных правил увеличит срок службы системы, она должна работать более эффективно.

Лучше, когда поток, создаваемый насосом, ориентирован горизонтально. При вертикальной направленности эффективность падает на 30%.

Как уже говорилось, ротор мотора располагается горизонтально.

В противном случае возможен перегрев и преждевременный выход из строя. Соблюдение этого условия обязательно!

Устройство лучше ставить на обратной магистрали — для снижения тепловой напряжённости.

Кроме того, перед ним стоит установить грязевой фильтр — ротор чувствителен к наличию примесей окалины, песка, накипи.

Важно! При монтаже предусматривают обводную магистраль — байпас с обязательным перекрывающим шаровым краном или автоматическим клапаном. Это позволит менять оборудование, не нарушая работы системы

На входе и выходе устройства также ставят отсекающие шаровые краны на случай ремонта или профилактики. Их можно заменить на один кран или автоматический шаровой клапан.

Питающую магистраль лучше подключать до насоса — его место между нею и котлом.

Виды тепловых насосов

В зависимости от того, какую среду использует устройство для производства энергии и каким способом происходит ее передача, различают пять видов тепловых помп:

• воздух-вода;
• воздух – воздух;
• вода – вода.
• вода – воздух;
• грунт – вода;

Три последних вида тепловых насосов называют геотермальными, так как они используют энергию тепла подземных вод или грунта. Такие устройства осуществляют теплообмен, функционируя с открытым или закрытым циклом работы.

Схема геотермального теплового насоса типа вода-вода с открытым циклом

Геотермальные насосы с открытым циклом

Принцип работы таких агрегатов заключается в перекачивании грунтовых вод в тепловой насос, установленный внутри здания. При этом вода отдаёт тепловую энергию и возвращается обратно в подземный резервуар на некотором расстоянии от места забора.

Огромное преимущество данного метода заключается в одновременном водоснабжении дома за счет использования воды из скважины. Другим плюсом является высокая эффективность работы такого насоса, связанная со стабильно высокой температурой воды в любое время года. Несомненным достоинством является и экологичность насосов с открытым циклом, так как всю установку можно рассматривать как систему сообщающихся сосудов, которые не оказывают влияния на уровень грунтовых вод в горизонте. Правильно установленные скважины абсолютно не нарушают природный баланс, обеспечивая стабильные поставки тепла для отопления дома в холодное время года и отвод излишков теплоты летом. Конструктивно агрегаты с открытым циклом встроены в систему водяного отопления и представляют собой классический пример тепловых насосов с водой в качестве теплоносителя.

Тепловые насосы закрытого цикла с теплообменником

Геотермальные агрегаты такого вида функционируют за счет прокачивания теплоносителя по коллекторному трубопроводу, размещенному в открытом водоёме или грунте. При этом теплоноситель прогревается за счёт теплоты воды или недр земли, возвращается к конденсатору насоса и отдает тепловую энергию для обогрева здания.

Закрытый первичный контур геотермального теплового насоса

При установке коллектора в озере необходимо, чтобы его расстояние от дома было не более чем 100 метров, а глубина и береговая линия соответствовали требованиям к монтажу. Достоинством такой системы, как и других подобных систем, использующих водоёмы, является относительно низкая цена.

Для установки теплообменника в грунт используют горизонтальный  или вертикальный коллектор – зонд. Такой трубопровод представляет собой систему труб, горизонтально и (или) вертикально установленных в грунте. Длина вертикального зонда может варьироваться от 50 до 200 метров в глубину земли. Это самый эффективный тепловой агрегат, позволяющий получать на каждый затраченный 1кВт электроэнергии до 5кВт теплоты. Минусом такой установки является её стоимость – самая высокая среди всех систем такого типа. Несмотря на высокие капиталовложения, тепловые насосы закрытого цикла типа грунт-вода и вода-вода получили широкое распространение в Западной Европе, особенно в Германии.

Монтаж грунтового теплообменника геотермального теплового агрегата

Тепловые насосы воздух-воздух и воздух-вода

Агрегаты этого типа используют тепло атмосферы. Даже при отрицательных температурах наружный воздух имеет некоторое количество тепла. Эту энергию и отбирает тепловой насос у воздушной среды. По принципу отбора тепла у атмосферного воздуха функционируют современные инверторные кондиционеры, имеющие клапан обратимости, который позволяет им работать как на обогрев, так и на охлаждение. Главным недостатком устройств такого типа можно считать работу в крайне нестабильной воздушной среде. Продуктивность этих тепловых помп очень сильно зависит от температуры «за бортом». В самых благоприятствующих условиях агрегаты такого типа могут привлечь до 4кВт тепловой энергии на каждый 1Квт электрической. Выбирая такой прибор для отопления своего дома, следует помнить о том, что ниже нуля градусов эффективность их работы резко уменьшается, а при дальнейшем снижении температуры обмерзает наружный теплообменник агрегата, в связи с чем его работа в режиме теплового насоса не представляется возможной и прибор переходит в режим простого электрообогревателя.

Тепловой агрегат типа воздух-вода

Для горячего водоснабжения

Все термонасосы могут не только отапливать помещение, но и круглый год подавать горячую воду. Но нужно учесть, что это оборудование является низкотемпературным, соответственно, температура воды в водонагревателе будет не более 40−50C. То есть объем бойлера обязан быть больше, чем во время эксплуатации обычной системы отопления. Поэтому может потребоваться жесткая экономия горячей воды в зимнее время.

Этот факт необходимо учесть при проектировании месторасположения и соответствующей площади для котельной. Также во время выбора бойлера нужно не забывать, что для этого потребуется специальное оборудование, которое рассчитано на работу с тепловыми насосными установками. Основное отличие этого бойлера от традиционного — большая площадь теплообменника, требующаяся для эффективной передачи тепловой энергии от термонасоса.

Личный опыт

С теорией покончено. Однако теоретических обоснований эффективности тепловых насосов в интернете много  и без нас. Читателю наверняка интересен, прежде всего, личный опыт отопления коттеджа с помощью ТН.

В смежных домах, принадлежащих автору и его близким родственникам, реализованы две схемы отопления с тепловыми насосами, работающими по схеме “воздух-воздух” и “воздух-вода”.

На фото — внешние блоки двух ТН “воздух-вода”

Воздух-воздух

Обогрев дома автора реализован путем установки во всех отапливаемых помещениях… обычных инверторных кондиционеров. Да-да, они, как и любые другие кондиционеры,  представляют собой частный случай ТН.

Более того: модель Cooper@Hunter CH-S12FTXN, отвечающая за обогрев мансарды в доме автора, позиционируется производителем именно как бытовой тепловой насос.

Кондиционер производительностью 12000 BTU обеспечивает обогрев 60-метровой мансарды

• Суммарные расходы: примерно 130 тысяч рублей (покупка и монтаж пяти сплит-систем).
• Отапливаемая площадь: 155 квадратных метров.
• Суммарная номинальная тепловая мощность при работе на обогрев: 15 кВт.
• Среднее энергопотребление в отопительный сезон: 600-1200 кВт·ч в месяц в зависимости от температуры на улице.
• Температура в доме: 19-22 °С в зависимости от функций помещения. Минимальная температура поддерживается в спальне, максимальная — в гостиной. Регулировка климата во всех комнатах — независимая, с пульта кондиционера.

Внутренний блок сплит-системы установлен на высоте около полутора метров

Воздух-вода

В соседнем доме для обогрева и приготовления горячей воды используются два воздушных ТН “воздух-вода” производства DanHeat с максимальной производительностью по теплу 9,2 кВт. Система отопления — внутрипольная, коллекторная (водяной теплый пол в стяжке).

Коллекторный шкаф теплого пола

Для хранения нагретой воды и в качестве буферной емкости для отопления используется 300-литровый теплоаккумулятор.

Теплоаккумулятор создает запас воды для нужд ГВС и стабилизирует температуру теплоносителя в системе отопления

Быстрый нагрев помещений зимой и их кондиционирование летом обеспечивают установленные в каждой комнате фанкойлы.

Настенный фанкойл зимой выполняет функции тепловентилятора, летом — кондиционера

Суммарные расходы (два ТН с обвязкой, теплоаккумулятор, укладка водяного пола и стяжки, монтаж фанкойлов) — приблизительно 1 млн. 300 тыс. рублей.

Внутренние теплообменники тепловых насосовКамин подключен к общему отопительному контуру

Рабочая температура теплоносителя: 23-40 °С.

Текущая температура воды в отопительном контуре — 31 градус

• Отапливаемая площадь: 280 м2.
• Среднемесячное энергопотребление: 2500-4000 кВт·ч в зависимости от уличной температуры и потребления горячей воды (напомним, ТН работают на отопление и ГВС).
• Температура в доме: 20-24°С (минимальная температура установлена в холле и на лестнице, максимальная — в гостиной). Раздельная регулировка температуры отдельных контуров теплого пола осуществляется из коллекторного шкафа; с панели управления ТН задается лишь температура теплоносителя.

Дроссели в коллекторном шкафу позволяют настроить температуру каждого отдельного контура теплого пола

Принцип действия тепловых насосов

Принцип работы устройства для обогрева дома основан на том, что вещество (холодильный агент) может отдавать тепловую энергию либо забирать ее в процессе смены состояния. Эта идея заложена в основу функционирования холодильника (из-за этого задняя стенка прибора горячая).

Термонасос для отопления функционирует следующим образом:

1. Поступающий агент охлаждается на 5 градусов в испарительном отделе на основании энергии от носителя тепла.
2. Охлажденный агент поступает в компрессор, который в результате работы сжимает и нагревает его.
3. Уже горячий газ попадает в отсек для теплообмена, в котором он отдает собственное тепло отопительной системе.
4. Сконденсированный хладагент возвращается к старту цикла.

Устройство

Тепловой насос для отопления дома состоит из нескольких основных контурных элементов:

• контур с теплоносителем, который перемещает энергию от теплоисточника;
• контур с фреоном, который периодически испаряется, забирая тепловую энергию с первого контура, и снова оседает конденсатом, передавая тепло третьему;
• контур, где циркулирует жидкость, являющаяся переносчиком тепла для отопления.

Эксплуатация термо насоса для отопления дома является выгодной с финансовой точки зрения. Причина этого в том, что устройство не требует высокой мощности (соответственно, расход электричества не больше, чем у стандартного бытового прибора), однако при этом производится в 4 раза больше тепла по сравнению с потребляемой электроэнергии.

Также не требуется создавать отдельную линию проводки для подключения насоса.  

Плюсы и минусы

Перед принятием решения, использовать тепловой насос или нет, следует ознакомиться с достоинствами и недостатками его работы. К главным плюсам теплового насоса относится:

• небольшой расход электричества на отопление дома;
• отсутствие необходимости регулярного осмотра и технического обслуживания, что делает затраты на эксплуатацию теплового насоса для отопления минимальными;
• допускается монтаж в любой местности. Насос может работать с такими источниками тепловой энергии, как воздух, почва и вода. Поэтому появляется возможность его установки практически в любое место, где планируется строительство дома. А в условиях отдаленности от газовой магистрали, устройство является самым подходящим методом обогрева. Даже если отсутствует электричество, функционирование компрессора можно обеспечить при помощи привода на основе бензина или дизеля;
• отопление дома осуществляется в автоматическом режиме. Не требуется добавлять топливо или проводить иные манипуляции, как, например, в случае с котельным оборудованием;
• отсутствие загрязнения окружающей среды вредными газами и веществами. Все применяемые холодильные агенты полностью безопасны и экологически пригодны;
• пожаробезопасность. Жителям дома никогда не будет угрожать взрыв или повреждение вследствие перегрева теплового насоса;
• возможность эксплуатации даже при условиях холодной зимы (до -15 градусов);
• качественный тепловой насос для отопления дома может служить до 50 лет. Замена компрессора требуется лишь раз в 20 лет.

Смотрите видео плюсы и минусы

Как и любое устройство, тепловые насосы имеют определенные недостатки:

1. Если температура окружающей среды опускается ниже 15 градусов, то насос работать не сможет. В таком случае потребуется монтаж второго теплоисточника. При очень низких температурных значениях включается котел, генератор или электрический обогреватель;
2. Высокая стоимость оборудования. Оно будет стоить примерно 350 000-700 000 рублей, еще такую же сумму придется потратить на создание геотермальной станции и установку устройства. Дополнительные монтажные работы не требуются только для теплового насоса, использующего воздух в качестве теплового источника;
3. Лучше всего устанавливать тепловой насос в сочетании с теплым полом или вентиляторными конвекторами, однако в старых зданиях потребуется перепланировка и возможно даже капитальный ремонт, что повлечет дополнительные затраты времени и средств. Если частный дом строится с нуля, такая проблема отсутствует;
4. При работе теплового насоса температура грунта, расположенного вокруг трубопровода с теплоносителем, снижается. Это становится причиной гибели некоторых микроорганизмов, участвующих в функционировании окружающей среды. Таким образом, некоторый ущерб экологии все же наносится, однако он существенно меньше урона от газо- или нефтедобычи.

Принцип работы насоса воздух-вода

Как уже было сказано, основным источником тепловой энергии для установок этого типа является атмосферный воздух. В принципиальной основе работы воздушных насосов лежит физическое свойство жидкостей к поглощению и отдаче тепла во время фазового перехода из жидкого состояния в газообразное, и обратно. В результате смены состояния выделяется температура. Система работает по принципу холодильника наоборот.

Для эффективного использования этих свойств жидкости легкокипящий хладагент (фреон, хладон) циркулирует по замкнутому контуру в конструкцию которого входят:

• компрессор с электроприводом;
• обдуваемый вентилятором испаритель;
• дроссельный (расширительный) клапан;
• пластинчатый теплообменник;
• медные или металлопластиковые циркуляционные трубки, соединяющие основные элементы схемы.

Движение хладагента по контуру осуществляется благодаря давлению, развиваемому компрессором. Для снижения тепловых потерь трубы покрываются теплоизоляционным слоем из искусственного каучука или вспененного полиэтилена с защитным металлизированным покрытием. В качестве хладагента используют хладон или фреон, способный закипать при отрицательной температуре и не замерзающий до -40°C.

Весь процесс работы состоит из следующих последовательных циклов:

1. В радиаторе испарителя находится жидкий хладагент, температура которого ниже, чем у наружного воздуха. Во время активного обдува радиатора тепловая энергия от низко потенциального воздуха передается хладону, который закипает и переходит в газообразное состояние. При этом его температура повышается.
2. Подогретый газ поступает в компрессор, где в процессе сжатия еще более нагревается.
3. В сжатом и разогретом состоянии пары хладагента подаются в пластинчатый теплообменник, где по второму контуру циркулирует теплоноситель системы отопления. Поскольку температура теплоносителя значительно ниже, чем у разогретого газа, фреон активно конденсируется на пластинах теплообменника, отдавая тепло в систему отопления.
4. Охлажденная парожидкостная смесь поступает на дроссельный клапан, который пропускает к испарителю только охлажденный жидкий хладагент с низким давлением. После чего весь цикл повторяется.

Для увеличения эффективности теплоотдачи трубки на испарителя навито спиральное оребрение. Расчет системы отопления, выбор циркуляционных насосов и другого оборудования должен учитывать гидравлическое сопротивление и коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника установки.

Видео обзор устройства системы и ее работы

Инверторные тепловые насосы

Наличие инвертора в составе установки позволяет обеспечить плавный пуск оборудования и автоматическое регулирование режимов в зависимости от температуры наружного воздуха. Это позволяет максимально повысить эффективность работы теплового насоса за счет:

• достижения КПД на уровне 95-98%;
• снижения потребления энергии на 20-25%;
• минимизации нагрузок на электрическую сеть;
• увеличения сроков эксплуатации установки.

В результате температура внутри помещений стабильно поддерживается на одном уровне, не зависимо от изменения погоды. При этом наличие инвертора в комплекте с автоматизированным блоком управления обеспечит не только зимний обогрев, но и подачу охлажденного воздуха летом при жаркой погоде.

В то же время следует учесть, что наличие дополнительного оборудования всегда влечет за собой его удорожание и увеличение срока окупаемости.