Тепловой насос для отопления принцип. Тепловой насос для отопления дома: принцип работы. Тепловая система «рассол-вода»

К концу XIX века появились мощные холодильные установки, которые могли перекачать тепла как минимум вдвое больше, чем тратилось энергии на приведение их в действие. Это был шок, ведь формально выходило, что тепловой вечный двигатель возможен! Однако при внимательном рассмотрении выяснилось, что до вечного двигателя по-прежнему далеко, а низкопотенциальное тепло, добытое с помощью теплового насоса, и высокопотенциальное тепло, получаемое, например, при сжигании топлива, - это две большие разницы. Правда, соответствующая формулировка второго начала была несколько видоизменена. Так что же такое тепловые насосы? В двух словах, тепловой насос - это современный и высокотехнологичный прибор для отопления и кондиционирования воздуха. Тепловой насос собирает тепло с улицы или из земли и направляет в дом.

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы теплового насоса прост: за счёт механической работы либо других видов энергии он обеспечивает концентрацию тепла, ранее равномерно распределённого по некоторому объёму, в одной части этого объёма. В другой части, соответственно, образуется дефицит тепла, то есть холод.

Исторически тепловые насосы впервые начали широко применяться в качестве холодильников - по сути, любой холодильник представляет собой тепловой насос, перекачивающий тепло из холодильной камеры наружу (в комнату или на улицу). Никакой альтернативы этим устройствам до сих пор нет, и при всём многообразии современной холодильной техники базовый принцип остаётся прежним: откачка тепла из холодильной камеры за счёт дополнительной внешней энергии.

Естественно, практически сразу же обратили внимание на то, что заметный нагрев теплообменника конденсатора (у бытового холодильника он обычно выполнен в виде чёрной панели или решётки на задней стенке шкафа) можно было бы использовать и для обогрева. Это уже была идея обогревателя на основе теплового насоса в её современном виде - холодильник наоборот, когда тепло закачивается в замкнутый объём (помещение) из неограниченного внешнего объёма (с улицы). Однако в этой области конкурентов у теплового насоса полно - начиная с традиционных дровяных печей и каминов и заканчивая всевозможными современными отопительными системами. Поэтому многие годы, пока топливо было относительно дешёвым, эта идея рассматривалась как не более чем курьёз, - в большинстве случаев она была абсолютно невыгодна экономически, и лишь крайне редко такое использование было оправдано - обычно для утилизации тепла, откачиваемого мощными холодильными установками в странах с не слишком холодным климатом. И только со стремительным ростом цен на энергоносители, усложнением и удорожанием отопительного оборудования и относительным удешевлением на этом фоне производства тепловых насосов, такая идея становится экономически выгодной сама по себе, - ведь заплатив один раз за довольно сложную и дорогую установку, затем можно будет постоянно экономить на сокращённом расходе топлива. Тепловые насосы являются основой набирающих популярность идей когенерации - одновременной выработки тепла и холода - и тригенерации - выработки сразу тепла, холода и электричества.

Поскольку тепловой насос является сутью любой холодильной установки, то можно сказать, что понятие «холодильная машина» - его псевдоним. Правда, следует иметь в виду, что несмотря на универсальность используемых принципов работы, конструкции холодильных машин всё-таки ориентированы именно на выработку холода, а не тепла - например, вырабатываемый холод концентрируется в одном месте, а получаемое тепло может рассеиваться в нескольких разных частях установки, потому что в обычном холодильнике стоит задача не утилизировать это тепло, а просто избавиться от него.

Классы тепловых насосов

В настоящее время наиболее широко применяются два класса тепловых насосов. К одному классу можно отнести термоэлектрические на эффекте Пельтье, а к другому - испарительные, которые, в свою очередь подразделяются на механические компрессорные (поршневые или турбинные) и абсорбционные (диффузионные). Кроме того, постепенно возрастает интерес к использованию в качестве тепловых насосов вихревых труб, в которых работает эффект Ранка.

Тепловые насосы на эффекте Пельтье

Элемент Пельтье

Эффект Пельтье заключается в том, что при подаче на две стороны специально подготовленной полупроводниковой пластины небольшого постоянного напряжения, одна сторона этой пластины нагревается, а другая - охлаждается. Вот, в общем-то, и готов термоэлектрический тепловой насос!

Физическая суть эффекта состоит в следующем. Пластина элемента Пельтье (он же «термоэлектрический элемент», англ. Thermoelectric Cooler, TEC), состоит из двух слоёв полупроводника с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При переходе электрона под действием внешнего напряжения в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, он должен приобрести энергию. При получении им этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников (при протекании тока в обратном направлении происходит обратный эффект - место контакта слоёв нагревается дополнительно к обычному омическому нагреву).

Достоинства элементов Пельтье

Достоинством элементов Пельтье является максимальная простота их конструкции (что может быть проще пластины, к которой припаяны два проводка?) и полное отсутствие каких-либо движущихся частей, а также внутренних потоков жидкостей или газов. Следствием этого является абсолютная бесшумность работы, компактность, полное безразличие к ориентации в пространстве (при условии обеспечения достаточного теплоотвода) и очень высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам. Да и рабочее напряжение составляет лишь несколько вольт, поэтому для работы вполне достаточно нескольких батареек или автомобильного аккумулятора.

Недостатки элементов Пельтье

Главным недостатком термоэлектрических элементов является их относительно невысокая эффективность - ориентировочно можно считать, что на единицу перекачанного тепла им потребуется вдвое больше подведённой внешней энергии. То есть, подведя 1 Дж электрической энергии, из охлаждаемой области мы сможем удалить лишь 0.5 Дж тепла. Понятно, что все суммарные 1.5 Дж выделятся на «тёплой» стороне элемента Пельтье и их надо будет отвести во внешнюю среду. Это во много раз ниже эффективности компрессионных испарительныхтепловых насосов.

На фоне столь низкого КПД обычно уже не так важны остальные недостатки, - а это небольшая удельная производительность в сочетании с высокой удельной стоимостью.

Использование элементов Пельтье

В соответствии с их особенностями, основная область применения элементов Пельтье в настоящее время обычно ограничивается случаями, когда требуется не очень сильно охладить что-либо не слишком мощное, особенно в условиях сильной тряски и вибраций и при жёстких ограничениях по массе и габаритам, - например, различные узлы и детали электронной аппаратуры, прежде всего военной, авиационной и космической. Пожалуй, самое широкое распространение в быту элементы Пельтье получили в маломощных (5..30 Вт) переносных автомобильных холодильниках.

Испарительные компрессионные тепловые насосы

Схема рабочего цикла испарительного компрессионного теплового насоса

Принцип работы этого класса тепловых насосов заключается в следующем. Газообразный (полностью или частично) хладагент сжимается компрессором до давления, при котором он может превратиться в жидкость. Естественно, при этом он нагревается. Нагретый сжатый хладагент подаётся в радиатор конденсатора, где охлаждается до температуры окружающей среды, отдавая ей излишнее тепло. Это зона нагрева (задняя стенка кухонного холодильника). Если на входе конденсатора значительная часть сжатого горячего хладагента ещё оставалась в виде пара, то при понижении температуры в ходе теплообмена она также конденсируется и переходит в жидкое состояние. Относительно охлаждённый жидкий хладагент подаётся в расширительную камеру, где, проходя через дроссель или детандер, теряет давление, расширяется и испаряется, по крайней мере частично переходя в газообразную форму, и, соответственно, охлаждается, - существенно ниже температуры окружающей среды и даже ниже температуры в зоне охлаждения теплового насоса. Проходя по каналам панели испарителя, холодная смесь жидкого и парообразного теплоносителя отбирает тепло из зоны охлаждения. За счёт этого тепла продолжает испаряться оставшаяся жидкой часть хладагента, поддерживая стабильно низкую температуру испарителя и обеспечивая эффективный отбор тепла. После этого хладагент в виде пара добирается до входа компрессора, который откачивает и вновь сжимает его. Затем всё повторяется сначала.

Таким образом, на «горячем» участке компрессор-конденсатор-дроссель хладагент находится под высоким давлением и преимущественно в жидком состоянии, а на «холодном» участке дроссель-испаритель-компрессор давление низкое, а хладагент в основном находится в парообразном состоянии. И сжатие, и разрежение создаются одним и тем же компрессором. С противоположной от компрессора стороны тракта зоны высокого и низкого давления разделяет дроссель, ограничивающий поток хладагента.

В мощных промышленных холодильниках в качестве хладагента используется ядовитый, но эффективный аммиак, производительные турбокомпрессоры и иногда детандеры. В бытовых холодильниках и кондиционерах хладагентом обычно являются более безопасные фреоны, а вместо турбоагрегатов используются поршневые компрессоры и «капиллярные трубки» (дроссели).

В общем случае изменение агрегатного состояния хладагента необязательно - принцип будет рабочим и для постоянно газообразного хладагента, - однако большая теплота изменения агрегатного состояния многократно повышает эффективность рабочего цикла. Но вот если хладагент будет всё время находиться в жидком виде, эффекта не будет принципиально - ведь жидкость практически несжимаема, а потому ни повышение, ни снятие давления не изменят её температуру..

Дроссели и детандеры

Многократно употребляемые на этой странице термины «дроссель» и «детандер» обычно мало что говорят людям, далёким от холодильной техники. Поэтому следует сказать пару слов об этих устройствах и основном различии между ними.

Дросселем в технике называется устройство, предназначенное для нормирования потока за счёт его принудительного ограничения. В электротехнике это название закрепилось за катушками, призванными ограничить скорость нарастания тока и обычно применяемыми для защиты электросхем от импульсных помех. В гидравлике дросселями, как правило, называют ограничители потока, представляющие собой специально созданные сужения канала с точно рассчитанным (калиброванным) просветом, обеспечивающим нужный поток или необходимое сопротивление потоку. Классическим примером таких дросселей являются жиклёры, широко использовавшиеся в карбюраторных двигателях для обеспечения расчётного поступления бензина при подготовке топливной смеси. Дроссельная заслонка в тех же карбюраторах нормировала поток воздуха - второго необходимого ингредиента этой смеси.

В холодильной технике дроссель используется для ограничения потока хладагента в расширительную камеру и поддержания там условий, необходимых для эффективного испарения и адиабатического расширения. Слишком большой поток может вообще привести к заполнению расширительной камеры хладагентом (компрессор просто не успеет откачать его) или, по крайней мере, к потере там необходимого разрежения. А ведь именно испарение жидкого хладагента и адиабатическое расширение его паров обеспечивает необходимое для работы холодильника падение температуры хладагента ниже температуры окружающей среды.

Принципы работы дросселя (слева), поршневого детандера (в центре) и турбодетандера (слева).

В детандере расширительная камера несколько модернизирована. В ней испаряющийся и расширяющийся хладагент дополнительно совершает механическую работу, перемещая находящийся там поршень или вращая турбину. При этом ограничение потока хладагента может осуществляться за счёт сопротивления поршня или колеса турбины, хотя на деле это обычно требует очень тщательного подбора и согласования всех параметров системы. Поэтому и при использовании детандеров основное нормирование потока может осуществляться дросселем (калиброванным сужением канала подачи жидкого хладагента).

Турбодетандер эффективен лишь при больших потоках рабочего тела, при малом потоке его эффективность близка к обычному дросселированию. Поршневой детандер может эффективно работать с гораздо меньшим расходом рабочего тела, однако конструкция его на порядок сложнее турбины: помимо самого поршня со всеми необходимыми направляющими, уплотнениями и системой возврата, требуются впускные и выпускные клапаны с соответствующим управлением ими.

Преимуществом детандера перед дросселем является более эффективное охлаждение за счёт того, что часть тепловой энергии хладагента превращается в механическую работу и в такой форме отводится из теплового цикла. Более того, эта работа затем может быть использована с пользой для дела, скажем, для привода насосов и компрессоров, как это сделано в «холодильнике Зысина». Зато простой дроссель имеет абсолютно примитивную конструкцию и не содержит ни одной движущейся детали, а потому по надёжности, долговечности, а также простоте и себестоимости изготовления оставляет детандер далеко позади. Именно эти причины обычно ограничивают область применения детандеров мощной криогенной техникой, а в бытовых холодильниках используются менее эффективные, зато практически вечные дроссели, называемые там «капиллярными трубками» и представляющие собой простую медную трубку достаточно большой длины с просветом малого диаметра (обычно от 0.6 до 2 мм), которая обеспечивает необходимое гидравлическое сопротивление для расчётного потока хладагента.

Достоинства компрессионных тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов - их высокая эффективность, самая высокая среди современных тепловых насосов. Соотношение подведённой извне и перекачанной энергии у них может достигать 1:3 - то есть на каждый джоуль подведённой энергии из зоны охлаждения будет откачано 3 Дж тепла - сравните с 0.5 Дж у элементов Пельте! При этом компрессор может стоять отдельно, и выработанное им тепло (1 Дж) необязательно отводить во внешнюю среду в том же месте, где отдаются 3 Дж тепла, откачанные из зоны охлаждения.

Кстати, существует отличающаяся от общепринятой, но весьма любопытная и убедительная теория термодинамических явлений. Так вот, один из её выводов заключается в том, что работа по сжатию газа в принципе может составлять лишь порядка 30% от его общей энергии. А это означает, что соотношение подведённой и перекачанной энергии 1:3 соответствует теоретическому пределу и при термодинамических методах перекачки тепла не может быть улучшено в принципе. Впрочем, некоторые производители уже заявляют о достижении соотношения 1:5 и даже 1:6, и это соответствует действительности - ведь в реальных холодильных циклах используется не просто сжатие газообразного хладагента, но и изменение его агрегатного состояния, и именно последний процесс является главным...

Недостатки компрессионных тепловых насосов

К недостаткам этих тепловых насосов можно отнести, во-первых, само наличие компрессора, неизбежно создающего шум и подверженного износу, а во-вторых, необходимость использования специального хладагента и соблюдение абсолютной герметичности на всём его рабочем пути. Впрочем, бытовые компрессионные холодильники, непрерывно работающие по 20 лет и более без какого-либо ремонта, - совсем не редкость. Ещё одна особенность - довольно высокая чувствительность к положению в пространстве. На боку или вверх ногами вряд ли заработает и холодильник, и кондиционер. Но это связано с особенностями конкретных конструкций, а не с общим принципом работы.

Как правило, компрессионные тепловые насосы и холодильные установки проектируются в расчёте на то, что на входе компрессора весь хладагент находится в парообразном состоянии. Поэтому попадание на вход компрессора большого количества неиспарившегося жидкого хладагента может вызвать в нём гидравлический удар и, как результат, серьёзную поломку агрегата. Причиной такой ситуации может быть как износ аппаратуры, так и слишком низкая температура конденсатора - поступающий в испаритель хладагент слишком холодный и испаряется слишком вяло. Для обычного холодильника такая ситуация может возникнуть, если пытаться его включить в очень холодном помещении (например, при температуре около 0°С и ниже) либо если он только что внесён в нормальное помещение с мороза. Для работающего на обогрев компрессионного теплового насоса это может случится, если пытаться отогреть им промороженное помещение при том, что на улице тоже холодно. Не очень сложные технические решения устраняют эту опасность, но они удорожают конструкцию, а при штатной эксплуатации массовой бытовой техники в них нет нужды - такие ситуации не возникают.

Использование компрессионных тепловых насосов

В силу своей высокой эффективности именно этот тип тепловых насосов получил практически повсеместное распространение, вытеснив все остальные в различные экзотические области применения. И даже относительная сложность конструкции и её чувствительность к повреждениям не могут ограничить их широкое использование - почти на каждой кухне стоит компрессионный холодильник или морозильник, а то и не один!

Испарительные абсорбционные (диффузионные) тепловые насосы

Рабочий цикл испарительных абсорбционных тепловых насосов весьма схож с рабочим циклом испарительных компрессионных установок, рассмотренных чуть выше. Главное различие заключается в том, что если в предыдущем случае разрежение, необходимое для испарения хладагента, создаётся при механическом отсосе паров компрессором, то в абсорбционных агрегатах испарившийся хладагент поступает из испарителя в блок абсорбера, где поглощается (абсорбируется) другим веществом - абсорбентом. Тем самым пар удаляется из объёма испарителя и там восстанавливается разрежение, обеспечивающее испарение новых порций хладагента. Необходимым условием является такое «сродство» хладагента и абсорбента, чтобы силы их связывания при поглощении смогли создать существенное разрежение в объёме испарителя. Исторически первой и до сих широко используемой парой веществ является аммиак NH3 (хладагент) и вода (абсорбент). При поглощении пары аммиака растворяются в воде, проникая (диффундируя) в её толщу. От этого процесса произошли альтернативные названия таких тепловых насосов - диффузионные или абсорбционно-диффузионные.
Для того чтобы вновь разделить хладагент (аммиак) и абсорбент (воду), отработавшую и богатую аммиаком водо-аммиачную смесь нагревают в десорбере внешним источником тепловой энергии вплоть до кипения, затем несколько охлаждают. Первой конденсируется вода, но при высокой температуре сразу после конденсации она способна удержать очень мало аммиака, поэтому основная часть аммиака остаётся в виде пара. Здесь находящиеся под давлением жидкую фракцию (воду) и газообразную (аммиак) разделяют и по отдельности охлаждают до температуры окружающей среды. Остывшая вода с малым содержанием аммиака направляется в абсорбер, а аммиак при охлаждении в конденсаторе становится жидким и поступает в испаритель. Там давление падает, и аммиак испаряется, снова охлаждая испаритель и забирая извне тепло. Затем вновь соединяют пары аммиака с водой, удаляя из испарителя излишки аммиачных паров и поддерживая там низкое давление. Обогащённый аммиаком раствор опять направляется в десорбер на разделение. В принципе, для десорбции аммиака кипятить раствор не обязательно, достаточно просто нагреть его близко к температуре кипения, и «лишний» аммиак улетучится из воды. Но кипячение позволяет провести разделение наиболее быстро и эффективно. Качество такого разделения является главным условием, определяющим разрежение в испарителе, а стало быть, эффективность работы абсорбционного агрегата, и многие ухищрения в конструкции направлены именно на это. В результате, по организации и количеству стадий рабочего цикла абсорбционно-диффузионные тепловые насосы, пожалуй, являются наиболее сложными из всех распространённых типов подобного оборудования.

«Изюминкой» принципа работы является то, что для выработки холода здесь используется нагрев рабочего тела (вплоть до его кипения). При этом вид источника нагрева непринципиален, - это может быть даже открытый огонь (пламя горелки), поэтому использование электричества необязательно. Для создания необходимой разности давлений, обуславливающей движение рабочего тела, иногда могут использоваться механические насосы (обычно в мощных установках при больших объёмах рабочего тела), а иногда, в частности в бытовых холодильниках, - элементы без подвижных частей (термосифоны).

Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат (АДХА) холодильника «Морозко-ЗМ».1 - теплообменник;2 - сборник раствора;3 - аккумулятор водорода;4 - абсорбер;5 - регенеративный газовый теплообменник;6 - дефлегматор («обезжиживатель»); 7 - конденсатор;8 - испаритель; 9 - генератор;10 - термосифон; 11 - регенератор;12 - трубки слабого раствора; 13 - пароотводящая трубка;14 - электронагреватель; 15 - термоизоляция.

Первые абсорбционные холодильные машины (АБХМ) на аммиачно-водяной смеси появились во второй половине XIX века. В быту из-за ядовитости аммиака они тогда большого распространения не получили, но весьма широко использовались в промышленности, обеспечивая охлаждение вплоть до –45°С. В одноступенчатых АБХМ теоретически максимальная холодопроизводительность равна количеству затраченного на нагрев тепла (реально, конечно, заметно меньше). Именно этот факт подкреплял уверенность защитников той самой формулировки второго начала термодинамики, о которой говорилось в начале этой страницы. Однако сейчас и абсорбционные тепловые насосы преодолели это ограничение. В 1950-х годах появились более эффективные двухступенчатые (два конденсатора или два абсорбера) бромистолитиевые АБХМ (хладагент - вода, абсорбент - бромид лития LiBr). Трёхступенчатые варианты АБХМ запатентованы в 1985-1993 годах. Их образцы-прототипы по эффективности превосходят двухступенчатые на 30–50% и приближаются к массовым моделям компрессионных установок.

Достоинства абсорбционных тепловых насосов

Главное достоинство абсорбционных тепловых насосов - это возможность использовать для своей работы не только дорогое электричество, но и любой источник тепла достаточной температуры и мощности - перегретый или отработанный пар, пламя газовых, бензиновых и любых других горелок - вплоть до выхлопных газов и даровой солнечной энергии.

Второе достоинство этих агрегатов, особенно ценное в бытовых применениях, - это возможность создания конструкций, не содержащих движущихся деталей, а потому практически бесшумных (в советских моделях этого типа иногда можно было услышать тихое бульканье или лёгкое шипение, но, конечно, это не идёт ни в какое сравнение с шумом работающего компрессора).

Наконец, в бытовых моделях рабочее тело (обычно это водо-аммиачная смесь с добавлением водорода или гелия) в используемых там объёмах не представляет большой опасности для окружающих даже в случае аварийной разгерметизации рабочей части (это сопровождается весьма неприятной вонью, так что не заметить сильную утечку невозможно, и помещение с аварийным агрегатом придётся покинуть и проветрить «автоматически»; сверхмалые же концентрации аммиака естественны и абсолютно безвредны). В промышленных установках объёмы аммиака велики и концентрация аммиака при утечках может быть смертельной, но в любом случае аммиак числится экологически безопасным, - считается, что в отличии от фреонов он не разрушает озоновый слой и не вызывает парниковый эффект.

Недостатки абсорбционных тепловых насосов

Главный недостаток этого типа тепловых насосов - более низкая эффективность по сравнению с компрессионными.

Второй недостаток - сложность конструкции самого агрегата и довольно высокая коррозионная нагрузка от рабочего тела, либо требующая использования дорогих и труднообрабатываемых коррозионно-стойких материалов, либо сокращающая срок службы агрегата до 5..7 лет. В результате стоимость «железа» получается заметно выше, чем у компрессионных установок той же производительности (прежде всего это касается мощных промышленных агрегатов).

В-третьих, многие конструкции весьма критичны к размещению при установке - в частности, некоторые модели бытовых холодильников требовали установки строго горизонтально, и уже при отклонении на несколько градусов отказывались работать. Использование принудительного перемещения рабочего тела с помощью помп в значительной степени снимает остроту этой проблемы, но подъём бесшумным термосифоном и слив самотёком требуют очень тщательного выравнивания агрегата.

В отличии от компрессионных машин абсорбционные не так боятся слишком низких температур - просто их эффективность снижается. Но я недаром поместил этот абзац в раздел недостатков, потому что это не значит, что они могут работать в лютую стужу - на морозе водный раствор аммиака банально замёрзнет в отличие от используемых в компрессионных машинах фреонов, температура замерзания которых обычно ниже –100°C. Правда, если лёд ничего не порвёт, то после оттаивания абсорбционный агрегат продолжит работу, даже если его всё это время не отключали из сети, - ведь механических насосов и компрессоров в нём нет, а мощность подогрева в бытовых моделях достаточно мала, чтобы кипение в районе нагревателя не стало слишком интенсивным. Впрочем, всё это уже зависит от особенностей конкретной конструкции...

Использование абсорбционных тепловых насосов

Несмотря на несколько меньшую эффективность и относительно более высокую стоимость по сравнению с компрессионными установками, применение абсорбционных тепловых машин абсолютно оправдано там, где нет электричества или где есть большие объёма бросового тепла (отработанный пар, горячие выхлопные или дымовые газы и т.п. - вплоть досолнечного нагрева). В частности, выпускаются специальные модели холодильников, работающие от газовых горелок, предназначенные для путешественников-автомобилистов и яхтсменов.

В настоящее время в Европе газовые котлы иногда заменяют абсорбционными тепловыми насосами с нагревом от газовой горелки или от солярки - они позволяют не только утилизировать теплоту сгорания топлива, но и «подкачивать» дополнительное тепло с улицы или из глубины земли!

Как показывает опыт, в быту вполне конкурентоспособны и варианты с электронагревом, прежде всего в диапазоне малых мощностей - где-то от 20 и до 100 Вт. Меньшие мощности - вотчина термоэлектрических элементов, а при бóльших пока безусловны преимущества компрессионных систем. В частности, среди советских и пост-советских марок холодильников этого типа были популярны «Морозко», «Север», «Кристалл», «Киев» с типичным объёмом холодильной камеры от 30 до 140 литров, хотя существуют и модели на 260 литров («Кристалл-12»). Кстати, оценивая потребление энергии, стоит учитывать тот факт, что компрессионные холодильники почти всегда работают в коротко-периодическом режиме, а абсорбционные обычно включаются на гораздо более длительный срок или вообще работают непрерывно. Поэтому, даже если номинальная мощность нагревателя будет гораздо меньше мощности компрессора, соотношение среднесуточного потребления энергии может быть совсем другим.

Вихревые тепловые насосы

Вихревые тепловые насосы используют для разделения теплого и холодного воздухаэффект Ранка. Суть эффекта заключается в том, что газ, тангенциально подаваемый в трубу на высокой скорости, внутри этой трубы закручивается и разделяется: из центра трубы можно отбирать охлаждённый газ, а с периферии - нагретый. Этот же эффект, хотя и в гораздо меньшей степени, действует и для жидкостей.

Достоинства вихревых тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов - простота конструкции и большая производительность. Вихревая труба не содержит движущихся деталей, и это обеспечивает ей высокую надёжность и долгий срок службы. Вибрация и положение в пространстве практически не оказывают влияния на её работу.

Мощный поток воздуха хорошо предотвращает обмерзание, а эффективность вихревых труб слабо зависит от температуры входного потока. Очень важно и практическое отсутствие принципиальных температурных ограничений, связанных с переохлаждением, перегревом или замерзанием рабочего тела.

В некоторых случаях играет свою роль возможность достижения рекордно высокого температурного разделения на одной ступени: в литературе приводятся цифры охлаждения на 200° и более. Обычно одна ступень охлаждает воздух на 50..80°С.

Недостатки вихревых тепловых насосов

К сожалению, эффективность этих устройств в настоящее время заметно уступает эффективности испарительных компрессионных установок. Кроме того, для эффективной работы они требуют высокой скорости подачи рабочего тела. Максимальная эффективность отмечается при скорости входного потока, равной 40..50% от скорости звука - такой поток сам по себе создаёт немало шума, а кроме того, требует наличия производительного и мощного компрессора - устройства тоже отнюдь не тихого и довольно капризного.

Отсутствие общепризнанной теории этого явления, пригодной для практического инженерного использования, делает конструирование таких агрегатов занятием во многом эмпирическим, где результат сильно зависит от удачи: «угадал - не угадал». Более-менее надёжный результат даёт только воспроизведение уже созданных удачных образцов, а результаты попыток существенного изменения тех или иных параметров не всегда предсказуемы и иногда выглядят парадоксальными.

Использование вихревых тепловых насосов

Тем не менее, в настоящее время использование таких устройств расширяется. Они оправданы в первую очередь там, где уже есть газ под давлением, а также на различных пожаро- и взрывоопасных производствах - ведь подать в опасную зону поток воздуха под давлением зачастую гораздо безопаснее и дешевле, чем тянуть туда защищённую электропроводку и ставить электродвигатели в специальном исполнении.

Пределы эффективности тепловых насосов

Почему же тепловые насосы до сих пор не получили широкого распространения для обогрева (пожалуй, единственный относительно распространённый класс таких устройств - это кондиционеры с инвертором)? Причин этому несколько, и помимо субъективных, связанных с отсутствием традиций обогрева с помощью этой техники, есть и объективные, главные среди которых - обмерзание теплоотборника и относительно узкий диапазон температур для эффективной работы.

В вихревых (прежде всего газовых) установках проблем переохлаждения и обмерзания обычно нет. Они не используют изменение агрегатного состояния рабочего тела, а мощный поток воздуха выполняет функции системы «No Frost». Однако эффективность их намного меньше, чем у испарительных тепловых насосов.

Переохлаждение

В испарительных тепловых насосах высокая эффективность обеспечивается за счёт изменения агрегатного состояния рабочего тела - перехода из жидкости в газ и обратно. Соответственно, этот процесс возможен в относительно узком интервале температур. При слишком высоких температурах рабочее тело всегда останется газообразным, а при слишком низких - будет испаряться с большим трудом или вообще замёрзнет. В результате при выходе температуры за рамки оптимального диапазона наиболее энергоэффективный фазовый переход становится затруднённым или вовсе исключается из рабочего цикла, и КПД компрессионной установки существенно падает, а если хладагент останется постоянно жидким, то она вообще работать не будет.

Обмерзание

Отбор тепла из воздуха

Даже если температуры всех блоков теплового насоса остаются в нужных рамках, во время работы блок для отбора тепла - испаритель - всегда покрывается каплями влаги, конденсирующимися из окружающего воздуха. Но жидкая вода стекает с него сама по себе, не особо препятствуя теплообмену. Когда же температура испарителя становится слишком низкой, капли конденсата замерзают, а вновь конденсирующаяся влага сразу превращается в иней, который так и остаётся на испарителе, постепенно образуя толстую снеговую «шубу» - именно это происходит в морозилке обычного холодильника. В результате эффективность теплообмена существенно снижается, и тогда приходится останавливать работу и оттаивать испаритель. Как правило, в испарителе холодильника температура понижается на 25..50°С, а в кондиционерах в связи с их спецификой температурный перепад поменьше - 10..15°С.Зная это, становится понятно, почему большинство кондиционеров не удастся настроить на температуру ниже +13..+17°С - этот порог установлен их конструкторами во избежание обледенения испарителя, ведь режим его оттаивания обычно не предусматривается. Это же является одной из причин, по которой практически все кондиционеры с инверторным режимом не работают даже при не очень больших отрицательных температурах - лишь в самое последнее время стали появляться модели, рассчитанные на работу при морозах до–25°C. В большинстве случаев уже при –5..–10°C затраты энергии на оттаивание становятся сравнимы с количеством закачанной с улицы теплоты, и перекачка тепла с улицы оказывается неэффективной, особенно если влажность наружного воздуха близка к 100%, - тогда внешний теплоотборник покрывается льдом особенно быстро.

Отбор тепла из грунта и воды

В связи с этим в качестве незамерзающего источника «холодного тепла» для тепловых насосов в последнее время всё шире рассматривается тепло из земных глубин. При этом имеются в виду отнюдь не разогретые слои земной коры, находящиеся на многокилометровой глубине, и даже не геотермальные водные источники (хотя, если повезёт и они окажутся рядом, было бы глупо пренебречь таким подарком судьбы). Имеется в виду «обычное» тепло слоёв грунта, расположенных на глубине от 5 до 50 метров. Как известно, в средней полосе грунт на таких глубинах имеет температуру порядка +5°С, которая очень мало меняется в течении всего года. В более южных районах эта температура может достигать +10°С и выше. Таким образом, перепад температур между комфортной +25°С и грунтом вокруг теплоотборника весьма стабилен и не превышает 20°С независимо от мороза за окном (следует отметить, что обычно температура на выходе теплового насоса составляет +50..+60°С, но и перепад температур в 50°С вполне по силам для тепловых насосов, включая современные бытовые холодильники, спокойно обеспечивающие в морозилке –18°С при температуре в комнате выше +30°С).

Тем не менее, если закопать один компактный, но мощный теплообменник, вряд ли удастся достичь желаемого эффекта. По сути теплоотборник в этом случае выступает в роли испарителя морозильной камеры, и если в месте, где он размещён, нет мощного притока тепла (геотермального источника или подземной реки), он быстро заморозит окружающий грунт, на чём вся откачка тепла и закончится. Решением может быть отбор тепла не из одной точки, а равномерно с большого подземного объёма, однако стоимость строительства теплоотборника, охватывающего на немалой глубине тысячи кубометров грунта, скорее всего сделает это решение абсолютно невыгодным экономически. Менее затратный вариант - бурение нескольких скважин с интервалом в несколько метров друг от друга, как это было сделано в экспериментальном подмосковном «активном доме», но и это недёшево - каждый, кто делал у себя скважину для воды, может самостоятельно прикинуть затраты на создание геотермального поля хотя бы из десятка 30-метровых скважин. Кроме того, постоянный отбор тепла, хоть и менее сильный, чем в случае компактного теплообменника, всё равно снизит температуру грунта вокруг теплоотборников по сравнению с исходной. Это приведёт к уменьшению эффективности работы теплового насоса при его длительной эксплуатации, причём период стабилизации температуры на новом уровне может занять несколько лет, в течение которых условия извлечения тепла будут ухудшаться. Впрочем, можно попытаться частично компенсировать зимние потери тепла его усиленной закачкой на глубину в летнюю жару. Но даже не учитывая дополнительные затраты энергии на эту процедуру, польза от неё будет не слишком большой - теплоёмкость грунтового теплоаккумулятора разумных размеров достаточно ограничена, и на всю русскую зиму её явно не хватит, хотя такой запас тепла всё же лучше, чем ничего. Кроме того, здесь очень большое значение имеет уровень, объём и скорость течения грунтовых вод - обильно увлажнённый грунт с достаточно высокой скоростью течения воды не позволит сделать «запасы на зиму» - протекающая вода унесёт закачанное тепло с собой (даже мизерное перемещение грунтовых вод на 1 метр в сутки всего за неделю снесёт запасённое тепло в сторону на 7 метров, и оно окажется вне рабочей зоны теплообменника). Правда, то же течение грунтовых вод будет снижать степень остывания грунта зимой - новые порции воды принесут новое тепло, полученное ими вдали от теплообменника. Поэтому, если рядом есть глубокое озеро, большой пруд или река, никогда не промерзающие до дна, то лучше не копать грунт, а поместить относительно компактный теплообменник в водоём - в отличие от неподвижного грунта даже в непроточном пруду или озере конвекция свободной воды способна обеспечить гораздо более эффективный подвод тепла к теплоотборнику со значительного объёма водоёма. Но здесь необходимо убедиться, что теплообменник ни при каких условиях не переохладится до точки замерзания воды и не начнёт намораживать лёд, поскольку разница между конвекционным теплообменом в воде и теплопередачей ледяной шубы огромна (в то же время теплопроводность замёрзшего и незамёрзшего грунта часто отличается не так уж сильно, и попытка использовать огромную теплоту кристаллизации воды в грунтовом теплоотборе при определённых условиях может себя оправдать).

Принцип действия геотермального теплового насоса основан на сборе тепла из почвы или воды, и передаче в систему отопления здания. Для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве или водоеме возле здания, к тепловому насосу. Тепловой насос, подобно холодильнику, охлаждает жидкость (отбирает тепло), при этом жидкость охлаждается приблизительно на 5 °С. Жидкость снова течет по трубе в наружном грунте или воде, восстанавливает свою температуру, и снова поступает к тепловому насосу. Отобранное тепловым насосом тепло передается системе отопления и/или на подогрев горячей воды.

Возможно отбирать тепло у подземной воды - подземная вода с температурой около 10 °С подается из скважины к тепловому насосу, который охлаждает воду до +1...+2°С, и возвращает воду под землю. Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия - так называемый "абсолютный ноль".

То есть тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета - земли, водоема, льда, скалы и т.д. Если же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный процесс - тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что тепловой насос может греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы, греть бассейн, охлаждать, например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда...
Одно оборудование может выполнить все функции по тепло-холодоснабжению здания.

1.
2.
3.
4.
5.
6.

Такой агрегат как тепловой насос принцип работы имеет сходный с бытовыми приборами – холодильником и кондиционером. Примерно 80% своей мощности он заимствует у окружающей среды. Насос перекачивает тепло с улицы в помещение. Его работа подобна принципу функционирования холодильника, отличается только направление переноса тепловой энергии.

Например, для охлаждения бутылки с водой люди ставят ее в холодильник, затем бытовой прибор частично «забирает» у этого предмета тепло и теперь, по закону сохранения энергии должен его отдать. Но куда? Все просто, для этого в холодильнике имеется радиатор, как правило, находящийся на его задней стенке. В свою очередь радиатор, нагреваясь, отдает тепло помещению, в котором стоит. Таким образом, холодильник отапливает комнату. До какой степени она прогревается, можно почувствовать в небольших магазинах жарким летом, когда включено несколько холодильных установок.

А теперь немного фантазии. Предположим, что в холодильник постоянно подкладываются теплые предметы, и он обогревает комнату или его расположили в оконном проеме, открыли дверцу морозильной камеры наружу, при этом радиатор находился в помещении. В процессе своей работы, бытовой прибор, охлаждая воздух на улице, одновременно будет переносить тепловую энергию, которая есть снаружи, в здание. Точно такой имеет тепловой насос принцип действия.

Откуда насос берет тепло?

• окружающий воздух;
• водоемы (реки, озера, моря);
• грунт и грунтовые артезианские и термальные воды.

Система отопления с тепловым насосом

Теплоноситель, забирающий на себя тепло из окружающей среды, циркулирует по внешнему контуру. Он попадает в испаритель насоса и отдает хладагенту примерно 4 -7 °C, притом, что его температура кипения равна -10 °C. В результате хладагент закипает и дальше переходит в газообразное состояние. Уже охлажденный теплоноситель во внешнем контуре направляется на следующий виток для набора температуры.

Состоит функциональный контур теплового насоса из:

• испарителя;
• хладагента;
• электрического компрессора;
• конденсатора;
• капилляра;
• терморегулирующего управляющего устройства.

• хладагент после закипания, двигаясь по трубопроводу, попадает в компрессор, работающий при помощи электроэнергии. Это устройство сжимает хладагент, находящийся в газообразном состоянии, до высокого давления, что вызывает повышение его температуры;
• горячий газ попадает в другой теплообменник (конденсатор), в котором тепло хладагента отдается теплоносителю, циркулирующему по внутреннему контуру отопительной системы, или воздуху в помещении;
• остывая, хладагент переходит в жидкое состояние, после чего проходит сквозь капиллярный редукционный клапан, теряя давление, и затем снова оказывается в испарителе;
• таким образом, цикл завершился, и процесс готов повториться.

Примерный расчет теплопроизводительности

Q = (T 1 - T 2) x V, где:
V – расход теплоносителя в час (м 3 /час);
T 1 - T 2 - разница температуры на входе и входе (°C) .

Виды тепловых насосов

• грунт-вода - для их работы в водяной отопительной системе используются закрытые грунтовые контуры или геотермальные зонды, находящиеся на глубине (подробнее: " ");
• вода-вода - принцип работы в данном случае основывается на использовании открытых скважин для забора грунтовых вод и их сброса (прочитайте: " "). При этом внешний контур не закольцован, а система отопления в доме – водяная;
• вода-воздух – устанавливают внешние водяные контуры и задействуют отопительные конструкции воздушного вида;
• воздух-воздух – для их функционирования используют рассеянное тепло наружных воздушных масс плюс воздушная система отопления дома.

Преимущества тепловых насосов

1. Экономичность и эффективность. Принцип действия тепловых насосов, изображенных на фото, основан не на производстве тепловой энергии, а на переносе ее. Таким образом, КПД теплового насоса должен быть больше единицы. Но как такое возможно? В отношении работы тепловых насосов используется величина, которая называется коэффициентом преобразования тепла или сокращенно КПТ. Характеристики агрегатов данного типа сравнивают именно по этому параметру. Физический смысл величины заключается в определении соотношения между количеством полученного тепла и затраченной на его получение энергии. Например, если коэффициент КПТ равен 4,8, это означает, что электроэнергия в 1кВт, затраченная насосом, позволяет получить 4,8 кВт тепла, причем безвозмездно от природы.
2. Универсальное повсеместное применение. В случае отсутствия доступных для потребителей линий электропередач работу компрессора насоса обеспечивают при помощи дизельного привода. Поскольку природное тепло есть повсюду, принцип работы этого устройства позволяет использовать его повсеместно.
3. Экологичность. Принцип работы теплового насоса основан на малом потреблении электроэнергии и отсутствии продуктов горения. Используемый агрегатом хладагент не содержит хлоруглеродов и полностью озонобезопасен.
4. Двунаправленный режим функционирования. В отопительный период тепловой насос способен обогревать здание, а в летнее время охлаждать его. Тепло, отобранное у помещения, можно применять для обеспечения дома горячим водоснабжением, а, если имеется бассейн, подогревать в нем воду.
5. Безопасная эксплуатация. В работе тепловых насосов отсутствуют опасные процессы – нет открытого огня, и не выделяются вредные для здоровья человека вещества. Теплоноситель не имеет высокой температуры, что делает устройство безопасным и одновременно полезным в быту.
6. Автоматическое управление процессом обогрева помещений.

Некоторые особенности эксплуатации насосов

• помещение должно быть качественно утепленным (теплопотери не могут превышать 100 Вт/ м²);
• тепловой насос выгодно использовать для низкотемпературных отопительных систем. Данному критерию соответствует система теплого пола, поскольку ее температура 35-40°C. КПТ во многом зависит от соотношения между температурой входного контура и выходного.

Принцип работы тепловых насосов заключается в переносе тепла, что позволяет получать коэффициент преобразования энергии величиной от 3 до 5. Другими словами каждый 1 кВт использованной электроэнергии приносит в дом 3-5 кВт тепла.

Тепловой насос - хорошая альтернатива традиционному отоплению частного дома. Прибор, используемый в течение 30 лет в странах Запада, в России еще является новинкой. Препятствием для его широкого использования являются два фактора: высокая стоимость и недостаток сведений о тепловых насосах, их преимуществах и принципах работы. Показателем практичности геотермальной системы отопления служит ее популярность на Западе. Так, тепловыми насосами в Швеции и Норвегии отапливаются около 95% домов. Предлагаем вам подробнее ознакомиться с устройством и принципами работы этого теплового оборудования, за которым, непременно, будущее.

Что такое тепловой насос?

Тепловой насос - прибор, поглощающий из окружающей среды (вода, земля, воздух) низко потенциальную тепловую энергию и передающий ее в системы теплоснабжения с более высокой температурой.

Природа вокруг нас пропитана энергией. Даже мороз обладает теплом. Энергию невозможно извлечь из окружающей среды только при температуре -273 °С. Поэтому даже в самую лютую зиму загородный дом может отапливаться за счет энергии, полученной от природы.

В зависимости от источника энергии (вода, земля, воздух), происходит модификация тепловых насосов. Однако наиболее практичным и испытанным является геотермальный тепловой насос, применяющий энергию грунта. Он идеально подходит для российских условий.

Геотермальное отопление работает по одному из трех направлений:

Использование геотермального отопления, как и любой системы теплоснабжения, позволит не только обогреть дом, но и обеспечить горячей водой, обогреть автостоянку или теплицу, нагреть воду в бассейне

Преимущества использования теплового насоса

Принцип работы теплового насоса

Работу теплового насоса можно сравнить с работой обычного холодильника. Только вместо холода аппарат вырабатывает тепло. Веществом, передающим энергию, является фреон - газ или жидкость с низкой температурой кипения. При испарении он поглощает тепло, а при конденсации - отдает его.

Тепловой насос - главный элемент системы. Его размеры не превышают габаритов средней стиральной машины , что облегчает установку прибора. Сам насос включается в два контура: внутренний и внешний.

Внутренний контур состоит из системы теплоснабжения дома (трубы и радиаторы).Внешний контур находится в воде или под землей. Он включает в себя коллектор-теплообменник и трубы, связывающие коллектор с насосом.

Тепловые насосы комплектуются различными дополнительными устройствами. Это могут быть:

• коммуникационное устройство для управления системой через персональный компьютер или мобильный телефон;
• блок охлаждения для локальной или центральной системы охлаждения;
• дополнительный насосный блок может потребоваться для отопления полов;
• циркуляционный насос необходим для циркуляции горячей воды;

Процесс работы насоса состоит из нескольких этапов:

1. Незамерзающая смесь подается в коллектор. Происходит поглощение тепловой энергии и транспортировка ее к насосу.
2. В испарителе энергия передается фреону, где он нагревается до 8 °C , закипает и превращению в пар.
3. При увеличении давления в компрессоре повышается температура. Она может достигать 70 °C.
4. Внутридомовая система отопления получает тепловую энергию через конденсатор . Фреон мгновенно охлаждается и переходит в жидкое состояние, отдавая при этом оставшееся тепло. Затем он идет обратно в коллектор. Так завершается цикл.
5. Далее работа повторяется по тому же принципу.

Наиболее эффективно тепловой насос функционирует при наличии в доме теплых полов . Тепло распределяется по всей площади пола равномерно. При этом отсутствуют зоны перегрева. Теплоноситель в системе редко нагревается больше 35 °C, а отопление путем нагрева полов считается наиболее комфортным при 33 °C. Это меньше на 2 °C чем при отоплении радиаторами. Отсюда возникает экономия до 18% в год от всего отопительного бюджета. Кроме того, считается, что отопление на уровне пола наиболее комфортно для проживания человека.

Система отопления может быть моновалентной и бивалентной. У моновалентных систем один источник отопления. Он полностью отвечает круглогодичной потребности в тепле. У бивалентных, соответственно, - два источника.

Отопление дома в зимний период

На территории с более суровыми климатическими условиями актуально использование бивалентной системы отопления . За счет второго источника тепла расширяется диапазон температур. Работы одного теплового насоса достаточно только до уровня температуры -20 °С. При большем ее понижении подключаются электрообогреватель , камин, жидкотопливный или газовый котел. При этом мощность теплового насоса ограничивается от максимальной зимней потребности до 70 - 80%. Недостающие 20 - 30% дает дополнительный источник тепла. Это снижает общую эффективность работы системы. Однако снижение является незначительным.

При полном переходе на отопление здания геотермальной системой (в случае, когда не планируется устанавливать дополнительно котел или электроприбор) тепловой насос применяется совместно с внутренним модулем, содержащим небольшой встроенный электронагреватель. Он поддержит прибор, когда температура окружающей среды будет ниже -20 °С.

В каких случаях использование теплового насоса является обоснованным?

Вопрос отопления загородного дома предполагает рассмотрение нескольких вариантов:

• Газ . При отсутствии рядом с домом газопровода это становится невозможным. В ряде регионов купить газ можно только в баллонах.
• Уголь или дрова . С ними отопление превращается в трудоемкий и малоэффективный процесс.
• Жидкотопливный котел требует больших расходов на топливо и специального помещения. Особое хранение необходимо и самому топливу, что неудобно в небольшом доме.
• Отопление электричеством обходится очень дорого.

В таком случае на помощь приходит геотермальная система отопления . Ее используют даже там, где доступен газ. Установка теплового насоса дороже установки оборудования для отопления газом. Однако, газ в дальнейшем придется оплачивать постоянно, в отличие от энергии, взятой из окружающей среды.

Окупаемость теплового насоса сложно выразить в усредненном числовом значении. Все зависит от его начальной стоимости. Суть установки такого отопления сводится к перспективе. Хотя количество потребляемой электроэнергии - в 3−5 раз меньше , чем у других систем отопления, все же необходимо подсчитать в денежном эквиваленте все энергозатраты за год и сравнить их со стоимостью системы, ее монтажа и эксплуатации.

Достигнуть максимальной эффективности применения теплового насоса можно при соблюдении двух важных условий:

• Отапливаемое здание должно быть утепленным , а показатель теплопотерь не должен превышать 100 Вт/м2. Существует прямая связь между тем, как утеплен дом и тем, насколько выгодно будет установка теплонасоса.
• Подключение теплового насоса к низкотемпературным источникам обогрева (конвекторам , теплым полам), температурный режим которых колеблется между 30 - 40 °C.

Итак, тепловой насос станет неплохой альтернативой традиционным способам отопления. Прибор гарантирует экономичность и полную безопасность . Владельцу, после установки геотермальной системы отопления, не придется зависеть от различных внешних факторов, как, например, перебои с газоснабжением или вызовом сервисной службы. Энергия, взятая из окружающей среды, не требует оплаты и не исчерпывается.

В соответствии с прогнозами Мирового комитета по энергетике в 2020 г. геотермальные насосы составят три четверти всего отопительного оборудования.

Практика применения тепловых насосов: видео

Из года в год перед покупкой оборудования для отопления своего дома у потребителей возникает законный вопрос об экономии средств на процессе обогрева. Этот момент волнует многих из-за постоянного роста цен на все известные виды топлива. Несколько десятков лет тому назад учеными был предложен альтернативный вариант – добывать энергию из окружающего пространства. Эта система получила название тепловых насосов отопления и эффективно используется в европейских странах и Японии.

Задачи, решаемые установкой теплового насоса

Оборудование позволяет производить отопление дома и поддерживать постоянную температуру в холодное время года. В летний период такая система поможет избежать жары в помещении, так как многие насосы оснащены обратной функцией охлаждения . Каждый хозяин вправе выбрать для себя единственно приемлемый для него вид отопления дома и подогрева воды. Но основными аспектами применения тепловых агрегатов, которые определяют спрос, являются: экологическая чистота, безопасность эксплуатации, комфортные условия, экономичность, долгий срок работы, приемлемый дизайн.

Ежегодное подорожание энергоносителей приводит к тому, что потребители отдают предпочтение установке дорогостоящего оборудования для отопления дома, которое не требует в дальнейшем затрат на приобретение газа, твердого или жидкого топлива. Тепловым насосам не нужно серьезное периодическое обслуживание и они работают более продолжительный срок.

В некоторых домах свыше 150 м2 применяют геотермальные способы отопления вместе с резервным котлом отопления. Такая комбинация позволяет окупить вложенные средства после 5 лет пользования . Тепло земли с низкой потенциальностью насос преобразовывает в постоянный теплоноситель с температурой не ниже 75ºС. При этом потраченный киловатт электрической энергии способствует выделению около 6 киловатт тепловой.

В летний период пассивная модель охлаждения позволяет циркулировать по контуру теплоносителя, который охлаждается в земле, где температура составляет 5–7ºС. Электричество, затраченное на работу циркуляционного насоса по стоимости гораздо дешевле, чем работа стандартного кондиционирования всей площади дома в жаркое время года.

Для увеличения эффективности работы насоса к нему можно подключать дополнительные контуры для обогрева бассейна, использовать летом энергию солнечного коллектора.

Насосы к тепловым трубопроводам

Описание

Планета представляет собой раскаленное ядро, покрытое толстым слоем твердого вещества. Когда-нибудь ядро остынет, так как в отличие от звезд, у земли нет своего источника тепла. Но говорить о продолжительности того периода, за который изменится температура почвы, не стоит, так как даже наша цивилизация этого не ощутит. Именно поэтому грунт на сравнительно небольшой глубине до 50 м существует в постоянно подогретом состоянии , с температурой около 12ºС. Глубина может отличаться от указанной в зависимости от климата местности.

Тепловые геотермальные насосы можно использовать даже в зонах вечной мерзлоты, только искать тепло придется на большой глубине.

Принцип действия

Тепловой насос используется для извлечения низкой энергии тепла окружающей среды. Он преобразовывает ее в высокотемпературную энергию для передачи теплоносителю в контуре отопительной системы. Работа насоса основывается на применении физических и химических законов . Массы воздуха, воды и земли вокруг постоянно аккумулируют солнечную энергию, которая используется в работе системы отопления.

Установка теплового отопительного насоса напоминает работу холодильника, только в обратной последовательности. В холодильном агрегате присутствует морозильная камера (испаритель) , которая снабжает его холодом. Излишнее количество тепла поступает на конденсаторную решетку сзади холодильника и выбрасывается в воздух.

Тепловой насос имеет испаритель, расположенный в таком месте, что он находится в контакте с источником природной энергии низкого тепла:

• пластами недр земли , расположенными ниже точки промерзания поверхности при помощи наклонных или вертикальных скважин;
• водных глубин термальных незамерзающих водоемов опусканием на нужную глубину;
• воздушными массами снаружи дома.

В таком геотермальном устройстве конденсатор работает как устройство для теплообмена, отдающего тепло для нагревания теплоносителя в отопительном контуре дома, которое поступает для окончательно раздачи в калориферы и радиаторы.

Для развернутого понятия представим контур, в котором движется химический элемент хладагент , присутствовующий там в виде жидкости или газа. Движение его происходит за счет работы компрессора. Хладагент нагревается при сжимании, поэтому в конструкции добавляется расширительный клапан.

В системе ставится два теплообменника. Один из них работает как испаритель в холодной области и служит для понижения температуры воздуха или воды по принципу кондиционера или холодильника. Второй работает как конденсатор в горячей области и нагревает воду для системы отопления.

Остаточным действием является определение источника для сбора тепла, который отдает энергию зондам, контурам труб большой протяженности на дне водоемов или ниже точки промерзания, воздушным источникам.

Три контура в системе тепловых насосов:

Производители предрекают срок эксплуатации не менее 20 лет, но такие понятия, как трение и износ выведут насос из строя гораздо раньше. Реально можно установить продолжительность работы теплового оборудования без ремонта в 10–12 лет.

Природные источники тепла

Земные недра

Являются бесплатным генератором тепла. На глубине, где грунт никогда не замерзает, держится плюсовая стабильная температура, которая не меняется в зависимости от сезона.

Для сбора низкотемпературного тепла из почвы применяют два способа:

• бурение вертикальных коллекторов , скважин на глубину от 50 до 200 м для забора воды и прогона его через теплообменник и передача ее в водоем после использования;
• прокладка трубопровода на участке дома на глубине более одного метра и расстоянием между контурами не менее одного метра с обратной засыпкой и поливкой влагой.

Вода

Собрать достаточное количество тепла в водяных массах можно в случае, если есть незамерзающее озеро с проточной водой или высоко поднимается грунтовая вода. На дно укладывается трубопровод большой протяженности , фиксирующийся при помощи грузов, которые ставятся из расчета 5 кг на 1 погонный метр. Чтобы работа теплообменника длиной примерно 300 метров была эффективной, расстояние между витками труб не должно быть менее 1,5 м.

Для работы такой системы чаще всего применяют принцип открытого сбора тепла. Он подразумевает, что по ходу перемещения грунтовых вод делается две скважины, первая служит для сбора воды насосом и подачи на теплообменник. Во вторую происходит сброс использованной охлажденной воды.

Риск нарушения функционирования состоит в том, высота подъема грунтовых вод может изменяться в зависимости от периода дождей и перемещения земельных пластов.

Воздух

Самым распространенным и легкодоступным источником тепла является атмосфера. Теплообменник выполняется по типу большого радиатора с достаточным количеством ребер и вентилятором обдува. Такой тепловой насос расчитан на отопление и на подачу горячей воды хозяевам дома. Часто простейшие устройства подобного типа применяют для подогрева воды в зимних бассейнах. Затраты электрической энергии при этом минимальны.

Наружные теплообменники монтируют на кровле дома или на его стене. Если предполагается мощное оборудование, тогда для его установки нужно создавать дополнительное основание в виде фундамента.

Тепловые установки, извлекающие тепло из атмосферы, большей частью инверторные. В них происходит преобразование переменного тока , что позволяет компрессору работать с полной отдачей. При нагревании теплоносителя до нужной температуры не происходит остановки оборудования, только снижается мощность. Таким образом, увеличивается срок службы оборудования.

Обзор разновидностей тепловых насосов

Насосы «воздух-вода»

Собирают тепло из атмосферы и нагревают жидкость в отопительной системе. Выпускают стандартные и компактные модели. Устанавливать можно как в процессе ремонта здания, так и при новом строительстве дома. Обеспечивают нагревание теплоносителя до 60ºС при наружной температуре до -20ºС. При самой тяжелой работе мощность достигает 20 кВт. Некоторые системы снабжаются дополнительным подогревом с помощью электричества для работы в экстремальных условиях или подогревания системы для размораживания.

Тепловая система «рассол-вода»

Получает энергию из недр земли посредством установки специальных геотермальных зондов. В системе ставится два расширительных теплообменника, которые работают на тепло и охлаждение. Мощность установки 16 кВт . Применяется новая по конструкции система, состоящая из последовательно соединенных агрегатов-модулей до 6 штук, потребляющая суммарную мощность до 50 кВт.

Тепловая установка «вода-вода»

Насосы отличаются высоким качеством, заложенным в процессе производства. Имеют в конструкции теплообменник в виде пластин. Почти все важные элементы изготавливаются из нержавейки и ее сплавов. Расширительный бак при необходимости легко подключается к почвенным насосам. Мощность работы 6 кВт . Все модели оснащены полностью автоматическим управлением.

Тепловые насосы по типу работы «воздух-воздух»

Они способны не только подогревать воду, но и воздух в помещении. К ним относят сплит-системы . Тоже возможна установка каскадного варианта мощностью до 50 кВт.

Геотермальные «грунт-вода»

Очень хорошо зарекомендовали себя для отопления в частных домах и промышленных объектах. Для сбора тепла бурят скважины различной глубины , присутствуют все элементы полной автоматизации управления. Работают от глубинных или поверхностных коллекторов.

Стоимость оборудования и установки теплового насоса

Цена теплового насоса определяется несколькими факторами. Для этого принимают во внимание площадь отапливаемого дома, наличие дополнительных труб различных вариантов отопления. Кроме того, играет роль тип устанавливаемого насоса по принципу сбора природного тепла из окружающей среды и по мощности.

Очень большое внимание уделяется утеплению ограждающих конструкций жилого дома, так как потери тепла будут влиять на требуемую мощность насоса. Если для сравнения использовать тепловой агрегат мощностью от 10 до 20 кВт , то в доме со стандартными потерями тепла (неутепленные стены) он сможет эффективно обогреть площадь до 220 м2, в тщательно утепленном доме пространство увеличится до 420м2. А в полностью изолированном от тепловых потерь современном жилище насосом такой мощности можно успешно отопить площадь до 750 м2.

Цена геотермального оборудования включает в себя монтажные и земляные работы вплоть до буферной емкости отопительной системы дома и стоимость теплового насоса.

В случае стандартного небольшого дома площадью до 130 м2 при использовании грунтового забора тепла, стоимость оборудования составит около 430 000 рублей , а установка обойдется в 300 000 рублей. Применение горизонтального почвенного коллектора снизит затраты на установку до 150 000 рублей, но цена оборудования останется прежней.

Самой дешевой системой отопления для такого дома можно считать систему воздушного забора тепла и передачи ее водному теплоносителю. Цена оборудования существенно ниже и составляет около 350 000 рублей , стоимость монтажа при этом 80 000 рублей.

Если говорить о скважинах глубокого бурения в районах с пониженной точкой промерзания и для отопления дома площадью до 400 м2, то стоимость оборудования может достичь 800 000 рублей , монтажные работы обойдутся в 355 000 рублей.

Применение почвенных, водных и воздушных тепловых насосов очень облегчит жизнь хозяевам дома, которые не будут заострять внимание на заготовке топлива, его транспортировке и хранении. Кроме того, комфорт и отсутствие потребности в постоянном обслуживании сделают систему незаменимой для каждого потребителя.

Энергию, имеют дорогостоящее оборудование, но главное преимущество заключается в быстрой окупаемости. Одной из разновидностей такой альтернативы является тепловой насос для отопления. Цены и описания видов таких систем осветлены в этой статье.

Альтернатива котлу на газу

Читайте в статье

История происхождения тепловых насосов

Первые признаки концепции теплового насоса проявились в 1852 году. Уильям Томсон дал начало данной разработке, её подхватил и усовершенствовал Роберт Вебер в 1940 году, который часто экспериментировал над и случайным образом обнаружил, что от агрегата морозилки выделяется тепло. Сначала, учёный научил систему , и в итоге всё жилище. Грандиозным триумфом было размещение Вебером медных труб в земле, которые собирали природную теплоту и преобразовывали её в тепловую энергию.

Принцип работы теплового насоса для отопления дома

Тепловой насос сконструирован таким образом, чтобы его внутренние агрегаты могли перерабатывать тепло природной среды (вода, земля и воздух), в тепло для .

Как устроен насос изнутри

Независимо от способа получения тепла все насосы содержат в себе следующие элементы:

• Клапан расширительный;
• Испаритель высокого давления;
• Компрессор;
• Конденсатор;

Процесс преобразования

Геотермальный тепловой насос по хорошей цене для работает по принципу обычного , который всё накапливающееся внутри агрегата тепло, в процессе закипания хладагента, выводит на свою заднюю стенку. Только в случае , добытая энергия отдаётся в помещении.

Этапы создания тепловой энергии:

1. В зависимости от типа используемого природного элемента, насос изымает тепло в диапазоне от 1 до 7 градусов.
2. Испаритель, который находится внутри прибора, содержит хладагент. Эта жидкость способна закипать при нулевой температуре.
3. С помощью полученного природного тепла, хладагент закипает и становится газообразным.
4. Газ поступает в компрессор, который увеличивает его давление и в результате температура увеличивается.
5. Максимально разогретый хладагент в форме газа переходит в конденсатор, где отдаёт своё тепло . После остывания, субстанция возвращается в жидкое состояние.
6. Затем расширительный клапан пропускает через себя жидкость, понижая её давление до первоначального уровня.
7. И снова хладагент оказывается в испарителе, получает порцию тепла и процесс повторяется.

Следовательно, хладагент - это главный рабочий элемент теплового насоса. То тепло, которое он получает от природы, преобразовывается в 35-65 градусов полезного теплового ресурса.

Примечание! Хоть температура нагрева теплоносителя не такая большая, но за счёт увеличения секций батарей, достигается полноценный и равномерный обогрев помещений. К системе можно подключить тёплый пол, он будет греться плавно и не агрессивно.

Основные виды тепловых насосов

Отличаются обогреватели способом получения тепла. Разделяются на такие виды, как: «вода-вода», «воздух-воздух», «грунт-вода», «воздух-вода».

Вода-вода

Суть системы заключается в отборе тепла от водоёма или . Оборудование такого типа отличается от остальных большей эффективностью теплообмена. Объясняется это тем, что вода менее чувствительна к перепадам температуры, особенно в грунте.

Воздух-воздух

Как сориентироваться при выборе теплового насоса

Для выбора конкретного вида теплового с хорошей ценой, нужно определиться со следующими параметрами:

• Сумма, с которой вы готовы расстаться для покупки оборудования;
• Тип местности, где находится дом, который вы собираетесь обеспечить альтернативным методом отопления. От расположения ставков или грунтовых вод зависит тип установки;
• Нужно определиться, есть ли у вас возможность, для бурения под тепловой насос;
• Главный нюанс, это точный расчёт необходимой мощности для полноценного отопления дома;

Как рассчитать мощность необходимого оборудования

Для более точного определения необходимой мощности, нужно рассчитать разницу температур между улицей и микроклиматом в середине здания: Т = Твнутри - Тснаружи = нужный градус цельсия.

Конечная формула включает в себя учёт всех выше перечисленных параметров: Q = V x T, кВт.

Важно! Чтобы избежать недостатка мощности для обогрева, необходимо добавлять к полученным расчётам 10 процентов номинала, чтобы уравновесить все недочёты.

Обзор производителей

Для того, чтобы купить тепловой насос , цену нужно обязательно соотносить с известностью производителя и набором функций.

Примечание! Существует широкий выбор заграничных производителей, качество оборудования которых очень высоко, но отечественные фирмы не пасуют и способны заткнуть за пояс многих европейских конкурентов. Цена у российских производителей намного приятнее.

Тепловой насос для отопления дома. Цены на разные типы

Каждая система, которая отличается друг от друга типом , имеет свои объёмы необходимых элементов конструкции. Этот факт влияет на ценовую политику готового продукта.

Цены тепловых насосов «воздух-воздух» и других типов

Диапазон мощности водяных систем достигает до 18 кВт. Дополнительные модули могут расширить функционал системы до полного автоматизма. Цена таких приборов варьируется от 100 до 500 тысяч рублей.

Что касается земляных устройств, то тут мощность достигается до 500 кВт, а стоимость доходит 3,5 миллионов рублей.

Таблица диапазона цен тепловых насосов под ключ.

Изображение	Производитель	Мощность, кВт	Тип	Цена, руб.
	Gree Versati GRS-CQ	5,5	Вода вода	300 000
	Altal 12	12	Земля вода	350 000
	Cooper/Hunter GRS-Cm	18	Воздух вода	240 000
	ПЭА	6	Воздух вода	400 000
	Mammoth j142	48	Вода вода	650 000
	DHL-L Varius	5,33	Воздух воздух	750 000

Тепловой насос своими руками

Чтобы создать тепловой насос своими руками из холодильника нужно иметь определённую сноровку. Но довести агрегат до рабочего состояния вполне возможно.

• В первую очередь нужно купить компрессор от холодильника или .
• Теперь необходимо собрать конденсатор, конструкция которого начинается со змеевика. Его обычно делают с медной трубки толщиной от 1 мм, и помещают в металлический корпус. Чтобы поместить змеевик вовнутрь бака, его сначала распиливают пополам, а после размещения всех деталей и резьбовых соединений обратно. Чтобы витки змеевика получились ровными и с одинаковым расстоянием между кольцами, можно намотать трубку на болванку, а расстояние фиксируется алюминиевым уголком с рёбрами.
• Полная сборка, спаивание трубок и закачивание хладагента производится только профессиональным холодильщиком. В противном случае может произойти чрезвычайная ситуация.
• Всё, конструкция готова к подключению в .

Дополнительные возможности тепловых насосов

Благодаря уникальности конструкций тепловые насосы российского производства дают возможность создавать дополнительные процессы, такие как охлаждение и бойлерный нагрев воды. Охлаждающий эффект достигается за счёт обратного процесса сужения хладагента. То есть в компрессоре происходят те же манипуляции как при нагреве, только в обратном порядке.

Вода в нагревается косвенным образом. Внутри бойлера расположен змеевик, по которому проходит горячая вода, и тепло змеевика нагревает воду в бойлере.

Гарантийное и сервисное обслуживание

Из-за того, что система очень сложная, проводить диагностические и ремонтные работы с агрегатами самому недопустимо. Для этих целей, при покупке насоса производитель обязан заключить с вами договор в котором указывается, в каких периодах времени будет совершаться проверка специалистом.

1. Гарантия подразумевает определённый срок бесплатного обслуживания, в которое входят ремонтные работы всех узлов и агрегатов.
2. Сервисное обслуживание является неотъемлемым дополнением к самой системе. График, по которому делают осмотр может быть ежемесячным, ежеквартальным, полугодовым и годовым.

Выводы

Если вы положительно настроены на то, чтобы купить тепловой насос для отопления дома, цены не должны вас пугать. Ведь главный приоритет такого обогрева в том, что КПД умножается в 4 раза по сравнению с иными видами отопления. А это значит, что вся система окупится очень быстро. Тёплых вам зимних вечеров.