Тепловой насос: принцип работы – особенности и виды

Виды и особенности тепловых насосов

Существует несколько типов подобных устройств. Они имеют свои конструктивные особенности, принцип действия и получают тепловую энергию из разных сред:

• геотермальные (земляные) – из непромерзающего грунта;
• гидротермальные (водные) – из реки или скважины;
• аэротермальные (воздушные) – из уличного воздуха.

Перечисленные тепловые насосы имеют свои преимущества и недостатки. Выбор оптимального варианта зависит от условий эксплуатации и других факторов:

• Геотермальные насосы или тепловые насосы грунт воздух отлично работают даже при экстремально низких температурах. Они идеально подходят для использования в регионах с холодным климатом. Но монтаж подземной части системы на глубине в несколько метров сопряжен с определенными сложностями.
• Гидротермальные насосы имеют среднюю стоимость. Но для установки системы нужно, чтобы на участке находился непромерзающий водоем или скважина. При этом надо рассчитать, хватит ли накопленной энергии на весь отопительный сезон.
• Воздушные насосы хорошо отапливают помещения, пока температура на улице не опускается ниже -10 градусов. При дальнейшем похолодании их эффективность резко падает. Зато они имеют доступную цену, отличаются простотой монтажа и имеют хорошую теплоотдачу при минимальном расходе электроэнергии.

Недорогие тепловые насосы предназначены только для обогрева помещений. Но есть многофункциональные устройства. Зимой они нагревают воздух, а в летнее время сбрасывают излишки тепла, поддерживая в помещении комфортную температуру. Некоторые модели можно использовать в качестве водонагревателя.

Как это работает

Тепловой насос, принцип работы которого основан на цикле Карно, расходует энергию не на нагрев теплоносителя, а на перекачивание внешнего тепла. Технология не нова. Тепловые насосы трудятся в наших домах в составе холодильников уже десятки лет. В холодильнике тепло из камеры перемещается наружу. В новейших отопительных установках реализуется обратный процесс. Несмотря на низкую температуру за бортом, энергии там предостаточно.

Забирать тепло у более холодного тела и отдавать его более горячему становиться возможным, благодаря свойству вещества потреблять энергию при испарении и выделять ее при конденсации, а также повышать свою температуру в результате сжатия. Необходимые условия для кипения и испарения создаются путем изменения давления. В качестве рабочего тела используют жидкость с низкой температурой кипения – фреон.

В тепловом насосе преобразования происходят в 4 этапа:

1. Охлажденное ниже температуры внешней среды жидкое рабочее тело циркулирует по контактирующему с ней змеевику. Жидкость нагревается и испаряется.
2. Газ сжимается компрессором, в результате чего его температура превышается.
3. В более холодном внутреннем змеевике происходит конденсация с выделением тепла.
4. Жидкость перепускается через дросселирующее устройство для поддержания разности давлений между конденсатором и испарителем.

Серия высокоэффективных инверторных тепловых насосов для нагрева теплоносителя системы отопления, нагрева горячей воды и охлаждения теплоносителя (опционально).

Такие тепловые насосы подходят для дома с постоянным проживанием, греют горячую воду, а так же имеют запас по мощности.

• Нагрев теплоносителя до 65 градусов.
• Функция Preheating для быстрого нагрева горячей воды.
• Плавная регулировка мощности и отсутствие пусковых токов.
• Режим повышения мощности нагрева на 20% выше номинальной мощности (форсированный режим работы). Применение такого режима даёт запас по мощности.
• Режим снижения мощности нагрева на 50% ниже номинальной для экономии эл. энергии.
• Режим День/Ночь для работы с двухтарифным эл.счётчиком и снижения затрат на обогрев.
• Возможность подключения модуля удалённого доступа для управления со смартфона.
• Возможность подключения функции охлаждения.
• Однофазное и трёхфазное подключение. При необходимости однофазное исполнение до 25 кВт.

Тепловые насосы этой серии обладают самыми широкими возможностями по сравнению с предыдущими моделями.(Smart с англ. — умный). Автоматическая подстройка мощности нагрева под систему отопления, режим «форсировки мощности», возможность комплектации функцией охлаждения/кондиционирования, дистанционным управлением. Работа по расписанию и много чего другого.

За счёт интеллектуальной системы управления эффективнее тепловых насосов серии Simple и имеют самую богатую комплектацию из всего модельного ряда.

Комплектация тепловых насосов серии Smart:

• Контроллер теплового насоса с графическим интерфейсом. Лёгкое управление, полностью на русском языке.
• Промышленный спиральный компрессор Danfoss .
• Высококачественные пластинчатые теплообменники Danfoss выполненные по микроканальной технологии — MPHE.
• Увеличенный теплообменник испарителя для работы в режиме повышенной мощности.
• Преобразователь частоты для управления скоростью компрессора. Использование преобразователя позволяет плавно запускаться компрессору убирая пусковые токи на электросеть дома, а так же изменять производительность компрессора, как ниже номинальной мощности (режим пониженной мощности), так и выше номинала (режим повышенной мощности).
• Функцию управления нагревом санитарной горячей воды (ГВС).
• Встроенный контактор для управления дополнительным нагревателем бойлера (ТЭН бойлера для догрева воды или антибактериальной обработки внутренней поверхности бойлера). 
• Встроенный силовой контактор для управления внешним эл. котлом или вторым источником тепла.
• Встроенные реле и защитные автоматы для подключения внешних циркуляционных насосов геотермального контура, системы отопления, загрузки теплообменника бойлера)
• Дополнительная опция — охлаждение. На этапе сборки в тепловой насос устанавливается реверсивный клапан позволяющий изменять направление движения хладагента. При выборе на панели управления режима «охлаждение», тепловой насос будет охлаждать теплоноситель системы отопления.
• Настройка режимов «День», «Ночь, для работы с двухтарифным учётом эл.энергии, а так же режим «ЭКОном» для поддержания пониженной температуры в доме при отсутствии людей.
• Дополнительная опция — дистанционное управление системой отопления.  

Тепловые насосы EnergyLEX Smart HT. 

Конструктивные особенности тепловых насосов

В настоящее время используются тепловые насосы, имеющие разные конструкции. Так, насос с открытым циклом применяют, когда дом расположен рядом с водоемом. В этом случае теплоноситель, вода, поступает в открытый контур, проходит весь цикл и, охлаждаясь, вновь сливается в водоем.

Геотермальные насосы закрытого типа прокачивают теплоноситель – воздух или воду, по трубам, заложенным глубоко в землю и проложенным по дну водоема. Закрытый цикл в экологическом плане считается более безопасным. К закрытому типу относятся насосы с вертикальным и горизонтальным теплообменником, которые используются, когда поблизости нет водоемов.
Вертикальные тепловые насосы применяются, когда площадь земельного участка, на котором расположен дом, невелика. Иногда вертикальные насосы устанавливают в пробуренных поблизости скважинах.

Тепловые насосы типа «воздух – вода», «воздух – воздух»

Тепловой насос типа «воздух – воздух» и «воздух – вода» схожи по принципу работы с кондиционерами. Они стоят дешевле, но проигрывают другим видам насосов по универсальности, применяясь преимущественно для нагревания горячей воды.

Такие устройства имеют два варианта исполнения:

1. Сплит система состоит из двух блоков, соединенных инженерными коммуникациями. В состав наружного входят мощный вентилятор и испаритель, а внутренний содержит конденсатор и автоматику. При этом компрессор может располагаться как во внутреннем блоке, так и в наружном, чтобы избежать шума в помещении.
2. В моно системе все элементы собираются в одном корпусе и монтируются либо в доме, соединяясь с улицей гибким воздуховодом, либо снаружи.

Преимущества использования теплового насоса

• Экономичность. Благодаря высокому КПД системы достигается низкое энергопотребление. Из 1 кВт затраченной электроэнергии получается от 3 до 7 кВт тепловой энергии. Это больше, чем при работе любых котлов, использующих топливо.
• Автономность. Работа насоса не нуждается в подаче органического топлива, поэтому нет необходимости прокладывать тепловые коммуникации.
• Универсальность. В одном устройстве сочетаются одновременно системы нагрева воды, отопления и охлаждения.
• Безопасность. В отличие от котлов, которые могут воспламениться или взорваться, тепловой насос является абсолютно безопасным. Он не содержит деталей, температура которых может привести к пожару. Не выделяет угарный ядовитый газ. Остановка работы не приведет к поломке или замораживанию жидкости.
• Надежность. Работой насоса управляет автоматика. Обслуживание не требует специального обучения.
• Долговечность. Прибор может прослужить от 20 до 50 лет. Это на порядок больше, чем у стандартных систем отопления.
• Комфорт. Функционирование насоса не сопровождается колебанием температуры и влажности. Работает практически бесшумно.
• Минимум площади требуется под скважину. Так как зонд находится под землей, повредить его невозможно.
• Экологичность. Окружающая среда не загрязняется вредными выбросами.
• Отсутствие бумажной волокиты. При монтаже не нужны согласования, как, например, при установке газового отопления.

Принцип кондиционирования (активного и пассивного)

В зимнее время тепловой насос переносит из окружающей среды тепло, которое затем используется в  системе отопления. Летом, наоборот, «холод» из скважины (7-9°C) переносится в помещения дома. Принцип работы системы примерно такой же, только вместо радиаторов используются фанкойлы. При пассивном охлаждении теплоноситель просто циркулирует между фанкойлами и скважиной, т.е. холод из скважины напрямую поступает в систему кондиционирования – компрессор не работает). Если пассивного охлаждения недостаточно, включается компрессор теплового насоса, который дополнительно охлаждает теплоноситель.

Тепловые насосы типа «воздух – вода», «воздух – воздух»

Тепловой насос типа «воздух – воздух» и «воздух – вода» схожи по принципу работы с кондиционерами. Они стоят дешевле, но проигрывают другим видам насосов по универсальности, применяясь преимущественно для нагревания горячей воды.

Такие устройства имеют два варианта исполнения:

1. Сплит система состоит из двух блоков, соединенных инженерными коммуникациями. В состав наружного входят мощный вентилятор и испаритель, а внутренний содержит конденсатор и автоматику. При этом компрессор может располагаться как во внутреннем блоке, так и в наружном, чтобы избежать шума в помещении.
2. В моно системе все элементы собираются в одном корпусе и монтируются либо в доме, соединяясь с улицей гибким воздуховодом, либо снаружи.

Общий принцип работы тепловых насосов

Все типы устройств имеют схожую конструкцию. Разница обусловлена средой, из которой поступает тепловая энергия. Любая такая система состоит из трех замкнутых контуров, взаимодействующих между собой:

1. Один забирает тепло из грунта, воды или воздуха. Он представляет собой систему трубок, где циркулирует жидкость. В аэротермальных насосах роль контура играет просто наружный воздух.
2. Другой содержит фреон, имеющий низкую температуру кипения. Он забирает полученную энергию. Под действием тепла хладагент закипает и испаряется. Газ сжимается и нагревается под давлением. Выделяемое тепло отдается следующему контуру.
3. Это – отопительная система (трубы, теплые полы), которая распределяет полученное тепло по всему помещению.

Принцип действия

Принцип действия теплонасосов простой. В основе работы находится способность хладагента поглощать или передавать тепло с учетом изменения своего агрегатного состояния. По сути, термонасосы практически не отличаются от холодильных установок.

Схематично теплонасос можно представить в виде системы, которая имеет три контура:

• В первом контуре расположен тепловой носитель, который переносит энергию от источника низкопотенциального тепла.
• В следующем циркулирует хладагент. Он может испаряться, забирая тепловую энергию из первого контура, или заново конденсироваться, передавая тепло третьему контуру.
• В последнем контуре циркулирует теплоприемник (обычно вода), который переносит тепло по батареям для отапливания дома.

То есть жидкий фреон поступает в испаритель, в котором преобразуется в газообразное состояние. Требуемая энергия для прохождения этого процесса забирается у теплового носителя, который циркулирует по первому контуру. Затем нагретый на 2−3 градуса газообразный фреон поступает в компрессор, основное предназначение которого — сжатие газа.

Давление газа увеличивается, причем он сильно нагревается (на входе температура может составлять 7−12C, а на выходе более 50C). Далее горячий газ переходит в конденсатор и передает тепло отопительной системе, переходя при этом в жидкое состояние. После лишнее давление сбрасывается спусковым клапаном, и цикл повторяется.

Основные характеристики и расчет мощности теплового насоса

Общая рациональность установки теплонасоса для отопления дома оцениваются, прежде всего, по финансовым тратам. Сюда входят:

• цена покупки оборудования;
• стоимость монтажа, которая может включать земельные работы;
• траты на периодическое обслуживание;
• примерная стоимость ликвидации частых неполадок.

Выбор модели по мощности, как было сказано выше, базируется на общей потребности в теплообеспечении. Примерный расчет для одноэтажного дома 10х10 метров (300 кубометров объема) выглядит примерно так:

• учитывается максимальная отрицательная зимняя температура (-20);
• определяется разница между комнатой и окружающей средой (20 — -20 = 40);
• высчитываются теплопотери стен, по справочным данным их материала (для кирпича табличное значение 1, теплопотери — 1х300х40 — 12000 килокалорий в час или 13,5 кВт).

Полученная цифра — показатель минимальной мощности теплового насоса, которого хватит для отопления дома. Для выбора оптимальной модели характеристику нужно увеличить минимум на 50%. Это делается из-за того, что теплонасосу зимой придется работать в неоптимальных условиях, близко к нижней точке нулевой эффективности по температуре окружающей среды. Полученная цифра для рассматриваемого примера — около 20 кВт.

Вторая часть расчета — выбор емкости накопительного бака. Данную часть системы рекомендуется устанавливать, чтобы теплонасос мог работать ограниченное число циклов в сутки. В документации к оборудованию приводятся рекомендации по объему теплоаккумулятора для определенного показателя цикличности. Среднестатистическая цифра — 30 литров на киловатт при 3 запусках, 20 литров — при 5 запусках. Таким образом, для дома в рассматриваемом примере понадобится бак накопителя минимум в 400 литров для пяти циклов работы теплонасоса в сутки.

Откуда берется энергия?

Источником энергии для обогрева тепловая система отопления может использовать скважины, грунт, воздух и воду.

Что касается земли, то она является бесплатным источником тепловой энергии, причем ее температура постоянна на протяжении всего года. Использование такой энергии является надежным и безопасным. В каждом конкретном случае глубина скважины может отличаться, но, как правило, она составляет около 15 см шириной и глубиной до 200 метров. Если бюджет не позволяет бурить глубокую скважину, достаточно сделать несколько маленьких, поскольку главное – получить необходимую глубину в общем.

Систему можно установить на площади любого размера, даже небольшом участке. Кроме того, после бурения практически не требуется выполнения восстановительных работ, она не оказывает никакого влияния на уровень грунтовых вод.

Принцип работы насоса в отопительной системе дома.

Если говорить о финансовой стороне, то данный процесс является достаточно дорогостоящим, но зато именно он является самым эффективным и долговечным.

Грунтовый источник тепла

На протяжении всего лета поверхность земли накапливает немалое количество тепла, которое не только можно, но и нужно применять. К тому же такой способ отличается минимальными на установку затратами. Тепловая энергия поставляется с помощью шланга, уложенного на глубину в 1 м. Грунт не должен быть сухим, в противном случае нужно удлинить контур.

Расстояние между трубопроводами должно быть около 1 м. Что касается размера, то он рассчитывается так: для вырабатывания 10 кВт тепла необходимо уложить шланг длиной не менее 350 пог. м.

Как происходит отопление за счет грунта.

Вода как источник энергии

Когда источником энергии выбирается какой-либо водоем, шланг необходимо укладывать на дно либо донный грунт. Предотвратить всплытие поможет груз (не менее 5 кг на 1 пог. м).

Воздух как источник энергии

Воздушный тепловой насос для отопления позволяет избежать таких процедур, как бурение или копание, поскольку энергия извлекается внешним блоком системы из воздуха. Поскольку все ключевые элементы расположены внутри конструкции, то воздушные тепловые насосы повреждаются крайне редко.

Тепловые насосы: классификация

Тепловой насос (ТН) — это устройство, позволяющее осуществлять теплообмен в противоестественном направлении, то есть от холодной среды к теплой. Холодная среда в данном случае называется низкопотенциальным источником тепла.

В зависимости от того, откуда ТН черпает тепло для обогрева дома, он может относиться к одному из следующих типов:

1. Грунтовые ТН. Извлекают тепло из грунта ниже глубины промерзания, где его температура лежит в пределах 7 – 10 градусов.
2. Водяные ТН. Источником тепла служит вода в естественном водоеме, если только он не промерзает зимой до дна.
3. Воздушные ТН. Как ясно из названия, обогрев дома осуществляется за счет извлечения тепла из уличного воздуха, который может иметь даже отрицательную температуру.

Кроме того, ТН делятся еще на два вида:

1. Открытые: тепловая энергия поставляется непосредственно средой, которая является ее источником.
2. Закрытые: в среду-источник помещается теплообменник, по которому циркулирует теплоноситель.

Во втором случае тепло в ТН доставляет не среда, а теплообменник.

Описание и назначение тепловых насосов

Под тепловым насосом подразумевают конструкцию, способную поглотить рассеянное тепло из грунта, воды и воздуха и перенести его в отопительный контур здания. Принципиальное отличие от других вариантов – возможность тепловой машины переносить тепло от низкотемпературного источника к высокотемпературной системе.

Земля постоянно получает солнечное тепло. Часть его поглощает воздух, но большая доля приходится на воду и грунт. В результате даже в самые жестокие морозы температура на глубине водоемов остается в пределах +4–+6°С, а на глубине ниже уровня замерзания грунта – + 8°С. Это низкопотенциальное тепло насос и переносит в тепловой контур, где нагревает теплоноситель до необходимых +35–+80°С.

Конструкция и принцип работы

Работа теплового насоса в какой-то мере сходна с работой холодильника. Передача тепла становится возможной благодаря использованию фреонов – веществ, которые при испарении отбирают тепло у охлаждаемого объекта, а при конденсации отдают его воде или воздуху. Хладагенты закипают при низкой температуре, что и делает возможным столь необычный на первый взгляд процесс.

Как относитесь к тепловым насосам?

Положительно
57.66%

С сомнением
30.63%

Предпочитаю традиционные источники тепла
11.71%

Проголосовало: 222

Конструкция термонасоса включает 4 основных элемента:

• Компрессор – здесь хладагент сжимается, что приводит к повышению давления и температуры.
• Расширительный клапан – вентиль терморегуляции, который быстро снижает давление.
• Испаритель – теплообменник. Здесь фреон поглощает тепло, отнимая его от окружающей среды.
• Конденсатор – второй теплообменник, в котором хладагент конденсируется и сжимается, отдавая тепло рабочей среде отопительного контура.

Основой работы любого устройства теплоснабжения выступает обратный цикл Карно. Происходит передача тепла в несколько этапов.

В испаритель поступает фреон в жидком состоянии, то есть под низким давлением. Согласно второму закону термодинамики тепло передается от предмета с высокой температурой объекту с низкой температурой. В случае теплового насоса, объектом с низкой температурой оказывается фреон, а объектом с высокой – рассол, теплая жидкость, которая поднимается из скважин. Так как ниже уровня замерзания в грунте сохраняется температура выше +8°С, теплоноситель в скважинах, вернее, вертикальных зондах, нагревается. А когда встречается с холодным хладагентом – отдает тепло.

Из-за нагревания хладагент переходит из жидкого в газообразное состояние. В таком виде он попадает в компрессор, где происходит сжатие газа. При этом фреон сильно нагревается. Сжатый, но не сжиженный газ подается в испаритель, где отдает тепло второму теплообменнику. Сам фреон, отдавая тепло, вновь переходит в жидкую фазу.

Затем хладагент проходит сквозь терморегулирующий клапан, буквально «продавливается» через дроссель. После этого жидкость расширяется, а ее давление и температура снижаются. Фреон снова подают в испаритель и цикл повторяется.

Сфера применения

Тепловые насосы эффективнее работают в южных широтах

Теплоустановки могут использоваться для обогрева частных строений и офисных зданий. В Европе такой практике следуют более 30 лет. На сегодня лидерами использования ТНУ выступает Швеция и США.

В России применение тепловых насосов ограничено следующим.

• Высокие первичные вложения – на рынке наличествует только импортное оборудование, обычно германское. Для укладки теплообменников требуется выполнять буровые работы на глубине на 50–100 м, что недешево. Как показала практика, использование горизонтальных коллекторов нерационально, так как площадь над трубами выпадает из хозяйственного оборота. Монтаж вертикальных зондов дороже.
• Неоднородность теплового потенциала – в южных регионах он намного выше, чем в северных, поэтому ТНУ эффективней в южной и средней полосе. В северных районах систему отопления загородного дома дополняют традиционными источниками.
• Ограничения по температуре на выходе – ТНУ выдает воду температурой в +60–+65°С. Чтобы такой контур был эффективным, его площадь должна быть заметно больше, чем площадь отопителей, работающих с водой при температуре +70–+95°С.
• К концу отопительного сезона выкачивание тепла из грунта приводит к понижению температуры почвы. В северных районах за лето ее тепловой потенциал восстановиться не успевает.

Плюсы и минусы теплового насоса

Бесплатный источник обогрева
Автономность
Минимальный уровень шума
Длительный срок службы
Высокая эффективность в связке с теплым полом

Большие начальные вложения
Нужно увеличить площадь радиаторов
Низкая эффективность в северных широтах

Выводы

Исходя из нашего опыта в устройстве систем альтернативной энергетики, мы можем выделить основные факты, которые являются основополагающими при выборе нашими Заказчиками тепловых насосов:

• полная безопасность и экологичность (отсутствую процессы горения и движущие части)
• возможность «сегодня» заказать систему и через три недели наслаждаться ее использованием без каких-либо согласований с контролирующими и разрешительными органами.
• Полная автономность и минимальное техническое обслуживание (нет необходимости состоять в газовом кооперативе, зависеть от него; не надо подбрасывать дрова или проводить ежемесячную чистку воздуховодов, организовывать подъезд топливозаправщика и прочее)
• Стоимость участка для строительства индивидуального дома без подведенного газа значительно ниже и срок сдачи жилья не зависит от газовых служб
• Возможность удаленного управления через интернет
• Передовое и инновационное оборудование стильного исполнения, которое не стыдно показать друзьям и знакомым, что безусловно подчеркивает статус домовладельца.

Если в данной статье мы не затронули какие-то вопросы и вы хотите задать их лично – вы можете приехать к нам в офис по адресу: г. Минск, ул. Одоевского, 117, и проконсультироваться у наших инженеров.

Контактные телефон для связи; 017 399 70 51