Принцип действия тепловых насосов для отопления дома

Устройство теплового насосаДля поддержания оптимальной температуры воздуха внутри помещения независимо от температуры окружающей среды предназначена система отопления. Это комплекс элементов, которые получают, транспортируют и передают ко всем помещениям определённое количество тепла. Различают теплоносители:

  • первичный – передаёт тепло от системы получения энергии к тепловому носителю;
  • вторичный – передаёт теплоту помещению посредством отопительных приборов.

Система отопления дома – одно из важных и необходимых условий устройства зданий. Включает 3 элемента:

  • источник тепловой энергии;
  • коммуникации (теплопроводы);
  • отопительные приборы (радиаторы).

Насосное оборудование

Бытовые насосы и их виды

Уже более двух тысяч лет человечество использует насосное оборудование. За это время оно постоянно усовершенствовалось и приобрело множество модификаций, из которых можно выделить две основные группы:

Насосами откачивают воду из скважин, недр земли, колодцев, выгребных ям, увеличивают в гидравлических системах давление воды. Бытовые насосы могут быть с электрическим источником питания, с двигателем внутреннего сгорания или ручными.

Насосы в системах отопления

Устройство теплового насосаСамое главное достижение в использовании насосного оборудования – это возможность полностью исключить необходимость использования твёрдого топлива, газа и других покупаемых источников теплоты. В Европе владельцы своих домов стремятся к обустройству системы отопления, работающей за счёт природной энергии посредством тепловых насосов. Для отечественного рынка установка таких систем — новинка. Тепловые насосы могут быть частью интегрированных систем, обогревающих и охлаждающих помещения. Модифицируются ТН (тепловых насосов) в зависимости от источника энергии (вода, земля, воздух).

Устройство теплового насоса

Теплонасос – это холодильник, который переносит тепло изнутри наружу.

Такая система включает:

  • тепловой насос;
  • оборудование забора (геотермальные зонды, коллекторы);
  • систему распределения тепла (радиаторы, тёплый пол, стены).

Тепловой насос состоит из:

  • испарителя;
  • конденсатора;
  • расширительного клапана (расширительного вентиля, понижающего давление за счёт разжижения газа);
  • компрессора (который сжижает газ и повышает давление).

Принцип действия

Устройство теплового насосаОбщая модель показывает принцип работы системы. Чтобы проще понять весь процесс, будем исходить от простого к сложному. Сначала представим замкнутый контур с газом, приводимым в движение компрессором. Добавив расширительный клапан, в системе будет образовано две области: с повышенным и пониженным давлением. Будучи сжимаемым, газ нагревается. а при снижении давления – охлаждается. Причём наиболее высокая температура газа отмечается сразу при выходе из компрессора, а самая низкая температура газа в системе – в точке выхода из расширительного клапана.

Добавив в систему два теплообменника, с одной стороны нагретый газ через теплообменник-конденсатор будет часть тепла отдавать потребителю, с другой – уже охлаждённый посредством теплообменника-испарителя будет поглощать тепло от внешнего источника. Эта модель обладает функциями теплового насоса.

Полноценный вид ТН представляет собой после подключения к источнику низкотемпературного тепла (геотермальным зондам) и системе отопления (радиаторам, тёплым полам и стенам).

В промежуточном контуре циркулирует охлаждающая жидкость (хладагент), температура кипения которого чуть выше -5 °С. В одной части цикла он представляет собой жидкость, а в другой – газ.

Обычно используется фреон. Первоначально он находится в жидком состоянии. По мере нагревания его температура поднимается. Нагреваясь, фреон превращается в газ с температурой около пяти градусов.

Далее по цепи газ поступает в компрессор, сжимающий его. В результате на выходе выделяется максимально возможное для установки количество тепла (от +35 до +60-65 ° С). После горячий газ поступает в конденсатор. где происходит передача тепла от теплоносителя контурам системы обогрева помещения.

Отдав большую часть тепловой энергии, газообразный фреон поступает в расширительный клапан. Проходя через этот вентиль, резко падает давление и температура, значения которых в точке выхода из клапана имеют наименьшие значения в цикле.

Затем движение повторяет круг.

Альтернативное топливо для тепловых насосов

Устройство теплового насосаВ таком инженерном решении, как тепловой насос, представлена удивительная возможность получать тепло из неиссякаемых основных природных источников и быть независимым от покупаемых энергоносителей. Солнце нагревает воздух, воду, землю. В любое время года практически повсюду эти источники обладают низкопотенциальным теплом. Так тепловые насосы бывают следующих категорий:

  • грунтовые (грунт-вода);
  • водные (вода-вода);
  • воздушные (воздух-вода).

Грунтовые насосы

Известно, что ниже точки замерзания, почва имеет стабильно положительную температуру (+4-6 ° С). Здесь разработаны два принципа получения тепла для отопления посредством:

  • горизонтального контура;
  • вертикального коллектора.

Горизонтальный геотермальный контур

Требуется в зависимости от типа грунта:

  • площадь от 200 м2 и более;
  • котлован глубиной от 1,2 до 2 м.

Слишком глубоко земля не накапливает тепло, и нет необходимости копать траншеи глубже. Полиэтиленовые трубы укладываются в зависимости от участка горизонтальной змейкой (петлей, улиткой) в траншеи, заполняются антифризом (незамерзающей жидкостью), опрессовываются, закапываются. Общая длина контура ориентировочно рассчитывается как 5 м. п. трубы на 1 м2 площади отапливаемого дома. Возможно использование спиральной укладки, что немного экономит площадь. Недостатки:

  • Устройство теплового насосатребует больших площадей;
  • больших материальных затрат;
  • нет функции пассивного охлаждения;
  • снижение температуры к концу отопительного сезона;
  • уменьшение теплоотдачи в зависимости от длины трубопровода;
  • усадка грунта не менее одного года;
  • запрещены посадки растений с развитой корневой системой;
  • нежелательны постройки на занимаемой территории.

Такой способ считается максимально эффективным. В среднем, отдача с 1 м2 варьируется от 30 до 65-75 Вт в любых условиях окружающей среды. При отсутствии возможности занимать довольно большую территорию под укладку труб, стоит рассмотреть вариант с использованием вертикальных контуров.

Данный способ предполагает бурение нескольких скважин глубиной от 20 метров. На таком расстоянии от поверхности земля начинает нагреваться и имеет температуру от 8-10° С и больше. Зависит глубина бурения от:

  • месторасположения строения;
  • типа грунта.

Такой вариант устройства системы теплового насоса для отопления сооружения характеризуется:

  • значительными подготовительными и организационно-техническими работами;
  • наибольшими капитальными вложениями;
  • большой занимаемой площадью (при бурении нескольких скважин, минимальное расстояние между ними не должно превышать 8 метров);
  • таким недостатком, как постепенное снижение теплоотдачи с течением времени при большой глубине скважин;
  • погонной теплоотдачей 50-60 Вт.

Существует технология бурения скважин, не требующая таких больших площадей. Это кластерное бурение. Здесь отличие в том, что под скважину отводится до 4 м2, размещена она может быть и под домом. Геотермальные тепловые насосы предусматривают использование труб:

  • полимерных;
  • коррозионно-стойких металлических.

Второй вариант более дорогой, но здесь выше показатели теплоотдачи с 1 м. п. за одинаковый отрезок времени, а также есть возможность уменьшить глубину скважин. Срок эксплуатации таких ТН (тепловых насосов) – 50-70 лет.

Насосы системы типа «вода-вода»

В холодное время года вода имеет вполне тёплую температуру +5-7° С. Работа таких ТН основана на использовании открытых скважин для забора и сброса грунтовых вод. На практике применяются два способа:

  • полимерные трубы, утяжелённые грузом, укладываются на дно водоёма. Производительность примерно 30 Вт с 1 п.м. Такой способ относительно проще в выполнении, но требует большой длины контура;
  • использование скважины-колодца, из которой энергия поступает в отопительную систему, и скважины для отвода остывшей воды.

Воздушные тепловые насосы

Системы воздушных ТН гораздо дешевле и проще, но менее эффективны. Различают два варианта таких насосов:

Представлен наружным и внутренним боксами:

  • первый включает вентилятор и испаритель;
  • второй – конденсатор и систему автоматического управления. Расположение компрессора возможно в любом из боксов.

Как устроен и как работает тепловой насос

Как работает тепловой насос

Конструкцию «умножителя тепла» предложил еще в 1852 году лорд Кельвин. В его работе использовался основной принцип теплового насоса – постепенный отбор низкотемпературного тепла, его накопление и отдача в виде энергии с высокой температурой. Данный процесс был описан «циклом Карно» в далеком 1824 году.

С тех пор прошло немало лет, а с тепловым насосом сейчас знаком каждый ребенок и стоит он на любой кухне. Вы не ослышались, ведь ваш холодильник – это тот же тепловой насос, только работающий в других целях. Вы ведь замечали, как нагревается задняя стенка холодильника? А задумывались ли вы о том, что его повышенная температура – не что иное, как тепло, отобранное агрегатом у продуктов, которые вы загрузили в него после похода в супермаркет.

Устройство теплового насоса Принцип действия теплового насоса

Похожим образом функционирует и тепловой насос. Основным его элементом является мощный компрессор, позволяющий создавать высокое давление. К нему присоединен испаритель – радиатор из тонких трубок с высокой теплопроводностью. При работе компрессор нагнетает теплоноситель, в роли которого выступает хладагент. Это вещество способно кипеть и испаряться при низкой температуре. Компрессор создает давление в десятки атмосфер, поэтому хладагент испаряется даже при отрицательных температурах. На входе в испаритель сечение трубопровода уменьшается до диаметра в десятые доли миллиметра, происходит распыление хладагента и он переходит из жидкой фазы в газообразное состояние, при этом поглощая тепло.

Далее на пути теплоносителя установлен конденсатор, в котором хладагент отдаёт тепло радиатору, охлаждается и снова превращается в жидкость, а затем возвращается в компрессор. Такой цикл повторяется многократно. При этом доля энергии, которую потребляет компрессор теплового агрегата, составляет около 20% от производимого им количества теплоты. Остальные 80% он «заимствует» у окружающей среды. Так как тепловой энергией обладает любой предмет, имеющий температуру выше абсолютного нуля, отобрать эту энергию можно при условии, что температура рабочего тела будет еще ниже. С этой ролью отлично справляются современные хладагенты.

Тепловую энергию насос может брать как из геотермальных источников, так и из атмосферы. Важной особенностью современных агрегатов является возможность работы не только на обогрев, но и на кондиционирование помещения в тёплое время года.

Устройство теплового насоса Современные тепловые насосы – высокотехнологичные агрегаты

Преимущества тепловых насосов

Главным достоинством тепловых насосов является их высокая эффективность. 1кВт электроэнергии, которую потребляет устройство такого типа, способно дать для отопления дома дополнительно 4-5кВт тепловой энергии. Это значит, что производительность тепловых помп по сравнению с традиционными электрическими отопительными приборами, составляет 400-500%.

Не менее важным преимуществом приборов, работающих по циклу Карно, является их высокая надёжность и долговечность (достаточно вспомнить советские холодильники ЗИЛ, работающие более полувека). Современные компрессоры тепловых агрегатов не менее надёжны, но более экономичны.

Тепловые насосы практически не требуют никакого обслуживания и способны работать на протяжении многих лет.

И последнее: несмотря на высокую стоимость установки, данные отопительные агрегаты имеют срок самоокупаемости 2-3 года. Это один из самых низких показателей среди всех типов устройств, используемых в системах отопления.

Виды тепловых насосов

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

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

Устройство теплового насоса Схема геотермального теплового насоса типа вода-вода с открытым циклом

Геотермальные насосы с открытым циклом

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

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

Тепловые насосы закрытого цикла с теплообменником

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

Устройство теплового насоса Закрытый первичный контур геотермального теплового насоса

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

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

Устройство теплового насоса Монтаж грунтового теплообменника геотермального теплового агрегата

Тепловые насосы воздух-воздух и воздух-вода

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

Устройство теплового насоса Тепловой агрегат типа воздух-вода

Тепловые насосы, использующие в качестве теплоносителя воздух, успешно используются в странах с умеренно-континентальными погодными условиями. В случае использования таких устройств в районах с континентальным и резко-континентальным климатом, требуется установка дополнительных отопительных систем для работы в наиболее холодное время года.

Работа теплового насоса воздух-вода (видео)

Как соорудить и произвести установку теплового насоса своими руками

Тепловой насос – инновационное устройство, относящееся к альтернативным источникам энергии. Извлекая тепло из природных ресурсов вокруг, прибор является экономичным устройством с большой степенью автономности.

Характеристики

На отоплении и водоснабжении частного дома хочется сэкономить большинству рачительных хозяев. Для таких целей подходит тепловой насос.

Устройство теплового насоса

Его вполне возможно соорудить своими руками, хорошо при этом сэкономив − заводской прибор стоит очень недешево.

Свойства и устройство

Прибор имеет внешний и внутренний контур, по которым движется теплоноситель. Составляющие стандартного прибора: тепловой насос, устройство для забора и устройство для распределения тепла. Контур изнутри состоит из компрессора с питанием от сети, испарителя, дроссельного клапана, конденсатора. Используют также в приборе вентиляторы, систему труб, геотермальные зонды.

Устройство теплового насоса

  • не выделяет никаких вредных веществ, абсолютно экологичный;
  • нет затрат на покупку и доставку топлива (электроэнергия затрачивается только на перемещение фреона);
  • нет необходимости дополнительных коммуникаций;
  • абсолютно пожаро — и взрывобезопасный;
  • полноценное отопление зимой и кондиционер летом;
  • сооруженный тепловой насос своими руками – это автономная конструкция, требующая минимум усилий по управлению.

Применение

Теплонасос, собранный своими руками, подойдет для таких случаев:

Устройство теплового насоса

  • если есть желание сэкономить на топливе для обогрева дома;
  • если к дому невозможно подвести газ или сделать это слишком хлопотно, когда покупать баллонный газ – не выход из ситуации;
  • нет желания и возможностей топить углем, дровами, электричеством, иным топливом;
  • если хозяин дома является приверженцем использования экологически чистой альтернативной энергии. Устройство достаточно практичное даже наряду с наличием возможностей применять другие источники энергии.

Тепловой насос своими руками изготовляется для дома, основываясь на технологиях забора тепла из земли, воды, воздуха. Он используется для отопления, нагрева воды и даже кондиционирования внутри помещения.

Принцип работы

Все окружающее нас пространство есть энергия — нужно только уметь ее использовать. Для теплового насоса нужно, чтобы температура окружающей среды была больше 1С°. Тут следует сказать, что даже земля зимой под снегом или на некоторой глубине сохраняет тепло. Работа геотермального или любого другого теплонасоса основывается на транспортировке тепла от его источника с помощью теплоносителя к контуру отопления дома.

Устройство теплового насоса

Схема работы прибора по пунктам:

  • носитель тепла (вода, грунт, воздух) наполняет находящийся под грунтом трубопровод и нагревает его;
  • затем теплоноситель транспортируется в теплообменник (испаритель) с последующей передачей тепла на внутренний контур;
  • во внешнем контуре находится хладагент – жидкость с низкой точкой кипения под низким давлением. Например, фреон, вода со спиртом, гликолевая смесь. Внутри испарителя это вещество нагревается и становится газом;
  • газообразный хладагент направляется в компрессор, сжимается под высоким давлением и нагревается;
  • горячий газ попадает в конденсатор и там его тепловая энергия переходит к теплоносителю системы отопления дома;
  • завершается цикл превращением хладагента в жидкость, и она, вследствие потери тепла, возвращается назад в систему.

Устройство теплового насоса

Тот же принцип используется для холодильников, поэтому тепловые насосы для дома можно применять как кондиционеры для охлаждения помещения. Проще говоря, тепловой насос – это такой холодильник с обратным действием: вместо холода вырабатывается тепло.

Тепловые насосы своими руками можно сконструировать на основе трех принципов — по источнику энергии, теплоносителю и их комбинации. Источником энергии может быть вода (водоем, река), грунт, воздух. Все виды насосов основаны на одном принципе работы.

Классификация

Выделяют три группы устройств:

Устройство теплового насоса

  • вода-вода;
  • грунтово-водяные (геотермальные тепловые насосы);
  • используют воду и воздух.

Тепловой коллектор «грунт-вода»

Тепловой насос своими руками — самый распространенный и эффективный способ добычи энергии. На глубине нескольких метров грунт имеет одну постоянную температуру и мало подвержен погодным условиям. На внешнем контуре такого геотермального насоса применяется специальная экологически безопасная жидкость, в народе называемая «рассолом».

Устройство теплового насоса

Наружный контур геотермального насоса создают из пластиковых труб. Их вкапывают в грунт вертикально или горизонтально. В первом случае на один киловатт может понадобиться достаточно значительная площадь работ – 25–50 м2. Площадь нельзя использовать для посадочных работ — тут допускается только высадка однолетних цветущих растений.

Вертикальный коллектор энергии требует несколько скважин на 50–150 м. Такое устройство более эффективное, тепло передают специальные глубинные зонды.

«Вода-вода»

На большой глубине температура воды постоянная и стабильная. Источником низкопотенциальной энергии может служить открытый водоем, грунтовые воды (колодец, скважина), сточные воды. Принципиальных различий в конструкции для отопления такого типа с разными теплоносителями нет.

Устройство теплового насоса

Устройство «вода-вода» наименее трудозатратное: достаточно оснастить трубы с носителем тепла грузом и поместить в воду, если это водоем. Для грунтовых вод потребуется более сложная конструкция и может возникнуть нужда в сооружении колодца под сброс воды, проходящей через обменник тепла.

«Воздух-вода»

Такой насос немного уступает двум первым и в холодное время его мощность снижается. Но он более универсальный: для него не нужно копать землю, создавать скважины. Нужно только установить необходимое оборудование, например, на крыше дома. Для этого не требуется сложных монтажных работ.

Устройство теплового насоса

Основным преимуществом является возможность повторно использовать тепло, покидающее помещение. Зимой рекомендуют иметь еще один источник тепла, поскольку мощность такого обогревателя может значительно уменьшиться.

Этапы монтажа

Тепловой насос своими руками можно сделать полностью из старых запчастей, взятых, например, из нерабочего кондиционера.

Расходы, окупаемость, мощность

Заводской прибор стоит около 4000 евро и выше. Самодельный насос для отопления 100 м² площади окупится приблизительно по прошествии 2-х лет. Для домов с не очень хорошей теплоизоляцией мощность должна быть 75 Вт/м². с хорошей теплоизоляцией достаточно — 50 Вт/м², а при использовании современных теплоизоляционных материалов — хватит и 30 Вт/м².

Устройство теплового насоса

Идеальным вариантом будет, когда насос включается в проект для отопления дома с наличием теплого пола и плиточного покрытия.

Процесс создания

Сначала нужно достать компрессор от нерабочего кондиционера, необязательно нового. Дешевле будет приобрести его в мастерских по ремонту холодильников. Компрессор крепится к стене кронштейнами (подойдет L-300).

Устройство теплового насоса

Для изготовления конденсатора подойдет бак из нержавейки на 100–120 л. Он разрезается пополам, внутри устанавливается змеевик. Змеевик можно изготовить самому из сантехнической медной трубки или от холодильника. Тут нужны толстые стенки – от 1 мм и больше. Трубка наматывается на обычный баллон (газовый, кислородный) с равномерным расстоянием между витками и фиксируется в таком положении перфорированным алюминиевым уголком (им оформляются углы под шпаклевкой). Он приматывается к змеевику, чтобы каждый виток располагался против дырки в уголке.

В результате будет ровный шаг витков и прочность конструкции. После создания змеевика половинки емкости свариваются. Резьбовые соединения также ввариваются. Затем создается испаритель. Для него может подойти обычная пластиковая емкость на 60–80 л. с вмонтированным внутри змеевиком из трубы диаметром ¾ дюйма. Простые трубы для водопровода используют для транспортировки воды.

Испаритель крепится на стене L-кронштейном. А вот закачку фреона должен сделать специалист по холодильному оборудованию: он сварит трубки и закачает в них фреон. После чего конструкцию подключают к системе отопления внутри дома, а затем – к наружному контуру.

Особенности для каждого вида

Вертикальный насос для отопления «грунт-вода» требует создания скважины на 50–150 м. В нее помещаются геотермальные зонды и подключаются к насосу. Зонды берут тепло из грунта, которое переносится с незамерзающей водой к насосу, а оттуда уже в систему отопления. Для маленьких участков подходят зонды, для больших – горизонтальный коллектор.

Для горизонтального аппарата типа «грунт-вода» нужно создать коллектор из системы труб. Его располагают ниже уровня промерзания (1–1,5 м) и выглядит он как своеобразный змеевик под землей. Снимается слой почвы, укладываются трубы и грунт засыпается обратно. Можно уложить трубы в отдельных траншеях.

Устройство теплового насоса

Для агрегата по типу «вода-вода» собирается из ПНД-труб, которые заполняются носителем тепла и после этого переносятся к водоему. Трубы имеют вид большого змеевика на дне водоема. Желательно разместить их в его центре.

Аппарат типа «воздух-вода» не требует трудоемких земляных работ. Выбирается место около дома или на его крыше, где самодельный тепловой насос соединяется с внутридомовым отоплением. Тепло извлекается вентиляторами и испарителем.

Принцип работы, виды и устройство теплового насоса

Устройство теплового насосаСуществует три вида тепловых насосов:

А теперь разберемся что из себя представляет каждый из видов теплового насоса. В качестве незамерзающей жидкости используется соленой раствор, вода со спиртом или гликолевая смесь.

Грунт-вода

Тепловой насос «извлекает» тепло из грунта на глубине более одного метра при помощи зондов или коллекторов. В системе циркулирует незамерзающая жидкость, которая перемещает тепловую энергию к системам отопления.

Для больших земельных участков подойдут геотермальные коллекторы, которые проложены ниже уровня промерзания грунта. Если же участок небольшой, то в данном случае оптимальны геотермальные зонды. В почве система трубопроводов устанавливается вертикально.

Воздух-вода

В данном случае насос извлекает тепло из воздуха. Вентиляторы прогоняют воздух через испаритель и при этом происходит «извлечение» тепла. Холодный воздух отводится обратно.

Устройство работает с водой, а точнее с грунтовыми водами или с водоемами, из которых извлекается тепло. Вода закачивается из скважины и, проходя через тепловой насос, отдает тепло. Охлажденная вода потом отводится обратно.

Принцип работы теплового насоса

В систему входит:

  • Сам тепловой насос;
  • Устройство забора (зонд или коллектор);
  • Устройство распределения тепла (теплый пол или другие).

Внутренний контур теплового насоса состоит из элементов:

  • Компрессор;
  • Испаритель;
  • Дроссельный клапан;
  • Конденсатор

По принципу работы тепловой насос – холодильник, который работает наоборот. Только если холодильник отводит тепло из внутреннего пространства наружу, то тепловой насос – забирает тепло из окружающей среды и передает в отопительную систему. Главное преимущество воздуха — его доступность, тогда как земные недра и грунтовые воды — оптимальные теплоаккумуляторы с относительно постоянной в течение всего года температурой. При этом на обогрев дома уходит гораздо меньше электроэнергии, чем при обычном электрокотле.

Охлаждение с помощью теплового насоса

Тепловой насос может работать и на охлаждение. При этом есть две технологии работы: активная и пассивная. Пассивная охлаждение работает по принципу отопления. При активном охлаждении используется кондиционирование воздуха. В реверсивном тепловом насосе можно менять направление фреона или другого хладагента.

Производители предоставляют техническую поддержку при выборе, проектировании и дальнейшем запуске в эксплуатацию теплового насоса, при это они помогут с получением необходимых разрешительных документов.

Окупаемость системы отопления

Стоимость установки оборудования теплового насоса подразумевает значительные траты, большие чем электрический или газовый котел. Но зато система отопления в среднем доме в 100-150 квадратных метров окупит себя за полтора-два года на обслуживании. И это только на отоплении. Летом, в жаркие дни, тепловой насос может выступать в качестве кондиционера.

Надо помнить, что окупаемость системы во многом зависит от теплоизоляции дома, ведь дом с хорошей теплоизоляцией обогревать легче, чем дом с «открытыми» окнами.

Расчет оборудования для дома

Устройство теплового насосаПри выборе теплового насоса надо учитывать энергетическое (теплопотери и теплоизоляцию) состояние дома. Должна быть установлена хорошая теплоизоляция здания. Чем выше показатели теплоизоляции, тем ниже будут затраты на обогрев здания. Это позволит поставить тепловой насос меньшей мощности и позволит уменьшить стоимость монтажа, да и системы отопления в целом. Если на данном этапе неправильно рассчитать мощность теплового насоса, то это приведет к его неэффективной работе — большее потребление электроэнергии впустую или сильной нагрузкой на систему.

Расчет мощность для дома производится с учетом теплопотерь. Перед установкой теплового насоса нужно максимально уменьшить потери тепла.

Для обогрева дома нужно от 70-80 ватт на квадратный метр с большими теплопотерями до 30Вт на кв. м у «пассивных» домов.

Тепловой насос лучше всего сочетается с водяным теплым полом, но при его расчете необходимо учитывать тип напольного покрытия – в идеале, напольная плитка.

Безопасность

Тепловой насос не выбрасывает вредные соединения в атмосферу. Также насос не подвержен взрыву, как котлы на жидком топливе или газе, ведь в системе нет нагрева деталей, чтобы произошел взрыв. При хорошей изоляции проводов система прослужит долго.

Принцип работы тепловых насосов для отопления

Доброго дня всем читателям блога «построить дом». Многие из вас, наверняка, слышали о таком устройстве как тепловой насос. Но не многие знают принцип его действия. Хочу исправить эту несправедливость и рассказать, как происходит обогрев тепловым насосом .

Устройство теплового насоса
Целесообразное использование топливно-энергетических резервов. ресурсы которых резко истощаются, принимает существенную многозначительность не только для прогресса человеческой цивилизации, но фактически для спасения ее вместе со средой обитания.

Энергоносители за или против?

Ценовой подъем на энергоносители и высокие затраты на их доставку приводят к стремительному увеличению стоимости на тепловую и электрическую энергию. А это заставляет потребителей искать новые пути экономии. Еще из школьных учебников мы помним, что передача тепла перетекает от разогретых тел к более прохладным, но никак не обратно. Наш многолетний опыт не помнит обратной процедуры, да и наука доказательно это подтверждает. Однако инженерные приемы делают допустимым переход тепла в обратном направлении – от менее разогретого тела к наиболее горячему.

Устройство теплового насоса

Для нас нет ничего удивительного, например, в работе холодильника. Где тепло из морозильной камеры, температура в которой чаще отрицательная, выбрасывается в окружающую среду. Если применить это тепло для обогрева зданий. а холодильную камеру заменить испытанным, постоянно функционирующим природным источником тепла, то это и будет так называемый тепловой насос.

Тепловой насос

Тепловой насос – это термодинамическое устройство, при помощи которого тепло от источника с наименьшей температурой (от низко- эвентуального источника) отображается потребителю с наиболее высокой температурой. Но для поддержания такого процесса теплопередачи требуется некая механическая энергия.

Как это работает?

Источниками низко-эвентуальной энергии могут быть тепло подземных вод, водоемов, тепло грунта и наружных воздух.
С помощью тепловых насосов легко свершается рекуперация тепла из прогоняемого вентиляционного воздуха, промышленных сбросов, канализационных стоков и от технологичных процессов, источающих тепло, что значительно экономит тепловую энергию .

Устройство теплового насоса
Из этого следует, что тепловые насосы можно использовать не только для горячего водоснабжения и отоплений. но и в интегрированной системе – для возрождения тепла из вентиляции и бытовых сбросов.

Устройство теплового насоса

Предлагаю поближе ознакомится с устройством теплового насоса (ТН ), эксгумирующего тепло из среды с низкой положительной температурой и передающего его в систему обогрева воды и отопления помещений.

В устройство теплового насоса входят:

• трубопроводный контур с насосом, начинённый жидкостью с низкой температурой замерзания и гарантирующий забор низко-эвентуальной теплоты земли, воды (из водоема или грунтовой) или воздуха;
• компрессор с механическим приводом;
• испаритель;
• конденсатор;
• дроссельный клапан;
• отопительный контур;
• тепловой аккумулятор.

Самые основные узлы теплового насоса

Основными узлами теплового насоса являются: компрессор с механическим приводом, испаритель, конденсатор и дроссельный клапан. Они соединяются герметичными трубопроводами, в которых движется рабочая жидкость с очень низкой температурой кипения при среднем атмосферном давлении.

Устройство теплового насоса
При движении рабочая жидкость (в холодильнике она называется хладагент), находясь в испарителе, при низком давлении закипает и испаряясь, впитывает низко-эвентуальное тепло, взятое из окружающей среды внешним контуром.

Далее посредством механической энергии (в данном случае – путем сжатия в компрессоре) давление рабочей жидкости, находящегося в газообразном состоянии, принудительно повышается. В итоге жидкость разогревается до высоких температур.

В конденсаторе (он играет роль теплообменника) теплота этого сжатого горячего теплоносителя прогревает воду в тепловом аккумуляторе. которая используется для горячего водоснабжения и системы отопления. Отдав тепло, рабочая жидкость компрессорного контура конденсируется и из газообразного состояния переходит снова в жидкое.

Конденсат жидкости. проходя через дроссельный клапан малого сечения, попадает в объем испарителя с меньшим давлением и закипает при имеющейся в нем температуре. В этот момент температура становится еще ниже настолько, что в испарителе жидкость снова способна поглощать тепло окружающей среды, которое приносит первичный контур из земли либо других источников.

Таким образом создается непрерывный круговой процесс передачи теплоты с низкого температурного уровня на высокий. Для этого нужны некие энергетические затраты, но они гораздо меньше принимаемой энергии и используются с пользой вместе с полученным теплом.

Эффективность теплового насоса

Для оценки эффективности теплового насоса служит коэффициент преобразования m, равный отношению передаваемой насосом энергии к энергии, используемой компрессором для работы всего устройства.

В современных системах тепловых насосов этот коэффициент равен 3 и более. Не вдаваясь в тонкости термодинамических процессов, отмечу, что существует взаимозависимость коэффициента преобразования от разности температуры во входном и выходном контурах теплового насоса. Чем больше перепад этих температур, тем ниже экономность расходуемой компрессором электроэнергии. Также и наоборот.

Устройство теплового насоса
Кстати, именно поэтому выгоднее обогревать дом теплыми полами с температурой +25-+35 о С, нежели обычными бытовыми радиаторами, разогретыми до +70-+90 о С. В таких случаях коэффициент m достигает значений 4,5 и более.

Тепло вокруг, над и под нами – только успей получить

Окружающая нас среда просто насыщена теплом. Если измерить температуру поверхности нашей Земли и сравнить ее с температурой в космосе, то станет ясно, насколько тепла наша планета. При том, что это тепло в обозримом будущем останется неиссякаемым.

Не только солнце прогревает земную поверхность, но и недра также отдают тепло верхним слоям грунта. Поэтому температура в грунте на глубине более четырех метров практически постоянна. В средней полосе России она примерно +4-+8 о С. А мы все жалуемся на нехватку энергоресурсов. Низко- эвентуальное тепло грунта – надежная и постоянно пополняемая «сокровищница» энергии.

Исследования доказали, что при максимальном выборе тепловым насосом тепла из скважины, температура вокруг нее снижается на величину, которую не стоит даже брать в расчет. Так как она тут же восстанавливается при снижении отбора и годами остается на одном и том же уровне. Многообещающе и использование тепла водоемов и грунтовых вод.

Тепловой насос – грунт, вода

На грунтовых тепловых насос я хочу поговорить отдельно. Их можно разбить на несколько, не схожих между собой, систем. Прежде всего это ТН с открытым циклом. где вода, имеющая плюсовую температуру, забирается прямо из водоносного горизонта и после охлаждения при отборе тепла отправляется обратно.

Устройство теплового насоса
Широкое применение имеют системы с закрытым циклом. когда теплоноситель прокачивается через замкнутый трубопроводный контур, который уложен в грунте либо на дне открытого водоема. Контур для выбора тепла можно установить вертикально в скважине или уложить горизонтально в глубокой траншее.

При выборе между горизонтальном коллекторе или вертикальном зондом необходимо учесть, что во втором случае каждый погонный метр скважины насоса отдает 50 Вт тепловой энергии, а коллектор всего-то – 20. Помимо этого, коллектор за весь отопительный сезон выхолаживает грунт. А это приводит к падению эффективности теплового устройства. Зато бурение скважины под тепловой насос обходится на порядок дороже.

Обогрев тепловым насосом

Обогрев системой теплового насоса. несмотря на высокую, пока еще, стоимость их сооружения (60000 рублей – 1 кВт тепловой мощности), выгоден – ввиду полного отсутствия необходимости в хранении и транспортировки топлива. На участке освобождается территория под склад с топливом и подъезда к нему. Само же устройство теплового насоса компактно и может поместиться в полуподвальном помещении.
Вложенные в систему средства окупятся за счет сбережения электроэнергии и за отсутствия закупок топлива.

Примечательно и то, что устройство ТН не наносит вреда окружающей среде. Система управления ТН автоматически контролирует режим работы, сохраняя параметры обеспечения теплом жилого строения.

Может так показаться, что слухи о тепловых насосах – это всего лишь пропаганда нового направления в энергетике. Но ведь технология получения тепла из воздуха, воды, грунта не нова и уже давно используется по всему миру. Только за 2010 год системы теплых насосов, например, в соединенных штатах выработали три миллиона кВт. На сегодняшний день эта цифра уже подошла к пяти. И это еще не предел.

На этом мы с вами остановимся, а то так можно и до утра просидеть. Если понравилась статья об обогреве дома тепловым насосом отправьте ее друзьям. Пусть тоже почитают. А у меня на этом пока все, до свежих статей. Не забывайте подписываться на выход новых статей.

С уважением, Вадим!