Тепловой насос воздух воздух принцип работы. Все правда о тепловых насосах

Первые варианты теплонасосов могли лишь частично удовлетворить потребности в тепловой энергии. Современные разновидности более эффективны и могут применяться для систем отопления. Именно поэтому смонтировать тепловой насос своими руками пытаются многие домовладельцы.

Мы расскажем, как выбрать оптимальный вариант теплового насоса с учетом гео-данных участка, на котором его планируется установить. В предложенной к рассмотрению статье подробно описан принцип действия систем использования “зеленой энергии”, перечислены отличия. С учетом наших советов вы, без сомнения, остановитесь на эффективном типе.

Для самостоятельных мастеров мы приводим технологию сборки теплового насоса. Представленную к рассмотрению информацию дополняют наглядные схемы, подборки фото и развернутый видео-инструктаж в двух частях.

Под термином тепловой насос понимается набор определенного оборудования. Основной функцией этого оборудования является сбор тепловой энергии и ее транспортировка к потребителю. Источником такой энергии может стать любое тело или среда, обладающая температурой от +1º и более градусов.

В окружающей нас среде источников низкотемпературного тепла более чем достаточно. Это промышленные отходы предприятий, тепловых и атомных электростанций, канализационные стоки и пр. Для работы тепловых насосов в сфере отопления дома нужны три самостоятельно восстанавливающихся природных источника – воздух, вода, земля.

Тепловые насосы “черпают” энергию из процессов, регулярно происходящих в окружающей среде. Течение процессов никогда не прекращается, потому источники признаны неисчерпаемыми по человеческим критериям

Три перечисленных потенциальных поставщика энергии напрямую связаны с энергией солнца, которое путем нагревания приводит в движение воздух с ветром и сообщает тепловую энергию земле. Именно выбор источника является основными критерием, согласно которому классифицируют тепловые насосные системы.

Принцип действия тепловых насосов базируется на способности тел или сред передавать тепловую энергию другому телу или среде. Получатели и поставщики энергии в тепловых насосных системах работают обычно в паре.

Так различают следующие виды тепловых насосов:

Воздух – вода.
Земля – вода.
Вода – воздух.
Вода – вода.
Земля – воздух.
Вода – вода
Воздух – воздух.

При этом первое слово определяет тип среды, у которой система отбирает низкотемпературное тепло. Второе указывает на вид носителя, которому и передается эта тепловая энергия. Так, в тепловых насосах вода – вода, тепло отбирается у водной среды и в качестве теплоносителя используется жидкость.

Экономичные системы обогрева дома вытесняют традиционные виды отопления с использованием газа, твердого топлива и электричества. Воздушный тепловой насос – это одно из наиболее популярных альтернативных решений.

Среди преимуществ, можно отметить низкую, по сравнению с геотермальными установками, стоимость, возможность использования при создании новых систем отопления и реконструкции старых. Тепловой насос особенно востребован в системах «пассивный дом» – жилых помещений, сконструированных по принципу минимальных затрат тепла и внедрения энергосберегающих технологий.

Что такое воздушный теплонасос

Простейший тепловой насос был спроектирован еще в 1852 году и получил название «умножитель тепла». Лорд Кельвин открыл основополагающие принципы действия, которые легли в основу всего современного отопительного оборудования.

Согласно законам физики, тепло передается от нагретого тела к тому, что имеет меньшую температуру. Но, возможен обратный процесс, при условии использования для этого дополнительной энергии.

Немного позже был открыт принцип обратного цикла Карно. Вещество, при испарении, поглощает тепло, а после конденсации на поверхности, отдает его. Именно этот закон лежит в основе холодильников и кондиционеров. Низкотемпературный воздушный теплонасос работает как эти бытовые приборы, только в «обратную сторону».

Некоторые производители кондиционеров используют этот принцип, предлагая потребителю кондиционеры, способные работать на обогрев помещения. Но системы кондиционирования имеют низкий КПД при отрицательных температурах, так как основным предназначением техники является охлаждение, а не нагрев.

Низкотемпературные воздушные тепловые насосы для отопления дома, работают, используя этот физический закон. Как отопление осуществляется на практике?

Любое, даже охлажденное тело, имеет высоко или низко потенциальную энергию. Даже при отрицательной температуре, в воздухе содержится определенное количество тепла. При -15°С, теплее, чем при -25°С. При -5°С, еще больше тепла находится в воздухе. Принцип работы воздушного теплового насоса позволяет извлечь то небольшое количество тепловой энергии, которое остается в зимнее время года и передать его в помещение.
В наружном блоке, установленном на улице, расположен змеевик с испарителем. Внутри контура циркулирует фреон – жидкость, которая свободно переходит в газообразное состояние и обратно. Фреон испаряют, при этом поглощается то тепло, которое остается даже при отрицательных температурах.
Газ поступает в компрессор. В компрессоре создается высокое давление и условия для преобразования фреона обратно в жидкость.
Под давлением, фреон разогревается и поступает в конденсатор. В блоке газ окончательно становится жидкостью, отдав при этом все тепло, которое получил во внешнем блоке, установленном на улице.
Фреон, по замкнутому контуру, обратно возвращается в испаритель.

Существует зависимость тепловой мощности воздушно-водяного теплового насоса от температуры наружного воздуха. По этой причине, производители предусматривают подключение к тепловому насосу дополнительного отопительного оборудования, которое компенсирует недостатки тепловой энергии при падении наружной температуры ниже -15°С. Работа в условиях холода продолжается, хотя и с меньшей эффективностью.

Существует несколько типов воздушных теплонасосов, отличающихся по принципу, используемому для обогрева помещений.

Тепловые воздушно-водяные насосы

Бытовые системы теплоснабжения и ГВС, на базе воздушных теплонасосов, очень эффективны для применения в умеренных широтах РФ. Средний СОР (коэффициент преобразования) 3. Получается, что на каждый потраченный 1кВт, приходится 3 кВт продуцируемой тепловой энергии.

Принцип работы такой же, как и в насосах других модификаций, но с определенными отличиями:

Конденсатор располагают внутри бойлера накопителя, соединенного с системой отопления и ГВС.
Тепло, выделяемое при конденсации фреона, используется для косвенного нагрева теплоносителя.
С помощью , нагретый теплоноситель поступает в систему ГВС и отопление.

Интенсивность нагрева теплоносителя варьируется от +30°С до +60°С. При температуре ниже -15°С, включается комбинированное теплоснабжение с воздушным теплонасосом, что незаменимо в условиях холодного климата. Недостаток тепла компенсирует любой котел (электричество, газ, дрова).

Так как монтаж наружного блока осуществляется на улице, дополнительным преимуществом будет наличие функции антизамерзания или оттаивания.

Теплонасосы воздушного отопления

Теплонасосы воздушного отопления используются для обогрева отдельных помещений. Принцип работы во многом напоминает тот, что использует тепловентилятор, только функцию греющей спирали играет конденсатор.

Корпус внутреннего блока теплонасоса похож на кондиционер и также может работать на воздушное отопление и охлаждение.

Потребителю предлагаются различные решения вопроса обогрева:

Установка отдельных независимых обогревателей.
Монтаж нескольких теплонасосов, объединенных в единую сеть.

Теплонасосы, отапливающие помещение посредством теплого воздуха, имеют следующие преимущества:

Максимальный КПД – отсутствие необходимости в предварительном нагреве теплоносителя приводит к более экономичному расходу электроэнергии. Воздух нагревается всего до температуры 20-40°С, а это в свою очередь обеспечивает больший коэффициент СОР, равный 4.
Быстрый прогрев здания – теплый воздух начинает поступать в помещение через несколько секунд после включения.
Универсальность – оборудование можно использовать летом как кондиционер. В базовой комплектации предусмотрена функция охлаждения помещения.

При достижении критичной для работы отрицательной температуры, происходит автоматическое включение резервного источника тепла при использовании воздушного ТН. Таким образом, удается компенсировать недостаток тепловой энергии.

В чем отличие кондиционера и воздушного ТН

Действительно, теплоснабжение помещений воздушными тепловыми насосами в условиях холодного климата во многом напоминает обогрев с помощью обычных кондиционеров. Используются внутренние и внешние блоки, схожего строения. Даже во внутреннем устройстве много похожего. Разница заключается в том, что воздушные ТН внутреннего размещения более эффективны при нагреве, чем при охлаждении, а кондиционеры, наоборот.

Почувствовать отличие можно, сравнив некоторые характеристики оборудования. Кондиционер перестает работать на обогрев уже при температуре около -5°С. Рабочий режим тепловых насосов от -25°С до +45°С.

Так как существует тенденция к совершенствованию воздушных теплонасосов для «пассивных» домов, скоро, для широкого круга потребителя станут доступны модели оборудования, способные сохранять работоспособность при падении температуры до -32°С.

Отличие воздушного ТН от кондиционера заключается в разных технических характеристиках, хотя между ними много похожего.

Как подобрать воздушный теплонасос

Выбор воздушного ТН не настолько сложен, как может показаться с первого взгляда. При подборе подходящей модели, следует ориентироваться на следующие параметры:

Тип обогрева.
Отапливаемая площадь.
Производитель.

Дополнительно определяют, какой вид котла будет использоваться в качестве резервного источника тепла. Как показывает практика, наиболее популярным остается воздушное отопление с подключением электрического котла, что позволяет полностью обойтись без газа.

Какой марки выбрать теплонасос воздушного типа

Если проанализировать отзывы о воздушных тепловых насосах, достаточно легко определить производителей оборудования, пользующихся наибольшим спросом у отечественного потребителя:

Stiebel Eltron – немецкая компания, начавшая свой путь с изобретения кипятильника. Со временем, ассортимент продукции постоянно расширялся. На сегодняшний день, Stiebel Eltron является лидером в производстве водонагревательной и отопительной техники. Компания предлагает два вида тепловых насосов: геотермальные и воздушные, работающие на нагрев теплоносителя и воздуха.
– еще один немецкий производитель, имеющий более 30 летний опыт в производстве воздушных насосов. Наибольшей похвалы заслуживают станции Viessmann, подключающиеся к водяному контуру отопления. В качестве достоинств – наличие погодозависимых датчиков управления и множество дополнительных функций, доступных в базовой комплектации.
Mitsubishi – японская корпорация, впервые использовавшая технологию Zubadan. Решение позволило увеличить СОР (являющийся самым высоким среди аналогичного оборудования) и расширить сферы применения. Компания Mitsubishi одна из первых предложила потребителю кондиционеры, работающие на нагрев и воздушные тепловые насосы. Постоянно внедряются новые технологии увеличивающие сферу применения продукции.
– компания разработала целую серию экономичного оборудования geoTHERM. В ассортименте представлено оборудование, извлекающее тепло из земли, воды, воздуха и солнечных лучей. Продукция Vaillant максимально адаптирована для использования в условиях РФ.

Стоимость воздушного ТН с установкой

Дороже всего стоят тепловые насосы, обогревающие помещение посредством теплоносителя. Оборудование обойдется приблизительно от 80 тыс. руб. (производительность 4,5 кВт), до 800 тыс. руб. (18.5 кВт). Тепловые насосы воздушного обогрева, обойдутся от 50 тыс. руб. (на 4 кВт) до 120 тыс. руб. (на 8 кВт).

Стоимость монтажа воздушного ТН рассчитывается индивидуально, исходя из технических параметров помещения и других факторов.

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

Плюсы и минусы использования воздушных теплонасосов

Буквально 5 лет назад, отечественный потребитель практически не имел опыта отопления зданий зимой с помощью воздушных тепловых насосов. Приходилось довольствоваться высказываниями и исключительно положительными комментариями, расположенными на сайтах различных производителей техники, что не давало ясное представление о возможностях оборудования. С тех пор появился определенный опыт использования, позволивший выявить не только преимущества, но и недостатки воздушных ТН.

Преимущества

Преимущества эксплуатации воздушно-водяных тепловых насосов – главным достоинством является полная независимость от газового отопления. В некоторых регионах РФ, только подведение трубопровода к дому, обходится дороже, чем покупка и монтаж теплового насоса. Не требуются разрешения на ввод в эксплуатацию.
Системы предназначены для установки в условиях «пассивного дома». Следовательно, изначально сконструированы для экономного отопления дома и нагрева горячей воды. На 1 кВт потраченной электроэнергии, выработка тепла составляет 3-5 кВт. Простой расчет затрат при применении теплового насоса покажет, что в течение 3-5 лет достигается полная окупаемость оборудования.
Работа насоса не влияет негативно на здоровье человека. Для обеспечения гигиенических условий, в системах, использующих принцип нагрева воздуха, достаточно время от времени чистить фильтры.

Недостатки

Высокая стоимость оборудования – система, с мощностью, достаточной для обогрева жилого дома, обойдется в 800-1200 тыс. руб., что является неподъемной суммой для большинства покупателей.
Зависимость от температуры окружающей среды. Особенности автономного отопления дома воздушным тепловым насосом напрямую связаны с общим объемом получаемой тепловой энергии. Чем ниже температура на улице, тем хуже работает насос. Начиная с -15°С, придется подключать резервный источник тепла.
Если учесть, что на большинстве территорий РФ средний температурный режим выше, то становится понятным целесообразность данной установки. Оптимальные климатические зоны для использования воздушных отопительных тепловых насосов – это части России с умеренным климатом и средней температурой в зимний период не менее -15°С.

Если сравнивать воздушные ТН и газовое отопление, особенно с учетом того, что последние модели насосного оборудования способны сохранять работоспособность при -32°С, становится очевидным преимущество первых. Теплонасосы экономичны, не нуждаются в разрешении на эксплуатацию, монтируются в течение 1 дня и имеют более высокий КПД, чем газовое оборудование.

В последнее время, производители несколько снизили стоимость тепловых установок, что позволило еще большему количеству покупателей оценить достоинство станций. Если тенденция будет продолжаться, можно ожидать увеличенного спроса на теплонасосы.

У отопительного оборудования, для работы которого используются достаточно дорогие виды энергоносителей, такие как газ, электричество, твердое и жидкое топливо, относительно недавно появилась достойная альтернатива – тепловой насос вода-вода. Для функционирования такого оборудования, которое только начинает набирать популярность в России, нужны неисчерпаемые источники энергии, характеризующиеся низким потенциалом. Тепловая энергия при этом может извлекаться практически из любых водных источников, в качестве которых могут быть использованы естественные и искусственные водоемы, скважины, колодцы и др. Если расчет и монтаж такой насосной установки выполнены правильно, то она способна обеспечивать отопление как жилых, так и производственных строений на протяжении всего зимнего периода.

Конструктивные элементы и принцип работы

У рассматриваемых тепловых насосов для отопления дома принцип действия напоминает принцип работы холодильного оборудования, только наоборот. Если холодильная установка выводит часть тепла из своей внутренней камеры наружу, тем самым понижая в ней температуру, то работа теплового насоса состоит в том, чтобы охлаждать окружающую среду и нагревать теплоноситель, который перемещается по трубам отопительной системы. По тому же принципу функционируют тепловые насосы «воздух – вода» и «земля – вода», которые также используют энергию из низкопотенциальных источников для обогрева жилых и производственных помещений.

Конструктивная схема теплового насоса вода-вода, который является наиболее продуктивным среди устройств, использующих источники энергии с низким потенциалом, предполагает наличие таких элементов, как:

наружный контур, по которому перемещается вода, откачиваемая из водного источника;
внутренний контур, по трубопроводной магистрали которого перемещается хладагент;
испаритель, в котором холодильный агент превращается в газ;
конденсатор, в котором газообразный хладагент снова становится жидкостью;
компрессор, предназначенный для того, чтобы увеличивать давление газообразного холодильного агента перед его подачей в конденсатор.

Таким образом, в устройстве теплового насоса вода-вода нет ничего сложного. Если вблизи от дома имеется естественный или искусственный водоем, то для отопления строения лучше всего применять как раз тепловой насос типа вода-вода, принцип работы и конструктивные особенности которого состоят в следующем.

Контур, представляющий собой первичный теплообменник, по которому циркулирует антифриз, размещается на дне водоема. При этом глубина, на которой выполняют монтаж первичного теплообменника, должна быть ниже уровня промерзания водоема. Антифриз, проходя по первичному контуру, нагревается до температуры 6–8°, а затем подается к теплообменнику, отдавая тепло его стенкам. Задача антифриза, циркулирующего по первичному контуру, заключается в передаче теплоэнергии воды холодильному агенту (фреону).
В том случае если схема работы теплового насоса предусматривает забор и передачу тепловой энергии воды, откачиваемой из подземной скважины, контур с антифризом не используется. Вода из скважины по специальной трубе пропускается через камеру теплообменника, где и отдает свою тепловую энергию холодильному агенту.
Теплообменник для тепловых насосов – важнейший элемент их конструкции. Это устройство, состоящее из двух модулей – испарителя и конденсатора. В испарителе фреон, подающийся по капиллярной трубке, начинает расширяться и превращается в газ. При контакте газообразного фреона со стенками теплообменника хладагенту передается низкопотенциальная тепловая энергия. Зарядившийся такой энергией фреон подается в компрессор.
В компрессоре осуществляется сжатие газообразного фреона, в результате чего температура хладагента повышается. После сжатия в камере компрессора фреон поступает в другой модуль теплообменного аппарата – конденсатор.
В конденсаторе газообразный фреон снова превращается в жидкость, а накопленная им тепловая энергия передается стенкам емкости, в которой находится теплоноситель. Поступая в камеру второго модуля теплообменника, фреон, находящийся в газообразном состоянии, конденсируется на стенках накопительной емкости, сообщает им тепловую энергию, которая затем передается воде, находящейся в такой камере. Если при выходе из испарителя фреон обладает температурой 6–8 градусов Цельсия, то на входе в конденсатор теплового насоса вода-вода благодаря вышеописанному принципу работы такого устройства ее значение достигает 40–70 градусов Цельсия.

Таким образом, принцип работы теплового насоса базируется на том, что хладагент при переходе в газообразное состояние забирает тепловую энергию у воды, а при переходе в жидкое состояние в конденсаторе отдает накопленную энергию жидкой среде – теплоносителю отопительной системы.

Точно по такому же принципу работают тепловые насосы «воздух – вода» и «земля – вода», разница состоит лишь в типе источника, который применяется для получения тепловой энергии низкого потенциала. Другими словами, тепловой насос принцип работы имеет один, не варьирующийся в зависимости от типа или модели устройства.

То, насколько эффективно нагревается тепловым насосом теплоноситель системы отопления, во многом определяется колебаниями температуры воды – источника низкопотенциальной энергии. Высокую эффективность такие устройства демонстрируют при работе с водой из скважин, где температура жидкой среды в течение года находится в диапазоне 7–12 градусов Цельсия.

Насос «вода-вода» относится к одному из грунтовых типов тепловых насосов

Принцип работы теплового насоса вода-вода, обеспечивающий высокую эффективность данного оборудования, позволяет использовать такие устройства для оснащения систем отопления жилых и промышленных строений не только в регионах с теплыми зимами, но и в северных районах.

Чтобы тепловой насос, схема работы которого описана выше, демонстрировал высокую эффективность, следует знать, как правильно выбрать такое оборудование. Очень желательно, чтобы выбор теплового насоса вода-вода (а также «воздух – вода» и «земля – вода») осуществлялся с участием квалифицированного и опытного специалиста.

При выборе теплонасоса для водяного отопления учитываются следующие параметры такого оборудования:

производительность, от которой зависит площадь здания, отопление которого насос может обеспечить;
торговая марка, под которой произведено оборудование (учитывать данный параметр необходимо потому, что серьезные компании, продукция которых уже оценена многими потребителями, уделяют серьезное внимание как надежности, так и функциональности производимых моделей);
стоимость как самого выбираемого оборудования, так и его монтажа.

При выборе тепловых насосов вода-вода, воздух-вода, земля-вода рекомендуется обращать внимание на наличие у такого оборудования дополнительных опций. Сюда, в частности, относятся возможности:

управления работой оборудования в автоматическом режиме (работающие в таком режиме за счет специального контроллера тепловые насосы позволяют создать в обслуживаемом ими строении комфортные условия для проживания; изменение параметров работы и другие действия по управлению теплонасосами, которые оснащены контроллером, могут выполняться посредством мобильного устройства или пульта ДУ);
использования оборудования для нагрева воды в системе ГВС (обращать внимание на данную опцию следует потому, что в некоторых (особенно старых) моделях тепловых насосов, коллектор которых устанавливается в открытых водоемах, она отсутствует).

Расчет мощности оборудования: правила выполнения

Прежде чем приступать к выбору определенной модели теплового насоса, надо разработать проект системы отопления, которую такое оборудование будет обслуживать, а также выполнить расчет его мощности. Такие вычисления необходимы для того, чтобы определить фактическую потребность в тепловой энергии здания с определенными параметрами. При этом обязательно учитывают тепловые потери в таком здании, а также наличие в нем контура ГВС.

Для теплового насоса вода-вода расчет мощности выполняется по следующей методике.

Сначала определяют общую площадь здания, для отопления которого будет использоваться приобретаемый тепловой насос.
Определив площадь здания, можно рассчитать мощность теплонасоса, способного обеспечить отопление. Выполняя такой расчет, придерживаются правила: на 10 кв. м площади здания необходимо 0,7 киловатт мощности теплового насоса.
Если тепловой насос будет использоваться и для обеспечения функционирования системы ГВС, то к полученному значению его мощности добавляют 15–20 %.

Выполняемый по вышеописанной методике расчет мощности теплонасоса актуален для зданий, в помещениях которых высота потолков не превышает 2,7 метра. Более точные вычисления, учитывающие все особенности зданий, которые предстоит отапливать посредством теплового насоса, выполняются сотрудниками профильных организаций.

Для теплового насоса «воздух – вода» расчет мощности выполняется по похожей методике, но с учетом некоторых нюансов.

Как изготовить тепловой насос самостоятельно

Хорошо разобравшись в том, как работает тепловой насос типа вода-вода, можно изготовить такое устройство своими руками. Фактически самодельный тепловой насос является набором готовых технических устройств, правильно подобранных и соединенных в определенной последовательности. Чтобы тепловой насос, изготовленный своими руками, демонстрировал высокую эффективность и не вызывал проблем при эксплуатации, необходимо выполнить предварительный расчет его основных параметров. Для этого можно воспользоваться соответствующими программами и онлайн-калькуляторами на сайтах производителей подобного оборудования или обратиться к профильным специалистам.

Итак, чтобы изготовить тепловой насос своими руками, надо подобрать элементы его оснащения по предварительно рассчитанным параметрам и выполнить их правильный монтаж.

Компрессор

Компрессор для теплового насоса, изготавливаемого собственноручно, можно взять из старого холодильника или сплит-системы, обращая при этом внимание на мощность такого устройства. Преимуществом использования компрессоров от сплит-систем является низкий уровень шума, создаваемого при их работе.

Конденсатор

В качестве конденсатора для самодельного теплового насоса можно использовать змеевик, демонтированный из старого холодильника. Некоторые делают его самостоятельно, используя сантехническую или специальную холодильную трубку. В качестве емкости, в которую надо поместить змеевик конденсатора, можно взять бак из нержавейки объемом приблизительно 120 литров. Чтобы поместить в такой бак змеевик, ее предварительно разрезают на две половины, а затем, когда монтаж змеевика выполнен, сваривают.

Очень важно перед выбором или самостоятельным изготовлением змеевика рассчитать его площадь. Для этого нужна следующая формула:

П3 = MТ/0,8PТ

Параметрами, используемыми в данной формуле, являются:

МТ – мощность создаваемого тепловым насосом тепла (кВт);
PТ – разница между температурами на входе в тепловой насос и на выходе из него.

Чтобы в конденсаторе теплового насоса из холодильника не создавались воздушные пузырьки, вход в змеевик следует располагать в верхней части емкости, а выход из него – в нижней.

Испаритель

В качестве емкости для испарителя можно использовать простую пластмассовую бочку вместимостью 127 л с широкой горловиной. Для создания змеевика, площадь которого определяется по такой же схеме, как и для конденсатора, также используется медная трубка. В изготовленных в домашних условиях тепловых насосах, как правило, применяют испарители погружного типа, в которые сжиженный фреон поступает снизу, а превращается в газ в верхней части змеевика.

Очень аккуратно с помощью пайки при самостоятельном изготовлении теплового насоса следует выполнять монтаж терморегулятора, так как данный элемент нельзя нагревать до температуры, превышающей 100 градусов Цельсия.

Для подвода воды к элементам самостоятельно сделанного теплового насоса, а также ее отвода используются обычные канализационные трубы.

Тепловые насосы вода-вода, если сравнивать их с устройствами типа «воздух – вода» и «земля – вода», более простые по своей конструкции, но при этом более эффективные, поэтому оборудование именно данного типа чаще всего изготавливают самостоятельно.

Сборка самодельного теплонасоса и его запуск в работу

Для сборки и запуска в работу самодельного теплового насоса потребуются следующие расходные материалы и оборудование:

сварочный аппарат;
вакуумный насос (для проверки всей системы на вакуум);
баллон с фреоном, заправка которого осуществляется через специальный клапан (установку клапана в системе следует предусмотреть заранее);
температурные датчики, которые устанавливаются на капиллярные трубы на выходе из всей системы и на выходе из испарителя;
пусковое реле, предохранитель, дин-рейка и электрощиток.

Все сварочные и резьбовые соединения при сборке следует выполнять максимально качественно, чтобы обеспечить абсолютную герметичность системы, по которой будет перемещаться фреон.

В том случае, если в роли источника низкопотенциальной энергии выступает вода в открытом водоеме, дополнительно необходимо изготовить коллектор, наличие которого предполагает принцип работы тепловых насосов данного типа. Если же предполагается использование воды из подземного источника, надо пробурить две скважины, в одну из которых вода будет сбрасываться после того, как пройдет всю систему.

1 , средняя оценка: 5,00 из 5)

Оплачивать электроэнергию и теплоснабжение с каждым годом становится сложнее. При строительстве или покупке нового жилья проблема экономичного энергоснабжения становится особенно острой. Из-за периодически повторяющихся энергетических кризисов выгоднее увеличить первоначальные расходы на высокотехнологичное оборудование, чтобы потом десятилетиями получать тепло по минимальной стоимости.

Наиболее рентабельным вариантом в некоторых случаях является тепловой насос для отопления дома, принцип работы этого устройства довольно простой. Перекачивать тепло в прямом смысле этого слова невозможно. Но закон сохранения энергии позволяет техническим устройствам понижать температуру вещества в каком-то одном объеме, одновременно нагревая что-либо в другом месте.

Что такое тепловой насос (ТН)

Возьмем для примера обычный бытовой холодильник. Внутри морозильника вода быстро превращается в лед. Снаружи находится горячая на ощупь радиаторная решетка. От нее тепло, собранное внутри морозильной камеры, передается комнатному воздуху.

То же самое, но в обратной последовательности, делает ТН. Радиаторная решетка, расположенная снаружи здания, имеет гораздо большие размеры, чтобы собрать достаточно тепла из окружающей среды для обогрева жилья. Теплоноситель внутри трубок радиатора или коллектора отдает энергию отопительной системе внутри дома, а затем нагревается снова вне дома.

Устройство

Обеспечить дом теплом - это более сложная техническая задача, чем охладить небольшой объем холодильника, где установлен компрессор с морозильным и радиаторным контурами. Почти так же просто устроен воздушный ТН, который получает тепло из атмосферы и подогревает внутренний воздух. Добавляются только вентиляторы для обдува контуров.

Получить большой экономический эффект от установки системы «воздух-воздух» сложно из-за малого удельного веса атмосферных газов. Один кубический метр воздуха весит всего лишь 1,2 кг. Вода примерно в 800 раз тяжелее, поэтому теплотворная способность тоже имеет многократную разницу. Из 1 кВт электрической энергии, потраченной устройством типа «воздух-воздух», можно получить только 2 кВт тепла, а ТН «вода-вода» дает 5–6 кВт. Гарантировать такой высокий коэффициент полезного действия (КПД) может ТН.

Состав компонентов насоса:

Система отопления дома, для которой лучше применить теплые полы.
Бойлер для горячего водоснабжения.
Конденсатор, передающий энергию, собранную вовне, к теплоносителю внутридомового отопления.
Испаритель, отбирающий энергию у теплоносителя, который циркулирует во внешнем контуре.
Компрессор, который перекачивает хладагент от испарителя, переводя его из газообразного в жидкое состояние, повышая давление и охлаждая в конденсаторе.
Расширительный клапан, устанавливается перед испарителем для регулирования потока хладагента.
Внешний контур укладывается на дно водоема, закапывается в траншеи или опускается в скважины. Для ТН типа «воздух-воздух» контуром служит наружная радиаторная решетка, обдуваемая вентилятором.
Насосы перекачивают теплоноситель по трубам снаружи и внутри дома.
Автоматика для управления по заданной программе обогрева помещения, которая зависит от изменений температуры наружного воздуха.

Внутри испарителя теплоноситель внешнего трубного регистра охлаждается, отдавая тепло хладагенту компрессорного контура, а затем насосом перекачивается по трубам на дне водоема. Там он нагревается и цикл вновь повторяется. В конденсаторе происходит передача тепла системе отопления коттеджа.

Цены на разные модели тепловых насосов

тепловой насос

Принцип работы

Открытый в начале XIX века французским ученым Карно термодинамический принцип переноса тепла потом был детализирован лордом Кельвином. Но практическая польза их трудов, посвященных решению проблемы отопления жилья от альтернативных источников, появилась только в последние пятьдесят лет.

В начале семидесятых годов прошлого столетия произошел первый энергетический кризис мирового масштаба. Поиски экономичных способов отопления привели к созданию устройств, способных собирать из окружающий среды энергию, концентрировать ее и направлять на обогрев дома.

В результате была разработана конструкция ТН со взаимодействующими между собой несколькими термодинамическими процессами:

Когда хладагент компрессорного контура попадает в испаритель, давление и температура фреона почти мгновенно снижаются. Полученный в результате температурный перепад способствует отбору тепловой энергии от теплоносителя внешнего коллектора. Эта фаза называется изотермическим расширением.
Затем происходит адиабатическое сжатие - компрессор увеличивает давление хладагента. При этом его температура возрастает до +70 °С.
Проходя конденсатор, фреон становится жидкостью, так как при повышенном давлении отдает тепло контуру внутридомового отопления. Эта фаза называется изотермическим сжатием.
Когда хладон проходит дроссель, давление и температура резко падают. Происходит адиабатическое расширение.

Нагревание внутреннего объема помещения по принципу ТН возможно только с использованием высокотехнологичного оборудования, снабженного автоматикой для управления всеми вышеперечисленными процессами. Кроме того, программируемые контроллеры регулируют интенсивность генерации тепла соответственно колебаниям температуры наружного воздуха.

Альтернативное топливо для насосов

Использовать углеродное топливо в виде дров, угля, газа для работы ТН вовсе не нужно. Источником энергии служит рассеянное в окружающем пространстве тепло планеты, внутри которой находится постоянно действующий ядерный реактор.

Твердая оболочка материковых плит плавает на поверхности жидкой раскаленной магмы. Иногда она прорывается наружу при вулканических извержениях. Вблизи вулканов встречаются геотермальные источники, где даже зимой можно купаться и загорать. Тепловой насос способен собирать энергию практически повсеместно.

Для работы с различными источниками рассеянного тепла существует несколько типов ТН:

«Воздух-воздух». Извлекает энергию из атмосферы и нагревает воздушные массы внутри помещения.
«Вода-воздух». Тепло собирается внешним контуром со дна водоема для последующего использования в вентиляционных системах.
«Грунт-вода». Трубы для сбора тепла располагаются горизонтально под землей ниже уровня промерзания, чтобы даже в самый сильный мороз получать энергию для подогрева теплоносителя в отопительной системе здания.
«Вода-вода». Коллектор раскладывают по дну водоема на глубине от трех метров, собранное тепло нагревает воду, циркулирующую в теплых полах внутри дома.

Существует вариант с открытым внешним коллектором, когда можно обойтись двумя скважинами: одна - для забора грунтовых вод, а вторая - для слива обратно в водоносный слой. Такой вариант возможен только при хорошем качестве жидкости, потому что фильтры быстро засоряются, если в составе теплоносителя имеется слишком много солей жесткости или взвешенных микрочастиц. Перед монтажом надо обязательно сделать анализ воды.

Если пробуренная скважина быстро заиливается или вода содержит много солей жесткости, тогда стабильная работа ТН обеспечивается бурением большего количества отверстий в земле. В них опускают петли герметичного внешнего контура. Затем скважины закупоривают с помощью тампонажа из смеси глины и песка.

Использование грунтовых насосов

Извлечь дополнительную пользу из участков, занятых газонами или цветниками, можно с помощью ТН типа «грунт-вода». Для этого нужно уложить в траншеи трубы на глубину ниже уровня промерзания для сбора подземного тепла. Расстояние между параллельными траншеями не менее 1,5 м.

На юге России даже в экстремально холодные зимы земля замерзает максимум на 0,5 м, поэтому проще снять грейдером полностью слой земли на монтажном участке, уложить коллектор, а затем засыпать экскаватором котлован. На этом месте нельзя сажать кустарники и деревья, корни которых способны повредить внешний контур.

Количество получаемого тепла от каждого метра трубы зависит от типа почвы:

сухой песок, глина - 10–20 Вт/м;
влажная глина - 25 Вт/м;
увлажненный песок и гравий - 35 Вт/м.

Площади прилегающего к дому участка земли может быть недостаточно для размещения внешнего регистра труб. Сухие песчаные грунты не дают достаточного теплового потока. Тогда применяют бурение скважин глубиной до 50 метров, чтобы достичь водоносного слоя. В скважины опускают U-образные петли коллектора.

Чем больше глубина, тем выше возрастает тепловая эффективность зондов внутри скважин. Температура земных недр повышается на 3 градуса каждые 100 м. Эффективность съема энергии скважинного коллектора может достигать 50 Вт/м.

Монтаж и запуск систем ТН - это технологически сложный комплекс работ, которые могут выполнить только опытные специалисты. Общая стоимость оборудования и комплектующих материалов значительно выше, если сравнивать с обычным газовым оборудованием для теплоснабжения. Поэтому срок окупаемости первоначальных затрат растягивается на годы. Но дом строится на десятилетия, а геотермальные тепловые насосы - самый выгодный способ отопления для загородных коттеджей.

Ежегодная экономия в сравнении с:

газовым котлом - 70 % ;
электрообогревом - 350 %;
твердотопливным котлом - 50 %.

При расчете срока окупаемости ТН стоит учитывать эксплуатационные расходы за все время службы оборудования - минимум 30 лет, тогда экономия многократно превысит первоначальные затраты.

Насосы типа «вода-вода»

Разместить на дне близлежащего водоема полиэтиленовые трубы коллектора может практически любой человек. Для этого не понадобится больших профессиональных знаний, навыков, инструментов. Достаточно равномерно распределить витки бухты по поверхности воды. Между витками должно быть расстояние не менее 30 см, а глубина затопления не менее 3 м. Затем надо привязать грузы к трубам, чтобы они ушли на дно. Тут вполне подойдет некондиционный кирпич или природный камень.

На монтаж коллектора ТН типа «вода-вода» потребуется значительно меньше времени и денег, чем при рытье траншей или бурении скважин. Расходы на приобретение труб также будут минимальными, поскольку съем тепла при конвективном теплообмене в водной среде достигает 80 Вт/м. Очевидная выгода применения ТН - не нужно сжигать углеродное топливо для получения тепла.

Альтернативный способ отопления дома становится все более востребованным, поскольку обладает еще несколькими преимуществами:

Экологически безопасен.
Использует возобновляемый источник энергии.
После окончания пусконаладочных работ отсутствуют регулярные затраты расходных материалов.
Автоматически регулирует нагревание внутри дома по температуре наружного воздуха.
Срок окупаемости начальных затрат 5–10 лет.
Можно подключить бойлер для горячего водоснабжения коттеджа.
Летом работает как кондиционер, охлаждая приточный воздух.
Срок службы оборудования - более 30 лет.
Минимальные энергозатраты - генерирует до 6 кВт тепла при использовании 1 кВт электричества.
Полная независимость отопления и кондиционирования коттеджа при наличии электрогенератора любого типа.
Возможна адаптация к системе «умный дом» для дистанционного управления, дополнительной экономии энергии.

Для работы ТН типа «вода-вода» необходимы три независимых системы: внешний, внутридомовой и компрессорный контуры. Они объединены в одну схему теплообменниками, в которых циркулируют различные теплоносители.

При проектировании системы энергоснабжения следует учитывать, что на перекачивание насосом теплоносителя по внешнему контуру расходуется электроэнергия. Чем больше длина труб, изгибов, поворотов, тем менее выгоден ТН. Оптимальное расстояние от дома до берега - 100 м. Его можно удлинить на 25 % за счет увеличения диаметра труб коллектора с 32 до 40 мм.

Воздушные - сплит и моно

Применять воздушные ТН выгоднее в южных регионах, где температура редко опускается ниже 0 °С, но современное оборудование способно работать и при -25 °С. Чаще всего устанавливают сплит-системы, состоящие из внутридомового и наружного блоков. Внешний комплект состоит из вентилятора, обдувающего радиаторную решетку, внутренний - из конденсаторного теплообменника и компрессора.

Конструкцией сплит-систем предусматривается реверсивное переключение режимов работы с помощью клапана. Зимой внешний блок является генератором тепла, а летом наоборот - отдает его наружному воздуху, работая как кондиционер. Воздушные ТН отличаются предельно простым монтажом внешнего блока.

Другие преимущества:

Высокая эффективность работы наружного блока обеспечивается большой площадью теплообмена радиаторной решетки испарителя.
Бесперебойная работа возможна при температуре наружного воздуха до -25 °С.
Вентилятор размещается за пределами помещения, поэтому уровень шума находится в допустимых пределах.
Летом сплит-система работает как кондиционер.
Автоматически поддерживается заданная температура внутри помещения.

Проектируя отопление зданий, расположенных в регионах с продолжительной и морозной зимой, необходимо учитывать низкую эффективность воздушных ТН при отрицательных температурах. На 1 кВт затраченной электроэнергии приходится 1,5–2 кВт тепла. Поэтому надо предусматривать дополнительные источники теплоснабжения.

Самый простой монтаж ТН возможен в случае применения моноблочных систем. Внутрь помещения заходят только трубки с теплоносителем, а все остальные механизмы находятся снаружи в одном корпусе. Такая конструкция существенно повышает надежность работы оборудования, а также снижает шум до величины менее 35 дБ - это на уровне обычного разговора двух человек.

Когда установка насоса нерентабельна

Найти в городе свободные участки земли для расположения внешнего контура ТН типа «грунт-вода» практически невозможно. Проще установить на внешней стене здания воздушный тепловой насос, который особенно выгоден в южных регионах. Для более холодных территорий с продолжительными морозами существует вероятность обледенения наружной радиаторной решетки сплит-системы.

Высокий коэффициент полезного действия ТН обеспечивается при выполнении следующих условий:

Обогреваемое помещение должно иметь утепленные внешние ограждающие конструкции. Максимальная величина тепловых потерь не может превышать 100 Вт/м 2 .
ТН способен работать эффективно только с инерционной низкотемпературной системой «теплый пол».
В северных регионах ТН следует использовать совместно с дополнительными источниками тепла.

Когда температура наружного воздуха резко падает, то инерционный контур «теплого пола» просто не успевает прогревать помещение. Зимой так бывает часто. Днем солнышко пригрело, на градуснике -5 °С. Ночью температура может быстро опуститься до -15 °С, а если подует сильный ветер, то мороз будет еще сильнее.

Тогда надо установить под окнами и вдоль наружных стен обычные батареи. Но температура теплоносителя в них должна быть в два раза выше, чем в контуре «теплого пола». Дополнительную энергию в загородном коттедже может дать камин с водяным контуром, а городской квартире - электрический котел.

Остается только определить, будет ли ТН основным или дополняющим источником тепла. В первом случае он должен компенсировать 70 % общего количества тепловых потерь помещения, а во втором - 30 %.

Видео

В ролике проводится визуальное сравнение достоинств и недостатков различных типов тепловых насосов, подробно объясняется устройство системы «воздух-вода».

Евгений Афанасьев главный редактор

Автор публикации 05.02.2019

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?

Функционирует тепловой насос, благодаря эксплуатации природных низкопотенциальных источников тепловой энергии, среди которых:

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

Система отопления с тепловым насосом

Когда для обогрева используется тепловой насос - принцип работы его основан на интеграции в отопительную систему. Она состоит из двух контуров, к которым добавляется третий, представляющий собой конструкцию насоса.

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.

Процесс, как работает тепловой насос, выглядит примерно так:

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

На протяжении часа через насос по внешнему коллектору проходит 2,5-3 кубометра теплоносителя, который земля в состоянии нагреть на ∆t = 5-7 °C (прочитайте также: " "). Чтобы рассчитать тепловую мощность данного контура, следует воспользоваться формулой:

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

В зависимости от вида потребляемого рассеянного тепла тепловые насосы бывают:

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

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.
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.
Экологичность. Принцип работы теплового насоса основан на малом потреблении электроэнергии и отсутствии продуктов горения. Используемый агрегатом хладагент не содержит хлоруглеродов и полностью озонобезопасен.
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.
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.
Автоматическое управление процессом обогрева помещений.

Принцип работы теплового насоса, достаточно подробное видео:

Некоторые особенности эксплуатации насосов

Чтобы обеспечить эффективную работу теплового насоса, необходимо соблюдать ряд условий:

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.