Эффективный тепловой насос. Как выбрать тепловой насос для отопления дома: цены, виды, основы монтажа. Стоимость оборудования и установки теплового насоса

Тепловые насосы становятся всё более популярными. С помощью этих устройств можно отапливать (охлаждать) дома и организовывать горячее водоснабжение, значительно экономя.

Людям, далёким от физики, достаточно сложно понять принцип действия тепловых насосов, в связи с чем в интернетах муссируется множество заблуждений, которыми пользуются недобросовестные производители и продавцы. В данной статье мы попытаемся в доступной форме объяснить принцип действия и развеять некоторые мифы, которыми успел обрасти этот замечательный агрегат.

Плюсы

Со школьной скамьи нам известно, что в обычных условиях более холодное вещество не может отдавать своё тепло более горячему, а наоборот, оно нагревается от него до тех пор, пока их температуры не сравняются. Это святая правда. Но тепловой насос создаёт такие условия, что более холодная среда начинает отдавать своё тепло более тёплой, охлаждаясь при этом ещё больше.

Простейший заезженный пример теплового насоса — холодильник. В нём тепло выкачивается из более холодной камеры в более тёплое помещение кухни. Морозилка при этом ещё больше охлаждается, а кухня ещё больше нагревается от радиатора, расположенного на задней панели холодильника.

Принцип работы большинства тепловых насосов основан на свойствах промежуточных теплоносителей (газов, чаще всего фреонов), которые используются в этих машинах. Именно фреоны и являются тем посредником, который позволяет забирать тепло у более холодного тела, отдавая его более горячему.

Наверняка вы замечали, что если быстро выпускать сжатый газ из балончика для заправки зажигалок, то он, испаряясь, охлаждает балончик, который даже в жаркую погоду может покрыться инеем. Справедливо и обратное: при сжатии газ нагревается. Памятуя об этом, вам будет совсем не сложно понять принцип действия теплового насоса, простейшая схема которого изображена на рисунке.

Компоненты теплового насоса

Простейший тепловой насос состоит из четырёх важнейших узлов:

• испаритель;
• конденсатор;
• компрессор;
• капилляр.

Компрессор сжимает фреон до жидкого состояния в конденсаторе, который при этом нагревается. Именно это тепло можно использовать в отоплении или в горячем водоснабжении, организовав простейший теплообмен между горячим конденсатором и более холодным помещением или бойлером.

Проходя через конденсатор, сжиженный фреон охлаждается, отдав тепло при теплообмене в радиаторы отопления или трубам теплого пола, и начинает конденсироваться. Проходя через капилляр в испаритель, фреон снова становится газообразным, охлаждая при этом испаритель (помните иней на балончике?).

Чтобы процесс не прекращался, нужно постоянно подводить тепло к испарителю, иначе фреон там просто перестанет испаряться, ведь температура испарителя при постоянной работе компрессора может сильно опуститься. Даже температуры минус тридцать, подводимой к испарителю, может быть достаточно для поддержания испарения, ведь температура испарения газов, используемых в тепловых насосах, гораздо ниже этого значения.

Допустим, температура испарения фреона равна минус шестьдесят градусов по Цельсию, а мы обдуваем испаритель морозным уличным воздухом, с температурой в минус тридцать — фреон, естественно, будет испаряться, забирая тепло даже у такого холодного воздуха. Таким образом и получается, что тепловой насос как бы перекачивает температуру из более холодной среды в более тёплую.

На что смотреть при покупке?

Такой эффект порождает множество мифов, которыми пользуются недобросовестные «продаваны», чтобы лучше продавать свою продукцию.

Самый распространённый миф — это утверждение, что КПД тепловых насосов превышает единицу. Понятно, что это утверждение — чистый бред. На самом деле КПД тепловых машин не может быть больше единицы, и даже у современных тепловых насосов он достаточно мал — меньше, чем у самого дешёвого масляного обогревателя. Люди просто часто путают КПД и так называемый COP (КОП).

КОП — это скорее экономический коэффициент, чем физический. Он показывает соотношение платной электроэнергии для перекачки бесплатного тепла с улицы к величине тепла, поступающего в помещение. Т.е. КОП 5 — это упрощенно означает, что для перекачки 5кВт халявного тепла с улицы в дом мы затратили 1кВт платной электроэнергии. Просто КОП не учитывает бесплатную тепловую энергию с улицы, а считает только ту, которую получили в результате и что для этого потратили.

Другой миф тоже связан с КОП: в паспортах тепловых насосов и на ценниках у продавцов гордо указывается одна-единственная величина КОП, которая просто вводит покупателей в заблуждение. Дело в том, что КОП тепловых насосов — величина переменная, а не постоянная. И многие недобросовестные дельцы об этом умалчивают, потому что указывают КОП для самых благоприятных условий, когда он чуть ли не максимальный. И это уже гораздо опаснее, чем заблуждения про сверхединичность КПД, т.к. чревато реальными последствиями.

Представьте, что вы уверовали, что будете тратить 1кВт электроэнергии на производство 5кВт тепла для того же отопления зимой, потому что в паспорте теплового насоса указано, что COP=5. Купили необходимой мощности тепловой насос, собрали систему отопления… А в самый неподходящий момент, когда морозы самые лютые, ваш отопитель жрёт не 1 к 5, а 1 к 2 в самом лучшем случае, или вообще не в состоянии выдать необходимое тепло для обогрева. И тут приходит понимание, что отапливаться конкретно этой системой можно лишь в межсезонье… Очень неприятная ситуация — отдать кучу денег и всё равно в морозы отапливаться дешёвыми масляными радиаторами, и только из-за того, что понадеялись на КОП и стабильную, неснижаемую выработку тепла.

Ситуация такова, что самым популярным на данный момент способом отапливать жилище является использование котлов отопления - газовых, твердотопливных, дизельных и намного реже - электрических. А вот такие простые и в тоже время высокотехнологичные системы, как тепловые насосы, не получили повсеместного распространения, и очень зря. Для тех, кто любит и умеет просчитывать все наперед, их преимущества очевидны. Тепловые насосы для отопления не сжигают невосполнимых запасов природных ресурсов, что крайне важно не только с точки зрения охраны окружающей среды, но и позволяет экономить на энергоносителях, так как они дорожают с каждым годом. К тому же, с помощью тепловых насосов можно не только отапливать помещение, но и подогревать горячую воду для хозяйственных нужд, и кондиционировать помещение в летний зной.

Принцип действия теплового насоса

Остановимся чуть подробнее на принципе действия теплового насоса. Вспомните, как работает холодильник. Тепло помещенных в него продуктов выкачивается и выбрасывается на радиатор, расположенный на задней стенке. В этом легко убедиться, дотронувшись до него. Примерно такой же принцип у бытовых кондиционеров: они выкачивают тепло из помещения и выбрасывают его на радиатор, расположенный на наружной стене здания.

В основу работы теплового насоса, холодильника и кондиционера положен цикл Карно.

1. Теплоноситель, двигаясь по источнику низкотемпературного тепла, например, грунту, нагревается на несколько градусов.
2. Затем он поступает в теплообменник, называемый испаритель. В испарителе теплоноситель отдает накопленное тепло хладагенту. Хладагент - это специальная жидкость, которая превращается в пар при низкой температуре.
3. Приняв на себя температуру с теплоносителя, нагретый хладагент превращается в пар и поступает в компрессор. В компрессоре происходит сжатие хладагента, т.е. повышение его давления, за счет чего повышается и его температура.
4. Горячий сжатый хладагент поступает в другой теплообменник, называемый конденсатор. Здесь хладагент отдает свое тепло другому теплоносителю, который предусмотрен в системе отопления дома (вода, антифриз, воздух). При этом хладагент охлаждается и снова превращается в жидкость.
5. Далее хладагент поступает в испаритель, где нагревается от новой порции нагретого теплоносителя, и цикл повторяется.

Для обеспечения работы теплового насоса необходимо электричество. Но это все равно намного выгоднее, чем использовать только электрообогреватель. Так как электрокотел или электрообогреватель тратит ровно столько же электроэнергии, сколько и выдает тепла. Например, если на обогревателе написана мощность 2 кВт, то он тратит 2 кВт в час и выдает 2 кВт тепла. А тепловой насос выдает тепла в 3 - 7 раз больше, чем тратит электроэнергии. Например, используется 5,5 кВт/час на работу компрессора и насоса, а тепла получается 17 кВт/час. Именно такой высокий КПД и является основным достоинством теплового насоса.

Преимущества и недостатки системы отопления «тепловой насос»

Вокруг тепловых насосов ходит много легенд и заблуждений, несмотря на то, что это не такое уж новаторское и высокотехнологичное изобретение. С помощью тепловых насосов отапливаются все «теплые» штаты в США, практически вся Европа и Япония, где технология отработана практически до идеала и уже давно. Кстати, не стоит думать, что подобное оборудование является чисто иностранной технологией и пришло к нам совсем недавно. Ведь еще в СССР такие агрегаты использовались на экспериментальных объектах. Примером тому служит санаторий «Дружба» в городе Ялта. Помимо футуристической архитектуры, напоминающей «избушку на курьих ножках», этот санаторий славен еще и тем, что еще с 80-х годов 20 века в нем используются тепловые насосы для отопления промышленные. Источником тепла является близлежащее море, а сама насосная станция не только обогревает все помещения санатория, но и обеспечивает горячей водой, греет воду в бассейне и охлаждает в знойный период. Так давайте же попытаемся развеять мифы и определить, имеет ли смысл отапливать жилище таким способом.

Преимущества систем отопления с тепловым насосом:

• Экономия на энергоносителе. В связи с растущими ценами на газ и дизтопливо очень актуальное преимущество. В графе «ежемесячные расходы» будет значиться только электроэнергия, которой как мы уже писали необходимо намного меньше, чем реально производится тепла. При покупке агрегата необходимо обратить внимание на такой параметр, как коэффициент трансформации тепла «ϕ» (может называться еще коэффициент преобразования тепла, коэффициент трансформации мощности или температур). Он показывает отношение количества тепла на выходе к затрачиваемой энергии. Например, если ϕ=4, то при расходе 1 кВт/час мы получим 4 кВт/час тепловой энергии.
• Экономия на техобслуживании . Тепловой насос не требует к себе никакого особенного отношения. Расходы на его обслуживание минимальны.
• Можно устанавливать в любой местности . Источниками низкотемпературного тепла для работы теплового насоса могут служить грунт, вода или воздух. Где бы Вы ни строили дом, даже в скалистой местности, всегда найдется возможность найти «пищу» для агрегата. В местности, удаленной о газовой магистрали, это одна из самых оптимальных систем отопления. И даже в регионах без линий электропередач можно установить бензиновый или дизельный движок для обеспечения работы компрессора.
• Нет необходимости следить за работой насоса , добавлять топливо, как в случае с твердотопливным или дизельным котлом. Вся система отопления с тепловым насосом автоматизирована.
• Можно уехать на длительный срок и не бояться, что система замерзнет. При этом можно сэкономить, установив насос на обеспечение в жилом помещении температуры +10 °С.
• Безопасность для окружающей среды. Для сравнения при использовании традиционных котлов, сжигающих топливо, всегда образуются различные окислы CO, СO2, NOх, SO2 , PbO2, как следствие вокруг дома на почве оседают фосфорная, азотистая, серная кислоты и бензойные соединения. При работе теплового насоса не выбрасывается ничего. А используемые в системе хладагенты абсолютно безопасны.
• Сюда же можно отметить сохранение невосполнимых природных ресурсов планеты .
• Безопасность для человека и имущества . В тепловом насосе ничего не нагревается до такой температуры, чтобы вызвать перегрев или взрыв. К тому же, в нем попросту нечему взрываться. Так что его можно отнести к полностью пожаробезопасным агрегатам.
• Тепловые насосы успешно работают даже при температуре окружающей среды -15 °С . Так что если кому-то кажется, что такой системой можно обогревать дом только в регионах с теплыми зимами до +5 °С, то они ошибаются.
• Реверсивность теплового насоса . Неоспоримым преимуществом является универсальность установки, с помощью которой можно и отапливать зимой, и охлаждать летом. В жаркие дни тепловой насос забирает тепло из помещения и направляет его в грунт на хранение, откуда снова возьмет зимой. Обратите внимание, что реверсной способностью обладают не все тепловые насосы, а только некоторые модели.
• Долговечность . При должном уходе тепловые насосы системы отопления живут от 25 до 50 лет без капитального ремонта, и только раз в 15 - 20 лет потребуется заменить компрессор.

Недостатки систем отопления с тепловым насосом:

• Большие первоначальные капиталовложения. Помимо того, что на тепловые насосы для отопления цены довольно высоки (от 3000 до 10000 у.е.), так еще дополнительно на обустройство геотермальной системы потребуется затратить не меньше, чем на сам насос. Исключением является воздушный тепловой насос, не требующий дополнительных работ. Окупится тепловой насос не скоро (лет через 5 - 10). Так что ответ на вопрос, использовать или не использовать тепловой насос для отопления, скорее зависит от предпочтений хозяина, его финансовых возможностей и условий строительства. Например, в регионе, где подведение газовой магистрали и подключение к ней стоит столько же, сколько и тепловой насос, имеет смысл отдать предпочтение последнему.

• В регионах, где температура зимой опускается ниже -15 °С, необходимо использовать дополнительный источник тепла . Это называется бивалентная система отопления , в которой тепловой насос обеспечивает тепло, пока на улице до -20 °С, а когда он не справляется, подключается например, электрообогреватель или газовый котел, или теплогенератор.

• Наиболее целесообразно использовать тепловой насос в системах с низкотемпературным теплоносителем , таких как система «теплый пол» (+35 °С) и фанкойлы (+35 - +45 °С). Фанкойлы представляют собой вентиляторный конвектор, в котором происходит передача тепла/холода от воды воздуху. Для обустройства такой системы в старом доме потребуется полная перепланировка и перестройка, что повлечет дополнительные затраты. При строительстве нового дома это не является недостатком.
• Экологичность тепловых насосов , берущих тепло из воды и грунта, несколько относительна. Дело в том, что в процессе работы пространство вокруг труб с теплоносителем охлаждается, а это нарушает устоявшуюся экосистему. Ведь даже в глубине грунта живут анаэробные микроорганизмы, обеспечивающие жизнедеятельность более сложных систем. С другой стороны - по сравнению с добычей газа или нефти ущерб от теплового насоса минимален.

Источники тепла для работы теплового насоса

Тепловые насосы берут тепло из тех природных источников, которые накапливают солнечную радиацию в течение теплого периода. В зависимости от источника тепла различаются и тепловые насосы.

Грунт

Грунт - самый стабильный источник тепла, которое накапливается за сезон. На глубине 5 - 7 м температура грунта практически всегда постоянна и равна примерно +5 - +8 °С, а на глубине 10 м - всегда постоянна +10 °С. Способов сбора тепла с грунта два.

Горизонтальный грунтовый коллектор представляет собой уложенную горизонтально трубу, по которой циркулирует теплоноситель. Глубина расположения горизонтального коллектора высчитывается индивидуально в зависимости от условий, иногда это 1,5 - 1,7 м - глубина промерзания грунта, иногда ниже - 2 - 3 м для обеспечения большей стабильности температуры и меньшей разницы, а иногда всего 1 - 1,2 м - здесь грунт начинает быстрее прогреваться весной. Бывают случаи, когда обустраивают двухслойный горизонтальный коллектор.

Трубы горизонтального коллектора могут иметь различный диаметр 25 мм, 32 мм и 40 мм. Форма их раскладки тоже может быть разной - змейка, петля, зигзаг, различные спирали. Расстояние между трубами в змейке должно быть не менее 0,6 м, и обычно составляет 0,8 - 1 м.

Удельный теплосъем с каждого погонного метра трубы зависит от структуры грунта:

• Песок сухой - 10 Вт/м;
• Глина сухая - 20 Вт/м;
• Глина более влажная - 25 Вт/м;
• Глина с очень большим содержанием воды - 35 Вт/м.

Для отопления дома площадью 100 м2 при условии, что грунт представляет собой влажную глину, понадобится 400 м2 площади участка под коллектор. Это довольно много - 4 - 5 соток. А с учетом того, что на данном участке не должно быть никаких строений и допускается только газон и клумбы с однолетними цветами, то не каждый может себе позволить обустроить горизонтальный коллектор.

По трубам коллектора течет специальная жидкость, ее еще называют «рассол» или антифриз , например, 30% раствор этиленгликоля или пропиленгликоля. «Рассол» собирает на себя тепло грунта и направляется к тепловому насосу, где передает его хладагенту. Остывший «рассол» снова течет в грунтовый коллектор.

Вертикальный грунтовый зонд представляет собой систему труб, заглубленных на 50 - 150 м. Это может быть всего одна U-образная труба, опущенная на большую глубину 80 - 100 м и залитая бетонным раствором. А может быть система U-образных труб, опущенных на 20 м, чтобы собрать энергию с большей площади. Выполнение бурильных работ на глубину 100 - 150 м не только дорого стоит, но и требует получения специального разрешения, именно поэтому часто идут на хитрость и обустраивают несколько зондов небольшой глубины. Расстояние между такими зондами делают 5 - 7 м.

Удельный теплосъем с вертикального коллектора также зависит от породы:

• Осадочные породы сухие - 20 Вт/м;
• Осадочные породы, насыщенные водой, и каменистая почва - 50 Вт/м;
• Каменистая почва с высоким коэффициентом теплопроводности - 70 Вт/м;
• Подземные (грнутовые) воды - 80 Вт/м.

Площадь под вертикальный коллектор необходима совсем маленькая, но стоимость их обустройства выше, чем у горизонтального коллектора. Достоинством вертикального коллектора также является более стабильная температура и больший теплосъем.

Вода

Использовать воду в качестве источника тепла можно по-разному.

Коллектор на дне открытого незамерзающего водоема - реки, озера, моря - представляет собой трубы с «рассолом», притопленные с помощью груза. За счет высокой температуры теплоносителя этот способ получается самым выгодным и экономичным. Обустроить водный коллектор могут только те, от кого водоем находится не дальше 50 м, иначе теряется эффективность установки. Как Вы понимаете, такие условия есть не у всех. Но не использовать тепловые насосы жителям побережья просто недальновидно и глупо.

Коллектор в канализационных стоках или сбросовой воде после технических установок можно использовать для отопления домов и даже многоэтажек и промышленных предприятий в черте города, а также для приготовления горячей воды. Что с успехом делается в некоторых городах нашей Родины.

Скважинную или грунтовую воду используют реже, чем другие коллекторы. Такая система подразумевает строительство двух скважин, из одной забирается вода, которая передает свое тепло хладагенту в тепловом насосе, а во вторую сбрасывается остывшая вода. Вместо скважины может быть фильтрационный колодец. В любом случае сбросовая скважина должна находиться на расстоянии 15 - 20 м от первой, да еще и ниже по течению (подземные воды тоже имеют свое течение). Данная система довольно сложна в эксплуатации, так как за качеством поступаемой воды необходимо следить - фильтровать ее, и защищать детали теплового насоса (испаритель) от коррозии и загрязнения.

Воздух

Самую простую конструкцию имеет система отопления с воздушным тепловым насосом . Никакого дополнительного коллектора не нужно. Воздух из окружающей среды напрямую поступает к испарителю, где передает свое тепло хладагенту, а тот в свою очередь передает тепло теплоносителю внутри дома. Это может быть воздух для фанкойлов или вода для теплого пола и радиатора.

Затраты на установку воздушного теплового насоса самые минимальные, но зато производительность установки очень зависит от температуры воздуха. В регионах с теплыми зимами (до +5 - 0 °С) это один из самых экономичных источников тепла. А вот если температура воздуха опускается ниже -15 °С производительность падает настолько, что не имеет смысла использовать насос, а выгоднее включить обычный электрообогреватель или котел.

На воздушные тепловые насосы для отопления отзывы весьма противоречивы. Все зависит от региона их использования. Их выгодно использовать в регионах с теплыми зимами, например, в Сочи, где даже не понадобится дублирующий источник тепла на случай сильных морозов. Также можно устанавливать воздушные тепловые насосы в регионах, где относительно сухой воздух и температура зимой до -15 °С. А вот во влажном и холодном климате такие установки страдают от обледенения и обмерзания. Налипающие на вентиляторе сосульки не дают нормально работать всей системе.

Отопление тепловым насосом: стоимость системы и расходы на эксплуатацию

Мощность теплового насоса подбирается в зависимости от тех функций, которые на него будут возложены. Если только отопление, то расчеты можно произвести в специальном калькуляторе, учитывающем тепловые потери здания. Кстати, наилучшие показатели работы теплового насоса при тепловых потерях здания не более 80 - 100 Вт/м2. Для простоты примем, что для отопления дома в 100 м2 с потолками высотой 3 м и теплопотерями 60 Вт/м2 необходим насос мощностью 10 кВт. Для подогрева воды придется взять агрегат с запасом по мощности - 12 или 16 кВт.

Стоимость теплового насоса зависит не только от мощности, но и от надежности и запросов производителя. Например, агрегат мощностью 16 кВт российского производства обойдется в 7000 у.е., а иностранный насос RFM 17 мощностью 17 кВт стоит порядка 13200 у.е. со всем сопутствующим оборудованием, кроме коллектора.

Следующей строкой расходов будет обустройство коллектора . Она тоже зависит от мощности установки. Например, для дома 100 м2, в котором везде установлены теплые полы (100 м2) или радиаторы отопления 80 м2, а также для подогрева воды до +40 °С объемом 150 л/час потребуется выполнить бурение скважин под коллекторы. Такой вертикальный коллектор обойдется в 13000 у.е.

Коллектор на дне водоема обойдется чуть дешевле. При таких же условиях он будет стоить 11000 у.е. Но лучше стоимость монтажа геотермальной системы уточнять в специализирующихся компаниях, она может очень сильно отличаться. Например, обустройство горизонтального коллектора для насоса мощность 17 кВт обойдется всего в 2500 у.е. А для воздушного теплового насоса коллектор не нужен вовсе.

Итого, стоимость теплового насоса 8000 у.е. в среднем, обустройство коллектора 6000 у.е. в среднем.

В ежемесячную стоимость отопления тепловым насосом входят только расходы на электроэнергию . Рассчитать их можно так - на насосе должна быть указана потребляемая мощность. Например, для вышеупомянутого насоса мощностью 17 кВт потребляемая мощность составляет 5,5 кВт/час. Всего отопительная система работает 225 дней в году, т.е. 5400 часов. С учетом того, что тепловой насос и компрессор в нем работают циклически, то расход электроэнергии необходимо уменьшить вдвое. За отопительный сезон будет потрачено 5400ч*5,5кВт/ч/2=14850 кВт.

Умножаем количество затраченных кВт на стоимость энергоносителя в Вашем регионе. Например, 0,05 у.е. за 1 кВт/час. Итого за год будет потрачено 742,5 у.е. За каждый месяц, в котором работал тепловой насос на отопление, приходится по 100 у.е. расходов на электроэнергию. Если же поделить расходы на 12 месяцев, то в месяц получится 60 у.е.

Обратите внимание, что чем меньше потребляемая мощность теплового насоса, тем меньше ежемесячные расходы. Например, есть насосы 17 кВт, которые за год потребляют всего 10000 кВт (расходы 500 у.е.). Также немаловажно, что производительность теплового насоса тем больше, чем меньше разница температур между источником тепла и теплоносителем в системе отопления . Именно поэтому говорят, что выгоднее устанавливать теплый пол и фанкойлы. Хотя стандартные радиаторы отопления с высокотемпературным теплоносителем (+65 - +95 °С) тоже можно устанавливать, но с дополнительным аккумулятором тепла, например, бойлером косвенного нагрева. Для донагрева воды в ГВС также используется бойлер.

Тепловые насосы выгодны при использовании в бивалентных системах. В дополнение к насосу можно установить солнечный коллектор, который сможет полностью обеспечивать насос электроэнергией летом, когда тот будет работать на охлаждение. Для зимней подстраховки можно добавить теплогенератор, который будет догревать воду для ГВС и высокотемпературных радиаторов.

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.

Многие участники нашего портала давно пользуются тепловыми насосами и считают их наилучшим способом отопления. Тепловой насос до сих пор остается дорогим устройством, и срок окупаемости у него большой. Но есть удачные опыты самостоятельного изготовления тепловых насосов: это позволяет избежать каких-то нереальных расходов.

• Принцип работы теплового насоса
• Как сделать тепловой насос своими руками
• Выгодно ли делать тепловой насос

Принцип работы теплового насоса

Объясняя принцип действия теплового насоса, люди часто вспоминают холодильник, где в радиатор на задней стенке сбрасывается тепло, «снятое» с продуктов в камере.

Saga Участник FORUMHOUSE

Принцип работы теплового насоса, как холодильника: решетка на его обратной стороне греется, морозилка – охлаждается. Если мы удлиним трубки с фреоном и опустим их в ванну, то вода в ней будет охлаждаться, а решетка холодильника – нагреваться; холодильник будет перекачивать тепло из ванны и греть помещение.

По этому же принципу работают и кондиционеры, и тепловые насосы. Работа приборов основана на цикле Карно.

Теплоноситель движется по грунту или воде, в процессе «снимая» тепло и повышая свою температуру на несколько градусов. В теплообменнике теплоноситель отдает накопленное тепло хладагенту, тот становится паром, поступает в компрессор, где поднимается его температура. В этом виде он поставляется в конденсатор, отдает тепло теплоносителю ОС дома, и охладившись, снова превращается в жидкость и поступает в испаритель, где нагревается от новой порции нагретого теплоносителя. Цикл повторяется.

Хотя тепловой насос не будет работать без электричества, это выгодное устройство, поскольку тепла он выдает в 3-7 раз больше, чем тратит электроэнергии.

Мы разберем это на конкретном примере нашего пользователя, который сделал тепловой насос своими руками.

Тепловые насосы работают на энергии природных источников тела:

• грунта;
• воды;
• воздуха.

Собирать тепло с грунта (ниже глубины промерзания его температура всегда около +5 - +7 градусов), можно двумя способами:

• горизонтальный грунтовый коллектор
• уложенные горизонтально разными способами трубы.

По трубам течет «рассол» - на FORUMHOUSE часто используют пропиленгликоль, который забирает тепло земли, передает его хладагенту, и остыв, снова отправляется в грунтовый коллектор.

Мировой энергетический комитет составил прогноз использования источников тепла для обогрева зданий на 2020 год. В нем утверждается, что в развитых странах 75% домов будут получать горячее водоснабжение и отапливаться геотермальной энергией нашей планеты.

На сегодняшний день 40% всех новых домов Швейцарии оборудованы тепловыми насосами, а в Швеции этот показатель доведен до 90%. Россия и страны СНГ меньше внедряют тепловой насос для отопления дома, хотя первые энтузиасты уже пользуются этим методом, передавая свой опыт последователям.

Принципы работы

Для обогрева здания используется перенос энергии источника низкого потенциала (температуры) теплоносителем к потребителю. В технологическом процессе используется закон термодинамики, обеспечивающий выравнивание тепловых энергий двух систем с разными температурами: передача мощности горячего источника холодному потребителю.

При использовании тепла окружающей среды осуществляется повышение его температурного потенциала для обогрева и горячего водоснабжения.

Источником регенеративного тепла могут быть:

• поверхность земли или ее объем;
• водная среда (озеро, река);
• воздушные массы.

Более популярны модели, забирающие энергию от земли, поверхность которой обогревается солнечными лучами и энергией внешнего и внутреннего ядра планеты. Они отмечаются:

1. лучшим сочетанием потребительских качеств;
2. эффективностью;
3. ценой.

Схемы циркуляции теплоносителей

При работе теплового насоса (ТН) используется три замкнутых контура, по которым циркулируют различные жидкости/газы - теплоносители. Каждый из них выполняет свои функции.

Контур съема потенциала энергии источника

При заборе тепла воздуха используется искусственный обдув корпуса испарителя воздушными потоками от вентиляторов.

Замкнутый цикл жидкого теплоносителя для передачи тепла водной среды или земли осуществляется по трубопроводам, которые соединяют змеевик испарителя с коллектором, утопленным на дно водоема либо заглубленным в землю на расстояние, превышающее промерзание грунта в сильные холода.

В качестве теплоносителя применяются незамерзающие жидкости на основе разбавленных водных растворов спирта. Их принято называть «антифризы» или «рассолы». Они под влиянием более высокой температуры (≥+3ºС) поднимаются к испарителю, передают ему тепло, а после охлаждения (≈-3ºС) самотеком направляются назад к источнику энергии, обеспечивая непрерывную циркуляцию.

Внутренний контур

По нему циркулирует хладагент на основе фреона, «поднимая» тепло на более высокий уровень. Под действием температуры он последовательно переходит в газообразное и жидкостное состояние.

В состав внутреннего контура входят:

• испаритель, забирающий энергию от рассолов и передающий ее фреону, который при этом закипает и становится разреженным газом;
• компрессор, сжимающий газ до высокого давления. При этом резко увеличивается температура фреона;
• конденсатор, в котором горячий газ передает свою энергию теплоносителю выходного контура, а сам остывает, переходя в жидкое состояние;
• дроссель (расширительный клапан), редуцирующий фреон за счет перепада давления до состояния насыщенного пара для поступления в испаритель. При прохождении хладагента через узкое отверстие давление теплоносителя падает до начального значения.

Выходной контур

Здесь циркулирует вода. Она обогревается в змеевике конденсатора для использования в обычной жидкостной системе отопления. При этом способе ее температура достигает порядка 35ºС, что обусловливает ее применение в системе «Теплый пол» с длинными магистралями, позволяющими равномерно передавать генерируемую энергию всему объему помещения.

Использование только радиаторов отопления , создающих меньшие объемы теплообмена с пространством комнат, не так эффективно.

Конструктивное исполнение

Промышленность выпускает различные по эксплуатационным характеристикам модели, но они имеют в своем составе оборудование, выполняющее типовые задачи, описанные выше.

Как вариант конструктивного исполнения на рисунке представлен тепловой насос для отопления дома.

Здесь по входным трубопроводам принимается тепло от геотермальных источников, а по выходным - передается в систему обогрева дома.

Работа теплового насоса обеспечивается:

• системой контроля параметров схемы и управления, включая дистанционные способы через интернет;
• дополнительным оборудованием (узлы промывки и заполнения, расширительные баки, группы безопасности, насосные станции).

Грунтовые конструкции

Они используют три схемы устройства теплообменников для забора энергии от источника:

1. поверхностное расположение;
2. установка вертикальных грунтовых зондов;
3. заглубление горизонтальных конструкций.

Первый метод наименее эффективен. Поэтому он редко применяется для отопления дома.

Установка зондов в скважинах

Этот способ наиболее эффективен. Он предусматривает создание скважин на глубины порядка 50÷150 метров и больше для размещения U-образного трубопровода из пластиковых материалов с диаметром от 25 до 40 мм.

Увеличение площади поперечного сечения трубы, как и углубление скважины, создает улучшенный теплосъем, но удорожает конструкцию.

Горизонтальные коллекторы

Бурение скважин для зондов стоит дорого. Поэтому часто выбирается этот способ, как более дешевый. Он позволяет обойтись рытьем траншей ниже глубины промерзания почвы.

В проекте горизонтального коллектора следует учитывать:

1. теплопроводность грунта;
2. среднюю влажность почвы;
3. геометрию участка.

Они влияют на габариты и конфигурацию коллектора. Трубы могут укладываться:

• петлями;
• зигзагами;
• змейкой;
• плоскими геометрическими фигурами;
• винтовыми спиралями.

Важно понимать, что площадь участка, отводимого под такой коллектор, обычно превышает габариты фундамента дома в 2÷3 раза. Это основной недостаток такого метода.

Водные коллекторы

Это наиболее экономичный способ, но он требует расположения около здания глубокого водоема. На его дне размещают и закрепляют грузами собранные трубопроводы. Для эффективной работы теплового насоса требуется просчитать минимальную глубину закладки коллектора и объем водоема, способного обеспечить теплосъем.

Габариты такой конструкции определяются проведением тепловых расчетов и могут достигать протяженности более 300 метров.

Рисунок ниже демонстрирует подготовку магистралей для сборки на льду весеннего озера. Он позволяет визуально оценить масштабы предстоящей работы.

Воздушный метод

Внешний или встроенный вентилятор нагнетает воздух с улицы прямо на испаритель с фреоном, как в кондиционере. При этом не требуется создавать громоздкие конструкции из труб и помещать их в грунт или водоем.

Тепловой насос для отопления дома, работающий по такому принципу, стоит дешевле, но использовать его рекомендуется в относительно теплом климате: морозный воздух не позволит работать системе.

Подобные устройства нашли широкое применение для обогрева воды в бассейнах или помещений, расположенных рядом с промышленными устройствами, постоянно участвующими в технологическом процессе и выделяющими в атмосферу тепло мощными системами охлаждения. В качестве примера можно привести силовые автотрансформаторы энергетики, дизельные станции, котельные.

Основные характеристики

При выборе модели ТН следует учитывать:

• выходную тепловую мощность;
• коэффициент трансформации тепловых насосов;
• условный кпд;
• годовую эффективность и издержки.

Выходная мощность

При создании нового проекта дома учитывают его потребности в тепле с учетом конструктивных особенностей материалов, создающих теплопотери через стены, окна, двери, потолок и пол помещений различных габаритов. Расчет учитывает создание комфорта при самых низких морозах в конкретной местности.

Потребляемая тепловая мощность здания выражается в кВт. Она должна покрываться вырабатываемой энергией теплового насоса. Однако часто при расчетах делают упрощение, позволяющее экономить: длительность самых холодных дней в течение года не превышает нескольких недель. На этот период подключается дополнительный источник тепла, например, ТЭНы, подогревающие воду в котле.
Они работают только в критических ситуациях при морозах, а в остальное время отключены. Это позволяет использовать ТН с меньшими мощностями.

Возможности конструкций

Для справки. Модели выходной мощности 6÷11 кВт «рассольно-водяных» схем способны нагревать воду встроенных баков в относительно небольших постройках. Мощность в 17 кВт достаточна для поддержания температуры воды 65ºС у котла с емкостью 230÷440 литров.
Потребности в тепле средних по величине зданий покрывают мощности 22÷60 кВт.

Коэффициент трансформации тепловых насосов Ктр

Он определяет эффективность конструкции по безразмерной формуле:

Kтр=(Твых-Твх)/Твых

Величина «Т» обозначает температуру теплоносителей на выходе и входе в конструкцию.

Коэффициент преобразования энергии (ͼ)

Его рассчитывают для определения доли полезной мощности тепла по отношению к приложенной энергии на компрессор.

ͼ=0,5Т/(Т-То)=0,5(ΔТ+То)/ΔТ

Для этой формулы температура потребителя «Т» и источника «То» определяется в градусах Кельвина.

Величину ͼ можно определить по количеству затраченной энергии на работу компрессора «Рэл» и полученной полезной теплопроизводительности «Рн». В этом случае его называют «СОР» по сокращению от английского термина «Coefficient of perfomance».

Коэффициент ͼ - переменная величина, зависимая от перепада температур между источником и потребителем. Он обозначается цифрами от 1 до 7.

Условный КПД

Это неверное утверждение: коэффициент полезного действия учитывает потери мощности при работе конечного устройства.
Для его определения надо выходную тепловую мощность разделить на приложенную с учетом энергии геотермальных источников. При таком расчете вечного двигателя не получится.

Годовая эффективность и издержки

Коэффициент СОР оценивает работу теплового насоса в определенный момент времени при конкретных условиях эксплуатации. Чтобы проанализировать работу ТН, введен показатель эффективности системы за год (β).

Здесь символ Qwp обозначает величину тепловой энергии, произведенной за год, а Wel - значение потребленного электричества установкой за то же время.

Показатель издержек Eq

Эта характеристика обратна показателю эффективности.

Для определения характеристик ТН используется специализированное программное обеспечение и заводские стенды.

Отличительные черты

Преимущества

Отопление дома тепловым насосом в сравнении с другими системами обладает:

1. хорошими параметрами экологичности;
2. большим сроком службы оборудования без технического обслуживания;
3. возможностью простого переключения режима обогрева зимой на кондиционирование летом;
4. высокой годовой эффективностью.

Недостатки

На стадии проекта и при эксплуатации приходится учитывать:

1. сложность выполнения точных технических расчетов;
2. высокую стоимость оборудования и монтажных работ;
3. возможности образования «воздушных пробок» при нарушениях технологии укладки трубопроводов;
4. ограниченную температуру воды на выходе из системы (≤+65ºС);
5. строгую индивидуальность каждой конструкции для любого здания;
6. потребность больших площадей для коллекторов с исключением строительства объектов на них.

Краткий перечень производителей

Современный тепловой насос для отопления дома выпускают такие компании, как:

• Bosch - Германия;
• Waterkotte - Германия;
• WTT Group OY - Финляндия;
• ClimateMaster - США;
• ECONAR - США;
• Dimplex - Ирландия;
• FHP Manufacturing - США;
• Gustrowr - Германия;
• Heliotherm - Австрия;
• IVT - Швеция;
• LEBERG - Норвегия.