Как работает тепловой насос для отопления дома?

Тепловой насос: принцип работы для отопления дома

Сегодня тема отопления так называемого частного сектора крайне актуальна. Как показывает практика, там не всегда есть газопровод, поэтому люди вынуждены искать альтернативные источники тепла. Давайте в данной статье поговорим о том, что такое грунтовый геотермальный теплонасос или, как его называют в быту – тепловой насос. Принцип работы данного агрегата известен далеко не каждому, ровно как и его конструкция. С этими моментами мы и попытаемся разобраться.

Что нужно знать?

Вы можете говорить о том, что раз тепловые насосы такие эффективные, то почему так слабо распространены. Все дело заключается в высокой стоимости оборудования и монтажа. Именно по этой простой причине многие отказываются от данного решения и выбирают, скажем, электрические или угольные котлы. Тем не менее отбрасывать данный вариант не стоит по многим причинам, о чем мы обязательно скажем в данной статье. Тепловые насосы после установки становятся весьма экономичными, так как используют энергию грунта. Геотермальный насос – это 3 в 1. Он сочетает в себе не только отопительный котел и систему ГВС, но и кондиционер. Давайте поближе познакомимся с данным оборудованием и рассмотрим все его сильные и слабые стороны.

Принцип действия агрегата

Принцип работы теплового насоса для отопления заключается в использовании разности потенциалов тепловой энергии. Именно поэтому подобное оборудование может применяться в любой среде. Главное, чтобы её температура была не менее 1 градуса по Цельсию.

Мы имеем теплоноситель, который движется по трубопроводу, где, собственно, и нагревается на 2-5 градусов. После этого теплоноситель поступает в теплообменник (внутренний контур), где отдает собранную энергию. В это время во внешнем контуре есть хладагент, который имеет низкую температуру кипения. Соответственно, он превращается в газ. Поступая в компрессор, газ сжимается, в результате чего его температура становится еще выше. Дальше газ идет на конденсатор, где теряет свое тепло, отдавая его системе отопления. Хладагент приобретает жидкое состояние и поступает обратно во внешний контур.

Вкратце о видах тепловых насосов

Сегодня известно несколько популярных конструкций геотермальных насосов. Но при любом раскладе их принцип действия можно сравнивать с работой холодильной техники. Именно поэтому независимо от вида насос в летнее время может быть использован в качестве кондиционера. Так вот, тепловые насосы классифицируются по тому, откуда они могут добывать тепло:

• Из грунта;
• Из водоема;
• Из воздуха.

Первый вид наиболее предпочтителен в холодных регионах. Дело в том, что температура воздуха зачастую опускается до -20 и ниже (на примере РФ), а вот глубина промерзания грунта обычно несущественная. Что касается водоемов, то они есть не везде, да и использовать их не слишком целесообразно. В любом случае, лучше выбирать грунтовый тепловой насос для отопления дома. Принцип работы агрегата мы немного рассмотрели, поэтому идем дальше.

«Грунт-вода»: как лучше разместить?

Получение тепла из грунта считается наиболее целесообразным и рациональным. Обусловлено это тем, что на глубине 5 метров практически не происходит температурных колебаний. В качестве теплоносителя используется специальная жидкость. Её принято называть рассолом. Она является полностью экологически безопасной.

Что касается метода размещения, то есть горизонтальный и вертикальный. Первый вид характерен тем, что пластиковые трубы, представляющие внешний контур, укладываются на площади горизонтально. Это весьма проблематично, так как работы по укладке должны проводиться на площади 25-50 квадратных метров. В случае с вертикальным расположением бурятся вертикальные скважины глубиной 50-150 метров. Чем глубже будут уложены зонды, тем эффективней будет работать геотермальный тепловой насос. Принцип работы мы уже рассмотрели, а сейчас поговорим еще о важных деталях.

Тепловой насос «Вода-вода»: принцип работы

Также не стоит сразу отбрасывать возможность использования кинетической энергии воды. Дело в том, что на большой глубине температура остается достаточно высокой и изменяется в небольших диапазонах, если это вообще происходит. Вы можете пойти несколькими путями и использовать:

• Открытые водоемы, такие как реки и озера.
• Грунтовые воды (скважина, колодец).
• Сточные воды пром.циклов (обратное водоснабжение).

С экономической и технической точки зрения проще всего наладить работу геотермального насоса в открытом водоеме. При этом существенных конструктивных отличий между насосами «грунт-вода» и «вода-вода» нет. В последнем случае погружаемые в открытый водоем трубы снабжаются грузом. Что касается использования грунтовых вод, то конструкция и монтаж более сложные. Необходимо выделить отдельную скважину для сброса воды.

Принцип работы теплового насоса «Воздух-вода»

Такой тип насосов считается одним из наименее эффективных по целому ряду причин. Во-первых, в холодное время года температура воздушных масс существенно понижается. В конечном итоге это приводит к уменьшению мощности насоса. Он может не справиться с отоплением большого дома. Во-вторых, конструкция более сложная и менее надежная. Тем не менее расходы на монтаж и обслуживание существенно снижаются. Это обусловлено тем, что вам не нужен водоем, колодец, а также не требуется копать траншеи под трубы на дачном участке.

Размещается система на крыше здания или в другом подходящем месте. Стоит заметить, что подобная конструкция имеет один существенный плюс. Он заключается в возможности использования отработанных газов, воздуха, который покидает помещение, повторно. Этим можно компенсировать недостаточную мощность оборудования в зимний период.

Насосы «воздух-воздух» и кое-что еще

Подобные установки встречаются еще реже, нежели «Воздух-вода», на что есть целый ряд причин. Как вы уже догадались, в нашем случае в качестве теплоносителя используется воздух, который нагревается от более теплой воздушной массы из окружающей среды. Есть большое количество недостатков такой системы, начиная от низкой производительности и заканчивая высокой стоимостью.Тепловой насос “воздух-воздух”, принцип работы которого вы знаете, неплох только в теплых регионах.

Тут есть и сильные стороны. Во-первых, дешевизна теплоносителя. Скорее всего, вы не столкнетесь с проблемой течи воздухопровода. Во-вторых, эффективность такого решения крайне высока в весенне-осенний период. Зимой же использовать воздушный тепловой насос, принцип работы которого мы рассмотрели, нецелесообразно.

Самодельный тепловой насос

Проведенные исследования показали, что срок окупаемости оборудования напрямую зависит от отапливаемой площади. Если речь идет о доме в 400 квадратных метров, то это примерно 2-2,5 года. А вот для тех, кто имеет жилье площадью поменьше, вполне можно использовать самодельные насосы. Может показаться, что сделать такое оборудование сложно, но на самом деле это несколько не так. Достаточно закупить необходимые комплектующие, и можно приступать к монтажу.

Первым делом приобретается компрессор. Можно взять такой, какой на кондиционере. Монтируют его аналогичным образом на стену здания. Помимо этого, нужен конденсатор. Его можно соорудить самостоятельно или же купить. Если пойти первым методом, то понадобится медный змеевик толщиной не менее 1мм, его помещают в корпус. Это может быть подходящий по габаритам бак. После монтажа бак сваривается, и делаются нужные резьбовые соединения.

Заключительная часть работ

При любом раскладе на окончательной стадии вам потребуется нанять специалиста. Именно знающий человек должен осуществлять пайку медных трубок, закачку фреона, а также первый запуск компрессора. После сборки всей конструкции её подключают к внутренней системе отопления. Наружный контур устанавливается в последнюю очередь, а его особенности зависят от типа используемого теплового насоса.

Не стоит упускать из виду такой важный момент, как замена устаревшей или поврежденной проводки в доме. Специалисты рекомендуют устанавливать счетчик мощностью не менее 40 ампер, чего должно быть вполне достаточно для эксплуатации теплового насоса. Не лишним будет отметить, что в некоторых случаях подобное оборудование не оправдывает ожидания. Это обусловлено, в частности, неточными термодинамическими расчетами. Чтобы не случилось так, что вы потратили кучу денег на отопление, а зимой пришлось поставить угольный котел, обращайтесь в проверенные организации с положительными отзывами.

Безопасность и экологичность прежде всего

Отопление с помощью описанных в данной статье насосов является одним из наиболее экологических методов. Обусловлено это по большей части сокращением выбросов в атмосферу углекислых газов, а также сбережением невосстанавливаемых энергоресурсов. Кстати, в нашем случае используются возобновляемые ресурсы, поэтому бояться, что тепло вдруг закончится, не стоит. Благодаря использованию вещества, кипящего при низких температурах, появилась возможность реализовать обратный термодинамический цикл и при меньших затратах энергии получать достаточное количество тепла в дом. Что касается пожаробезопасности, то тут и так все понятно. Нет вероятности утечки газа или мазута, взрыва, нет опасных мест для хранения горючих материалов и многое другое. В этом плане тепловые насосы очень хороши.

Заключение

Теперь вы полностью знакомы с тем, что такое и каким может быть тепловой насос (принцип работы). Своими руками подобный агрегат сделать можно, а в некоторых случаях даже нужно. В этом случае вы можете сэкономить порядка 30% средств на покупку оборудования. Но опять же монтажными работами желательно должен заниматься специалист, это же касается и проводимых расчетов.

Как ни крути, сегодня это еще достаточно дорогостоящий вид отопления с большим сроком окупаемости. В большинстве случаев куда проще провести газ или топить углем или дровами. Тем не менее для больших загородных домов это очень перспективный вид отопления. Его говорить об экономичности оборудования, то получается что на 1 кВт потраченной энергии мы получаем порядка 5-7 кВт тепловой. По охлаждению это 2-2,5 кВт на выходе, что тоже очень даже неплохо. Стоит отметить еще и бесшумность работы насоса. Вот, в принципе, и все, что можно рассказать по данной теме.

Как работает тепловой насос для отопления дома

Тепловой насос – универсальный прибор, функционально объединивший в себе характеристики кондиционера, водонагревателя и котла отопления. Этот прибор не использует обычное топливо, для его работы необходимы возобновляемые источники из окружающей среды – энергия воздуха, грунта, воды.

Поэтому тепловой насос сегодня – наиболее экономически выгодный агрегат, поскольку его работа не зависит от стоимости топлива, также экологичный, поскольку источником тепла выступает не электричество или продукты сгорания, а природные источники тепла.

Для лучшего понимания, как работает тепловой насос для отопления дома, стоит вспомнить принцип работы холодильника. Здесь испаряется рабочее вещество, отдавая холод. А в насосе наоборот, оно конденсируется и продуцирует тепло.

Принцип работы теплового насоса

Весь процесс работы системы представлен в виде цикла Карно – названного по имени изобретателя. Описать его можно следующим образом. Теплоноситель проходит через рабочий контур – воздушный, земляной, водный, их сочетания, откуда направляется в 1-й теплообменник – испарительную камеру. Здесь он передает накопленное тепло хладагенту, циркулирующему во внутреннем контуре насоса.

Жидкий хладагент поступает в испарительную камеру, где низкие значения давления и температуры (5 0 С) переводят его в газообразное состояние. Следующий этап – переход газа в компрессор и его сжатие. В результате чего температура газа резко возрастает, газ переходит в конденсатор, здесь он обменивается теплом с системой отопления. Охлажденный газ переходит в жидкость, и цикл повторяется.

Достоинства и негативные стороны тепловых насосов

Работой тепловых насосов для отопления дома можно управлять посредством специально установленных терморегуляторов. Насос автоматически включается при падении температуры среды ниже заданного значения и отключается, если температура превышает заданную отметку. Тем самым прибор поддерживает постоянную температуру в помещении – это одно из преимуществ устройств.

Достоинствами прибора являются его экономичность – насос потребляет небольшое количество электроэнергии и экологичность, или абсолютная безопасность для окружающей среды. Основные преимущества устройства:

• Надежность. Срок службы превышает 15 лет, все части системы обладают высоким рабочим ресурсом, перепады энергии не наносят системе вреда.
• Безопасность. Отсутствуют сажа, выхлоп, открытое пламя, утечка газа исключена.
• Комфорт. Работа насоса бесшумная, уют и комфорт в доме помогают создать климатконтроль и автоматическая система, работа которой зависит от погодных условий.
• Гибкость. Прибор отличается современным стильным дизайном, его можно совместить с каждой системой отопления дома.
• Универсальность. Применяется в частном, гражданском строительстве. Поскольку обладает широким диапазоном мощностей. За счет чего может обеспечить теплом помещения любой площади – от небольшого дома до коттеджа.

Сложная структура насоса определяет его главный недостаток – высокую стоимость оборудования и его монтажа. Для установки прибора необходимо проводить земляные работы в больших объемах.

Тепловые насосы – классификация

Работа теплового насоса для отопления дома возможна в широком температурном диапазоне – от -30 до +35 градусов по Цельсию. Наиболее распространены приборы абсорбционные (переносят тепло посредством его источника) и компрессионные (циркуляция рабочей жидкости происходит за счет электроэнергии). Наиболее экономичны абсорбционные устройства, однако они более дорогостоящие и обладают сложной конструкцией.

Классификация насосов по типу источников тепла:

1. Геотермальные. Забирают тепло воды или земли.
2. Воздушные. Забирают тепло атмосферного воздуха.
3. Вторичного тепла. Забирают так называемое производственное тепло – образующееся на производстве, при отоплении, прочих промышленных процессах.

Теплоносителем может выступать:

• Вода из искусственного или естественного водоема, грунтовые воды.
• Грунт.
• Воздушные массы.
• Комбинации вышеперечисленных носителей.

Если в холодильнике решается задача понижения температуры в камерах, где хранятся продукты, то отопление тепловым насосом – это возможность поднять температуру в помещении без сжигания электричества или твердых энергоносителей, газа и т.д.

Разновидности тепловых насосов и систем

Инженерам-разработчикам удалось найти способ «перехвата» энергии природы для последующего преобразования в ту, что способна отопить дом и нагреть воду в системе водоснабжения. Причем источник – низкотемпературный (низкопотенциальный), что в корне отличает идею от классической, где сжигается уголь, газ, дрова, жидкое топливо или расходуется электроэнергия. Сейчас есть несколько источников, от которых можно получить достаточно энергии, чтобы обогреть частный дом.

В первую очередь это Солнце. Лучи, достигая поверхности Земли, емли нагревают элементы, которые поглощают энергию. А установка перерабатывает ее, усиливает, и передает на теплообменник для разогрева теплоносителя в отопительном контуре. Второй источник – сама Земля, а точнее тепло ее ядра, передаваемого через мантию верхним слоям земной коры. При этом инженерам удалось разработать три различных схемы, определяющих тип устройства: грунтовые, водяные, воздушные. Каждый вид отличается, что позволяет выбрать наиболее эффективный способ для отдельно взятого случая.

Грунтовые тепловые насосы

Количества тепловой энергии, получаемой от грунта, достаточно для разогрева хладогента до уровня, где тот меняет агрегатное состояние, превращаясь в пар. Удобно то, что на глубине уже в несколько метров сезонные температурные колебания не наблюдаются. Это позволяет пользоваться прибором круглый год, и в доме всегда будет горячая вода.

Для приема тепла земли используется раствор этиленгликоля или пропиленгликоля. Водный эталон применяется, но реже. Система труб, по которым циркулирует энергопоглощающая жидкость, герметична.

Есть два способ размещения трубопровода в грунте:

1. Горизонтальный коллектор – это система горизонтально лежащего контура.
2. Геотермальный зонд – приемники расположены вертикально и связаны между собой.

Геотермальные насосы с горизонтальным коллектором предполагают заглубление на полтора-два метра. Главное пройти отметку уровня промерзания грунта. Для каждого региона она своя. В среднем это 1,2 метра. Если требуется отопить здание, площадью до 100 кв. м., придется выкопать котлован или вырыть сеть траншей, площадью в 2-3 сотки. Это не обязательно делать под самим сооружением. Главное не садить на задействованном участке растения, имеющие корни, уходящие глубоко в землю.

Эту проблему полностью решает геотермальный зонд. Трубы устанавливаются в скважины. Бурить придется на 100-200 метров. Но их достаточно двух, если требуется обогреть здание в сто квадратов.

Между скважинами должно быть расстояние не менее пяти метров. Поэтому если участок мал, застроен или засажен, скажем, садом, это лучший способ установки теплового насоса с зондом, когда задействована минимальная площадь надела. С другой стороны цепь горизонтальных приемников тепла можно построить самостоятельно без применения бурового оборудования.

Водяные тепловые насосы

Для использования такого теплового насоса, принцип действия взят тот же. Но отличается тип источника. В данном случае это грунтовые воды. Естественно, глубина их залегания должна быть доступна в регионе. Но если такая возможность есть, система отличается тепловой стабильностью, так как подземные воды имеют постоянную температуру круглый год. Это делает устройство пригодным для применения в течение всех четырех сезонов. Перед монтажом проводят геологическую разведку, чтобы убедиться, что вода течет на глубине 30-40 метров.

Однако требуется и химический анализ. Если в составе мало солей железа и ряда других примесей, можно ставить геотермальный зонд. В противном случае это нецелесообразно ввиду наличия риска преждевременного выхода из строя и низкой производительности. В данном случае применяют грунтовый тепловой насос или воздушный. Именно это требование является причиной того, что среди всей массы рабочих ныне установок тепловые насосы водяного типа используются реже – порядка 5% случаев.

Воздушные тепловые насосы

Главное преимущество этого способа организации отопления и подачи горячей воды – отсутствие необходимости вести полномасштабное строительство. Не нужно бурить скважины для геотермальных зондов. Нет необходимости рыть траншеи, как в случае с грунтовым тепловым насосом. Все узлы размещаются на поверхности. В итоге сметная стоимость значительно ниже. Времени на установку и обустройство затрачивается меньше. Но при всем кажущемся комфорте это устройство далеко не идеально.

Главный минус – высокий КПД будет только если воздух на улице не охлажден до -15…-20 градусов по Цельсию. Если ударят морозы еще сильнее, система будет работать с меньшей эффективостью, что приводит к выходу из строя. А если теплоноситель в трубах и радиаторах замерзнет, произойдет разгерметизация, а по весне дом будет затоплен. Придется тратить деньги на ремонт. Однако в районах, где подобного не случается, люди пользуются таким методом организации отопления.

Коэффициент эффективности

Именно этот параметр позволяет сопоставить эффективность установок различного типа, чтобы определить оптимальный вариант. Данный термин является тем самым КПД. Рассчитывается эффективность как отношение вырабатываемого количества энергии и потребляемому. Под потреблением стоит понимать электроэнергию, затраченную на запуск системы и расходуемую в процессе ее работы. Независимо от времени года для водяных модификаций коэффициент эффективности равен 5.

Другими словами, если устройство потребляет, скажем 2 кВт в час, то установка выдает до 10 кВт час, но уже в виде тепла. Геотермальное отопление частного дома менее эффективно, так как коэффициент равен 4,0-4,5. В случае с воздушным типом определяющим фактором является температура окружающей среды. Так при нуле он равен 3,5. Если же она снизится до -20 град. то эффективность будет равна 1,5. Именно нестабильность в последнем случае является фактором низкого спроса на устройства воздушного типа. А все больше людей отдают предпочтение «золотой» середине – геотермальным агрегатам.

Часто поставщики оборудования указывают в техническом описании КПД в процентах. Этот маркетинговых ход не должен ввести вас в заблуждение. Если, например, имеет место характеристика эффективности в 400%, то это означает, что коэффициент равен 4. Иными словами при потреблении 1 кВт*ч электроэнергии отопительная система способна вырабатывать до4 кВт*ч. То есть величину, указанную в процентах необходимо разделить на 100. Это и будет отношение потребления к «выработке».

Применение геотермальных насосов в условиях российского климата

Теперь вы знаете, чем отличаются типы тепловых установок, и сможете правильно определить, какой именно необходим в вашем случае. Воздушный тип пригоден для регионов, где температура не опускается ниже нуля. Это отличный способ организовать отопление дачи тепловым насосом, если собственник проводит там досуг с семьей с весны по осень. На зиму систему консервируют. В Сибири, Северных регионах, и даже в Европейской части России об отоплении зимой воздушными агрегатами не стоит и помышлять.

Водяные также не подойдут людям, живущим в условиях вечной мерзлоты. Здесь вода в грунте есть, но она находится в виде льда, а значит, не может служить источником тепла. На юге Российской Федерации, где глубина промерзания грунта невелика, а подземные реки и озера залегают неглубоко, такие устройства вполне жизнеспособны и достаточно эффективны. А вот геотермальные – универсальный вариант, и поэтому является самым востребованным на всей территории РФ, несмотря на трудоемкость организации зонда или коллектора.

Применение геотермального насоса для охлаждения

Некоторым производителям удалось интегрировать функцию кондиционирования. Такие модели стоят дороже, но нет необходимости нести дополнительные затраты, ведь нужно покупать кондиционеры для всех комнат. Если же такой опции изначально не предусмотрено, делают гидравлическую развязку, что также требует капиталовложений.

Охлаждение происходит благодаря холодным панелям на стенах и потолке, охлаждающему «теплому пол», через радиаторы отопления с хорошим обдувом или же с помощью фанкойла. В последнем случае речь идет о пластинчатом теплообменнике, вмонтированном в кожух с вентилятором и направляющими жалюзями.

Применение геотермального насоса для горячего водоснабжения

Каждая из описанных выше схем позволяет не только обогревать жилище, но и снабжать людей горячей водой, причем независимо от времени года. Даже при отключенном отоплении в трубах будет вода с температурой от +45 до +60 град. Используется специальная емкость с теплообменником – бойлер. Проточные модификации не нашли применения ввиду слабой эффективности и отсутствия возможности иметь запас. Недостаток – необходимость обустройства отдельного помещения под котельную.

Обычный водонагреватель не подойдет. Покупают специализированное оборудование, предназначенное для подключения к теплонасосной установке. Такой бак обойдется дороже, ведь для эффективного разогрева объема воды потребуется развитая сеть теплообменных элементов, что влечет за собой удорожание. Материалов расходуется больше, а устройство сложнее в исполнении. Однако экономия перекроет затраты уже в первые год-два в зависимости от частоты использования и количества жильцов.

Геотермальные насосы со встроенным тэном

Это способ решить массу возможных проблем. Даже если морозы превысят отметку в -20 градусов, электроника включит дополнительный нагревательный элемент, и температура в комнатах будет всегда комфортной. Если на зиму дом оставлен без присмотра, такая система не будет заморожена, так как ТЭН поддерживает положительную температуру в системе. Любая поломка не является проблемой, и пока не будут предприняты меры по ее устранению, агрегат работает как обычный электрический котел. Правда придется заплатить чуть больше.

Советы и рекомендации

Выбирая оборудование, оценивайте имеющиеся возможности, но не экономьте. Рассчитывая требуемую производительность, закладывайте запас мощности в 10%. Это необходимо на случай запредельных морозов. Оснащение, работающее на пределе, прослужит меньше, тогда как насос, эксплуатируемый в нормальном диапазоне нагрузки, отработает дольше. Разработку проекта и монтаж доверьте профессионалам. Изучите инструкцию, и не отступайте от требований производителя. Без согласования не вносите в конструкцию изменений.