Тепловой насос для отопления дома принцип работы

Принцип работы теплового насоса для отопления дома

В условиях растущих цен на топливо многие задумываются о снижении расходов. Учёные ломают голову над получением дешёвой энергии и максимальном использовании сил природы. Именно на простых законах физики и использовании природных стихий построен принцип действия теплового насоса.

Понятие теплового насоса и принцип его работы

Если сильно упростить структуру насоса, производящего тепло, то получится работа холодильника или кондиционера, но в более глобальном масштабе. Такая тепловая установка не требует топливного котла. Её нужно правильно смонтировать и подключить к источнику электропитания. Это вовсе не обозначает, что насос отапливает дом электричеством — киловатты тратятся на функционирование системы.

Устройство насоса

Принцип действия теплового насоса не особо отличается от выбранного вида — тепло забирается во внешней среде и передаётся в дом. Такие установки имеют всего три главных компонента:

• Зонд, собирающий тепло.
• Сам тепловой насос, включая компрессор.
• Система отопления здания с теплообменной камерой.

• капилляр;
• хладагент;
• компрессор;
• испаритель;
• конденсатор;
• терморегулятор.

Принцип работы теплового насоса

Разновидности тепловых насосов

Общий принцип теплонасосных установок заключается в обмене температур между носителями. Тепло первичного источника передаётся системе отопления без использования топлива. Эти источники можно поделить на 3 группы:

• геотермальные;
• аэротермические;
• гидротермальные.

• Открытого типа.
• Закрытых разновидностей.

Контур геотермального теплового насоса

Достоинства и недостатки насосов разных видов

Наиболее простой и быстромонтируемый вид теплоустановки — это аэротермический. Теплообмен происходит с воздухом, не требуя монтажа большого количества оборудования. Плюсами являются:

• лёгкость установки без труб и радиаторов;
• безопасность и экологичность эксплуатации;
• возможность использования в летнее время для охлаждения.

Насос вода-вода требует более сложного монтажа и соблюдения обязательного условия — на участке должен быть водоём, непромерзающий зимой до самого дна. Это является недостатком такой установки, в ряде случаев её просто невозможно смонтировать. Преимуществами этой системы являются высокая эффективность, возможность эксплуатации в морозы и более низкая стоимость установки относительно геотермальной.

Схема теплового насоса вода-вода

Список плюсов значительно шире:

• длительный срок работы при разовых вложениях;
• максимальная эффективность при любой погоде;
• эксплуатация и на охлаждение, и на обогрев здания;
• возможность использования в регионах с сильными морозами.

Особенности монтажа теплового насоса

Почти все теплонасосные установки допускают возможность самостоятельного монтажа. Возможность самому установить насос при вертикальном расположении зонда исключена — требуется бурение скважины на глубину не менее 100 метров. Во всех остальных случаях достаточно соблюсти простые требования.

Монтаж теплового насоса – это трудозатратное дело

Минимальные требования

Система вода-вода не может функционировать без поверхностного водоёма в шаговой доступности при самостоятельной установке. Возможен монтаж силами профессионалов вертикальной системы, если есть источник подземных вод.

Горизонтальный грунтовой насос требует наличия свободного участка земли, незанятой под огород, сад и не имеющей тяжёлых строений. При этом его площадь должна в 2─4 раза превышать размер земли, занятой отапливаемым строением. Система вода-воздух или воздух-воздух требует хотя бы минимальной ветрености и должна быть установлена не более, чем в 20 метрах от здания.

Устройство теплового насоса требует наличия обязательного источника электропитания. При невозможности подключения насоса к стационарному электроснабжению допускается использование бензинового или дизельного генератора.

Монтаж воздушного теплового насоса

По сути, эта система представляет собой большой кондиционер в случае принципа воздух-воздух. В этом случае процесс монтажа прост — необходимо выбрать правильное месторасположение и обеспечить вход воздуховода в здание с обязательной установкой фильтров.

При выборе места установки воздухозаборников нужно учесть шум, производимый ими в работе. А также требуется обеспечить возможный отход конденсата для предотвращения обледенения. Воздушный теплонасос наиболее простой в монтаже.
Вернуться к содержанию

Установка водяного горизонтального насоса

Сначала необходимо собрать геоконтур из обычных полимерных труб необходимо при помощи грузил опустить на дно водоёма вместе с испарителем. Допустима установка в водоёмах со сточными или промышленными водами, не повреждающими полимер.

Теплообменник водяного горизонтального теплового насоса

Монтаж горизонтального насоса грунт-вода

Эта система наиболее популярна в частном секторе. Она понятна для самостоятельного монтажа, но требует большого объёма земляных работ. Возможно простое «U-образное» расположение труб под землёй на большое расстояние или же монтаж змеевидной системы на ограниченном участке.

Необходимо учесть, что для получения 1 кВт тепловой энергии требуется 50 кв. м. коллекторов. При змеевидном расположении труб они должны быть удалены друг от друга на расстояние в 0,7─1 м. КПД горизонтальной системы при правильном монтаже достигает 3─5 кВт тепловой энергии на один потраченный киловатт электричества.
Вернуться к содержанию

Вертикальные насосные установки

Самостоятельно смонтировать вертикальный насос невозможно — требуется бурение на глубину не менее 100 м. Для начала необходимо оплатить и получить разрешение на скважину. Такие теплонасосные установки наиболее дорогие, но максимально эффективные.

Нюансы расчётов при установке теплового насоса

Поняв, как работает тепловой насос, необходимо правильно рассчитать его мощность. Расчёт теплового насоса кажется простым только на первый взгляд. Лучше всего доверить эту работу специалистам, особенно если здание находиться в регионе с холодным климатом.

Грунтовый теплообменник вертикального теплового насоса

• R — теплопотери здания;
• V — объёмы дома в м³;
• T — максимальный перепад температур дом-улица;
• k — коэффициент теплопроводности здания (СНиП).

Сама формула выглядит так: R=k*V*T. Единицей измерения результата умножения являются ккал. Для перевода их в кВт необходимо произвести деление на 860. Полученный результат покажет максимально необходимую мощность насоса.
Вернуться к содержанию

Случаи низкой рентабельности насоса

Неправильные расчёты могут привести к недостаточной мощности. В тёплых областях это приведёт к монтажу излишне мощной системы, но в морозных регионах не позволит качественно отапливать здание.

Выше сказано, что воздушный насос неэффективен при морозах в минус 20 С. На самом деле сейчас уже существуют модели, способные функционировать при температуре в минус 32 С, оставаясь рентабельными. Пока такие системы реализуются по очень высокой стоимости и их эксплуатация обоснована только при невозможности выбора другого вида отопления.

А также необоснованные затраты будут при монтаже вертикальных систем в тёплых регионах. Их применение будет обоснованным только в очень жарком климате в случае эксплуатации с целью охлаждения при выборе реверсивных моделей насосов. Монтаж вертикальных систем в тёплых регионах для отопления нерентабелен — окупаемость установки с 5─7 возрастёт до 15─20 лет.

Если теплонасосная установка уже запланирована на этапе строительства дома, то стоит заранее рассчитать монтаж системы тёплых полов. Это наиболее выгодная система отопления с использованием тепловых насосов. Подключение к действующей радиаторной системе также эффективно, но менее рентабельно.
Вернуться к содержанию

Тепловой насос для отопления дома, принцип работы и виды

Тепловой насос — это альтернативный источник создания тепла для обогрева дома. Данное устройство преобразует низкопотенциальную тепловую энергию источника (земли, воды, воздуха) в высокотемпературное тепло. Тепловые насосы, преобразующие энергию земли являются наиболее распространенными.

Теорию теплового насоса разработал в 1852 году лорд Кельвин. В 1866 на основе данных изысканий Иоахимстале Петер фон Риттингер создал устройство, и использовал его для повышения эффективности выпаривания соли. В современной форме тепловой насос создал американец Роберт Уэббер в середине ХХ века. Он начал использовать тепловую энергию земли для отопления дома. Для этого под грунтом укладывались медные трубы, где циркулировал забирающий при испарении земное тепло фреон. Тепло это газ отдавал в доме, и, конденсируясь, опять шел на циркуляцию в землю.

В данном обзоре рассмотрены основные виды систем с использованием теплового насоса и принцип их работы.

Принцип действия теплового насоса

Принцип действия тепловых насосов схож с работой холодильных машин, где производиться получение холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду. В тепловом насосе же процессы происходят в обратном порядке — в этом и заключается основное различие.

Устройство теплового насоса:

Тепловой насос состоит из двух теплообменников — испарителя и конденсатора. В испарителе с помощью испаряющегося хладагента поддерживается температура ниже температуры того тела (грунт, вода или атмосферный воздух), от которого требуется отобрать тепло. В конденсаторе поддерживается температура выше температуры другого тела (система отопления дома), которому тепло передается.

Разные уровни температур в первом и втором теплообменниках обеспечиваются с помощью циркулирующего между ними хладагента, способного изменяться от жидкого к газообразному состоянию и обратно при различных температурах.

Тепловым насосам для работы требуется электроэнергия. Ориентировочно, затратив 1 кВт электроэнергии на работу компрессора и насосов, можно получить 3 — 5 кВт тепловой энергии. В летний период, при наличии реверсивного режима работы, тепловой насос может охлаждать воздух в помещении.

Эффективность тепловых насосов зависит от способа обогревания и качества утепления дома. Наиболее рациональным является применение низкотемпературных систем отопления (один из примеров — система теплый пол). Связано это с низкотемпературным режимом нагревания воды тепловым насосом. И, если бы в данном случае использовались традиционные радиаторы, то они должны быть увеличенных размеров.

Преимущества тепловых насосов

У тепловых насосов есть ряд существенных преимуществ:

• В первую очередь стоит отметить долговечность таких систем. Тепловые насосы могут работать 20-25 лет, после чего компрессор насоса может быть заменен и система продолжит свою работу.
• Кроме того, системы тепловых насосов безопасны, поскольку отсутствуют топливо, открытый огонь и опасные газы.
• Следующий положительный фак — экологическая чистота системы, которая в процессе функционирования не образует вредные окислы, а применяемые в них фреоны не содержат хлороуглеродов.

Основным недостатком системы является высокая стоимость. В связи с этим, выбирая тепловой насос, не стоит заказывать оборудование максимальной мощности. Это неоправданно дорого и не имеет смысла, так как фактическое количество холодных дней обычно не превышает двух-трех недель за год. Оптимальный тепловой насос должен иметь мощность, равную 60 — 80% от максимальной. А для покрытия пиковых нагрузок можно установить резервный котел с традиционным видом топлива либо использовать встроенные в тепловые насосы ТЭНы.

Виды тепловых насосов

Естественным источником энергии для теплового насоса может быть:

• Тепло земли (тепло грунта).
• Подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные).
• Наружный воздух.

Искусственные источники низкопотенциального тепла:

• Удаляемый вентиляционный воздух.
• Канализационные стоки (сточные воды).
• Промышленные сбросы.
• Тепло технологических процессов.
• Бытовые тепловыделения

И в зависимости от источников энергии тепловые насосы подразделяются на следующие типы:

• Вода — вода.
• Вода — воздух.
• Грунт — вода.
• Грунт — воздух.
• Воздух — вода.
• Воздух — воздух.

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

На глубине ниже 10 м температура грунта практически постоянна в течение всего года. Насосы типа «грунт – вода» используют тепловую энергию земли и передают ее для обогрева дома через систему водяного отопления. В тепловых насосах, работающих по принципу «грунт – воздух», тепловая энергия также отбирается у грунта и через компрессор напрямую передается воздуху, который используется для отопления зданий.

Механизм теплообмена следующий:

• Энергия, отобранная от земли, аккумулируется носителем, в качестве которого чаще всего используется незамерзающая жидкость — антифриз («рассол»).
• Опускаясь вниз по теплообменнику, «рассол» отбирает у грунта тепло (примерно 3 — 4 °С) и передает его фреону, циркулирующему во внутреннем контуре теплового насоса.
• Фреон, проходя через каналы испарителя, закипает и испаряется.
• Образовавшийся при этом пар поступает в компрессор, сжимается там (при этом температура его повышается), после чего горячий и сжатый пар направляется в теплообменник конденсатора, где охлаждается, передавая тепло воде.
• Вода используется в системе отопления и горячего водоснабжения, а жидкий фреон стекает на дно конденсатора, откуда, за счет перепада давлений, через дроссель возвращается в испаритель.
• Данный порядок цикличен — повторяется снова и снова.

Теплообменник в тепловых насосах типа «грунт – вода» бывает двух видов:

1. Горизонтальный коллектор.
2. Вертикальный коллектор.

Горизонтальный коллектор

При данной реализации отбирается тепло, накопленное в верхних слоях почвы в результате солнечного излучения, и коллектор представляет собой несколько контуров пластиковых труб, уложенных под слоем грунта.

Для эффективной работы системы, исходя из особенностей грунта, его теплопроводности и геометрии участка, выбирается определенная схема укладки труб – петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм. Также, эффективность теплообмена увеличивается на влажных грунтах и уменьшается на сухих песчаных участках.

Для отопления дома площадью 70 — 100 м² достаточно уложить приблизительно 200 — 320 м трубопровода несколькими петлями-контурами. Для этого нужен участок площадью примерно 150 — 200 м², то есть в 1,5 — 2 раза больше, чем отапливаемая площадь дома. Дальнейшее использование такого участка над коллектором возможно только в качестве лужайки или цветника.

Главное преимущество использования горизонтального коллектора в связке с тепловым насосом — простота монтажа и то, что при прочих равных условиях работы по монтажу оборудования обойдутся немного дешевле, чем бурение скважин.

Вертикальный коллектор

Грунтовые зонды вертикального коллектора представляют собой систему длинных труб, опускаемых в скважины глубиной 50-200 м.

Пространство в скважине вокруг зонда заполняется буровым раствором или цементно-бетонной смесью для защиты труб от повреждений и улучшения теплопередачи. Для дома площадью 70 — 100 м² понадобится 2 — 3 скважины глубиной около 50 м. Располагать скважины следует не ближе 2 м от стены дома, чтобы не повредить фундамент. Также скважины не должны находиться на одной линии течения подземных вод — иначе эффективность теплового насоса уменьшится.

Для вертикального коллектора не требуется большой участок, а на глубинах от 50 м температура грунта выше, потому эффективность теплообмена при использовании данной системы выше на 15 — 20%, чем у горизонтального коллектора.

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

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

Такие устройства имеют два варианта исполнения:

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

Тепловые насосы типа «вода – вода»

При соседстве с домом реки или пруда можно использовать тепловой насос, работающий по схеме «вода – вода». Для этого из водоема отбирается мощным насосом вода, которая прокачивается через первичный теплообменник теплового насоса, отдавая свою тепловую энергию фреону, и сбрасывается обратно в водоем.

Тепловой насос типа вода — вода наиболее экономичный. Однако, из-за загрязненности используемой воды необходимо предпринимать дополнительные меры для ее предварительной очистки перед подачей в тепловой насос.

Пример схемы обвязки теплового насоса вода — вода:

1. Теплообменник для пассивного охлаждения
2. Расширительный бак внешнего контура теплового насоса
3. Коллектор потолочного охлаждения
4. Расширительный бак системы отопления
5. Группа безопасности котла (теплового насоса)
6. Расширительный бак для ГВС
7. Резервный котел (высокотемпературный) с насосом и группой безопасности
8. Узел подмеса системы отопления
9. Термостатический клапан радиатора отопления
10. Буфер (тепловой аккумулятор)
11. Основной насос системы отопления
12. Тепловой насос вода-вода со встроенными циркуляционными насосами
13. Бойлер косвенного нагрева для ГВС
14. Насос рециркуляции ГВС
15. Коллектор водоснабжения
16. Коллектор теплых полов
17. Коллектор радиаторов

Подведем итог. Первоначальные затраты на систему отопления с тепловым насосом и ее обустройство достаточно высоки. Но, с учетом низких расходов на отопление, со временем можно покрыть первоначальные вложения и продолжить использование альтернативных источников для обогрева дома.

Тепловой насос для отопления дома – принцип работы, виды и монтаж

Тепловой насос для отопления на данный момент только начинает активно применяться в частных домах. Одним из главных достоинств этого способа обогрева, является низкое потребление электричества, но при этом высокое выделение тепла. Выделяют следующие разновидности оборудования, классификация осуществляется по источнику тепла.

Чтобы знать, какой тип насоса выбрать для домашнего использования, рекомендуется изучить особенности каждой модели и их принцип работы. Также у каждого вида существуют ограничения, о которых также важно знать.

Принцип действия тепловых насосов

Принцип работы устройства для обогрева дома основан на том, что вещество (холодильный агент) может отдавать тепловую энергию либо забирать ее в процессе смены состояния. Эта идея заложена в основу функционирования холодильника (из-за этого задняя стенка прибора горячая).

Термонасос для отопления функционирует следующим образом:

1. Поступающий агент охлаждается на 5 градусов в испарительном отделе на основании энергии от носителя тепла.
2. Охлажденный агент поступает в компрессор, который в результате работы сжимает и нагревает его.
3. Уже горячий газ попадает в отсек для теплообмена, в котором он отдает собственное тепло отопительной системе.
4. Сконденсированный хладагент возвращается к старту цикла.

Также существуют некоторые модели, которые могут обеспечивать реверсивное функционирование. Это значит, что подобные приборы эксплуатируются даже летом для охлаждения здания. Тепло направляется в хранилище, а затем используется для отопления в холодное время года.

Устройство

Тепловой насос для отопления дома состоит из нескольких основных контурных элементов:

• контур с теплоносителем, который перемещает энергию от теплоисточника;
• контур с фреоном, который периодически испаряется, забирая тепловую энергию с первого контура, и снова оседает конденсатом, передавая тепло третьему;
• контур, где циркулирует жидкость, являющаяся переносчиком тепла для отопления.

Эксплуатация термо насоса для отопления дома является выгодной с финансовой точки зрения. Причина этого в том, что устройство не требует высокой мощности (соответственно, расход электричества не больше, чем у стандартного бытового прибора), однако при этом производится в 4 раза больше тепла по сравнению с потребляемой электроэнергии.

Также не требуется создавать отдельную линию проводки для подключения насоса.

Плюсы и минусы

Перед принятием решения, использовать тепловой насос или нет, следует ознакомиться с достоинствами и недостатками его работы. К главным плюсам теплового насоса относится:

• небольшой расход электричества на отопление дома;
• отсутствие необходимости регулярного осмотра и технического обслуживания, что делает затраты на эксплуатацию теплового насоса для отопления минимальными;
• допускается монтаж в любой местности. Насос может работать с такими источниками тепловой энергии, как воздух, почва и вода. Поэтому появляется возможность его установки практически в любое место, где планируется строительство дома. А в условиях отдаленности от газовой магистрали, устройство является самым подходящим методом обогрева. Даже если отсутствует электричество, функционирование компрессора можно обеспечить при помощи привода на основе бензина или дизеля;
• отопление дома осуществляется в автоматическом режиме. Не требуется добавлять топливо или проводить иные манипуляции, как, например, в случае с котельным оборудованием;
• отсутствие загрязнения окружающей среды вредными газами и веществами. Все применяемые холодильные агенты полностью безопасны и экологически пригодны;
• пожаробезопасность. Жителям дома никогда не будет угрожать взрыв или повреждение вследствие перегрева теплового насоса;
• возможность эксплуатации даже при условиях холодной зимы (до -15 градусов);
• качественный тепловой насос для отопления дома может служить до 50 лет. Замена компрессора требуется лишь раз в 20 лет.

Как и любое устройство, тепловые насосы имеют определенные недостатки:

1. Если температура окружающей среды опускается ниже 15 градусов, то насос работать не сможет. В таком случае потребуется монтаж второго теплоисточника. При очень низких температурных значениях включается котел, генератор или электрический обогреватель;
2. Высокая стоимость оборудования. Оно будет стоить примерно 350 000-700 000 рублей, еще такую же сумму придется потратить на создание геотермальной станции и установку устройства. Дополнительные монтажные работы не требуются только для теплового насоса, использующего воздух в качестве теплового источника;
3. Лучше всего устанавливать тепловой насос в сочетании с теплым полом или вентиляторными конвекторами, однако в старых зданиях потребуется перепланировка и возможно даже капитальный ремонт, что повлечет дополнительные затраты времени и средств. Если частный дом строится с нуля, такая проблема отсутствует;
4. При работе теплового насоса температура грунта, расположенного вокруг трубопровода с теплоносителем, снижается. Это становится причиной гибели некоторых микроорганизмов, участвующих в функционировании окружающей среды. Таким образом, некоторый ущерб экологии все же наносится, однако он существенно меньше урона от газо- или нефтедобычи.

Использование тепловых установок в мире

Практика применения таких тепловых агрегатов в мире насчитывает уже более 50 лет. Главными движущими причинами такого явления стало удорожание традиционных энергетических ресурсов и повсеместная поддержка правительствами многих стран использования альтернативных источников энергии.

Поэтому количество тепловых насосов постоянно растет высокими темпами – до 10 – 30% в год, несмотря на высокую стоимость установки. Количество таких устройств в настоящее время составляет уже более 270 штук. Наиболее активно тепловые системы применяются в США и Канаде. На них приходится до половины установок, используемых во всем мире.

Россия, несмотря на положительные условия для применения тепловых насосов, отстает от мировых тенденций в их использовании. Здесь, по-видимому, играет роль наша убежденность в полной обеспеченности природными ресурсами. При этом, далеко не во всех населенных пунктах страны имеются газопроводы. Мировой опыт использования тепловых наcосов говорит о положительных тенденциях в развитии их использования.

Расчет теплового насоса

Как мы уже упоминали выше, низкопотенциальными источниками тепла для таких насосов чаще всего бывают перечисленные ниже среды:

1. Воздух из наружного пространства с температурой в среднем от -15 до +25 градусов.
2. Воздух из обогреваемого помещения, его температура составляет +15 – +25 градусов.
3. Воздух, из подпочвенного зонда нагретый до плюс 4 – 10 градусов.
4. Воздух из геотермальных пластов, температура которого может быть 10 и более градусов.
5. Воздух из донных зондов незамерзающих водоемов с температурой 0 – 10 градусов, в том числе и полученный в зондах, установленных на каналах промышленных стоков предприятий.

Методика расчета

Любой тепловой расчет является сложнейшим процессом, осуществить который доступно только квалифицированным специалистам. Тем не менее, можно предложить упрощенную методику, достаточную для получения результата, определяющего выбор той или иной модели агрегата.

Расчет сводится к выполнению ряда этапов:

1. Определение величины тепловых потерь через ограждающие элементы строения – стены, потолки, чердачные помещения, окна, двери и прочее. Этого можно достичь, воспользовавшись следующей зависимостью:

Qок = S x (tвн – t нар) х (1 + ?b) x n : Rт, где

S – общая площадь всех элементов ограждения здания, м 2 ;

t вн – температура на улице, град.С;

t нар – величина температуры воздуха в наружном пространстве, град.С;

n- коэффициент, которым учитывается конструкция здания, для открытых зданий он равен 1; для строений с чердачными помещениями он применяется в значении 0,9; для помещений, располагающихся на подвальным помещение его принимают равным 0,75;

b – коэффициент дополнительных тепловых потерь, зависящий от типа строения и его расположение в климатических зонах России, его величина может колебаться в пределах 0,05 – 0,27;

Rт – тепловое сопротивление, которое нужно дополнительно рассчитать по формуле:

Rт = 1( , м 2 хС/Вт, где

• расчетные значения теплопроводности материалов ограждающих конструкций;
• коэффициент рассеивания тепла с внутренних поверхностей;
• то же, для наружных поверхностей.

После проведения предварительных вычислений определяем суммарные потери тепла от различных факторов:

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, где

Qбл – суммарная теплоотдача от работы бытовой техники и жизнедеятельности людей;

Qи – затраты энергии на компенсацию тепловых потерь от неплотностей в устройстве ограждающих конструкций.

1. Основываясь на полученных результатах можно рассчитать потребность в электроэнергии в течение года. Для этого воспользуемся соотношением:

Qгод = 24х0,63 х Qт.пот х ((d x (tвн-tнар.ср) : (tвн-tнар)) (кВт/час) в год, где:

• tвн- желательная величина температуры во внутренних помещениях дома;
• t нар – фактическая наружная величина температуры;
• tнар.ср – среднегодовая величина температуры в регионе;
• d – протяженность отопительного периода, дней.

1. Желая иметь более достоверное представление о теплонасосе, нужно сделать расчет величины тепловой мощности, которая понадобится, чтобы разогреть воду в системе отопления дома. Это доступно с использованием такой расчетной формулы:

Qгор.в = V x 17 кВт/ за год, где:

V – объем ежедневного потребления воды, нагретой до 50 о С.

В итоге, затраты энергии для обеспечения потребности в тепле и горячей воды составят за год:

Q = Qгод + Qгв, (кВт/час за год).

Рекомендуется полученный результат увеличить на 10%, учитывая более интенсивную работу системы при пиковых нагрузках. Предварительный расчет мощности теплового насоса для отопления дома позволяет сделать безошибочный выбор установки.

Для выполнения расчета можно использовать специальный калькулятор, они в изобилии представлены в интернете

Виды тепловых насосов

Существует несколько разновидностей устройств в зависимости от того, какой теплоисточник используется. Принцип работы насоса для отопления дома предполагает, что тепло будет браться из источников, способных лучше всего накапливать солнечную энергию на протяжении сезона.

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.

Обогрев за бесценок! Тепловой насос для отопления дома: принцип работы устройства

Тепловой насос представляет собой альтернативный вариант отопления в виде парокомпрессионной установки. Устройство переносит тёплый воздух от холодных источников тепла к высокопотенциальным.

Энергия передаётся вследствие конденсации хладагента и его последующим преобразованием в пар. Хладагент во время работы ТН проходит по замкнутому контуру. Тепловой насос тратит электроэнергию для конденсации испарения принудительной циркуляции.

Как устроен тепловой насос для отопления дома?

Установка представлена из трех составляющих:

1. Зонда, предназначенного для сбора тепла.
2. ТН и компрессора.
3. Камеры конденсатора с системой отопления.

Конденсатор или теплообменная камера состоит из труб и радиаторов.

Зонд — это проводник, по которому поступает тепло. Зонды в зависимости от принципа действия и способа укладки делятся на 3 вида:

• горизонтальные (размещают в земляных траншеях глубиной от 1,2 метра и более);
• вертикальные (помещают в скважины глубиной до 200 м);
• водные (размещают в водоеме ниже глубины промерзания).

Тепловой насос состоит из 6 компонентов.

Хладагент входит во внутреннее строение устройства. Компонент направлен для циркуляции по закрытому контуру. Кроме этого, установка имеет капилляр и компрессор. В насосе есть испаритель, который нагревает вещество за счёт холодной температуры. Конденсатор помогает сохранить тепло для дальнейшего использования. На ТН находится терморегулятор, который позволяет выставлять необходимую температуру.

Справка. В холодильнике составляющие ничем не отличаются от теплового насоса. Однако процесс направлен на охлаждение. При чрезмерном охлаждении система выводит ее к задней стенке устройства.

Разновидности тепловых насосов и принципы их действия

Цель ТН это температурный обмен между носителями. Выделяют несколько разновидностей установок:

• земельные;
• воздушные;
• водяные.

От этих природных энергоносителей установка снабжает здание теплом. Принцип монтажа и работы у таких насосов несколько отличается. Устройства могут быть как открытого, так и закрытого типа.

Грунт-вода

ТН земельного вида состоит из 3 контуров. Внешний располагается в грунте. Он выполняет сбор тепловой энергии. Хладагент попадает в ТН. Затем теплоноситель переходит в испаритель. Там начинает подниматься температура. Последний контур представлен в системе отопления в здании или доме. В нём происходит циркуляция воды. Из-за этого ТН называют грунт-вода.

Внимание! В качестве теплоносителя в рассматриваемой установке используют антифриз или смешанный с водой пропиленгликоль. В ином случае в качестве вещества выступает этиленгликоль.

Часто в такой системе теплоносителем бывает фреон. Этот хладагент способен при пониженной температуре превращаться из жидкости в газообразное состояние.

При закипании теплоносителя, пары попадают в конденсатор. Затем тепловая энергия попадает в последний контур, где находится вода. После того как теплоноситель остывает, он преобразуется в жидкое состояние и переходит в земельный контур. Процесс цикличен и постоянно повторяется.

Фото 1. Схема устройства конструкции с тепловым насосом грунт-вода. Красным цветом показан горячий теплоноситель, синим — холодный.

Вода-вода

Принцип работы ТН водяного типа состоит в использовании энергии с низкой температурой и преобразованием её в тепло. Насос вода-вода состоит из 3 контуров. Фреон выступает в роли первичного теплообменника.

Важно! Контур устанавливают на дне естественного водоёма. Глубина составляет не менее 3 метров над поверхностью. Вода при этом не замерзает и не опускается ниже +3—5°С.

Когда хладагент циркулирует по контуру, то вещество нагревается до 8°С. Затем теплоноситель попадает в корпус установки и в компрессор. Фреон уже на этот момент находится в газообразном состоянии. При остывании хладагента в здании он преобразуется в жидкий вид. Затем осуществляется переход вещества в первый контур. Процесс повторяется.

Тепловой насос для отопления дома – принцип работы

Многих интересует, как работает тепловой насос для отопления дома. В статье мы доступно опишем принцип работы теплонасоса для обогрева жилья, виды тепловых насосов, их особенности.

Свои вопросы и замечания вы можете оставить в комментариях. Мы постараемся отреагировать на них как можно быстрее.

Принцип работы теплового насоса для отопления дома

Тепловой насос (теплонасос, термопомпа, ТН) – оборудование для обогрева дома, коттеджа, дачи, апартаментов или квартиры. Он генерирует тепло из среды (воды, воздуха, земли) и переносит его в здание.

За счет того что ТН не производит тепло, а переносит его из одной среды в другую, его эффективность более 100% и может достигать 1000%. КПД теплового насоса – его отличие от систем получения тепла, таких как:

• Котлы;
• Бойлеры;
• Конвекторы;
• Электронагреватели;
• Гелиоколлекторы.

Есть два типа тепловых насосов – компрессорные (компрессионные) и абсорбционные. Но последние используют в промышленности – они еще не распространились на частные домовладения. Поэтому рассмотрим только компрессорные (парокомпрессионные) тепловые насосы.

Простыми словами можно описать принцип действия теплового насоса для отопления дома так: «холодильник наоборот». Как функционирует последний, вы можете прочиталь в статье о принципе работы холодильника. Для переноса тепла в нем служит теплоноситель (хладагент, фреон).

Схематический принцип работы и циркуляции хладагента в тепловом насосе

Теплоноситель попадет в испаритель (радиатор, магистраль, поле, скважину), где нагревается от окружающей среды. Далее его сжимает компрессор, в котором повышается его давление и температура.

В случае с грунтовыми и водяными тепловыми насосами, теплоноситель получает тепловую энергию от рассола, который циркулирует в трубах, погруженных в воду, или уложенных в грунте.

После компрессора теплоноситель отдает тепло в воздух, воду или другой теплоноситель, которые используются для отопления здания. Охлажденный теплоноситель попадает в конденсатор, в котором он охлаждается.

Этот цикл повторяется снова и проходит в замкнутом виде. На приведенном ниже видео показан принцип работы теплового насоса:

Особенности разных видов теплонасосов

Воздушные – самые дешевые из тепловых насосов, имеют низкую производительности зимой и высокую летом. Это обусловлено тем, что температура воздуха сильно зависит от сезона. Они просты в монтаже и подключении, их чаще используют для обогрева весной или осенью или как дополнительный источник дешевого тепла.

Цены тепловых насосов, водяного и грунтового (геотермального) типов, мало отличаются. Но стоимость укладки магистрали в водоем ниже чем бурение скважин или укладка геотермального поля. Поэтому если рядом есть озеро, пруд или река, целесообразнее устанавливать водяной ТН.

Виды тепловых насосов для отопления дома

Тепловой насос может нагревать три среды – воду, воздух теплоноситель. Воздух используется для отопления дома через вентиляцию, фанкойлы или внутренние блоки. Вода и теплоноситель циркулируют в радиаторных системах, теплых полах и стенах.

Основное название теплового насоса зависит от среды, из которой он получает тепло. Водяной – из воды, воздушный – из воздуха, грунтовый или геотермальный – из грунта и грунтовых вод.

Точное название Теплового насоса указывает на среду, в которую он передает тепло. ТН грунт-вода получает энергию из земли и нагревает воду или теплоноситель, вода-воздух – получает тепло из воды и подогревает воздух.

Воздушные тепловые насосы

Термопомпы воздух-воздух похожи на кондиционер и состоят из наружного и внутреннего блоков, иногда изготовлены как моноблок с воздуховодами. Принцип работы теплового насоса воздух-воздух – в отборе тепла из воздуха снаружи здания и нагрева его внутри.

ТН воздух-вода состоит из наружного блока и бойлера (бака-накопителя), либо как моноблок в котором они объединены. Принцип работы теплового насоса воздух-вода – он охлаждает наружный воздух и нагревает воду или другой теплоноситель.

Наружный блок воздушного теплового насоса большой мощности.

Водяные тепловые насосы

Тепловой насос вода-вода состоит из блока с теплообменником или накопителем и состоящей из нескольких труб магистрали (поля), погруженной в водоем, по которой циркулирует теплоноситель. Принцип работы теплового насоса вода-вода – отбор тепла из водоема и нагрев воды или теплоносителя.

ТН вода-воздух – это магистраль и моноблок, в котором нагревается воздух для подачи на фанкойлы или вентиляцию. Иногда в таких тепловых насосах используют внутренние блоки по типу кондиционерных.

Укладка магистрали водяного теплового насоса в искусственный водоем

Грунтовые тепловые насосы

Такие тепловые насосы используют тепло земли, для чего либо бурят скважины, либо геотермальное поле, по которым циркулирует теплоноситель или рассол. В первом случае бурятся несколько скважин, отстоящих друг от друга на расстоянии более одного метра. Во втором – на глубине до 2 метров укладываюется горизонтальные трубы.

Грунтовые тепловые насосы косвенного теплообмена имеют два контура. В первом, уложенном в поле или скважине, циркулирует жидкость (рассол, растворы пропиленгликоля, этиленгликоля), которая передает тепло теплоносителю (фреону), который иркулирует по второму контуру. именно там происходят иклы конденсаии и испарения, передающие тепло.

Тепловые грунтовые насосы прямого теплообмена имеют один контур. В нем иркулирует фреон. За счет его большого количества стоимость монтажа такого типа ТН выше.

Тепловые насосы грунт-вода либо имеют встроенный бак-накопитель, либо небольшой бак-теплообменник. ТН типа грунт-воздух либо выполнены как моноблок с каналом подачи нагретого воздуха, либо нагревают его через внутренние блоки по типу кондиционерных.

Прокладка траншей под магистраль геотермального поля грунтового теплового насоса

Эффективность и целесообразность

КПД тепловых насосов зависит от их производительности и качества. Например, воздушные ТН в зависимости от модели и стоимости могут производить при +5 градусов от 2 до 5 кВт тепла на 1 кВт затраченной электроэнергии. У грунтовых и водяных термопомп все зависит от оборудования, некоторые имеют КПД до 1000%, но цена такого теплового насоса немаленькая.

В статье мы разобрали принцип работы теплового насоса для обогрева здания, а вопрос о выборе, покупке и установке каждый должен решать самостоятельно. В любом случае, тепловые насосы – достойная альтернатива другим источникам тепла. Особенно учитывая, что газ и твердое топливо постоянно дорожают. Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!