Как устроен и как работает тепловой насос

Имея в своем доме холодильники и кондиционеры, мало кто знает — принцип работы теплового насоса реализован именно в них.

Принцип работы теплового насоса

Для этих целей используется такой агрегат, как тепловой насос. Фактически многие из технически образованных людей его уже знают – он реализован в любой современной холодильной либо климатической системе.

Причем в сплит-системах кондиционирования этот агрегат работает самым непосредственным образом: в режиме обогрева они аккумулируют внешнее атмосферное тепло, передавая его на внутренние теплопередающие устройства – вентилируемые радиаторы.

Сразу следует оговориться, что посредством такого аппарата эффективным будет отопление любых изолированных пространств при температуре источника тепла, превышающей один градус по Цельсию.

  • Весной и осенью подобные устройства могут эксплуатироваться в качестве практически бесплатных источников тепловой энергии.
  • Летом они могут работать в обратном режиме – в качестве систем микроклиматического охлаждения.
  • Зимой, при минусовой температуре, скорее всего необходимо будет пользоваться другими источниками отопления, поскольку подобные системы способны аккумулировать тепловую энергию исключительно при положительных температурах, либо получать ее от незамерзающих источников, например, из глубинных скважин, в которых всегда положительные температурные показатели.
Принцип работы теплового насоса

Принцип действия этого агрегата основоположен на законе Карно. Он основан на аккумуляции низкопотенциальной тепловой энергии хладагентом с последующей передачей ее потребителю.

  1. Хладагент, имеющий более низкую температуру, нагревается от внешних источников – грунта, глубинных скважин, естественных водоемов, при этом переходя в газообразное агрегатное состояние.
  2. Он принудительно сжимается компрессором, при этом нагреваясь еще больше, и вновь обретает жидкое состояние, высвобождая при том всю накопленную тепловую энергию в радиаторах отопления.
  3. Цикл повторяется – жидкий хладагент вновь попадает во внешний контур системы, где, испаряясь, заряжается тепловой энергией от внешних источников тепла.

При этом расходуется только электроэнергия, необходимая для сжатия и циркуляции в системе хладагента, то есть, обогрев внутренних помещений осуществляется максимально экономичным способом.

Типы тепловых насосов

Тепловые насосы делят на три основных типа по источнику низкопотенциальной энергии:

  • Воздух.
  • Грунт.
  • Вода — источником могут быть грунтовые воды и водоемы на поверхности.

Для водяных систем отопления, которые более распространены, применяются такие виды тепловых насосов:

  • воздух–вода;
  • грунт-вода;
  • вода-вода.

«Воздух-вода» — воздушный тип теплового насоса, обогревающий здание путем забора воздуха снаружи посредством внешнего блока. Работает по принципу кондиционера, только наоборот, преобразуя энергию воздуха в тепло. Такой теплонасос не требует больших затрат на установку, под него не нужно отводить участок земли и, тем более, бурить скважину. Однако, эффективность эксплуатации при низких температурах (-25ºС) снижается и требуется дополнительный источник тепловой энергии.

Устройство «грунт-вода» относится к геотермальным и производит забор тепла из земли с помощью коллектора, уложенного на глубину ниже промерзания грунта. Также здесь существует зависимость от площади участка и ландшафта, если коллектор расположен горизонтально. Для вертикального расположения потребуется бурить скважину.

Читайте также:  Варианты схем подключения и обвязки радиаторов отопления

«Вода-вода» устанавливается там, где рядом есть водоем или грунтовые воды. В первом случае коллектор укладывается на дно водоема, во втором бурится скважина или несколько, если позволяет площадь участка. Иногда глубина пролегания подземных вод слишком большая, поэтому затраты на установку такого теплонасоса могут быть очень высоки.

Каждый тип теплового насоса имеет свои преимущества и недостатки, если здание находится далеко от водоема или грунтовые воды слишком глубоко, то «вода-вода» не подойдет. «Воздух-вода» будет актуален только в относительно теплых регионах, где температура воздуха в холодное время года не опускается ниже отметки -25º С.

Преимущества тепловых насосов

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

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

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

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

Технология монтажа

Сборка оборудования этого типа производится в несколько этапов:

  • составляется проект;
  • собираются коллекторные коммуникации;
  • в систему устанавливается тепловой насос;
  • монтируется оборудование внутри дома;
  • производится заливка теплоносителя.

Далее рассмотрим, как установить тепловой насос под ключ своими руками пошагово.

Как составить проект

Прежде чем приступать к сборке коммуникаций этого типа, конечно же, следует произвести все необходимые расчеты. Работа внешней части системы должна быть полностью согласована с работой внутренней. Расчеты производятся в зависимости от выбранного типа оборудования. Для горизонтальных коллекторов они выполняются так:

Мощность теплового насоса определяется приблизительно из расчета 70 Вт тепла на 1 м2 при высоте потолков в 2.7 м. Трубы коллектора обычно прокладывают на расстоянии 0.8 м друг от друга или чуть больше.

Как собрать тепловой насос

Стоит оборудование этого типа довольно-таки дорого. Конструкция же теплового насоса относительно проста. Поэтому сделать его можно попробовать и самостоятельно. Выполняется эта процедура примерно так:

  • Приобретается компрессор (подойдет оборудование от кондиционера).
  • Изготавливается корпус конденсатора. Для этого бачок из нержавейки на 100 л разрезается напополам.
  • Изготавливается змеевик. Газовый или кислородный баллон обматывается медной трубкой от холодильника. Последнюю можно зафиксировать с помощью алюминиевых перфорированных уголков.
  • Змеевик устанавливается в корпус, после чего последний запаивается.
  • Из пластмассовой емкости 80 л изготавливается испаритель. В него монтируется змеевик из трубы ¾ дюйма.
  • К испарителю подключаются водопроводные трубы для доставки и слива воды.
  • Система заполняется хладагентом. Эту операцию стоит доверить специалисту. При неумелых действиях можно не только испортить собранное оборудование, но и получить травму.

Монтаж коллекторных коммуникаций

Установка оборудования

После того как внешний контур будет собран, его заводят в дом через цоколь с утеплением места входа. Тепловой насос устанавливают обычно на цокольном этаже. Можно также поднять трубы на кухню или в любое другое помещение. После того как коллектор будет подключен к насосу, собирают внутренний контур системы отопления.

Читайте также:  Высокотемпературные герметики — для печей, каминов и дымоходов

Производится эта операция обычным образом. То есть в помещениях устанавливаются радиаторы отопления, проводятся магистрали и производится их подключение к котлу. На обратной трубе монтируются расширительный бак, фильтр и циркуляционный насос на байпасе. Можно также собрать и подключить к тепловому насосу систему «теплый пол». На заключительном этапе во внешний и внутренний контур заливается выбранный тип теплоносителя.

Как видите, смонтировать тепловой насос и коллектор можно и самостоятельно. Технологически процедура это не особенно сложная. Однако в отличие от других видов подобного оборудования, сборка такой системы даже горизонтального типа — операция физически довольно-таки трудоемкая. Скважины же для вертикальной пробурить самостоятельно без специального оборудования и вообще практически нереально. Поэтому, возможно, для выполнения расчетов и работ по сборке системы стоит все же нанять специалистов. Сегодня на рынке существуют компании, устанавливающие такое оборудование, как тепловой насос, под ключ.

Цена вопроса

Основной и существенный недостаток этого “чудо-оборудования” – его стоимость. Наиболее доступные модели стоят порядка 50-60 тыс. грн.

Стоимость зависит от мощности оборудования: чем больше площадь обогрева, тем дороже тепловой насос. С учетом экономичности работы, дорогостоящее оборудование и монтажные работы окупятся не ранее, чем за 4-5 лет.

Однако чем больше потребление тепловой энергии, тем быстрее окупится оборудование. И наоборот, для небольшого дома в 60 кв.м. установка оборудования, которое затянет на 100 тыс. грн, растянется на долгие годы.

Пример: Cooper&Hunter CH-HP14SINM – тепловой насос “воздух-вода” который может функционировать в нескольких режимах: отапливать дом, работать в качестве бойлера и кондиционера. В зависимости от способа использования, потребляет от 3,2 до 3,9 кВт в час. Наиболее эффективны для работы с системой “теплый пол”. Эффективность C.O.P. – максимально именно для теплого пола: 4,4. В то время как для радиатора – 3,45.

Цена – от 151,5 тыс. грн.

Грунтовой тепловой насос: чем меньше мощность тем дешевле установка.

Стоимость инвестиций прямо пропорциональна тепловой мощности установки. Поэтому, несмотря на то, что коэффициент производительности насоса для грунтовых вод не уменьшается с приходом сильного мороза, стоит рассмотреть применение теплового насоса в бивалентной системе.

Проще всего оборудовать ее электрическим проточным нагревателем воды (как правило, предлагается в качестве дополнительного оборудования – для установки в корпусе теплового насоса). Затем определяется точка бивалентности и для нее определяется необходимая тепловая мощность насоса.

Грунтовой тепловой насос: чем меньше мощность тем дешевле установка.

Если насос может отапливать дом, расположенный в III климатической зоне и принимается, что ниже температуры наружного воздуха -10 градусов по Цельсию может ее продвинуть электрический нагреватель, то его тепловая мощность может быть на 25% меньше от проектной тепловой нагрузки. На столько же меньше будет стоимость изготовления грунтового теплообменника.

В рассматриваемом примере вместо мощности 10,9 кВт, достаточно 8,2 кВт. А, в связи с этим, площадь горизонтального теплообменника может иметь 410 м2 вместо 545 м2 и глубина вертикального 164 м вместо 218 метров. Помимо более низкой цены, преимуществом является, следовательно, также меньше количество необходимого места.

Что следует учитывать при покупке

Основная задача продавца продать тепловой насос. Поэтому вот что важно помнить при выборе насоса:

Что следует учитывать при покупке
  • Не верьте в постоянный КПД воздушного теплового насоса. При низких температурах (0˚С и ниже) эффективность насоса падает. СОР = 1:1. Да, он выдает нужную температуру, но потребляет очень много электроэнергии.
  • Тепловой насос не экономичнее газа (если рассматривать его как альтернативу газовому котлу). При высоких тарифах на электроэнергию отопление тепловым насосом обойдется дороже. А срок окупаемости может быть более 10 лет.
  • Ваша система отопления должна быть рассчитана под низкотемпературное отопление. Если у вас стоят чугунные радиаторы, то тепловой насос будет с низкой эффективностью.
Читайте также:  Как сделать своими руками электрический котел для отопления дома

Некоторые нюансы эксплуатации

Эффективное использование принципа работы теплового насоса требует соблюдения нескольких условий:

  • помещение, которое обогревается должно быть хорошо утеплено (теплопотери до 100 Вт/м2) — иначе, забирая тепло с улицы, будете греть улицу за свои же деньги;
  • тепловые насосы выгодно применять для низкотемпературных систем отопления. Под такие критерии отлично подходят системы теплый пол (35-40 °C). Коэффициент преобразования тепла существенно зависит от соотношения температур входного и выходного контуров.

Подытожим сказанное!

Суть принципа работы теплового насоса не в производстве, а в переносе тепла. Это позволяет получить высокий коэффициент (от 3 до 5) преобразования тепловой энергии. Проще говоря, каждый использованный 1 кВт электроэнергии «перенесет» в дом 3-5 кВт тепла. Еще что-то нужно говорить?

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.

Как рассчитать вертикальный коллектор?

При установке вертикального коллектора скважину необходимо пробурить на глубину 20-100 метров. В скважину погружают пластиковые или металлопластиковые U – образные трубы. Необходимо устроить две петли, которые будут залиты цементным раствором. Удельный теплосъем коллектора равняется 50 Вт/м.

Для проведения точных расчетов следует использовать следующие данные:

  1. Каменные породы с высокой теплопроводностью около 70 Вт/м.
  2. Сухие осадочные породы примерно 20 Вт/м.
  3. Насыщенная водой осадочные породы и каменистая почва – 50 Вт/м.
  4. Подземные воды – 80 Вт/м.

Температура грунта равняется 10 градусам на глубине свыше 15 метров. Между скважинами следует соблюдать расстояние от 5 метров. В грунте могут быть подземные течения, в таком случае придется бурить перпендикулярно потоку.

Например, L=Qo/q=10,6/0,05=212 м.

Если удельный теплосъем вертикального коллектора равен 50 Вт/м, а требуемая мощность составляет 10,6 кВт, то длина трубы будет 212 метров.