Тепловий насос принцип роботи. Принцип роботи теплового насоса

Перші варіанти теплонасосів могли лише частково задовольнити потреби теплової енергії. Сучасні різновиди ефективніші і можуть застосовуватися для систем опалення. Саме тому змонтувати тепловий насос своїми руками намагаються багато домовласників.

Ми розповімо, як вибрати оптимальний варіант теплового насосуз урахуванням гео-даних ділянки, на якій її планується встановити. У запропонованій до розгляду статті докладно описано принцип дії систем використання зеленої енергії, перераховані відмінності. З урахуванням наших порад ви, безперечно, зупиніться на ефективному типі.

Для самостійних майстрів ми наводимо технологію збирання теплового насоса. Подану до розгляду інформацію доповнюють наочні схеми, добірки фото та розгорнутий відеоінструктаж у двох частинах.

Під терміном тепловий насос розуміється набір певного обладнання. Основною функцією цього обладнання є збирання теплової енергії та її транспортування до споживача. Джерелом такої енергії може стати будь-яке тіло або середовище, що має температуру від +1º і більше градусів.

У навколишньому середовищі джерел низькотемпературного тепла більш ніж достатньо. Це промислові відходи підприємств, теплових та атомних електростанцій, каналізаційні стоки та ін. Для роботи теплових насосів у сфері опалення будинку потрібні три природні джерела, що самостійно відновлюються – повітря, вода, земля.

Теплові насоси "черпають" енергію з процесів, що регулярно відбуваються у навколишньому середовищі. Перебіг процесів ніколи не припиняється, тому джерела визнані невичерпними за людськими критеріями

Три перераховані потенційні постачальники енергії безпосередньо пов'язані з енергією сонця, яке шляхом нагрівання приводить в рух повітря з вітром і повідомляє теплову енергіюземлі. Саме вибір джерела є основним критерієм, згідно з яким класифікують теплові насосні системи.

Принцип дії теплових насосів виходить з здатності тіл чи середовищ передавати теплову енергію іншому тілу чи середовищі. Одержувачі та постачальники енергії в теплових насосних системахпрацюють зазвичай у парі.

Так розрізняють такі види теплових насосів:

• Повітря – вода.
• Земля – вода.
• Вода – повітря.
• Вода – вода.
• Земля – повітря.
• Вода – вода
• Повітря – повітря.

При цьому перше слово визначає тип середовища, у якого система відбирає низькотемпературне тепло. Друге вказує на вигляд носія, якому передається ця теплова енергія. Так, у теплових насосах вода - вода, тепло відбирається у водного середовища і як теплоносій використовується рідина.

Будь-який господар приватного будинку прагне мінімізувати витрати на обігрів житла. У цьому плані теплові насоси істотно вигідніші за інші варіанти опалення, вони дають 2.5-4.5 кВт теплоти з одного спожитого кіловату електрики. Зворотний бік медалі: для отримання дешевої енергії доведеться вкласти чималі кошти в обладнання, найскромніша опалювальна установка потужністю 10 кВт коштуватиме 3500 у. е. (стартова ціна).

Єдиний спосіб зменшити витрати у 2-3 рази – зробити тепловий насос своїми руками (скорочено – ТН). Розглянемо кілька реальних робочих варіантів, зібраних та перевірених майстрами-ентузіастами на практиці. Оскільки для виготовлення складного агрегату потрібні базові знання про холодильні машини, почнемо з теорії.

Особливості та принцип роботи ТН

Чим тепловий насос відрізняється від інших установок для опалення приватних будинків:

• на відміну від котлів та обігрівачів, агрегат самостійно не виробляє тепло, а подібно до кондиціонера переміщає його всередину будівлі;
• ТН отримав назву насоса, оскільки "викачує" енергію з джерел низькопотенційного тепла - навколишнього повітря, води або ґрунту;
• установка живиться виключно електроенергією, що споживається компресором, вентиляторами, циркуляційними насосами та платою управління;
• Робота апарату заснована на циклі Карно, який використовується у всіх холодильних машинах, наприклад, кондиціонерах та спліт-системах.

Довідка. Теплота міститься в будь-яких речовинах, температура яких вище абсолютного нуля (мінус 273 градуси). Сучасні технологіїдозволяють забирати вказану енергію в повітря з температурою до -30 °С, землі та води – до +2 °С.

У теплообмінному циклі Карно бере участь робоче тіло - газ фреон, що кипить при мінусової температури. Почергово випаровуючись та конденсуючись у двох теплообмінниках, холодоагент поглинає енергію довкіллята переносить усередину будівлі. В цілому принцип дії теплового насоса повторює включення на обігрів:

1. Перебуваючи в рідкій фазі, фреон рухається трубками зовнішнього теплообмінника-випарника, як зображено на схемі. Отримуючи тепло повітря чи води крізь металеві стінки, холодоагент нагрівається, кипить і випаровується.
2. Далі газ надходить у компресор, що нагнітає тиск до розрахункового значення. Його завдання – підняти точку кипіння речовини, щоб фреон сконденсувався за вищої температури.
3. Проходячи через внутрішній теплообмінник-конденсор, газ знову звертається в рідину і віддає накопичену енергію теплоносія (воді) або повітрі приміщення безпосередньо.
4. На останньому етапі рідкий хладон надходить всередину ресивера-вологовідділювача, потім в пристрій, що дроселює. Тиск речовини знову знижується, фреон готовий пройти повторний цикл.

Примітка. Звичайні спліт-системи та заводські теплонасоси мають загальну межу– здатність переносити енергію в обох напрямках та функціонувати у 2 режимах – опалення/охолодження. Перемикання реалізовано за допомогою чотириходового реверсивного клапана, що змінює напрямок течії газу по контуру.

У побутових кондиціонерах та ТН застосовуються різні типитерморегулюючої арматури, що знижує тиск холодоагенту перед випарником. У побутових спліт-системах роль регулятора грає простий капілярний пристрій, в насосах ставиться дорогий терморегулюючий вентиль (ТРВ).

Зауважте, що вищеописаний цикл відбувається в теплових насосах всіх типів. Різниця полягає у способах підведення/відбору тепла, які ми перерахуємо далі.

Різновиди установок

Відповідно до загальноприйнятої класифікації, ТН діляться на типи за джерелом одержуваної енергії та видом теплоносія, якому вона передається:

Довідка. Різновиди теплових насосів перераховані у порядку збільшення вартості обладнання разом із монтажем. Повітряні установки – найдешевші, геотермальні – дорогі.

Основний параметр, що характеризує тепловий насос для опалення будинку, – коефіцієнт ефективності COP, що дорівнює відношенню між отриманою та витраченою енергією. Наприклад, відносно недорогі повітряні опалювачі не можуть похвалитися високим COP – 2.5…3.5. Пояснюємо: витративши 1 кВт електрики, монтаж подає в житло 2.5-3.5 кВт теплоти.

Водяні та ґрунтові системи ефективніші, їх реальний коефіцієнт лежить у діапазоні 3…4.5. Продуктивність - величина змінна, що залежить від багатьох факторів: конструкції теплообмінного контуру, глибини занурення, температури та протоки води.

Важливий момент. Водогрійні теплові насоси не можуть розігріти теплоносій до 60-90 ° С без додаткових контурів. Нормальна температура води від ТН становить 35…40 градусів, котли тут вочевидь виграють. Звідси рекомендація виробників: підключайте обладнання до низькотемпературного опалення водяним.

Який ТН краще збирати

Формулюємо завдання: потрібно побудувати саморобний тепловий насос. найменшими витратами. Звідси випливає низка логічних висновків:

1. В установці доведеться використовувати мінімум дорогих деталей, тому досягти високого значення COP не вдасться. За коефіцієнтом продуктивності апарат програє заводським моделям.
2. Відповідно, робити чисто повітряний ТН безглуздо, простіше користуватися в режимі обігріву.
3. Щоб отримати реальний зиск, потрібно виготовляти тепловий насос «повітря – вода», «вода-вода» або будувати геотермальну установку. У першому випадку можна досягти COP близько 2-2.2, у решті – досягти показника 3-3.5.
4. Без контурів опалення підлоги обійтися не вдасться. Теплоносій, нагрітий до 30-35 градусів, несумісний із радіаторною мережею, хіба що у південних регіонах.

Зауваження. Виробники стверджують: інверторна спліт-система працює при вуличній температурі мінус 15-30 °С. Насправді ефективність обігріву значно знижується. За відгуками домовласників, у морозні дні внутрішній блок подає ледь теплий потік повітря.

Для реалізації водяної версії ТН необхідні певні умови (на вибір):

• водоймище за 25-50 м від житла, на більшій відстані споживання електрики сильно зросте за рахунок потужного циркуляційного насоса;
• криниця або свердловина з достатнім запасом (дебетом) води та місце для зливу (шурф, друга свердловина, стічна канава, каналізація);
• збірний каналізаційний колектор (якщо вам дозволять туди врізатись).

Витрата ґрунтових вод розрахувати неважко. У процесі відбору теплоти саморобний ТН зменшить їх температуру на 4-5 °С, звідси через теплоємність води визначається обсяг протоки. Для отримання 1 кВт тепла (дельту температур води приймаємо 5 градусів), потрібно прогнати через ТН близько 170 літрів протягом години.

На опалення будинку площею 100 м² знадобиться потужність 10 кВт і витрата води 1.7 тонни на годину – обсяг вражаючий. Подібний тепловий водяний насос придатний для невеликого дачного будиночка 30-40 м², бажано утепленого.

Складання геотермальної системи реальніше, хоча процес досить трудомісткий. Варіант горизонтальної розкладки труби по площі на глибині 1.5 м відкидаємо відразу - вам доведеться перелопатити всю ділянку або платити гроші за послуги землерийної техніки. Спосіб пробивання свердловин реалізувати набагато простіше та дешевше, практично без порушення ландшафту.

Найпростіший тепловий насос із віконного кондиціонера

Як неважко здогадатися, виготовлення ТН «вода – повітря» буде потрібно віконний охолоджувач у робочому стані. Дуже бажано купити модель, обладнану реверсивним клапаном та здатну працювати на обігрів, інакше доведеться переробляти фреоновий контур.

Порада. При купівлі б/в кондиціонера зверніть увагу на шильдик, де відображено технічні характеристики побутового приладу. Параметр, що вас цікавить - (вказується в кіловатах або Британських теплових одиницях - BTU).

При деякій частці везіння вам навіть не доведеться випускати фреон і перепаювати трубки. Як переробити кондиціонер у тепловий насос:

Рекомендація. Якщо теплообмінник не вдасться помістити в резервуар без порушення фреонових магістралей, постарайтеся евакуювати газ і розрізати трубки в потрібних точках (далі від випарника). Після збирання водяного теплообмінного вузла контур доведеться спаяти і заправити фреоном. Кількість холодоагенту також вказано на табличці.

Тепер залишається запустити саморобний ТН та відрегулювати водяний потік, домагаючись максимальної ефективності. Зверніть увагу: імпровізований обігрівач використовує повністю заводську начинку, ви тільки перемістили радіатор з повітряного середовища в рідку. Як система працює наживо, дивіться на відео майстра-умільця:

Робимо геотермальну установку

Якщо попередній варіант дозволить досягти приблизно подвійної економії, то навіть саморобний земляний контур дасть COP в районі 3 (три кіловати тепла на 1 кВт витраченої електрики). Щоправда, фінансові та трудові витрати теж суттєво збільшаться.

Хоча в інтернеті опубліковано безліч прикладів складання подібних апаратів, універсальної інструкції з кресленнями не існує. Ми запропонуємо робочий варіант, зібраний та перевірений реальним домашнім майстром, хоча багато речей доведеться додумувати та доробляти самостійно – всю інформацію про теплові насоси складно помістити в одній публікації.

Розрахунок ґрунтового контуру та теплообмінників насоса

Наслідуючи власні рекомендації, приступаємо до розрахунків геотермального насоса з вертикальними U-подібними зондами, поміщеними в свердловини. Необхідно дізнатися загальну протяжність зовнішнього контуру, а потім – глибину та кількість вертикальних шахт.

Вихідні дані для прикладу: потрібно обігріти приватний будинок, що утеплює, площею 80 м² і висотою стель 2.8 м, розташований в середній смузі. на опалення проводити не станемо, визначимо потребу в теплі за площею з урахуванням теплоізоляції – 7 кВт.

Важливе уточнення. Інженерні розрахунки теплонасосів досить складні та вимагають високої кваліфікації виконавця, цій темі присвячені цілі книги. У статті наводяться спрощені обчислення, взяті з практичного досвідубудівельників та майстрів – любителів саморобок.

Інтенсивність теплообміну між землею та незамерзаючою рідиною, що циркулює по контуру, залежить від типу ґрунтів:

• 1 погонний метр вертикального зонда, зануреного в підземні водиотримає близько 80 Вт теплоти;
• в кам'янистих ґрунтах теплознімання становитиме близько 70 Вт/м;
• глинисті ґрунти, насичені вологою, віддадуть приблизно 50 Вт на 1 м колектора;
• сухі породи – 20 Вт/м.

Довідка. Вертикальний зонд є 2 петлі з труб, опущених до дна свердловини і залитих бетоном.

Приклад обчислення довжини труби.Щоб витягти із сирої глинистої породи необхідні 7 кВт теплової енергії, знадобиться 7000 Вт поділити на показник 50 Вт/м, отримуємо загальну глибину зонда 140 м. Тепер трубопровід розподіляється по свердловинах глибиною 20 м, які ви зможете пробурити своїми руками. Разом 7 свердлінь по 2 теплообмінні петлі, загальна довжина труби - 7 х 20 х 4 = 560 м.

Наступний етап – розрахунок площі теплообміну випарника та конденсора. На різних інтернет-ресурсах та форумах пропонуються деякі розрахункові формули, найчастіше – некоректні. Ми не візьмемо на себе сміливість рекомендувати подібні методики і вводити вас в оману, але запропонуємо якийсь хитрий варіант:

1. Зверніться до будь-якого відомого виробника пластинчастих теплообмінників, наприклад, Alfa Laval, Kaori, «Анвітек» і так далі. Можна вийти на офіційний веб-сайт бренду.
2. Заповніть форму підбору теплообмінника або зателефонуйте менеджеру і замовте підбір агрегату, перерахувавши параметри середовищ (антифриз, фреон) – температуру на вході та виході, теплове навантаження.
3. Фахівець фірми здійснить необхідні розрахунки та запропонує відповідну модель теплообмінника. Серед його характеристик ви знайдете головну – площу поверхні обміну.

Пластинчасті агрегати дуже ефективні, але дорогі (200-500 євро). Дешевше зібрати кожухотрубний теплообмінник із мідної трубки зовнішнім діаметром 9.5 або 12.7 мм. Видану виробником цифру помножте на коефіцієнт запасу 1.1 та поділіть на довжину кола труби, отримайте метраж.

приклад.Площа теплового обміну запропонованого агрегату становить 0.9 м². Вибравши мідну трубку ?

Обладнання та матеріали

Майбутній тепловий насос пропонується будувати на базі зовнішнього блоку спліт-системи відповідної потужності (зазначена на табличці). Чому краще використовувати б/в кондиціонер:

• апарат вже оснащений усіма комплектуючими – компресором, дроселем, ресивером та пусковою електрикою;
• саморобні теплообмінники можна помістити у корпус холодильної машини;
• є зручні сервісні порти для заправки фреону.

Примітка. Користувачі, що розбираються в темі, підбирають обладнання окремо - компресор, ТРВ, контролер і так далі. За наявності досвіду та знань подібний підхід лише вітається.

Збирати ТН з урахуванням старого холодильника недоцільно – потужність агрегату дуже мала. У кращому випадку вдасться «вичавити» до 1 кВт теплоти, чого вистачить на обігрів однієї невеликої кімнати.

Крім зовнішнього блоку «спліту» знадобляться такі матеріали:

• труба ПНД Ø20 мм – на земляний контур;
• поліетиленові фітинги для збирання колекторів та підключення до теплообмінників;
• циркуляційні насоси – 2 шт.;
• манометри; термометри;
• якісний водопровідний шланг або труба ПНД діаметром 25-32 мм на оболонку випарника та конденсатора;
• мідна трубка Ø9.5-12.7 мм з товщиною стінки не менше 1 мм;
• утеплювач для трубопроводів та фреонових магістралей;
• комплект для герметизації гріючих кабелів, що укладаються всередині водопроводу (потрібно для ущільнення кінців мідних трубок).

Як зовнішній теплоносій застосовується сольовий розчин води або антифриз для опалення - етиленгліколь. Також знадобиться запас фреону, марка якого вказана на шильдику спліт-системи.

Складання теплообмінного блоку

Перед початком монтажних робітЗовнішній модуль треба розібрати - зняти всі кришки, видалити вентилятор і великий штатний радіатор. Відключіть електромагніт, який керує реверсивним клапаном, якщо не плануєте використовувати насос як охолоджувач. Датчики температури та тиску необхідно зберегти.

Порядок збирання основного блоку ТН:

1. Виготовте конденсор та випарник, просунувши мідну трубку всередину шланга розрахункової довжини. На кінцях встановіть трійники для приєднання ґрунтового та опалювального контуру, мідні трубки, що виступають, ущільніть за допомогою спеціального комплекту для гріючого кабелю.
   
2. Використовуючи як осердя відрізок пластикової труби Ø150-250 мм, намотайте саморобні двотрубні контури і виведіть кінці в потрібні сторони, як це робиться нижче на відео.
3. Розмістіть і закріпіть обидва кожухотрубні теплообмінники на місці штатного радіатора, мідні трубки підпаяйте до відповідних висновків. «Гарячий» теплообмінник-конденсатор краще підключити до сервісних портів.
   
4. Встановіть заводські датчики, які вимірюють температуру холодоагенту. Утепліть голі ділянки трубок та самі теплообмінні пристрої.
5. На водяних магістралях поставте термометри та манометри.

Порада. Якщо планується ставити основний блок на вулиці, потрібно вжити заходів від застигання олії в компресорі. Придбайте та змонтуйте зимовий комплект електричного підігрівуолійного картера.

На тематичних форумах зустрічається інший спосіб виготовлення випарника - трубка з міді навівається спіраллю, потім вставляється всередину закритої ємності (бака або бочки). Варіант цілком розумний при великій кількості витків, коли розрахований теплообмінник просто не міститься в корпусі кондиціонера.

Влаштування ґрунтового контуру

на даному етапівиконуються нескладні, але трудомісткі земляні роботи та розкладка зондів по свердловинах. Останні можна зробити вручну або запросити бурову машину. Відстань між сусідніми свердловинами – не менше 5 м. Подальший порядок робіт:

1. Прокопайте між свердліннями неглибоку траншею для укладання трубопроводів, що підводять.
2. У кожен отвір опустіть по 2 петлі з поліетиленових трубі залийте ями бетоном.
3. Зведіть магістралі до точки з'єднання та змонтуйте загальний колектор, використовуючи фітинги ПНД.
4. Прокладені у землі трубопроводи утепліть і засипте ґрунтом.

Важливий момент. Перед бетонуванням та засипкою обов'язково перевірте герметичність контуру. Наприклад, підключіть до колектора повітряний компресор, накачайте тиск 3-4 бар і залиште на кілька годин.

При з'єднанні магістралей орієнтуйтеся за схемою, наведеною нижче. Відводи з кранами знадобляться під час заповнення системи розсолом чи этиленгликолем. Дві основні труби від колектора підведіть до теплового насоса та підключіть до «холодного» теплообмінника-випарника.

Не забудьте встановити насосний агрегат, який відповідає за циркуляцію рідини, напрямок течії – назустріч фреону у випарнику. Середовища, що проходять через конденсор та випарник, повинні рухатися назустріч один одному. Як правильно заповнити магістралі холодної сторони, дивіться на відео:

Аналогічним чином конденсор приєднується до будинкової системи теплої підлоги. Змішувальний вузолз триходовим клапаном монтувати необов'язково завдяки низькій температурі подачі. Якщо потрібно поєднати ТН з іншими джерелами тепла (сонячні колектори, котли), використовуйте кілька висновків.

Заправка та запуск системи

Після монтажу та підключення агрегату до електромережі настає важливий етап – заповнення системи холодоагентом. Тут чекає підводний камінь: ви не знаєте, скільки фреону необхідно заправити, адже об'єм основного контуру сильно зріс за рахунок встановлення саморобного конденсатора з випарником.

Питання вирішується методом заправки за тиском та температурою перегріву хладону, що вимірюється на вході компресора (туди фреон подається в газоподібному стані). Детальна інструкція щодо заповнення методом вимірювання температури викладена у .

У другій частині представленого відео розповідається, як потрібно заповнювати систему фреоном марки R22 за тиском та температурою перегріву холодоагенту:

Після закінчення заправки увімкніть обидва циркуляційний насосна першу швидкість і запускайте компресор у роботу. Показники температури розсолу та внутрішнього теплоносія контролюйте за термометрами. На етапі прогріву магістралі з холодоагентом можуть обмерзати, згодом іній має розтанути.

Висновок

Зробити та запустити тепловий геотермальний насос своїми руками дуже непросто. Напевно, знадобляться неодноразові доробки, виправлення помилок, налаштування. Як правило, більшість неполадок у саморобних ТН виникає через неправильне складання або заправлення основного теплообмінного контуру. Якщо агрегат відразу відмовив (спрацювала автоматика безпеки) або не гріє теплоносій, варто викликати майстра з холодильного обладнання - він проведе діагностику та вкаже на допущені помилки.

На читання 7 хв.

Під поняттям тепловий насос мається на увазі сукупність агрегатів, призначених для накопичення енергії тепла від різних джерел у навколишньому середовищі та передачі цієї енергії споживачам.

Наприклад, подібними джерелами можуть бути стояки каналізації, відходи різних великих виробництв, що виділяється під час роботи тепло від різних електростанцій і т.д. У результаті джерелом можуть виступати різні середовища та тіла, що мають температуру більше одного градуса.

Завдання теплового насоса - перетворити природну енергію води, землі чи повітря теплову енергію потреб споживача. Оскільки дані види енергії постійно самовідновлюються, можна вважати їх безмежним джерелом.

Тепловий насос для опалення будинку

Принцип роботи теплових насосів заснований на можливості тіл та середовищ віддавати свою теплову енергію іншим таким же тілам та середовищам. За цією особливістю розрізняють різні видитеплових насосів, у яких обов'язково присутні постачальник енергії та її одержувач.

У назві насоса першому місці вказується джерело теплової енергії, але в другому тип носія, якому передається енергія.

У конструкції кожного теплового насоса опалення будинку виділяють 4 основні елементи:

1. Компресор, призначений збільшення тиску і температури пари, що виникає внаслідок кипіння фреону.
2. Випарник, що представляє собою бак, в якому фреон з рідкого стану переходить в газоподібний.
3. У конденсаторі холодоагент передає теплову енергію внутрішньому контуру.
4. За допомогою дросельного клапана регулюється кількість холодоагенту, що надходить у випарник.

Тип теплового насоса повітря повітря позначає, що теплова енергія братиметься із зовнішнього середовища (атмосфери) і передаватиметься носію, як і повітрі.

Принцип впливу цієї системи заснований на наступному фізичному явищі: середовище в рідкому стані, випаровуючись, знижує температуру поверхні, звідки відбувається її розсіювання.

Для наочності коротко розглянемо схему роботи морозильної камерихолодильника. Фреон, що циркулює трубками холодильника, забирає тепло з холодильника і сам при цьому нагрівається. Надалі зібране ним тепло передається у зовнішнє середовище (тобто приміщення в якому розташований холодильник). Потім холодоагент, стискаючись у компресорі, знову остигає і кругообіг продовжується. Повітряний тепловий насос працює за тим самим принципом - забирає тепло з вуличного повітря та обігріває будинок.

Конструкція агрегату складається з наступних частин:

• Зовнішній блок насоса представляють компресор, випарник з вентилятором та розширювальний клапан.
• Теплоізольовані мідні трубки служать для циркуляції фреону
• Конденсатор, з вентилятором, розташованим на ньому. Служить для розсіювання вже нагрітого повітря площею приміщень.

Під час роботи повітряного теплового насоса під час обігріву будинку в певному порядку відбуваються такі процеси:

• Через вентилятор повітря з вулиці втягується в пристрій і проходить через зовнішній випарник. Фреон, що здійснює кругообіг у системі, збирає всю енергію тепла з вуличного повітря. Внаслідок цього з рідкого стану він переходить у газоподібний.
• Надалі газоподібний фреон стискається у конденсаторі та переходить у внутрішній блок.
• Потім газ переходить у рідкий стан, при цьому віддаючи накопичене тепло повітрю кімнати. Цей процес відбувається в конденсаторі, розташованому в приміщенні.
• Надлишок тиску йде через розширювальний клапан, а фреон у рідкому стані йде на нове коло.

Фреон постійно забиратиме теплову енергію з вуличного повітря, оскільки його температура завжди буде меншою. Винятком є ​​той випадок, коли надворі сильні морози. У таких умовах ефективність теплового насоса зменшуватиметься.

Для підвищення потужності агрегату максимально збільшують поверхні конденсатора та випарника.

Як і у кожного складного приладу повітряний тепловий насос має свої плюси і мінуси. З плюсів варто виділити:

1. Залежно від потреби агрегат може збільшувати або знижувати температуру обігріву будинку.
2. Насос даного типу не засмічує навколишнє середовище шкідливими продуктамизгоряння палива.
3. Пристрій легко встановлюється.
4. Повітряний насос є абсолютно безпечним у плані виникнення пожежі.
5. Коефіцієнт віддачі тепла насосом дуже високий у порівнянні з енерговитратами (на 1 кВт витраченої електроенергії припадає від 4 до 5 кВт тепла, що виділяється)
6. Відрізняються доступною ціною.
7. Пристрій зручний при використанні.
8. Система керується автоматично.

З мінусів повітряної системи варто згадати:

1. Невеликий шум, що створюється під час роботи пристрою.
2. Ефективність приладу залежить від температури навколишнього середовища.
3. За низьких вуличних температур зростає споживання електрики. (Нижче -10 градусів)
4. Система повністю залежить від наявності електрики. Проблему можна вирішити установкою автономного генератора.
5. Насосом повітря не можна нагріти воду.

Загалом прилади класу повітря-повітря ідеально підійдуть для обігріву. дерев'яних будинків, у яких, внаслідок особливості матеріалу, знижено природні втрати тепла

Перед вибором повітряного насоса слід з'ясувати такі ключові моменти:

• Показник теплоізоляції приміщень.
• Квадратуру всіх кімнат
• Число людей, які живуть у приватному будинку
• Умови клімату

Найчастіше на 10 кв. м. приміщення має припадати близько 0,7 кВт потужності пристрою.

Теплові насоси для опалення будинку вода вода.

При облаштуванні опалювальної системиу приватному будинку добре підійдуть системи класу водовода. Крім цього, вони зможуть забезпечити житло гарячою водою. Як джерела природного тепла підійдуть різні водоймища, підземні води і т.д.

В основу роботи насоса вода вода покладено закон про те, що зміна агрегатного стану (з рідини в газ і навпаки) речовини, під впливом різних факторів, тягне за собою вивільнення або поглинання енергії тепла.

Подібний тип насосів можна використовувати для опалення будинку навіть за низьких температур навколишнього середовища, так як у глибоких шарах землі все одно зберігається плюсова температура.

Принцип роботи теплового насосу вода вода наступна:

• Спеціальний насос жене воду мідними трубками системи із зовнішнього джерела в установку.
• У приладі вода з довкілля впливає на холодоагент (фреон), температура кипіння якого становить від +2 до +3 градусів. Частина енергії тепла води передається фреону.
• Компресор всмоктує газоподібний холодоагент та стискає його. Внаслідок цього процесу температура холодоагенту ще більше зростає.
• Потім фреон прямує в конденсатор, де нагріває воду до необхідної температури (40-80 градусів). Нагріта вода надходить у трубопровід опалювальної системи. Тут фреон повертається у рідкий стан і цикл починається заново.

Прилади водо-вода використовуються для опалення будинку площею 50-150 кв.м.

При виборі цього класу варто звернути увагу на певні умови:

• Як джерело енергії перевагу слід віддати відкритим водойм (легше монтаж труб), на відстані не більше 100 м. До того ж глибина водойми для більш північних районів повинна бути не менше 3 метрів (на такій глибині вода зазвичай не промерзає). Труби, що підводяться до води, повинні бути утеплені.
• Жорсткість води сильно впливає роботу насоса. Не кожна модель здатна функціонувати за високих показників жорсткості. Внаслідок цього до придбання пристрою береться проба води і виходячи з отриманих результатів підбирається насос.
• За типом роботи агрегати діляться на моновалентні та бівалентні. Перші чудово впораються з роллю основного джерела тепла (внаслідок своєї великої потужності). Другі можуть бути додатковим джерелом обігріву.
• З потужністю насоса зростає його ккд, але в той же час збільшується споживання електрики.
• Додаткові можливості приладу. Наприклад: корпус з шумоізоляцією, функція нагрівання води для побутових потреб, автоматичне керуваннята ін.
• Для розрахунку необхідної потужності приладу необхідно загальну площу приміщень помножити на 0,07 кВт (показник енергії на 1 кв.м.). Ця формула дійсна для стандартних приміщень з висотою не більше 2,7 м.

Тепловий насос – хороша альтернатива традиційному опаленню приватного будинку. Прилад, що використовується протягом 30 років у країнах Заходу, ще є новинкою. Перешкодою для його широкого використання є два фактори: висока вартість та нестача відомостей про теплові насоси, їх переваги та принципи роботи. Показником практичності геотермальної системи опалення є її популярність на Заході. Так, тепловими насосами у Швеції та Норвегії опалюються близько 95% будинків. Пропонуємо вам детальніше ознайомитися з пристроєм та принципами роботи цього теплового обладнання, за яким, безумовно, майбутнє.

Що таке тепловий насос?

Тепловий насос - прилад, що поглинає з навколишнього середовища (вода, земля, повітря) низько потенційну теплову енергію і передає її до систем теплопостачання з вищою температурою.

Природа довкола нас просякнута енергією. Навіть мороз має тепло. Енергію неможливо витягти з довкілля лише за температури -273 °С. Тому навіть у найлютішу зиму заміський будинокможе опалюватись за рахунок енергії, отриманої від природи.

Залежно від джерела енергії (вода, земля, повітря) відбувається модифікація теплових насосівОднак найбільш практичним та випробуваним є геотермальний тепловий насос, що застосовує енергію ґрунту. Він ідеально підходить для російських умов.

Геотермальне опалення працює по одному із трьох напрямків:

Використання геотермального опалення, як і будь-якої системи теплопостачання, дозволить не лише обігріти будинок, але й забезпечити гарячою водою, обігріти стоянку або теплицю, нагріти воду в басейні.

Переваги використання теплового насосу

Принцип роботи теплового насосу

Роботу теплового насоса можна порівняти з роботою звичайного холодильника. Тільки замість холоду апарат виробляє тепло. Речовиною, що передає енергію, є фреон- газ чи рідина з низькою температурою кипіння. При випаровуванні він поглинає тепло, а при конденсації – віддає його.

Тепловий насос - головний елементсистеми. Його розміри не перевищують габаритів середньої пральної машини що полегшує встановлення приладу. Сам насос включається в два контури: внутрішній та зовнішній.

Внутрішній контурскладається із системи теплопостачання будинку (труби та радіатори). Зовнішній контурзнаходиться у воді чи під землею. Він включає колектор-теплообмінник і труби, що зв'язують колектор з насосом.

Теплові насоси комплектуються різними додатковими пристроями. Це можуть бути:

• комунікаційний пристрійдля керування системою через персональний комп'ютер чи мобільний телефон;
• блок охолодженнядля локальної чи центральної системи охолодження;
• додатковий насосний блокможе знадобитися для опалення підлог;
• циркуляційний насоснеобхідний циркуляції гарячої води;

Процес роботи насоса складається з кількох етапів:

1. Незамерзаюча суміш подається до колектора.Відбувається поглинання теплової енергії та транспортування її до насосу.
2. У випарнику енергія передається фреону, де він нагрівається до 8 °C, закипає і перетворення на пару.
3. При збільшенні тиску компресорі підвищується температура. Вона може досягати 70 °C.
4. Внутрішньобудинкова система опалення отримує теплову енергію через конденсатор. Фреон миттєво охолоджується і переходить у рідкий стан, віддаючи при цьому тепло, що залишилося. Потім він йде назад у колектор. Так завершується цикл.
5. Далі робота повторюється за тим самим принципом.

Найбільш ефективно тепловий насос функціонує за наявності в будинку теплої підлоги. Тепло розподіляється по всій площі підлоги поступово. При цьому відсутні зони перегріву. Теплоносій у системі рідко нагрівається більше 35 °C, а опалення шляхом нагрівання підлог вважається найкомфортнішим при 33 °C. Це менше на 2 °C, ніж при опаленні радіаторами. Звідси виникає економія до 18% на ріквід опалювального бюджету. Крім того, вважається, що опалення на рівні підлоги є найбільш комфортним для проживання людини.

Система опалення може бути моновалентною та бівалентною. У моновалентних систем одне джерело опалення. Він повністю відповідає цілорічній потребі в теплі. У бівалентних, відповідно, – два джерела.

Опалення будинку в зимовий період

На території з суворішими кліматичними умовами актуальне використання бівалентної системи опалення. За рахунок другого джерела тепла розширюється діапазон температури. Роботи одного теплового насоса достатньо лише рівня температури -20 °С. При більшому її зниженні підключаються електрообігрівач, камін, рідкопаливний або газовий котел. У цьому потужність теплового насоса обмежується максимальної зимової потреби до 70 - 80%. Відсутні 20 - 30% дає додаткове джерело тепла. Це знижує загальну ефективність роботи системи.Однак зниження є незначним.

При повному переході на опалення будівлі геотермальною системою (у випадку, коли не планується додатково встановлювати котел або електроприлад) тепловий насос застосовується спільно з внутрішнім модулем, що містить невеликий вбудований електронагрівник. Він підтримає прилад, коли температура навколишнього середовища буде нижче -20 °С.

У яких випадках використання теплового насоса є обґрунтованим?

Питання опалення заміського будинку передбачає розгляд кількох варіантів:

• Газ. За відсутності поряд із будинком газопроводу це стає неможливим. У низці регіонів купити газ можна лише у балонах.
• Вугілля чи дрова. З ними опалення перетворюється на трудомісткий та малоефективний процес.
• Рідкопаливний котелвимагає великих витрат на паливо та спеціального приміщення. Особливе зберігання необхідне і паливу, що незручно в невеликому будинку.
• Опалення електрикоюобходиться дуже дорого.

У такому разі на допомогу приходить геотермальна система опалення. Її використовують навіть там, де доступний газ. Встановлення теплового насоса дорожче за встановлення обладнання для опалення газом. Проте, газ надалі доведеться оплачувати постійно, на відміну енергії, взятої з довкілля.

Окупність теплового насоса складно виразити в усередненому числовому значенні. Все залежить від його початкової вартості. Суть установки такого опалення зводиться до перспективи. Хоча кількість споживаної електроенергії - у 3-5 разів менше, ніж в інших систем опалення, все ж таки необхідно підрахувати в грошовому еквіваленті всі енерговитрати за рік і порівняти їх з вартістю системи, її монтажу та експлуатації.

Досягти максимальної ефективності застосування теплового насоса можна за дотримання двох важливих умов:

• Отоплюваний будинок має бути утепленим, а показник тепловтрат не повинен перевищувати 100 Вт/м2. Існує прямий зв'язок між тим, як утеплений будинок та тим, наскільки вигідним буде встановлення теплонасосу.
• Підключення теплового насоса до низькотемпературним джерелам обігріву(Конвекторам, теплим підлогам), температурний режим яких коливається між 30 - 40 °C.

Отже, тепловий насос стане непоганою альтернативою традиційним способам опалення. Прилад гарантує економічність та повну безпеку. Власнику, після встановлення геотермальної системи опалення, не доведеться залежати від різних зовнішніх факторів, як, наприклад, перебої з газопостачанням або викликом сервісної служби. Енергія, взята з довкілля, вимагає оплати і не вичерпується.

Відповідно до прогнозів Світового комітету з енергетики у 2020 р. геотермальні насоси становитимуть три чверті всього опалювального обладнання.

Практика застосування теплових насосів: відео

Світовий енергетичний комітет склав прогноз використання джерел тепла для обігріву будівель на 2020 рік. У ньому стверджується, що в розвинених країнах 75% будинків отримуватимуть гаряче водопостачання та опалюватимуться геотермальною енергією нашої планети.

На сьогоднішній день 40% усіх нових будинків Швейцарії обладнано тепловими насосами, а у Швеції цей показник доведено до 90%. Росія та країни СНД менше впроваджують тепловий насос для опалення будинку, хоча перші ентузіасти вже користуються цим методом, передаючи досвід послідовникам.

Принципи роботи

Для обігріву будівлі використовують перенос енергії джерела низького потенціалу (температури) теплоносієм до споживача. У технологічному процесівикористовується закон термодинаміки, який би вирівнювання теплових енергій двох систем із різними температурами: передача потужності гарячого джерела холодному споживачеві.

При використанні тепла навколишнього середовища здійснюється підвищення його температурного потенціалу для обігріву та гарячого водопостачання.

Джерелом регенеративного тепла можуть бути:

• поверхню землі чи її об'єм;
• водне середовище (озеро, річка);
• повітряних мас.

Найбільш популярні моделі, що забирають енергію від землі, поверхня якої обігрівається сонячними променями та енергією зовнішнього та внутрішнього ядра планети. Вони відзначаються:

1. найкращим поєднанням споживчих якостей;
2. ефективністю;
3. ціною.

Схеми циркуляції теплоносіїв

Під час роботи теплового насоса (ТН) використовується три замкнутих контури, якими циркулюють різні рідини/гази - теплоносії. Кожен із них виконує свої функції.

Контур знімання потенціалу енергії джерела

При заборі тепла повітря використовується штучне обдування корпусу випарника повітряними потоками від вентиляторів.

Замкнений цикл рідкого теплоносія для передачі тепла водного середовища або землі здійснюється трубопроводами, які з'єднують змійовик випарника з колектором, потопленим на дно водойми або заглибленим у землю на відстань, що перевищує промерзання ґрунту в сильні холоди.

Як теплоносій застосовуються незамерзаючі рідини на основі розведених водних розчинів спирту. Їх прийнято називати "антифризи" або "розсоли". Вони під впливом вищої температури (≥+3ºС) піднімаються до випарника, передають йому тепло, а після охолодження (≈-3ºС) самопливом прямують назад до джерела енергії, забезпечуючи безперервну циркуляцію.

Внутрішній контур

По ньому циркулює холодоагент на основі фреону, піднімаючи тепло на більш високий рівень. Під дією температури він послідовно переходить у газоподібний та рідинний стан.

До складу внутрішнього контуру входять:

• випарник, що забирає енергію від розсолів та передає її фреону, який при цьому закипає і стає розрідженим газом;
• компресор, що стискає газ до високого тиску. При цьому різко підвищується температура фреону;
• конденсатор, у якому гарячий газ передає свою енергію теплоносія вихідного контуру, а сам остигає, переходячи в рідкий стан;
• дросель (розширювальний клапан), що редукує фреон за рахунок перепаду тиску до стану насиченої пари для надходження у випарник. При проходженні холодоагенту через вузький отвір тиск теплоносія знижується до початкового значення.

Вихідний контур

Тут циркулює вода. Вона обігрівається у змійовику конденсатора для використання у звичайній рідинній системі опалення. При цьому способі її температура досягає порядку 35ºС, що обумовлює її застосування в системі «Тепла підлога» з довгими магістралями, що дозволяють рівномірно передавати енергію, що генерується всьому об'єму приміщення.

Використання тільки радіаторів опалення, що створюють менші обсяги теплообміну з простором кімнат, не таке ефективне.

Конструктивне виконання

Промисловість випускає різні за експлуатаційними характеристиками моделі, але вони мають у своєму складі обладнання, що виконує типові завдання, описані вище.

Як варіант конструктивного виконання малюнку представлений тепловий насос для опалення будинку.

Тут по вхідних трубопроводах приймається тепло від геотермальних джерел, а у вихідні - передається в систему обігріву будинку.

Робота теплового насоса забезпечується:

• системою контролю параметрів схеми та управління, включаючи дистанційні способи через Інтернет;
• додатковим обладнанням (вузли промивання та заповнення, розширювальні баки, групи безпеки, насосні станції).

Ґрунтові конструкції

Вони використовують три схеми влаштування теплообмінників для забору енергії від джерела:

1. поверхневе розташування;
2. встановлення вертикальних ґрунтових зондів;
3. заглиблення горизонтальних конструкцій.

Перший метод найменш ефективний. Тому він рідко застосовується для опалення будинку.

Установка зондів у свердловинах

Цей спосіб найефективніший. Він передбачає створення свердловин на глибини близько 50÷150 метрів і більше для розміщення U-подібного трубопроводу. пластикових матеріалівз діаметром від 25 до 40 мм.

Збільшення площі поперечного перерізу труби, як і поглиблення свердловини, створює покращений теплознімання, але здорожує конструкцію.

Горизонтальні колектори

Буріння свердловин для зондів коштує дорого. Тому часто вибирається цей спосіб як дешевший. Він дозволяє обійтися копанням траншей нижче глибини промерзання грунту.

У проекті горизонтального колектора слід враховувати:

1. теплопровідність ґрунту;
2. середню вологість ґрунту;
3. геометрію ділянки.

Вони впливають на габарити та конфігурацію колектора. Труби можуть укладатися:

• петлями;
• зигзагами;
• змійкою;
• плоскими геометричними фігурами;
• гвинтовими спіралями.

Важливо розуміти, що площа ділянки, що відводиться під такий колектор, перевищує габарити фундаменту будинку в 2÷3 рази. Це основний недолік такого методу.

Водні колектори

Це найбільш економічний спосіб, але він вимагає розташування біля будівлі глибокої водойми. На його дні розміщують та закріплюють вантажами зібрані трубопроводи. Для ефективної роботи теплового насоса потрібно прорахувати мінімальну глибину закладки колектора та об'єм водоймища, здатного забезпечити теплознімання.

Габарити такої конструкції визначаються проведенням теплових розрахунків та можуть досягати довжини понад 300 метрів.

Малюнок нижче демонструє підготовку магістралей для збирання на льоду весняного озера. Він дозволяє візуально оцінити масштаби майбутньої роботи.

Повітряний метод

Зовнішній або вбудований вентилятор нагнітає повітря з вулиці прямо на випарник із фреоном, як у кондиціонері. При цьому не потрібно створювати громіздкі конструкції з труб і поміщати їх у ґрунт чи водойму.

Тепловий насос для опалення будинку, який працює за таким принципом, коштує дешевше, але використовувати його рекомендується у відносно теплому кліматі: морозне повітря не дозволить працювати системі.

Подібні пристрої знайшли широке застосування для обігріву води в басейнах або приміщень, розташованих поряд з промисловими пристроями, що постійно беруть участь у технологічному процесі та потужними системами охолодження, що виділяють в атмосферу тепло. Як приклад можна навести силові автотрансформатори енергетики, дизельні станції, котельні.

Основні характеристики

При виборі моделі ТН слід враховувати:

• вихідну теплову потужність;
• коефіцієнт трансформації теплових насосів;
• умовний ккд;
• річну ефективність та витрати.

Вихідна потужність

При створенні нового проекту вдома враховують його потреби в теплі з урахуванням конструктивних особливостейматеріалів, що створюють тепловтрати через стіни, вікна, двері, стелю та підлогу приміщень різних габаритів. Розрахунок враховує створення комфорту при найнижчих морозах у конкретній місцевості.

Споживана теплова потужність будівлі виявляється у кВт. Вона повинна покриватися енергією теплового насоса, що виробляється. Однак часто при розрахунках роблять спрощення, що дозволяє економити: тривалість найхолодніших днів протягом року не перевищує кількох тижнів. На цей період підключається додаткове джерело тепла, наприклад ТЕНи, що підігрівають воду в котлі.
Вони працюють лише в критичних ситуаціях під час морозів, а в решту часу відключені. Це дозволяє використовувати ТН із меншими потужностями.

Можливості конструкцій

Для довідки.Моделі вихідної потужності 6÷11 кВт розсольно-водяних схем здатні нагрівати воду вбудованих баків у відносно невеликих спорудах. Потужність 17 кВт достатня для підтримки температури води 65ºС у котла з ємністю 230÷440 літрів.
Потреби в середніх теплі за величиною будівель покривають потужності 22÷60 кВт.

Коефіцієнт трансформації теплових насосів Ктр

Він визначає ефективність конструкції за безрозмірною формулою:

Kтр = (Твих-Твх) / Твих

Величина «Т» означає температуру теплоносіїв на виході та вході в конструкцію.

Коефіцієнт перетворення енергії (?)

Його розраховують визначення частки корисної потужності тепла стосовно прикладеної енергії на компресор.

Η=0,5Т/(Т-То)=0,5(ΔТ+То)/ΔТ

Для цієї формули температура споживача "Т" та джерела "То" визначається в градусах Кельвіна.

Величину Η можна визначити за кількістю витраченої енергії на роботу компресора «Рел» та отриманої корисної теплопродуктивності «Рн». У цьому випадку його називають «СМІТ» зі скорочення від англійського терміна «Coefficient of perfomance».

Коефіцієнт - змінна величина, залежна від перепаду температур між джерелом і споживачем. Він позначається цифрами від 1 до 7.

Умовний ККД

Це неправильне твердження: коефіцієнт корисної діївраховує втрати потужності під час роботи кінцевого пристрою.
Для визначення треба вихідну теплову потужність розділити на прикладену з урахуванням енергії геотермальних джерел. За такого розрахунку вічного двигуна не вийде.

Річна ефективність та витрати

Коефіцієнт СМР оцінює роботу теплового насоса у певний момент часу за конкретних умов експлуатації. Щоб проаналізувати роботу ТН, запроваджено показник ефективності системи за рік (β).

Тут символ Qwp позначає величину теплової енергії, виробленої протягом року, а Wel - значення спожитого електрики установкою той самий час.

Показник витрат Eq

Ця характеристика обернена до показника ефективності.

Для визначення характеристик ТН використовується спеціалізоване програмне забезпечення та заводські стенди.

Відмінні риси

Переваги

Опалення будинку тепловим насосом у порівнянні з іншими системами має:

1. добрими параметрами екологічності;
2. значним терміном служби устаткування без технічного обслуговування;
3. можливістю простого перемикання режиму обігріву взимку на кондиціювання влітку;
4. високою річною ефективністю.

Недоліки

На стадії проекту та при експлуатації доводиться враховувати:

1. складність виконання точних технічних розрахунків;
2. високу вартість обладнання та монтажних робіт;
3. можливості утворення "повітряних пробок" при порушеннях технології укладання трубопроводів;
4. обмежену температуру води на виході із системи (≤+65ºС);
5. строгу індивідуальність кожної конструкції для будь-якої будівлі;
6. потреба великих площ для колекторів крім будівництва об'єктів ними.

Короткий перелік виробників

Сучасний тепловий насос для опалення будинку випускають такі компанії, як:

• Bosch – Німеччина;
• Waterkotte – Німеччина;
• WTT Group OY – Фінляндія;
• ClimateMaster – США;
• ECONAR – США;
• Dimplex – Ірландія;
• FHP Manufacturing – США;
• Gustrowr – Німеччина;
• Heliotherm – Австрія;
• IVT – Швеція;
• LEBERG – Норвегія.