Вы можете увидеть разницу, сравнив некоторые характеристики устройств. Кондиционер прекращает работу на обогрев уже при температур е-5°C. Рабочий диапазон тепловых насосов составляет о т-25°C до +45°C.
Тепловые насосы для дома: особенности технологии, сфера применения и стоимость оборудования
Тепловые насосы успешно используются в быту и промышленности в Европе и США уже более 25 лет. Их особенностью является преобразование так называемого низкопотенциального тепла окружающей среды: почвы, воды, воздуха. На российском рынке эта экологически чистая технология получила широкое распространение сравнительно недавно.
В Советском Союзе уже существовали экспериментальные поселки, отапливаемые тепловыми насосами. То, что было смелым экспериментом в двадцатом веке, стало практичным в двадцать первом.
Устройство и принцип работы бытового теплонасоса
Тепловой насос — это система, которая может передавать тепло от менее нагретого тела к более нагретому, повышая температуру последнего. Тепловые насосы — это альтернативный источник энергии, который производит недорогое тепло без вреда для окружающей среды.
Земля является неисчерпаемым источником тепловой энергии, которую можно экологически безопасно и экономично использовать в быту.
Принцип работы бытового теплового насоса основан на том, что каждое тело, температура которого выше абсолютного нуля, обладает запасом тепловой энергии. Этот запас прямо пропорционален массе и удельной теплоемкости тела. Если рассмотреть, например, моря, океаны и подземные воды с их огромной массой, то можно сделать вывод, что их огромные запасы тепловой энергии могут быть частично использованы для отопления домов без ущерба для глобальной окружающей среды. Можно «захватить» тепловую энергию тела, охладив его. Грубый расчет тепла, выделяемого при этом процессе, возможен по формуле: Q = C*M*(T2 — T1), где Q — поглощенное тепло, C — теплоемкость, M — масса, а T1 — T2 — температура, при которой охлаждалось тело. Формула показывает, что разница температур может быть небольшой при увеличении массы теплоносителя. Например, при охлаждении 1 кг теплоносителя от 1000 оС до 0 оС выделяется такое же количество тепла, как и при охлаждении 1000 кг от 1 оС до 0 оС.
Типы тепловых насосов
Существует два типа тепловых насосов, в зависимости от типа передачи энергии:
- Компрессионные. Основные элементы установки – это компрессор, конденсатор, расширитель и испаритель. Используется цикл сжимания-расширения теплоносителя с выделением тепла. Этот тип тепловых насосов прост, высокоэффективен и наиболее популярен.
- Абсорбционные. Это теплонасосы нового поколения, использующие в качестве рабочего тела пару абсорбент-хладон. Применение абсорбента повышает эффективность работы теплового насоса.
Тепловые насосы можно различать в зависимости от источника тепла:
- Геотермальные. Тепловая энергия берется из грунта или воды.
- Воздушные. Тепло извлекается из атмосферы.
- Использующие вторичное тепло. В качестве источника тепла используются воздух, вода, канализационные стоки.
В соответствии с типом теплоносителя входного/выходного контура:
- Тепловые насосы «воздух-воздух». Этот вид тепловых насосов забирает тепло у более холодного воздуха, еще больше понижая его температуру, и отдает его в отапливаемое помещение.
- Тепловые насосы «вода-вода». Используется тепло грунтовых вод, которое передается воде для отопления и горячего водоснабжения.
- Тепловые насосы «вода-воздух». Используются зонды или скважины для воды и воздушная система отопления.
- Тепловые насосы «воздух-вода». Атмосферное тепло используется для водяного отопления.
- Тепловые насосы «грунт-вода». Трубы прокладываются под землей, и по ним циркулирует вода, забирающая тепло из грунта.
- Тепловые насосы «лед-вода». Для нагревания воды в системе отопления и горячего водоснабжения используется тепловая энергия, которая высвобождается при получении льда. Замораживание 100-200 л воды способно обеспечить обогрев среднего дома в течение часа.
Источником тепла для тепловых насосов рассол/вода является постоянная положительная температура грунта.
Классификация тепловых насосов
ТН делятся на 2 категории: среда отбора тепла и среда перераспределения энергии:
- «земля — вода»;
- «вода — вода»;
- «воздух — вода»;
- «воздух — воздух».
Вода предпочтительно нагревается геотермальными («земля — вода», «вода — вода») или воздушными насосами («воздух — вода»). Большинство владельцев плавательных бассейнов используют воздушные тепловые насосы. Они отличаются от геотермальных тепловых насосов тем, что не имеют внешнего контура. Поэтому тепловые насосы с воздушными источниками тепла менее дорогостоящие, так как не требуют бурения и прокладки подводящих линий для внешнего контура.
Принцип работы тепловых насосов воздушного типа
Энергия обычно ассоциируется с теплом. На самом деле энергия есть везде — даже в холодных объектах (фактически, во всем, что тепле е-273 °C). Это лишь вопрос потенциальных различий. Среда с отрицательной температурой имеет низкую потенциальную энергию. Тепловой насос предназначен для получения низкопотенциальной энергии и преобразования ее в высокопотенциальную.
Принцип работы схож с принципом работы холодильника. В термодинамике этот процесс называется обратным циклом Карно. Если в холодильнике для достижения эффекта охлаждения тепло передается из камеры в помещение, то в CI все устроено наоборот: Холод собирается и преобразуется в тепло.
Система теплового насоса состоит из 2 частей: внешней и внутренней. Между этими частями находятся компрессор и испаритель. Цикл преобразования энергии состоит из нескольких этапов. На первом этапе теплоноситель циркулирует по внешней системе труб и поглощает энергию, поступающую извне.
Следующим этапом цикла является прохождение хладагента через камеру испарителя, которая заполнена хладагентом. В качестве хладагента используется фреон. При температуре ниже нуля хладагент начинает кипеть. Вступая в контакт с низкопотенциальной тепловой энергией, хладагент превращается в газ и движется к компрессору.
В компрессоре газ снова нагревается и направляется в конденсатор. Там он охлаждается и переходит из газообразного состояния в жидкое, а полученное тепло передается в систему отопления. Затем цикл повторяется.
Для поддержания цикла требуется небольшое количество электроэнергии. Он необходим для приведения в действие компрессора.
Условия эксплуатации и эффективность ТН
Эффективность тепловых насосов можно определить по определенному показателю COP (Coefficient of Performance). COP — это коэффициент преобразования, который позволяет соотнести количество произведенного тепла с количеством использованной энергии.
Современные насосы могут иметь значение COP от 2 до 5. Тепловой насос с COP 5 может преобразовать 1 кВт электроэнергии в 5 кВт тепла.
Теоретически, для расчета COP необходимы две величины: температура источника энергии (T1) и температура воды в системе (T2).
Для расчета температура измеряется в Кельвинах. Чтобы перевести градусы Кельвина в Кельвины, добавьте 273,15. Пример: Температура воздуха 5 °C, а температура в контуре отопления 55 °C. Давайте произведем расчеты:
55 °C + 273,15 = 328,15 K
5 °C + 273,15 = 278,15 K
ПОЛИСТ = 328,15 / (328,15 — 278,15) = 6,563
На практике это сложнее, и значение COP может быть ниже расчетного. Расчет COP зависит от нескольких исходных данных. Необходимо учитывать температуру источника, температуру хладагента, параметры хладагента, эффективность контура, энергопотребление насоса и многое другое. Поэтому при сравнении СОР различных ТН важно знать, с какими исходными данными будет проводиться сравнение.
Знание коэффициента преобразования позволяет оценить эффективность теплового насоса. Это значение также облегчает сравнение версий насосов.
Что такое воздушный тепловой насос – устройство и возможности
Экономичные системы отопления домов заменяют традиционное отопление природным газом, твердым топливом и электричеством. Тепловой насос с воздушным источником тепла — одна из самых популярных альтернатив.
К преимуществам относятся низкие затраты по сравнению с геотермальными системами и возможность строительства новых и реконструкции старых систем отопления. Тепловой насос наиболее востребован в «пассивных домах», то есть домах, спроектированных по принципу минимального потребления тепла и внедрения энергосберегающих технологий.
Что такое воздушный теплонасос
Простейший тепловой насос был разработан еще в 1852 году и назывался «тепловой мультипликатор». Лорд Кельвин открыл основные принципы работы, которые лежат в основе всех современных нагревателей.
Согласно законам физики, тепло передается от нагретого тела к телу с более низкой температурой. Но возможен и обратный путь, при условии, что для этого будет использоваться дополнительная энергия.
Через некоторое время был открыт принцип обратного цикла Карно. Вещество поглощает тепло при испарении и снова отдает его после конденсации на поверхности. Этот закон лежит в основе холодильников и кондиционеров. Низкотемпературный тепловой насос с воздушным источником тепла работает подобно этим бытовым приборам, за исключением того, что он работает в «обратном направлении».
Некоторые производители кондиционеров пользуются этим принципом и предлагают потребителям кондиционеры, которые можно использовать для обогрева помещения. Однако кондиционеры плохо работают при отрицательных температурах, потому что основная цель технологии — охлаждение, а не обогрев.
Низкотемпературные тепловые насосы с воздушным источником тепла для отопления дома работают в соответствии с этим законом природы. Как отопление работает на практике?
-
- Любое, даже охлажденное тело, имеет высоко или низко потенциальную энергию. Даже при отрицательной температуре, в воздухе содержится определенное количество тепла. При -15°С, теплее, чем при -25°С. При -5°С, еще больше тепла находится в воздухе. Принцип работы воздушного теплового насоса позволяет извлечь то небольшое количество тепловой энергии, которое остается в зимнее время года и передать его в помещение.
-
- В наружном блоке, установленном на улице, расположен змеевик с испарителем. Внутри контура циркулирует фреон – жидкость, которая свободно переходит в газообразное состояние и обратно. Фреон испаряют, при этом поглощается то тепло, которое остается даже при отрицательных температурах.
-
- Газ поступает в компрессор. В компрессоре создается высокое давление и условия для преобразования фреона обратно в жидкость.
-
- Под давлением, фреон разогревается и поступает в конденсатор. В блоке газ окончательно становится жидкостью, отдав при этом все тепло, которое получил во внешнем блоке, установленном на улице.
- Фреон, по замкнутому контуру, обратно возвращается в испаритель.
Тепловая мощность теплового насоса «воздух-вода» зависит от температуры наружного воздуха. По этой причине производители предусматривают возможность подключения к тепловому насосу дополнительного нагревателя для компенсации недостатка тепловой энергии, когда температура наружного воздуха опускается ниж е-15 °C. Работа в более холодных условиях продолжается, хотя и с меньшей эффективностью.
Существуют различные типы тепловых насосов с источником воздуха, которые отличаются принципом обогрева помещения.
Тепловые воздушно-водяные насосы
Системы отопления и горячего водоснабжения на основе тепловых насосов с воздушными источниками тепла очень эффективны для использования в умеренных широтах Российской Федерации. Средний COP (Coefficient of Conversion) составляет 3. Получается, что на каждый 1 кВт мощности производится 3 кВт тепловой энергии.
Типы теплосборников для тепловых насосов
Тепловые насосы могут питаться от различных источников: Геотермальные (закрытого и открытого типа), воздушные, вторичная рекуперация тепла. Давайте теперь рассмотрим каждый из этих источников более подробно.
Геотермальные тепловые насосы используют тепловую энергию земли или грунтовых вод и делятся на два типа — закрытые и открытые. Закрытые источники тепла делятся на:
- Горизонтальные, при этом собирающий тепло коллектор располагается кольцами или зигзагами в траншеях глубиной от 1,3 метра и более (ниже глубины промерзания). Данный метод размещения контура теплосборника эффективен при малой площади земельного участка.
Геотермальное отопление с горизонтальным коллектором.
- Вертикальные, т. е. коллектор теплосборника размещается в вертикальные скважины, погружённые в грунт на глубину до 200 м. К этому методу размещения коллектора прибегают в случаях, если нет возможности уложить контур горизонтально или имеется угроза нарушения ландшафта.
Геотермальное отопление с вертикальными коллекторами
- Водные, при этом коллектор контура располагается зигзагообразно либо кольцевидно на дне водоёма, ниже уровня его промерзания. По сравнению с бурением скважин данный метод наиболее дёшев, однако зависит от глубины и общего объёма воды в водоёме, в зависимости от региона.
Открытые тепловые насосы работают с водой, которая после прохождения через тепловой насос стекает обратно в землю. Этот метод можно использовать только в том случае, если вода химически чистая и использование подземных вод для этих целей разрешено законом.
Открытое геотермальное отопление
Воздушные контуры используют воздух в качестве источника тепловой энергии.
Отопление с помощью воздушного теплового насоса
Вторичные (производные) источники тепла обычно используются в системах, рабочий цикл которых предполагает выработку внешней (паразитной) тепловой энергии, которую необходимо дополнительно утилизировать.
Первые модели тепловых насосов напоминали описанную выше конструкцию, которую изобрел Роберт Веббер: Медные трубы контура, которые выполняли функции внешних и внутренних труб и в которых циркулировал хладагент, были закопаны в землю. Испаритель в такой конструкции размещался под землей на глубине, превышающей глубину промерзания, или в отверстиях (диаметром 40-60 мм), пробуренных наклонно или вертикально на глубине 15-30 метров. Так называемый контур прямого обмена обеспечивает небольшую площадь, а при использовании труб малого диаметра не требуется промежуточный теплообменник. Прямой обмен не требует принудительной циркуляции теплоносителя, так как не нужен циркуляционный насос, и потребляет меньше электроэнергии. Кроме того, тепловой насос с контуром прямого обмена может эффективно использоваться при низких температурах — любой объект отдает тепло, когда его температура выше абсолютного нуля (-273,15 °C), а хладагент может испаряться при температуре д о-40 °C. Недостатки этого типа контура: высокая потребность в хладагенте; высокая стоимость медных труб; надежное соединение медных частей возможно только с помощью сварки, иначе утечки хладагента не избежать; необходимость катодной защиты в условиях кислой почвы.
В завершении
Преимуществом тепловых насосов является их высокая эффективность, поскольку для выработки одного киловатта тепловой энергии они потребляют не более 350 ватт электроэнергии в час. Для сравнения, эффективность электростанций, вырабатывающих электричество путем сжигания топлива, составляет не более 50 %. Система теплового насоса полностью автоматизирована и работает с очень низкими эксплуатационными расходами — электроэнергия требуется только для работы компрессора и насосов. Габаритные размеры системы теплового насоса аналогичны размерам бытового холодильника, а уровень шума во время работы также аналогичен бытовому холодильнику.
Рассол/водяной тепловой насос
Тепловой насос может использоваться как для производства, так и для удаления тепловой энергии — при включении контуров охлаждения тепловая энергия из помещений дома передается в грунт, воду или воздух через внешний контур.
Единственным недостатком системы отопления с тепловым насосом является высокая стоимость. В европейских странах, а также в США и Японии тепловые насосы довольно широко распространены — в Швеции их более полумиллиона, в Японии и США (особенно в Орегоне) — несколько миллионов. Тепловые насосы очень популярны в этих странах, поскольку они поддерживаются государственными программами в виде грантов и скидок для домовладельцев, которые их устанавливают.
Нет сомнений, что в ближайшем будущем тепловые насосы уйдут в прошлое, а в России, учитывая ежегодный рост цен на газ, они на сегодняшний день являются единственным конкурентом тепловых насосов с точки зрения экономической стоимости тепловой энергии.
Видео описание
В следующем видеоролике объясняется, как работает тепловой насос с воздушным источником тепла для отопления дома:
Основным преимуществом устройства является его универсальность. Ведь тепловой насос может не только обогревать дом, но и создавать приятную прохладу в летнюю жару. А также выделяют отдельный контур, нагревающий воду для хозяйственных нужд. Это особенно важно в летний сезон, когда городские котельные проходят плановый ремонт.
Охлаждение
Не все модели оснащены встроенным кондиционером. А вот тепловой насос «воздух-воздух» — да. А летом достаточно просто переключиться с отопления на кондиционирование. Но даже если насос изначально не имеет встроенного блока, его можно установить отдельно.
Гидравлический затвор для воздушного охлаждения является дешевым. Он выпускается в виде отдельного устройства и может обеспечивать охлаждение помещения через специальные стеновые панели с хорошей циркуляцией воздуха. Или даже через подогрев пола.
Видео описание
Видеоролик показывает, как работает тепловой насос:
Подогрев воды
Отдельный контур позволяет иметь горячую воду в доме круглый год. Однако следует помнить, что низкотемпературная система не может обеспечить очень высокие температуры. Поэтому вода нагревается только до 55°C. И чтобы не экономить, вам придется установить довольно большой котел. Чтобы хватило на всех членов семьи.
Зачем у теплового насоса встроенный ТЭН
Тепловой насос с воздушным источником тепла часто оснащается дополнительным электрическим нагревателем для вспомогательного отопления. А для районов, где температура может опускаться ниже минус 15 градусов Цельсия, это отнюдь не пустая трата денег. Если внезапно наступает резкое похолодание, работа теплового насоса становится неэффективной. И в этом случае лучше обогреть здание другими способами, чем оставаться в доме, который быстро остывает, и ждать прихода тепла.
Есть еще один фактор, который оправдывает дополнительный нагревательный элемент. Экономически не оправдано сознательно устанавливать систему с большей мощностью, чем необходимо. Этот «резерв» будет постоянно отторгаться из кармана. А по-настоящему холодные дни в теплых районах — большая редкость. Поэтому лучше потратить небольшую сумму на аварийное отопление, чем регулярно платить за неиспользуемую мощность.
Система отопления с тепловым насосом
Когда тепловой насос используется для отопления, принцип его работы основан на интеграции в систему отопления. Он состоит из двух контуров, к которым добавляется третий — это конструкция насоса.
Теплоноситель, поглощающий тепло из окружающей среды, циркулирует во внешнем контуре. Он поступает в испаритель насоса и отдает хладагенту около 4-7 °C, а его температура кипения составляе т-10 °C. В результате хладагент закипает, а затем переходит в газообразное состояние. Уже охлажденный хладагент во внешнем контуре подается в следующий контур для повышения температуры.
Рабочий контур теплового насоса состоит из:
- испарителя;
- хладагента;
- электрического компрессора;
- конденсатора;
- капилляра;
- терморегулирующего управляющего устройства.
- хладагент после закипания, двигаясь по трубопроводу, попадает в компрессор, работающий при помощи электроэнергии. Это устройство сжимает хладагент, находящийся в газообразном состоянии, до высокого давления, что вызывает повышение его температуры;
- горячий газ попадает в другой теплообменник (конденсатор), в котором тепло хладагента отдается теплоносителю, циркулирующему по внутреннему контуру отопительной системы, или воздуху в помещении;
- остывая, хладагент переходит в жидкое состояние, после чего проходит сквозь капиллярный редукционный клапан, теряя давление, и затем снова оказывается в испарителе;
- таким образом, цикл завершился, и процесс готов повториться.
Примерный расчет теплопроизводительности
За один час через насос по внешнему коллектору проходит 2,5-3 кубических метра теплоносителя, который может нагреть землю на ∆t = 5-7 °C. Чтобы рассчитать тепловую мощность этой схемы, используйте следующую формулу
Q = (T1— T2) x V, где: V — расход теплоносителя в час (м3 /ч); T1— T2— разница температур между входом и выходом (°C).
Виды тепловых насосов
В зависимости от типа тепловой мощности тепловые насосы можно разделить на различные типы:
- грунт-вода — для их работы в водяной отопительной системе используются закрытые грунтовые контуры или геотермальные зонды, находящиеся на глубине;
- вода-вода — принцип работы теплового насоса для отопления дома в данном случае основывается на использовании открытых скважин для забора грунтовых вод и их сброса. При этом внешний контур не закольцован, а система отопления в доме – водяная;
- вода-воздух – устанавливают внешние водяные контуры и задействуют отопительные конструкции воздушного вида;
- воздух-воздух – для их функционирования используют рассеянное тепло наружных воздушных масс плюс воздушная система отопления дома.
Принцип работы теплового насоса воздух-воздух
Принцип работы теплового насоса «воздух-воздух» ничем не отличается от принципа работы обычного кондиционера для бытового использования. Разница лишь в том, что тепловой насос в основном используется для обогрева, а кондиционер — для охлаждения. В остальном все точно так же.
Несмотря на простоту такого теплового насоса и некоторые его неоспоримые преимущества, он также имеет ряд недостатков, которые ограничивают его применение для отопления домов
- доступная цена (это самые дешевые тепловые насосы)
- относительно простой монтаж (как для обычного кондиционера)
- высокая эффективность, как следствие невысокой температуры нагрева 25-30 °С
- быстрая окупаемость
- нагревает воздух только в одном помещении
- наличие фреонового контура между наружным и внутренним блоком
- ограниченная тепловая мощность
- необходимо инверторное управление мощностью компрессора
- шум внутреннего блока (как у кондиционера)
Ограничение минимальной внешней рабочей температуры
В целом, это самый дешевый способ отопления дома с помощью теплового насоса, но он подходит только для небольших домов. Равномерно обогреть большой дом будет непросто, и одного теплового насоса будет недостаточно.
Принцип работы теплового насоса воздух-вода
Для полного отопления дома в любой местности лучше всего подходит нагрев горячей воды, и здесь опять же тепловой насос «воздух-вода». В отличие от чисто воздушного теплового насоса, тепловой насос «воздух-вода» основан на принципе нагрева воды таким же образом, как и обычный бойлер в системе водяного отопления.
Принцип работы теплового насоса воздух/вода позволяет отапливать большие помещения практически без ограничений. Однако есть свои преимущества и недостатки.
- доступная цена
- простой монтаж (как для обычного электрического котла)
- большой диапазон мощностей
- нагревает воду (жидкий теплоноситель) в системе отопления
- может быть установлен на любом удалении от потребителя
- высокая эффективность
- Ограничение минимальной внешней рабочей температуры
В целом, это предпочтительный тип теплового насоса для решения проблемы снижения затрат на отопление во всех климатических условиях, включая арктические. Идеально подходит для модернизации существующей системы горячего водоснабжения или в качестве альтернативы при переходе на другой источник тепла.
Принцип работы теплового насоса вода-вода
Здесь все очень сложно, запутанно и неоднозначно. Этот тип теплового насоса подвергается наиболее распространенным экспериментам по извлечению тепла из верхних слоев земли. В Интернете есть много информации на эту тему.
Мы остановимся только на тех, которые широко используются в домашних хозяйствах, имеют высокую надежность и доказанную эффективность.
Самый простой и эффективный тепловой насос «вода-вода» — это тепловой насос с открытым первичным контуром, который перекачивает воду между колодцами или резервуарами (емкостями).
Более сложные и дорогие тепловые насосы «вода-вода» для отопления дома — это тепловые насосы с замкнутым контуром, часто называемые геотермальными или рассольными тепловыми насосами, поскольку первичный контур находится под землей и циркулирует незамерзающий хладагент (водный раствор пропиленгликоля), иногда называемый рассолом.
- средняя сезонная эффективность может быть выше (но на практике чаще ниже), чем у воздушных моделей
- большой диапазон мощностей
- нагревает воду в системе отопления
- самая высока цена «под ключ» среди всех типов тепловых насосов
- сложный монтаж
- высокий уровень шума (если тепловой насос установлен в доме)
- необходимость согласования с муниципальными службами
- длительный срок окупаемости
- сложное техническое обслуживание
- высокие риски утраты/порчи геотермального контура
Эти два параметра являются самым большим камнем преткновения для неопытных покупателей. Для таких покупателей лучшим выбором будет тепловой насос «воздух-воздух».
Поскольку тепловой насос, как и любой котел, не может быть единственным источником тепла в системе отопления, необходимо предусмотреть резервный источник тепла, что рекомендуется строительными нормами и правилами (СНиП), но о чем так часто забывают в стремлении оптимизировать расходы.
При тщательном проектировании системы отопления для тепловых насосов с самого начала должна быть предусмотрена низкотемпературная система отопления с рабочей температурой в диапазоне 30-45 °C.
Для любого теплового насоса действует золотое правило: чем ниже температура теплоносителя, тем выше эффективность теплового насоса и тем больше экономия.
Мы не можем контролировать температуру источника тепла, но мы можем снизить температуру в системе отопления! Например, просто заменив радиаторы на фанкойлы или теплые полы.
