Тепловые насосы греемся холодом


СОДЕРЖАНИЕ:

Тепловые насосы: греемся холодом

Во второй половине XIX века после появления работ Клаузиуса большинство учёных, занимавшихся термодинамикой, в один голос утверждали, что с помощью механической работы разделять тепло и холод, конечно, можно — ведь при перемещении поршня в цилиндре с одной его стороны газ сжимается и нагревается, а с другой разрежается и охлаждается. Однако полученное таким образом тепло всегда будет меньше, чем затраченная механическая работа. Такой в те времена была одна из формулировок второго начала термодинамики. Но к концу XIX века появились мощные холодильные установки, которые могли перекачать тепла как минимум вдвое больше, чем тратилось энергии на приведение их в действие. Это был шок, ведь формально выходило, что тепловой вечный двигатель возможен! Однако при внимательном рассмотрении выяснилось, что до вечного двигателя по-прежнему далеко, а низкопотенциальное тепло, добытое с помощью теплового насоса, и высокопотенциальное тепло, получаемое, например, при сжигании топлива, — это две большие разницы. Правда, соответствующая формулировка второго начала была несколько видоизменена. Так что же такое тепловые насосы?

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы теплового насоса прост: за счёт механической работы либо других видов энергии он обеспечивает концентрацию тепла, ранее равномерно распределённого по некоторому объёму, в одной части этого объёма. В другой части, соответственно, образуется дефицит тепла, то есть холод.

Исторически тепловые насосы впервые начали широко применяться в качестве холодильников — по сути, любой холодильник представляет собой тепловой насос, выкачивающий тепло из холодильной камеры наружу (в комнату или на улицу). Никакой альтернативы этим устройствам до сих пор нет, и при всём многообразии современной холодильной техники базовый принцип остаётся прежним: откачка тепла из холодильной камеры за счёт дополнительной внешней энергии.

Естественно, практически сразу же обратили внимание на то, что заметный нагрев теплообменника конденсатора (у бытового холодильника он обычно выполнен в виде чёрной панели или решётки на задней стенке шкафа) можно было бы использовать и для обогрева. Это уже была идея обогревателя на основе теплового насоса в её современном виде — холодильник наоборот, когда тепло закачивается в замкнутый объём (помещение) из неограниченного внешнего объёма (с улицы). Однако в этой области конкурентов у теплового насоса полно — начиная с традиционных дровяных печей и каминов и заканчивая всевозможными современными отопительными системами. Поэтому многие годы, пока топливо было относительно дешёвым, эта идея рассматривалась как не более чем курьёз, — в большинстве случаев она была абсолютно невыгодна экономически, и лишь крайне редко такое использование было оправдано — обычно для утилизации тепла, откачиваемого мощными холодильными установками в странах с не слишком холодным климатом. И только со стремительным ростом цен на энергоносители, усложнением и удорожанием отопительного оборудования и относительным удешевлением на этом фоне производства тепловых насосов, такая идея становится экономически выгодной сама по себе, — ведь заплатив один раз за довольно сложную и дорогую установку, затем можно будет постоянно экономить на сокращённом расходе топлива. Тепловые насосы являются основой набирающих популярность идей когенерации — одновременной выработки тепла и холода — и тригенерации — выработки сразу тепла, холода и электричества.

Поскольку тепловой насос является сутью любой холодильной установки, то можно сказать, что понятие «холодильная машина» — его псевдоним. Правда, следует иметь в виду, что несмотря на универсальность используемых принципов работы, конструкции холодильных машин всё-таки ориентированы именно на выработку холода, а не тепла, — например, вырабатываемый холод концентрируется в одном месте, а получаемое тепло может рассеиваться в нескольких разных частях установки, потому что в обычном холодильнике стоит задача не утилизировать это тепло, а просто избавиться от него.

Классы тепловых насосов

В настоящее время наиболее широко применяются два класса тепловых насосов. К одному классу можно отнести термоэлектрические на эффекте Пельтье, а к другому — испарительные, которые, в свою очередь подразделяются на механические компрессорные (поршневые или турбинные) и абсорбционные (диффузионные). Кроме того, постепенно возрастает интерес к использованию в качестве тепловых насосов вихревых труб, в которых работает эффект Ранка.

Тепловые насосы на эффекте Пельтье


Элемент Пельтье.

Эффект Пельтье заключается в том, что при подаче на две стороны специально подготовленной полупроводниковой пластины небольшого постоянного напряжения, одна сторона этой пластины нагревается, а другая — охлаждается. Вот, в общем-то, и готов термоэлектрический тепловой насос!

Физическая суть эффекта состоит в следующем. Пластина элемента Пельтье (он же «термоэлектрический элемент», англ. Thermoelectric Cooler, TEC ), состоит из двух слоёв полупроводника с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При переходе электрона под действием внешнего напряжения в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, он должен приобрести энергию. При получении им этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников (при протекании тока в обратном направлении происходит обратный эффект — место контакта слоёв нагревается дополнительно к обычному омическому нагреву).

Достоинства элементов Пельтье

Достоинством элементов Пельтье является максимальная простота их конструкции (что может быть проще пластины, к которой припаяны два проводка?) и полное отсутствие каких-либо движущихся частей, а также внутренних потоков жидкостей или газов. Следствием этого является абсолютная бесшумность работы, компактность, полное безразличие к ориентации в пространстве (при условии обеспечения достаточного теплоотвода) и очень высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам. Да и рабочее напряжение составляет лишь несколько вольт, поэтому для работы вполне достаточно нескольких батареек или автомобильного аккумулятора.

Недостатки элементов Пельтье

Главным недостатком термоэлектрических элементов является их относительно невысокая эффективность — ориентировочно можно считать, что на единицу перекачанного тепла им потребуется вдвое больше подведённой внешней энергии. То есть, подведя электрической энергии, из охлаждаемой области мы сможем удалить лишь тепла. Понятно, что все суммарные выделятся на «тёплой» стороне элемента Пельтье и их надо будет отвести во внешнюю среду. Это во много раз ниже эффективности компрессионных испарительных тепловых насосов.

На фоне столь низкого КПД обычно уже не так важны остальные недостатки, — а это небольшая удельная производительность в сочетании с высокой удельной стоимостью.

Использование элементов Пельтье

В соответствии с их особенностями, основная область применения элементов Пельтье в настоящее время обычно ограничивается случаями, когда требуется не очень сильно охладить что-либо не слишком мощное, особенно в условиях сильной тряски и вибраций и при жёстких ограничениях по массе и габаритам, — например, различные узлы и детали электронной аппаратуры, прежде всего военной, авиационной и космической. Пожалуй, самое широкое распространение в быту элементы Пельтье получили в маломощных () переносных автомобильных холодильниках.

Испарительные компрессионные тепловые насосы

Принцип работы этого класса тепловых насосов заключается в следующем. Газообразный (полностью или частично) хладагент сжимается компрессором до давления, при котором он может превратиться в жидкость. Естественно, при этом он нагревается. Нагретый сжатый хладагент подаётся в радиатор конденсатора, где охлаждается до температуры окружающей среды, отдавая ей излишнее тепло. Это зона нагрева (задняя стенка кухонного холодильника). Если на входе конденсатора значительная часть сжатого горячего хладагента ещё оставалась в виде пара, то при понижении температуры в ходе теплообмена она также конденсируется и переходит в жидкое состояние. Относительно охлаждённый жидкий хладагент подаётся в расширительную камеру, где, проходя через дроссель или детандер, теряет давление, расширяется и испаряется, по крайней мере частично переходя в газообразную форму, и, соответственно, охлаждается, — существенно ниже температуры окружающей среды и даже ниже температуры в зоне охлаждения теплового насоса. Проходя по каналам панели испарителя, холодная смесь жидкого и парообразного теплоносителя отбирает тепло из зоны охлаждения. За счёт этого тепла продолжает испаряться оставшаяся жидкой часть хладагента, поддерживая стабильно низкую температуру испарителя и обеспечивая эффективный отбор тепла. После этого хладагент в виде пара добирается до входа компрессора, который откачивает и вновь сжимает его. Затем всё повторяется сначала.


Схема рабочего цикла испарительного компрессионного теплового насоса.

Таким образом, на «горячем» участке компрессор-конденсатор-дроссель хладагент находится под высоким давлением и преимущественно в жидком состоянии, а на «холодном» участке дроссель-испаритель-компрессор давление низкое, а хладагент в основном находится в парообразном состоянии. И сжатие, и разрежение создаются одним и тем же компрессором. С противоположной от компрессора стороны тракта зоны высокого и низкого давления разделяет дроссель, ограничивающий поток хладагента.

В мощных промышленных холодильниках в качестве хладагента используется ядовитый, но эффективный аммиак, производительные турбокомпрессоры и иногда детандеры. В бытовых холодильниках и кондиционерах хладагентом обычно являются более безопасные фреоны, а вместо турбоагрегатов используются поршневые компрессоры и «капиллярные трубки» (дроссели).

В общем случае изменение агрегатного состояния хладагента необязательно — принцип будет рабочим и для постоянно газообразного хладагента, — однако большая теплота изменения агрегатного состояния многократно повышает эффективность рабочего цикла. Но вот если хладагент будет всё время находиться в жидком виде, эффекта не будет принципиально — ведь жидкость практически несжимаема, а потому ни повышение, ни снятие давления не изменят её температуру.

Дроссели и детандеры

Многократно употребляемые на этой странице термины «дроссель» и «детандер» обычно мало что говорят людям, далёким от холодильной техники. Поэтому следует сказать пару слов об этих устройствах и основном различии между ними.

Дросселем в технике называется устройство, предназначенное для нормирования потока за счёт его принудительного ограничения. В электротехнике это название закрепилось за катушками, призванными ограничить скорость нарастания тока и обычно применяемыми для защиты электросхем от импульсных помех. В гидравлике дросселями, как правило, называют ограничители потока, представляющие собой специально созданные сужения канала с точно рассчитанным (калиброванным) просветом, обеспечивающим нужный поток или необходимое сопротивление потоку. Классическим примером таких дросселей являются жиклёры, широко использовавшиеся в карбюраторных двигателях для обеспечения расчётного поступления бензина при подготовке топливной смеси. Дроссельная заслонка в тех же карбюраторах нормировала поток воздуха — второго необходимого ингредиента этой смеси.

В холодильной технике дроссель используется для ограничения потока хладагента в расширительную камеру и поддержания там условий, необходимых для эффективного испарения и адиабатического расширения. Слишком большой поток может вообще привести к заполнению расширительной камеры хладагентом (компрессор просто не успеет откачать его) или, по крайней мере, к потере там необходимого разрежения. А ведь именно испарение жидкого хладагента и адиабатическое расширение его паров обеспечивает необходимое для работы холодильника падение температуры хладагента ниже температуры окружающей среды.

В детандере расширительная камера несколько модернизирована. В ней испаряющийся и расширяющийся хладагент дополнительно совершает механическую работу, перемещая находящийся там поршень или вращая турбину. При этом ограничение потока хладагента может осуществляться за счёт сопротивления поршня или колеса турбины, хотя на деле это обычно требует очень тщательного подбора и согласования всех параметров системы. Поэтому и при использовании детандеров основное нормирование потока может осуществляться дросселем (калиброванным сужением канала подачи жидкого хладагента).

Турбодетандер эффективен лишь при больших потоках рабочего тела, при малом потоке его эффективность близка к обычному дросселированию. Поршневой детандер может эффективно работать с гораздо меньшим расходом рабочего тела, однако конструкция его на порядок сложнее турбины: помимо самого поршня со всеми необходимыми направляющими, уплотнениями и системой возврата, требуются впускные и выпускные клапаны с соответствующим управлением ими.

Преимуществом детандера перед дросселем является более эффективное охлаждение за счёт того, что часть тепловой энергии хладагента превращается в механическую работу и в такой форме отводится из теплового цикла. Более того, эта работа затем может быть использована с пользой для дела, скажем, для привода насосов и компрессоров, как это сделано в «холодильнике Зысина». Зато простой дроссель имеет абсолютно примитивную конструкцию и не содержит ни одной движущейся детали, а потому по надёжности, долговечности, а также простоте и себестоимости изготовления оставляет детандер далеко позади. Именно эти причины обычно ограничивают область применения детандеров мощной криогенной техникой, а в бытовых холодильниках используются менее эффективные, зато практически вечные дроссели, называемые там «капиллярными трубками» и представляющие собой простую медную трубку достаточно большой длины с просветом малого диаметра (обычно от 0.6 до , которая обеспечивает необходимое гидравлическое сопротивление для расчётного потока хладагента.

Достоинства компрессионных тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов — их высокая эффективность, самая высокая среди современных тепловых насосов. Соотношение подведённой извне и перекачанной энергии у них может достигать 1:3 — то есть на каждый джоуль подведённой энергии из зоны охлаждения будет откачано тепла — сравните с у элементов Пельте! При этом компрессор может стоять отдельно, и выработанное им тепло () необязательно отводить во внешнюю среду в том же месте, где отдаются тепла, откачанные из зоны охлаждения.

Кстати, существует отличающаяся от общепринятой, но весьма любопытная и убедительная теория термодинамических явлений. Так вот, один из её выводов заключается в том, что работа по сжатию газа в принципе может составлять лишь порядка 30% от его общей энергии. А это означает, что соотношение подведённой и перекачанной энергии 1:3 соответствует теоретическому пределу и при термодинамических методах перекачки тепла не может быть улучшено в принципе. Впрочем, некоторые производители уже заявляют о достижении соотношения 1:5 и даже 1:6, и это соответствует действительности — ведь в реальных холодильных циклах используется не просто сжатие газообразного хладагента, но и изменение его агрегатного состояния, и именно последний процесс является главным.

Недостатки компрессионных тепловых насосов

К недостаткам этих тепловых насосов можно отнести, во-первых, само наличие компрессора, неизбежно создающего шум и подверженного износу, а во-вторых, необходимость использования специального хладагента и соблюдение абсолютной герметичности на всём его рабочем пути. Впрочем, бытовые компрессионные холодильники, непрерывно работающие по и более без какого-либо ремонта, — совсем не редкость. Ещё одна особенность — довольно высокая чувствительность к положению в пространстве. На боку или вверх ногами вряд ли заработает и холодильник, и кондиционер. Но это связано с особенностями конкретных конструкций, а не с общим принципом работы.

Как правило, компрессионные тепловые насосы и холодильные установки проектируются в расчёте на то, что на входе компрессора весь хладагент находится в парообразном состоянии. Поэтому попадание на вход компрессора большого количества неиспарившегося жидкого хладагента может вызвать в нём гидравлический удар и, как результат, серьёзную поломку агрегата. Причиной такой ситуации может быть как износ аппаратуры, так и слишком низкая температура конденсатора — поступающий в испаритель хладагент слишком холодный и испаряется слишком вяло. Для обычного холодильника такая ситуация может возникнуть, если пытаться его включить в очень холодном помещении (например, при температуре около 0°С и ниже) либо если он только что внесён в нормальное помещение с мороза. Для работающего на обогрев компрессионного теплового насоса это может случится, если пытаться отогреть им промороженное помещение при том, что на улице тоже холодно. Не очень сложные технические решения устраняют эту опасность, но они удорожают конструкцию, а при штатной эксплуатации массовой бытовой техники в них нет нужды — такие ситуации не возникают.

Использование компрессионных тепловых насосов

В силу своей высокой эффективности именно этот тип тепловых насосов получил практически повсеместное распространение, вытеснив все остальные в различные экзотические области применения. И даже относительная сложность конструкции и её чувствительность к повреждениям не могут ограничить их широкое использование — почти на каждой кухне стоит компрессионный холодильник или морозильник, а то и не один!

Испарительные абсорбционные (диффузионные) тепловые насосы

Рабочий цикл испарительных абсорбционных тепловых насосов весьма схож с рабочим циклом испарительных компрессионных установок, рассмотренных чуть выше. Главное различие заключается в том, что если в предыдущем случае разрежение, необходимое для испарения хладагента, создаётся при механическом отсосе паров компрессором, то в абсорбционных агрегатах испарившийся хладагент поступает из испарителя в блок абсорбера, где поглощается (абсорбируется) другим веществом — абсорбентом. Тем самым пар удаляется из объёма испарителя и там восстанавливается разрежение, обеспечивающее испарение новых порций хладагента. Необходимым условием является такое «сродство» хладагента и абсорбента, чтобы силы их связывания при поглощении смогли создать существенное разрежение в объёме испарителя. Исторически первой и до сих широко используемой парой веществ является аммиак NH 3 (хладагент) и вода (абсорбент). При поглощении пары аммиака растворяются в воде, проникая (диффундируя) в её толщу. От этого процесса произошли альтернативные названия таких тепловых насосов — диффузионные или абсорбционно-диффузионные.


Рабочий цикл одноступенчатого абсорбционного теплового насоса.

Для того чтобы вновь разделить хладагент (аммиак) и абсорбент (воду), отработавшую и богатую аммиаком водо-аммиачную смесь нагревают в десорбере внешним источником тепловой энергии вплоть до кипения, затем несколько охлаждают. Первой конденсируется вода, но при высокой температуре сразу после конденсации она способна удержать очень мало аммиака, поэтому основная часть аммиака остаётся в виде пара. Здесь находящиеся под давлением жидкую фракцию (воду) и газообразную (аммиак) разделяют и по отдельности охлаждают до температуры окружающей среды. Остывшая вода с малым содержанием аммиака направляется в абсорбер, а аммиак при охлаждении в конденсаторе становится жидким и поступает в испаритель. Там давление падает, и аммиак испаряется, снова охлаждая испаритель и забирая извне тепло. Затем вновь соединяют пары аммиака с водой, удаляя из испарителя излишки аммиачных паров и поддерживая там низкое давление. Обогащённый аммиаком раствор опять направляется в десорбер на разделение. В принципе, для десорбции аммиака кипятить раствор не обязательно, достаточно просто нагреть его близко к температуре кипения, и «лишний» аммиак улетучится из воды. Но кипячение позволяет провести разделение наиболее быстро и эффективно. Качество такого разделения является главным условием, определяющим разрежение в испарителе, а стало быть, эффективность работы абсорбционного агрегата, и многие ухищрения в конструкции направлены именно на это. В результате, по организации и количеству стадий рабочего цикла абсорбционно-диффузионные тепловые насосы, пожалуй, являются наиболее сложными из всех распространённых типов подобного оборудования.

«Изюминкой» принципа работы является то, что для выработки холода здесь используется нагрев рабочего тела (вплоть до его кипения). При этом вид источника нагрева непринципиален, — это может быть даже открытый огонь (пламя горелки), поэтому использование электричества необязательно. Для создания необходимой разности давлений, обуславливающей движение рабочего тела, иногда могут использоваться механические насосы (обычно в мощных установках при больших объёмах рабочего тела), а иногда, в частности в бытовых холодильниках, — элементы без подвижных частей (термосифоны).

Первые абсорбционные холодильные машины (АБХМ) на аммиачно-водяной смеси появились во второй половине XIX века. В быту из-за ядовитости аммиака они тогда большого распространения не получили, но весьма широко использовались в промышленности, обеспечивая охлаждение вплоть до . В одноступенчатых АБХМ теоретически максимальная холодопроизводительность равна количеству затраченного на нагрев тепла (реально, конечно, заметно меньше). Именно этот факт подкреплял уверенность защитников той самой формулировки второго начала термодинамики, о которой говорилось в начале этой страницы. Однако сейчас и абсорбционные тепловые насосы преодолели это ограничение. В 1950-х годах появились более эффективные двухступенчатые (два конденсатора или два абсорбера) бромистолитиевые АБХМ (хладагент — вода, абсорбент — бромид лития LiBr). Трёхступенчатые варианты АБХМ запатентованы в . Их образцы-прототипы по эффективности превосходят двухступенчатые на 30–50% и приближаются к массовым моделям компрессионных установок.

Здесь я не рассматриваю все подробности множества сложных процессов, протекающих при работе абсорбционных тепловых насосов. В Интернете достаточно сайтов, где всё это описано в деталях. Я, например, многие сведения по АБХМ нашёл здесь .

Достоинства абсорбционных тепловых насосов

Главное достоинство абсорбционных тепловых насосов — это возможность использовать для своей работы не только дорогое электричество, но и любой источник тепла достаточной температуры и мощности — перегретый или отработанный пар, пламя газовых, бензиновых и любых других горелок — вплоть до выхлопных газов и даровой солнечной энергии.

Второе достоинство этих агрегатов, особенно ценное в бытовых применениях, — это возможность создания конструкций, не содержащих движущихся деталей, а потому практически бесшумных (в советских моделях этого типа иногда можно было услышать тихое бульканье или лёгкое шипение, но, конечно, это не идёт ни в какое сравнение с шумом работающего компрессора).

Наконец, в бытовых моделях рабочее тело (обычно это водо-аммиачная смесь с добавлением водорода или гелия) в используемых там объёмах не представляет большой опасности для окружающих даже в случае аварийной разгерметизации рабочей части (это сопровождается весьма сильной и неприятной вонью, так что не заметить значительную утечку невозможно, и помещение с аварийным агрегатом придётся покинуть и проветрить «автоматически»; сверхмалые же концентрации аммиака естественны и абсолютно безвредны — достаточно сказать, что без них не обходится и жизнедеятельность здорового человеческого организма). В промышленных установках объёмы аммиака велики и его концентрация при утечках может быть смертельной, но в любом случае аммиак числится экологически безопасным, — считается, что в отличии от фреонов он не разрушает озоновый слой и не вызывает парниковый эффект.

Недостатки абсорбционных тепловых насосов

Главный недостаток этого типа тепловых насосов — их более низкая эффективность по сравнению с компрессионными.

Второй недостаток — сложность конструкции самого агрегата и довольно высокая коррозионная нагрузка от рабочего тела, либо требующая использования дорогих и труднообрабатываемых коррозионно-стойких материалов, либо сокращающая срок службы агрегата до . В результате стоимость «железа» получается заметно выше, чем у компрессионных установок той же производительности (прежде всего это касается мощных промышленных агрегатов).

В-третьих, многие конструкции весьма критичны к размещению при установке — в частности, некоторые модели бытовых холодильников требовали установки строго горизонтально, и уже при отклонении на несколько градусов отказывались работать. Использование принудительного перемещения рабочего тела с помощью помп в значительной степени снимает остроту этой проблемы, но подъём бесшумным термосифоном и слив самотёком требуют очень тщательного выравнивания агрегата.

В отличии от компрессионных машин абсорбционные не так боятся слишком низких температур — просто их эффективность снижается. Но я недаром поместил этот абзац в раздел недостатков, потому что это не значит, что они могут работать в лютую стужу — на морозе водный раствор аммиака банально замёрзнет в отличие от используемых в компрессионных машинах фреонов, температура замерзания которых обычно ниже Правда, если лёд ничего не порвёт, то после оттаивания абсорбционный агрегат продолжит работу, даже если его всё это время не отключали из сети, — ведь механических насосов и компрессоров в нём нет, а мощность подогрева в бытовых моделях достаточно мала, чтобы кипение в районе нагревателя не стало слишком интенсивным. Впрочем, всё это уже зависит от особенностей конкретной конструкции.

Использование абсорбционных тепловых насосов

Несмотря на несколько меньшую эффективность и относительно более высокую стоимость по сравнению с компрессионными установками, применение абсорбционных тепловых машин абсолютно оправдано там, где нет электричества или где есть большие объёма бросового тепла (отработанный пар, горячие выхлопные или дымовые газы и т.п. — вплоть до солнечного нагрева). В частности, выпускаются специальные модели холодильников, работающие от газовых горелок, предназначенные для путешественников-автомобилистов и яхтсменов.

В настоящее время в Европе газовые котлы иногда заменяют абсорбционными тепловыми насосами с нагревом от газовой горелки или от солярки — они позволяют не только утилизировать теплоту сгорания топлива, но и «подкачивать» дополнительное тепло с улицы или из глубины земли!

Как показывает опыт, в быту вполне конкурентоспособны и варианты с электронагревом, прежде всего в диапазоне малых мощностей — где-то от 20 и до . Меньшие мощности — вотчина термоэлектрических элементов, а при бóльших пока безусловны преимущества компрессионных систем. В частности, среди советских и пост-советских марок холодильников этого типа были популярны «Морозко», «Север», «Кристалл», «Киев» с типичным объёмом холодильной камеры от 30 до 140 литров, хотя существуют и модели на 260 литров («Кристалл-12»). Кстати, оценивая потребление энергии, стоит учитывать тот факт, что компрессионные холодильники почти всегда работают в коротко-периодическом режиме, а абсорбционные обычно включаются на гораздо более длительный срок или вообще работают непрерывно. Поэтому, даже если номинальная мощность нагревателя будет гораздо меньше мощности компрессора, соотношение среднесуточного потребления энергии может быть совсем другим. Зато пиковая нагрузка на сеть от абсорбционных тепловых насосов заметно меньше, чем от компрессорных, а это очень актуально там, где мощность подключения ограничена (скажем, в некоторых садовых товариществах выделяемая на участок мощность может составлять всего да и при использовании маломощного бензинового электрогенератора превышение мощности даже на сотню-другую ватт может оказаться очень критичным). Кроме того, нагревательные элементы обычно переносят кратковременные «просадки» и «всплески» напряжения гораздо легче, чем электромоторы компрессоров.

Вихревые тепловые насосы

Вихревые тепловые насосы используют для разделения теплого и холодного воздуха эффект Ранка. Суть эффекта заключается в том, что газ, тангенциально подаваемый в трубу на высокой скорости, внутри этой трубы закручивается и разделяется: из центра трубы можно отбирать охлаждённый газ, а с периферии — нагретый. Этот же эффект, хотя и в гораздо меньшей степени, действует и для жидкостей.

Достоинства вихревых тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов — простота конструкции и большая производительность. Вихревая труба не содержит движущихся деталей, и это обеспечивает ей высокую надёжность и долгий срок службы. Вибрация и положение в пространстве практически не оказывают влияния на её работу.

Мощный поток воздуха хорошо предотвращает обмерзание, а эффективность вихревых труб слабо зависит от температуры входного потока. Очень важно и практическое отсутствие принципиальных температурных ограничений, связанных с переохлаждением, перегревом или замерзанием рабочего тела.

В некоторых случаях играет свою роль возможность достижения рекордно высокого температурного разделения на одной ступени: в литературе приводятся цифры охлаждения на 200° и более. Обычно одна ступень охлаждает воздух на .

Недостатки вихревых тепловых насосов

К сожалению, эффективность этих устройств в настоящее время заметно уступает эффективности испарительных компрессионных установок. Кроме того, для эффективной работы они требуют высокой скорости подачи рабочего тела. Максимальная эффективность отмечается при скорости входного потока, равной 40..50% от скорости звука — такой поток сам по себе создаёт немало шума, а кроме того, требует наличия производительного и мощного компрессора — устройства тоже отнюдь не тихого и довольно капризного.

Отсутствие общепризнанной теории этого явления, пригодной для практического инженерного использования, делает конструирование таких агрегатов занятием во многом эмпирическим, где результат сильно зависит от удачи: «угадал — не угадал». Более-менее надёжный результат даёт только воспроизведение уже созданных удачных образцов, а результаты попыток существенного изменения тех или иных параметров не всегда предсказуемы и иногда выглядят парадоксальными.

Использование вихревых тепловых насосов

Тем не менее, в настоящее время использование таких устройств расширяется. Они оправданы в первую очередь там, где уже есть газ под давлением, а также на различных пожаро- и взрывоопасных производствах — ведь подать в опасную зону поток воздуха под давлением зачастую гораздо безопаснее и дешевле, чем тянуть туда защищённую электропроводку и ставить электродвигатели в специальном исполнении.

Пределы эффективности тепловых насосов

Почему при всех своих достоинствах тепловые насосы до сих пор не получили широкого распространения для обогрева (пожалуй, единственный относительно распространённый класс таких устройств — это кондиционеры с инверторным режимом)? Причин этому несколько, и помимо субъективных, связанных с отсутствием традиций обогрева с помощью этой техники, есть и объективные, главные среди которых — обмерзание теплоотборника и относительно узкий диапазон температур для эффективной работы.

В вихревых (прежде всего газовых) установках проблем переохлаждения и обмерзания обычно нет. Они не используют изменение агрегатного состояния рабочего тела, а мощный поток воздуха выполняет функции системы «No Frost». Однако эффективность их намного меньше, чем у испарительных тепловых насосов, а большая шумность делает их применение в бытовых целях весьма некомфортным.

Переохлаждение

В испарительных тепловых насосах высокая эффективность обеспечивается за счёт изменения агрегатного состояния рабочего тела — перехода из жидкости в газ и обратно. Соответственно, этот процесс возможен в относительно узком интервале температур. При слишком высоких температурах рабочее тело всегда останется газообразным, а при слишком низких — будет испаряться с большим трудом или вообще замёрзнет. В результате при выходе температуры за рамки оптимального диапазона наиболее энергоэффективный фазовый переход становится затруднённым или вовсе исключается из рабочего цикла, и КПД компрессионной установки существенно падает, а если хладагент останется постоянно жидким, то она вообще работать не будет.

Обмерзание


Отбор тепла из воздуха

Даже если температуры всех блоков теплового насоса остаются в нужных рамках, во время работы блок для отбора тепла — испаритель — всегда покрывается каплями влаги, конденсирующимися из окружающего воздуха. Но жидкая вода стекает с него сама по себе и практически не препятствует теплообмену. Когда же температура испарителя становится слишком низкой, капли конденсата замерзают, а вновь конденсирующаяся влага сразу превращается в иней, который так и остаётся на испарителе, постепенно образуя толстую снеговую «шубу» — именно это происходит в морозилке обычного холодильника. В результате эффективность теплообмена существенно снижается, и тогда приходится останавливать работу и оттаивать испаритель. Как правило, в испарителе холодильника температура понижается на а в кондиционерах в связи с их спецификой температурный перепад поменьше — Зная это, становится понятно, почему большинство кондиционеров не удастся настроить на температуру ниже — этот порог установлен их конструкторами во избежание обледенения испарителя, ведь режим его оттаивания обычно не предусматривается. Это же является одной из причин, по которой практически все кондиционеры с инверторным режимом не работают даже при не очень больших отрицательных температурах — лишь в самое последнее время стали появляться модели, рассчитанные на работу при морозах до В большинстве случаев уже при затраты энергии на оттаивание становятся сравнимы с количеством закачанной с улицы теплоты, и перекачка тепла с улицы оказывается неэффективной, особенно если влажность наружного воздуха близка к 100%, — тогда внешний теплоотборник покрывается инеем и льдом особенно быстро.

Отбор тепла из грунта и воды

В связи с этим в качестве незамерзающего источника «холодного тепла» для тепловых насосов в последнее время всё шире рассматривается тепло из земных глубин. При этом имеются в виду отнюдь не разогретые слои земной коры, находящиеся на многокилометровой глубине, и даже не геотермальные водные источники (хотя, если повезёт и они окажутся рядом, было бы глупо пренебречь таким подарком судьбы). Имеется в виду «обычное» тепло слоёв грунта, расположенных на глубине от 10 до 50 метров. Как известно, в средней полосе грунт на таких глубинах имеет температуру порядка которая очень мало меняется в течении всего года. В более южных районах эта температура может достигать и выше. Таким образом, перепад температур между комфортной и грунтом вокруг теплоотборника весьма стабилен и не превышает 20°С независимо от мороза за окном (следует отметить, что обычно температура на выходе теплового насоса составляет но и перепад температур в вполне по силам для тепловых насосов, включая современные бытовые холодильники, спокойно обеспечивающие в морозильной камере при температуре в комнате выше

Тем не менее, если закопать один компактный, но мощный теплообменник, вряд ли удастся достичь желаемого эффекта. По сути теплоотборник в этом случае выступает в роли испарителя морозильной камеры, и если в месте, где он размещён, нет мощного притока тепла (геотермального источника или подземной реки), он быстро заморозит окружающий грунт, на чём вся откачка тепла и закончится. Решением может быть отбор тепла не из одной точки, а равномерно с большого подземного объёма, — ведь сам по себе приток тепла из недр Земли очень мал и оценивается мизерной величиной порядка так что даже при полном извлечении всего поступающего глубинного тепла с каждой сотки на постоянной основе можно ожидать не более (в реальности, конечно, гораздо меньше). Поскольку создать на глубине частую сеть теплоотбора технически крайне трудно, можно компенсировать более редкое размещение теплообменников в плоскости их большой высотой. Однако стоимость строительства теплоотборника, охватывающего на немалой глубине тысячи кубометров грунта, скорее всего сделает это решение абсолютно невыгодным экономически. Менее затратный вариант — бурение нескольких скважин с интервалом в несколько метров друг от друга (бóльшие промежутки между теплообменниками не позволят собрать всё поступающее тепло). Так это было сделано в экспериментальном подмосковном «активном доме», но и это недёшево — каждый, кто делал у себя скважину для воды, может самостоятельно прикинуть затраты на создание геотермального поля хотя бы из десятка скважин. Кроме того, постоянный отбор тепла, хоть и менее сильный, чем в случае компактного теплообменника, всё равно снизит температуру грунта вокруг теплоотборников по сравнению с исходной. Это приведёт к уменьшению эффективности работы теплового насоса при его длительной эксплуатации, причём период стабилизации температуры на новом уровне может занять несколько лет, в течение которых условия извлечения тепла будут ухудшаться. Впрочем, можно попытаться частично компенсировать зимние потери тепла его усиленной закачкой на глубину в летнюю жару. Но даже не учитывая дополнительные затраты энергии на эту процедуру, польза от неё будет не слишком большой — теплоёмкость грунтового теплоаккумулятора разумных размеров весьма ограничена, и на всю русскую зиму её явно не хватит, хотя такой запас тепла всё же лучше, чем ничего. К тому же в данном случае очень большое, а точнее — определяющее значение имеет уровень, объём и скорость течения грунтовых вод, поскольку обильно увлажнённый грунт с достаточно высокой скоростью течения воды не позволит сделать «запасы на зиму» — протекающая вода унесёт закачанное тепло с собой (даже мизерное перемещение грунтовых вод всего на 1 метр в сутки, за неделю снесёт запасённое тепло в сторону на 7 метров, и оно окажется вне рабочей зоны теплообменника). Правда, то же течение грунтовых вод будет снижать степень остывания грунта зимой — новые порции воды принесут новое тепло, полученное ими вдали от теплообменника. Поэтому, если рядом есть глубокое озеро, большой пруд или река, никогда не промерзающие до дна, то лучше будет не копать грунт, а поместить относительно компактный теплообменник в водоём — в отличие от неподвижного грунта даже в непроточном пруду или озере конвекция свободной воды способна обеспечить гораздо более эффективный подвод тепла к теплоотборнику со значительного объёма водоёма. Но здесь необходимо убедиться, что теплообменник ни при каких условиях не переохладится до точки замерзания воды и не начнёт намораживать лёд, поскольку разница между конвекционным теплообменом в воде и теплопередачей ледяной шубы огромна (в то же время теплопроводность замёрзшего и незамёрзшего грунта часто отличается не так уж сильно, и попытка использовать огромную теплоту кристаллизации воды в грунтовом теплоотборе при определённых условиях может себя оправдать).

Каждый электрик должен знать:  Применение электрических водонагревателей и котлов в сельском хозяйстве

В общем случае грунтовый теплоотбор может иметь смысл даже в зоне вечной мерзлоты, где температура грунта отрицательна, поскольку в большинстве регионов с вечной мерзлотой она редко опускается ниже а это вполне приемлемо для тепловых насосов и гораздо «теплее» зимнего воздуха, температура которого в тех местах часто опускается ниже а то и (Якутия). Однако вечная мерзлота принципиально исключает движение грунтовых вод, а это наряду с более низкой температурой грунта требует ещё бóльшего объёма подземных теплообменников по сравнению со средней полосой.

Завершая эту тему, следует заметить, что иногда эффективный грунтовый теплоотбор без геотермального поля можно создать там, где есть колодец или скважина с постоянным большим притоком воды (от кубометра в час и более). В этом случае можно организовать прокачку этой воды через теплообменник. Теоретически с каждого кубометра воды при его охлаждении на можно получить тепловую мощность до Таким образом, выкачивая 2 кубометра воды в час и охлаждая их на (воду с исходной температурой сильнее охлаждать нельзя во избежание образования льда), можно получать более на практически постоянной основе без создания громоздкого геотермального поля. Такое количество тепла вполне способно полностью обогреть не слишком большой дом с хорошей теплоизоляцией даже при небольших отрицательных температурах. При этом помимо энергозатрат на привод теплового насоса, придётся потратиться на прокачку воды, но при высоте подъёма в несколько метров современные насосы потребляют всего одну-две десятых киловатт-часа на каждый кубометр перекачанной воды. В данной сутуации роль геотермального поля играют естественные водоносные жилы, обеспечивающие приток колодца или скважины. Проблема в том, что такой приток встречается не так уж часто, да и отработанную воду надо сливать не обратно в колодец, а в дренаж, незамерзающий круглый год и способный отвести подальше от колодца весь выкачанный объём воды (попадание охлаждённой воды обратно в колодец быстро снизит его температуру и всё заморозит).

Разность температур и сверхъединичность тепловых насосов

Любой тепловой насос, работающий на обогрев, представляет собой в некотором роде сверхъединичное устройство. Ведь с точки зрения человека, находящегося в помещении, где установлены все части такого насоса кроме испарителя (теплоотборника), тепла в этом помещении будет больше, чем если подать то же количество электроэнергии на обычные нагреватели с ТЭНами (конвекторы, масляные обогреватели, тепловентиляторы). В самом деле, в обогреваемом помещении в виде тепла останется вся потреблённая электроэнергия, затраченная на приведение в действие частей холодильной установки (нагрев из-за неизбежного трения и пр.), плюс ещё дополнительное тепло, отобранное испарителем за пределами этого помещения и затем перенесённое внутрь.

Однако это не значит, что, использовав полученную разность температур для привода тепловой машины, можно сделать истинно сверхъединичное «самодостаточное» устройство, вырабатывающее энергию в закрытой системе, будучи полностью изолированным от внешней среды. Для научного объяснения этого обычно привлекают понятие эксергии , характеризующей не просто содержание той или иной энергии в некотором объёме вещества, а её «извлекаемость», «утилизируемость» в данной конкретной обстановке, с учётом текущих внешних условий. Весьма подробно и популярно эксергия описана в статье В.М.Бродянского «Энергия: проблема качества» (журнал «Наука и жизнь», №3 за Здесь же я попытаюсь объяснить это кратко на сходном примере из другой области.

Вспомним гидравлику: электронасос, легко поднимающий кубометр воды за минуту на высоту в , закачает гораздо меньше воды за то же время на высоту в (в те же 10 раз, а если и сможет закачать кубометр, то «сожрёт» во столько же раз больше электричества), а на высоту в вообще ничего закачать не сможет — слишком высоко. И как одной из важнейших характеристик гидравлического насоса является максимальная высота подъёма накачиваемой жидкости (напор), так тепловые насосы характеризуются максимально возможной разностью температур, создаваемой ими. Разность эта обычно не превышает нескольких десятков градусов, поэтому даже при непрерывной работе теплового насоса получается, что чем ниже будет температура вокруг его «холодного» теплообменника, тем ниже будет и температура «горячего» теплообменника и тем меньше тепла на «горячей» стороне он способен отдать «в комнату» (то есть в окружающую среду неизменной температуры) — таким образом при росте разности температур между «холодной» и «горячей» сторонами теплового насоса его эффективность падает . А вот для тепловых устройств, использующих перепад температур для выполнения полезной механической работы или для прямой выработки электричества, скажем, за счёт термоэлектрического эффекта, эта зависимость обратная — чем выше разность температур, тем эффективнее они работают, причём подавляющему большинству хоть сколько-нибудь эффективных тепловых машин требуется разность температур от сотни до тысячи градусов (аналогия в гидравлике: чем выше имеющийся перепад уровней — напор, — тем большую мощность можно получить от турбины или водяного колеса при тех же прочих параметрах). Поэтому до сих пор терпят неудачу попытки построить «вечный двигатель», соединив тепловой насос и тепловую машину, как и в гидравлике никому не удалось создать устройство, поднимающее всю жидкость на высоту большую, чем её начальный уровень, лишь за счёт её потенциальной гравитационной энергии (вот как поднять выше соответственно меньший объём, существует множество вариантов).

Таким образом, чем больше преодолеваемая разница температур, тем меньше эффективность теплового насоса. То есть с одними и теми же затратами электроэнергии в помещение с температурой +20°С любой тепловой насос сможет закачать с улицы как минимум вдвое больше тепла при уличной температуре , чем тогда, когда там (и это если не вмешаются другие неблагоприятные факторы, такие как обледенение испарителя). Кстати, необходимость преодоления слишком большой разности температур для кондиционеров-инверторов часто является наиболее важным фактором, ограничивающим минимальную рабочую температуру наружного воздуха в режиме обогрева. ♦

Как соорудить и произвести установку теплового насоса своими руками

Тепловой насос – инновационное устройство, относящееся к альтернативным источникам энергии. Извлекая тепло из природных ресурсов вокруг, прибор является экономичным устройством с большой степенью автономности.

Характеристики

На отоплении и водоснабжении частного дома хочется сэкономить большинству рачительных хозяев. Для таких целей подходит тепловой насос.

Его вполне возможно соорудить своими руками, хорошо при этом сэкономив − заводской прибор стоит очень недешево.

Свойства и устройство

Прибор имеет внешний и внутренний контур, по которым движется теплоноситель. Составляющие стандартного прибора: тепловой насос, устройство для забора и устройство для распределения тепла. Контур изнутри состоит из компрессора с питанием от сети, испарителя, дроссельного клапана, конденсатора. Используют также в приборе вентиляторы, систему труб, геотермальные зонды.

  • не выделяет никаких вредных веществ, абсолютно экологичный;
  • нет затрат на покупку и доставку топлива (электроэнергия затрачивается только на перемещение фреона);
  • нет необходимости дополнительных коммуникаций;
  • абсолютно пожаро — и взрывобезопасный;
  • полноценное отопление зимой и кондиционер летом;
  • сооруженный тепловой насос своими руками – это автономная конструкция, требующая минимум усилий по управлению.

Применение

Теплонасос, собранный своими руками, подойдет для таких случаев:

  • если есть желание сэкономить на топливе для обогрева дома;
  • если к дому невозможно подвести газ или сделать это слишком хлопотно, когда покупать баллонный газ – не выход из ситуации;
  • нет желания и возможностей топить углем, дровами, электричеством, иным топливом;
  • если хозяин дома является приверженцем использования экологически чистой альтернативной энергии. Устройство достаточно практичное даже наряду с наличием возможностей применять другие источники энергии.

Тепловой насос своими руками изготовляется для дома, основываясь на технологиях забора тепла из земли, воды, воздуха. Он используется для отопления, нагрева воды и даже кондиционирования внутри помещения.

Принцип работы

Все окружающее нас пространство есть энергия — нужно только уметь ее использовать. Для теплового насоса нужно, чтобы температура окружающей среды была больше 1С°. Тут следует сказать, что даже земля зимой под снегом или на некоторой глубине сохраняет тепло. Работа геотермального или любого другого теплонасоса основывается на транспортировке тепла от его источника с помощью теплоносителя к контуру отопления дома.

Схема работы прибора по пунктам:

  • носитель тепла (вода, грунт, воздух) наполняет находящийся под грунтом трубопровод и нагревает его;
  • затем теплоноситель транспортируется в теплообменник (испаритель) с последующей передачей тепла на внутренний контур;
  • во внешнем контуре находится хладагент – жидкость с низкой точкой кипения под низким давлением. Например, фреон, вода со спиртом, гликолевая смесь. Внутри испарителя это вещество нагревается и становится газом;
  • газообразный хладагент направляется в компрессор, сжимается под высоким давлением и нагревается;
  • горячий газ попадает в конденсатор и там его тепловая энергия переходит к теплоносителю системы отопления дома;
  • завершается цикл превращением хладагента в жидкость, и она, вследствие потери тепла, возвращается назад в систему.

Тот же принцип используется для холодильников, поэтому тепловые насосы для дома можно применять как кондиционеры для охлаждения помещения. Проще говоря, тепловой насос – это такой холодильник с обратным действием: вместо холода вырабатывается тепло.

Тепловые насосы своими руками можно сконструировать на основе трех принципов — по источнику энергии, теплоносителю и их комбинации. Источником энергии может быть вода (водоем, река), грунт, воздух. Все виды насосов основаны на одном принципе работы.

Классификация

Выделяют три группы устройств:

  • вода-вода;
  • грунтово-водяные (геотермальные тепловые насосы);
  • используют воду и воздух.


Тепловой коллектор «грунт-вода»

Тепловой насос своими руками — самый распространенный и эффективный способ добычи энергии. На глубине нескольких метров грунт имеет одну постоянную температуру и мало подвержен погодным условиям. На внешнем контуре такого геотермального насоса применяется специальная экологически безопасная жидкость, в народе называемая «рассолом».

Наружный контур геотермального насоса создают из пластиковых труб. Их вкапывают в грунт вертикально или горизонтально. В первом случае на один киловатт может понадобиться достаточно значительная площадь работ – 25–50 м2. Площадь нельзя использовать для посадочных работ — тут допускается только высадка однолетних цветущих растений.

Вертикальный коллектор энергии требует несколько скважин на 50–150 м. Такое устройство более эффективное, тепло передают специальные глубинные зонды.

«Вода-вода»

На большой глубине температура воды постоянная и стабильная. Источником низкопотенциальной энергии может служить открытый водоем, грунтовые воды (колодец, скважина), сточные воды. Принципиальных различий в конструкции для отопления такого типа с разными теплоносителями нет.

Устройство «вода-вода» наименее трудозатратное: достаточно оснастить трубы с носителем тепла грузом и поместить в воду, если это водоем. Для грунтовых вод потребуется более сложная конструкция и может возникнуть нужда в сооружении колодца под сброс воды, проходящей через обменник тепла.

«Воздух-вода»

Такой насос немного уступает двум первым и в холодное время его мощность снижается. Но он более универсальный: для него не нужно копать землю, создавать скважины. Нужно только установить необходимое оборудование, например, на крыше дома. Для этого не требуется сложных монтажных работ.

Основным преимуществом является возможность повторно использовать тепло, покидающее помещение. Зимой рекомендуют иметь еще один источник тепла, поскольку мощность такого обогревателя может значительно уменьшиться.

Этапы монтажа

Тепловой насос своими руками можно сделать полностью из старых запчастей, взятых, например, из нерабочего кондиционера.

Расходы, окупаемость, мощность

Заводской прибор стоит около 4000 евро и выше. Самодельный насос для отопления 100 м² площади окупится приблизительно по прошествии 2-х лет. Для домов с не очень хорошей теплоизоляцией мощность должна быть 75 Вт/м²., с хорошей теплоизоляцией достаточно — 50 Вт/м², а при использовании современных теплоизоляционных материалов — хватит и 30 Вт/м².

Идеальным вариантом будет, когда насос включается в проект для отопления дома с наличием теплого пола и плиточного покрытия.

Процесс создания

Сначала нужно достать компрессор от нерабочего кондиционера, необязательно нового. Дешевле будет приобрести его в мастерских по ремонту холодильников. Компрессор крепится к стене кронштейнами (подойдет L-300).

Для изготовления конденсатора подойдет бак из нержавейки на 100–120 л. Он разрезается пополам, внутри устанавливается змеевик. Змеевик можно изготовить самому из сантехнической медной трубки или от холодильника. Тут нужны толстые стенки – от 1 мм и больше. Трубка наматывается на обычный баллон (газовый, кислородный) с равномерным расстоянием между витками и фиксируется в таком положении перфорированным алюминиевым уголком (им оформляются углы под шпаклевкой). Он приматывается к змеевику, чтобы каждый виток располагался против дырки в уголке.

В результате будет ровный шаг витков и прочность конструкции. После создания змеевика половинки емкости свариваются. Резьбовые соединения также ввариваются. Затем создается испаритель. Для него может подойти обычная пластиковая емкость на 60–80 л. с вмонтированным внутри змеевиком из трубы диаметром ¾ дюйма. Простые трубы для водопровода используют для транспортировки воды.

Испаритель крепится на стене L-кронштейном. А вот закачку фреона должен сделать специалист по холодильному оборудованию: он сварит трубки и закачает в них фреон. После чего конструкцию подключают к системе отопления внутри дома, а затем – к наружному контуру.

Особенности для каждого вида

Вертикальный насос для отопления «грунт-вода» требует создания скважины на 50–150 м. В нее помещаются геотермальные зонды и подключаются к насосу. Зонды берут тепло из грунта, которое переносится с незамерзающей водой к насосу, а оттуда уже в систему отопления. Для маленьких участков подходят зонды, для больших – горизонтальный коллектор.

Для горизонтального аппарата типа «грунт-вода» нужно создать коллектор из системы труб. Его располагают ниже уровня промерзания (1–1,5 м) и выглядит он как своеобразный змеевик под землей. Снимается слой почвы, укладываются трубы и грунт засыпается обратно. Можно уложить трубы в отдельных траншеях.

Для агрегата по типу «вода-вода» собирается из ПНД-труб, которые заполняются носителем тепла и после этого переносятся к водоему. Трубы имеют вид большого змеевика на дне водоема. Желательно разместить их в его центре.

Аппарат типа «воздух-вода» не требует трудоемких земляных работ. Выбирается место около дома или на его крыше, где самодельный тепловой насос соединяется с внутридомовым отоплением. Тепло извлекается вентиляторами и испарителем.

Тепловой насос – новейшие технологии в обогреве помещений

Современный мир стремительно набирает обороты в развитии самых разнообразных технологий по обогреву помещений, жилых и коммерческих комплексов, производственных предприятий и пр. Связано это в первую очередь с желанием людей снизить потребление природных энергоресурсов (из-за периодического увеличения цен на энергоносители) и, конечно, сделать более продуктивным решение отопления при малых затратах. Одним из таких методов является использование новейшей технологии обогрева — тепловых насосов. Сама по себе возможность так обогреваться была разработана около полувека назад, но сегодня ее усовершенствовали и предоставили широкому кругу потребителей.

Тепловой насос — комплекс, который работает по принципу холодильной камеры, только с точностью до наоборот. Источниками тепла могут быть вода, воздух, земля. Безусловно, для работы теплового насоса требуется минимум электроэнергии, подпитывающей компрессоры и насосы, но выдаваемое тепло несопоставимо с потреблением энергии. Как правило, потребляя всего 1 кВт электричества, тепловой насос способен выдавать в 5 раз больше тепла. Кроме того, тепловой насос при должном оснащении способен работать в обратную сторону, выдавая в жаркий период года прохладу.

Но все же основное предназначение тепловых (геотермальных) насосов — это обогрев, а также обеспечение горячей водой объектов, начиная от малоэтажных зданий и заканчивая крупными жилыми комплексами.

Применение теплового насоса на отопление

Для того чтобы добиться максимального эффекта от системы отопления тепловым насосом, помещение либо здание в целом должно быть по максимуму утеплено. Согласно нормативам, потери тепла не должны превышать 70 Вт на кв/м. В современных зданиях этот норматив выдерживается беспрекословно, но для старых домов необходимо довести этот параметр до нормы путем внедрения новых утеплителей и усовершенствования мероприятий по повышению качества отопления основных систем (водяное, газовое, воздушное). Тепловой насос по большей части является дополнением к основным системам отопления, но в регионах со средней температурой может выступать и основным. Расчет средней температуры берется исходя из того, что в течение года основную систему отопления не включают в режим обогрева больше чем на 40-50 градусов прогрева теплоносителя.

Основные преимущества тепловых насосов

  • Доступность – использовать тепловой насос допускается практически в любых регионах страны, независимо от климата и объемов здания. Источник тепла можно найти в любом уголке планеты, и тепловой насос способен преобразовать это тепло в источник отопления вашего жилья, даже если рядом нет газопровода. Теперь обогрев помещений не зависит от наличия топлива, поставщиков энергоресурсов и сезонных тарифов.
  • Экономия — величина КПД у теплового насоса — около 500%, он не затрачивает много энергии, при этом использует полученную максимально эффективно.
  • Универсальность — не только обогрев, но и при необходимости охлаждение помещений. Полученное тепло из воздуха или земли может направляться не в дом, а на улицу или в воду, таким образом подогревая бассейн или охлаждая погреба.
  • Экологичность — это самый экологически чистый вид обогрева. Тепловые насосы не тратят много природных ресурсов, не сжигают газ, нефть, твердое топливо. Не вырабатывается углекислый газ и азотосодержащие вещества. Используемые в тепловых насосах жидкости (фреон), не разрушают озон и не содержат хлористых углеродов.
  • Безопасность — использование тепловых насосов рекомендовано в жилых домах, так как они не взрывоопасны и не вызывают возгораний. Здесь нет выбросов газа и открытого огня. Ни один из элементов насоса не нагревается до таких температур, чтобы воспламенить близлежащие горючие материалы.

К сожалению, пока что в мире продажи тепловых насосов не глобальны, но свою нишу они все же приобрели и как минимум 10% от общего количества отопительных приборов занимают. Но, с учетом динамического развития рынка, уменьшения энергоресурсов природы и постоянного роста цен на поставку теплоносителя, тепловой насос в скором времени станет одним из основных методов отопления жилых, коммерческих и производственных помещений.

Особенности, встречающиеся при отоплении тепловыми насосами

Безусловно, наряду с преимуществами есть всегда и некоторые особенности использования тепловых насосов, в некоторых случаях считающиеся минусами.

1. Тепловой насос можно применить, если здание хорошо утеплено. Чем лучше, тем выгоднее использование этой технологии отопления. Согласитесь, незачем отапливать улицу, когда из недр земли добывается частичка тепла, при этом идет хоть и мизерный, но расход электроэнергии.

2. Если не подобрать минимальной разницы температур на входном и выходном контуре теплового насоса, то коэффициент расхода электроэнергии может повышаться, а значит не всегда можно добиться экономичности использования тепловых насосов. Выгоднее всего подключать тепловой насос к уже имеющейся системе отопления, тогда эффект будет значительно выше и затраты на энергоноситель заметно снизятся.

3. Желательно использовать систему теплового насоса с бивалентными схемами отопления. Ввиду того, что холодных дней в году сравнительно меньше, если не использовать генераторы тепла по определенной схеме, то можно снизить энергоэффективность теплового насоса. Поэтому необходимо либо следить за изменением наружной температуры и регулировать КПД теплового насоса вручную, либо укомплектовать систему дополнительными регуляторами, которые будут выполнять эту работу за вас на автомате.

На сегодняшний день тепловые насосы отлично себя зарекомендовали в использовании в таких стационарных объектах, как бассейны, жилые дома, социальные сферы (детские сады, школы), складские помещения, торговые центры, гостиницы и пр.

Если у вас нет рядом газопровода или имеющегося отопления недостаточно, то, используя тепловой насос в своем доме, вы получите надежную и недорогую «добавку». Гарантия на тепловые насосы — около 25 лет, при необходимости каждый отдельный элемент износившегося теплового насоса можно заменить, обновить или восстановить.

Gree продвигает тепловые насосы ATW для холодных регионов

Компания Gree разработала для холодных регионов тепловые насосы воздух-вода (ATW), в которых применены двухступенчатый компрессор, бесщеточный электродвигатель постоянного тока (BLDC) и конденсатор с металлизированной пленкой, чтобы обеспечить высокие показатели нагрева при очень низких температурах окружающей среды.

Двухступенчатый компрессор известен простотой конструкции и надежностью, показывая стабильную работу при температуре наружного воздуха от -30 до 54 ℃. Двигатель BLDC обеспечивает срок эксплуатации 15000 часов благодаря конструкции ротора с пластиковым покрытием и клатратной структуре высокой интенсивности. Кроме того, в двигателе уменьшены шумы на 8 дБ по сравнению с обычным двигателем такого же типа.

Кондиционеры

продажа кондиционеров,

сервис кондиционеров,

ремонт кондиционеров, сервисное обслуживание кондиционеров

Консультации по оборудованию
Понедельник-пятница с 10:00 до 19:00
Понедельник-пятница с 19:00 до 24:00
Выходные и праздники с 10:00 до 20:00
Время работы магазина можно посмотреть здесь
Не можете дозвониться?
Оставьте нам сообщение
Мы свяжемся с Вами в ближайшее время
  • Каталог товара (new)
  • Кондиционеры
  • Чиллеры
  • Вентиляция
  • Газовые обогреватели
  • Фанкойлы
  • Водонагреватели
  • Воздухоочистители
    увлажнители
  • Встроенные пылесосы
  • Самый дешевый кондиционер
  • Самый дорогой кондиционер
  • Кондиционеры с притоком свежего воздуха
  • Новинки промышленных кондиционеров 2020
    • General Ltd. VRF-Airstage V-II
    • Полупромышленные системы Mitsubishi Electric Zubadan Mr.Slim
    • Мультизональные VRF-системы Mitsubishi Electric City Multi G4 Zubadan
    • Кондиционирование с помощью системы Daikin VRV III
  • Полезная информация по кондиционерам
    • Сервис кондиционеров
    • Кондиционеры – спасение от жары
    • Кондиционер в разрезе
    • Рекомендации при выборе кондиционера
  • Публикации по кондиционерам
    • История кондиционера
    • Что может кондиционер
    • Рекомендации по уходу за кондиционером
    • Монтаж кондиционера: кому доверить

Циклы холодильной машины и теплового насоса

Схема холодильной машины и реальный цикл в T-S диаграмме.

Сухой насыщенный пар хладагента сжимается в компрессоре. Процесс сжатия соответствует линии 1-2 на диаграмме. В силу необратимости потерь, процесс отличается от идеального процесса показанного штриховой линией и сопровождается ростом энтропии. В конце процесса сжатия получается перегретый пар (точка 2 в T-S диаграмме). Перегретый пар поступает в конденсатор, в котором охлаждается до температуры насыщения, соответствующей давлению pК (точка 2’ в T-S диаграмме), и конденсируется. Процесс конденсации показан линией 2’-3. Процесс конденсации происходит при ТК, несколько превыщающей температуру окружающей среды ТОС на велечину ?ТК. Количество теплоты, отводимой в конденсаторе от хладагента равно QК.

Процесс дросселирования изображён в T-S диаграмме линией 3-4. В результате после дроссельного вентиля имеется влажный пар с параметрами T0 и p0 (точка 4 в T-S диаграмме). Далее поток хладагента раздваивается. Отделяемая в сепараторе жидкость поступает на вход в испаритель, а пар хладагнета – на вход в компрессора. В испарителе хладагент испаряясь отнимает количество теплоты Q0 от потребителя холода, а парообразный хладагент поступает на вход компрессора. Процесс испарения происходит, как и процесс конденсации, при конечном значении разности температур ?ТИ испарителя (ТИ) и хладагента (Т0). Парокомпрессионный цикл может быть применён и для целей нагрева воздуха в помещении. Для этого может быть использована теплота окружающей среды (теплота наружного воздуха, теплота воды в естественных водоёмах или теплота воды из артезианских скважин и т.д.). Температура располагаемых природных энергоресурсов может быть низкой и поэтому недостаточной для полезного использования в целях отопления. Температурный уровень можно искусственно повысить, применив термотрансформатор – тепловой насос, затратив при этом какую-либо энергию, например механическую или электрическую.

Принципиальная схема теплового насоса и схема иделаьного (1-2-3-4) и реального циклов в T-S диаграмме.

В идеальном цикле пары теплоносителя с параметрами в точке 1 поступают в компрессор, где сжимаются до давления pВ и нагреваются до соответствующей ему температуры ТВ. С этими параметрами пары теплоносителя поступают в конденсатор, в котором конденсируются, передавая теплоту потребителю (в системах кондиционирования – воздуху в помещении). После конденсатора теплоноситель поступает в детандер, в котором давление и температура снижаются до p0 и T0. В испарителе (процесс 4-1 в T-S диаграмме) к теплоносителю подводится теплота от источника низкого потенциала, в качестве которого используется теплота наружного воздуха. Теплоноситель испаряется при температуре TОС и цикл замыкается. Количество теплоты, подводимое в цикле к единицы массы теплоносителя в испарителе равно TОС?s. Количество теплоты, отводимое в конденсаторе от теплоносителя к воздуху в помещении, равно ТВ?s. Удельная работа теплоносителя в идеальном цикле парокомпрессионного теплового насоса равно (TВ – TОС)?s. Коэффициент трансформации определяется, как отношение полезного количества теплоты, подводимого к воздуху, к затраченной в цикле работе. Для идеального цикла коэффициент трансформации равен µТ= ТВ?s/(TВ – TОС)?s=ТВ/(TВ – TОС). Отличительными особенностями идеального цикла от реального являются: отсутствие необратимых энергетических потерь в теплообменном оборудовании (бесконечно малая разность температур между охлаждаемой и нагреваемой средой) и потерь, связанных с трением; равенство подводимой работы в компрессоре и отводимой в расширительном устройстве или детандаре (AК=AТ), при этом для процессов сжатия и расширения ds=0. Идеальный цикл осуществляется в области влажного пара.

Коэффициент трансформации теплоты для реального цикла теплового насоса будет меньше, чем µТ и рассчитывается, как µР= µТ?, где ? – коэффициент полезного действия теплового насоса. Этот коэффициент учитывает необратимость процессов в нагнетательном и расширительном устройстве, а также в теплообменниках. В отличие от идеального в цикле реального теплового насоса применяется сжатие насыщенного пара теплоносителя (линия а-б), а детандер заменяется дроссельным вентилем. Процессы политропного сжатия в компрессоре и изоэнтальпийного расширения в дроссельном вентиле происходят с ростом энтропии, а теплообмен в испарителе и конденсаторе при конечных разностях температур между теплоносителем и воздухом внутри помещения и снаружи. Как видно из рассмотрения принципиальных схем холодильного цикла и цикла теплового насоса, они отличаются только тем, что в холодильном цикле источник теплоты низкого потенциала (окружающая среда) используется для отвода теплоты хладагента из конденсатора, а в тепловом насосе служит в качестве среды, от которой отбирается теплота в испарителе. В холодильле, который расположен в кондиционируемом помещении. В результате воздух охлаждается. Пары хладагента конденсируются в теплообменнике, который расположен снаружи при температуре наружного воздуха (TОС).

Если кондиционер работает в режиме теплового насоса, то теплота отбирается от окружающей среды (наружного воздуха) и подводится к жидкому теплоносителю в испарителе, расположенном снаружи кондиционируемого помещения, а передаётся к воздуху внутри помещения от конденсирующихся паров теплоносителя. В холодильном цикле наоборот: охлаждается воздух внутри помещения и нагревается наружный воздух, охлаждающий конденсатор.

Функция холодильной машины и теплового насоса могут обеспечиваться одним устройством, если предусмотреть два раздельных теплообменника, расположенных внутри и снаружи, и дополнительный элемент, который позволит при изменении режима работы кондиционера (нагрев или охлаждения) менять направление потоков газообразного хладагента, направляя в одном случае поток хладагента к внутреннему теплообменнику (процесс охлаждения), в другом – к наружному (процесс нагрева).

Применение четырёхходового клапана позволяет осуществить реверс потока хладагента и тем самым изменять режим работы кондиционера с охлаждения на нагрев, и наоборот. Это наглядно иллюстрируется на рисунке:

Схематично представлена работа сплит-системы кондиционирования воздуха, включающая в себя два отдельных блока, один из которых расположен снаружи (внешний блок 2), а другой внутри (внутренний блок 1) кондиционируемого помещения. Каждый из блоков состоит из теплообменника, вентилятора и регулирующих устройств. Вентилятор внутреннего блока осуществляет обдув теплообменника и рециркуляцию воздуха в кондиционируемом помещении, вентилятор внешнего блока – обдув теплообменника наружным воздухом. Компрессор 3 и четрёхходовой клапан 4 конструктивно расположены внутри внешнего блока, на рисунке эти элементы вынесены за пределы блока с целью иллюстрации потоков хладагента. В зависимости от режима работы теплообменник внутреннего блока может работать и как конденсатор, и как испаритель. Кроме четырёхходового клапана необходимо предусмотреть и два расширительных устройства – дроссельных вентиля (или клапана) 5 с обводными линиями, включающими обратные клапаны 6. Дросселирование жидкости осуществляется в первом по потоку дроссельном вентиле. В это время обратный клапан, установленный в обводной линии против хода потока, закрыт а обратный клапан в обводной линии второго дроссельного вентиля – открыт. Таким образом, исключается дросселирование газообразного хладагента. При смене режима работы с охлаждения на нагрев, или наоборот, вновь включается в работу первый по ходу жидкости дроссельный вентиль и происходит срабатыванеи обратных клапанов, но уже в обратном порядке.

Теполовой насос для отопления: принцип работы и преимущества использования

Тепловой насос — хорошая альтернатива традиционному отоплению частного дома. Прибор, используемый в течение 30 лет в странах Запада, в России еще является новинкой. Препятствием для его широкого использования являются два фактора: высокая стоимость и недостаток сведений о тепловых насосах, их преимуществах и принципах работы. Показателем практичности геотермальной системы отопления служит ее популярность на Западе. Так, тепловыми насосами в Швеции и Норвегии отапливаются около 95% домов. Предлагаем вам подробнее ознакомиться с устройством и принципами работы этого теплового оборудования, за которым, непременно, будущее.

Что такое тепловой насос?

Тепловой насос — прибор, поглощающий из окружающей среды (вода, земля, воздух) низко потенциальную тепловую энергию и передающий ее в системы теплоснабжения с более высокой температурой.

Природа вокруг нас пропитана энергией. Даже мороз обладает теплом. Энергию невозможно извлечь из окружающей среды только при температуре -273 °С. Поэтому даже в самую лютую зиму загородный дом может отапливаться за счет энергии, полученной от природы.

В зависимости от источника энергии (вода, земля, воздух), происходит модификация тепловых насосов. Однако наиболее практичным и испытанным является геотермальный тепловой насос, применяющий энергию грунта. Он идеально подходит для российских условий.

Геотермальное отопление работает по одному из трех направлений:

  1. Сквозь специальную трубу, установленную в скважине, грунтовые воды извлекаются на поверхность земли. Они имеют определенную температуру. Проходя через теплообменник, вода передает свое тепло, за счет которого совершается прогрев дома. Затем вода возвращается в грунт, ниже по течению.
  2. В скважину глубиной примерно 75 — 100 метров опускается резервуар с антифризом, температура которого может повышаться от окружающего грунта. Тепловой насос разгоняет антифриз и пропускает его через теплообменник. За счет этого совершается отдача тепла.
  3. В данном случае бурение скважины не предусматривается, однако дом должен находиться рядом с крупным водоемом. Специальная магистраль в виде зондов прокладывается по дну водоема. Таким образом происходит перекачивание воды и извлечение из нее тепла. Важный нюанс — достаточная глубина водоема, которая даже зимой под толщей льда позволит сохранять до 150 сантиметров свободной воды.

Использование геотермального отопления, как и любой системы теплоснабжения, позволит не только обогреть дом, но и обеспечить горячей водой, обогреть автостоянку или теплицу, нагреть воду в бассейне

Преимущества использования теплового насоса

  • Экономичность. Благодаря высокому КПД системы достигается низкое энергопотребление. Из 1 кВт затраченной электроэнергии получается от 3 до 7 кВт тепловой энергии. Это больше, чем при работе любых котлов, использующих топливо.
  • Автономность. Работа насоса не нуждается в подаче органического топлива, поэтому нет необходимости прокладывать тепловые коммуникации.
  • Универсальность. В одном устройстве сочетаются одновременно системы нагрева воды, отопления и охлаждения.
  • Безопасность. В отличие от котлов, которые могут воспламениться или взорваться, тепловой насос является абсолютно безопасным. Он не содержит деталей, температура которых может привести к пожару. Не выделяет угарный ядовитый газ. Остановка работы не приведет к поломке или замораживанию жидкости.
  • Надежность. Работой насоса управляет автоматика. Обслуживание не требует специального обучения.
  • Долговечность. Прибор может прослужить от 20 до 50 лет. Это на порядок больше, чем у стандартных систем отопления.
  • Комфорт. Функционирование насоса не сопровождается колебанием температуры и влажности. Работает практически бесшумно.
  • Минимум площади требуется под скважину. Так как зонд находится под землей, повредить его невозможно.
  • Экологичность. Окружающая среда не загрязняется вредными выбросами.
  • Отсутствие бумажной волокиты. При монтаже не нужны согласования, как, например, при установке газового отопления.

Принцип работы теплового насоса

Работу теплового насоса можно сравнить с работой обычного холодильника. Только вместо холода аппарат вырабатывает тепло. Веществом, передающим энергию, является фреон — газ или жидкость с низкой температурой кипения. При испарении он поглощает тепло, а при конденсации — отдает его.

Тепловой насос — главный элемент системы. Его размеры не превышают габаритов средней стиральной машины, что облегчает установку прибора. Сам насос включается в два контура: внутренний и внешний.

Внутренний контур состоит из системы теплоснабжения дома (трубы и радиаторы).Внешний контур находится в воде или под землей. Он включает в себя коллектор-теплообменник и трубы, связывающие коллектор с насосом.

Тепловые насосы комплектуются различными дополнительными устройствами. Это могут быть:

  • коммуникационное устройство для управления системой через персональный компьютер или мобильный телефон;
  • блок охлаждения для локальной или центральной системы охлаждения;
  • дополнительный насосный блок может потребоваться для отопления полов;
  • циркуляционный насос необходим для циркуляции горячей воды;

Процесс работы насоса состоит из нескольких этапов:

  1. Незамерзающая смесь подается в коллектор. Происходит поглощение тепловой энергии и транспортировка ее к насосу.
  2. В испарителе энергия передается фреону, где он нагревается до 8 °C, закипает и превращению в пар.
  3. При увеличении давления в компрессоре повышается температура. Она может достигать 70 °C.
  4. Внутридомовая система отопления получает тепловую энергию через конденсатор. Фреон мгновенно охлаждается и переходит в жидкое состояние, отдавая при этом оставшееся тепло. Затем он идет обратно в коллектор. Так завершается цикл.
  5. Далее работа повторяется по тому же принципу.
Каждый электрик должен знать:  Виды проводимости полупроводников

Наиболее эффективно тепловой насос функционирует при наличии в доме теплых полов. Тепло распределяется по всей площади пола равномерно. При этом отсутствуют зоны перегрева. Теплоноситель в системе редко нагревается больше 35 °C, а отопление путем нагрева полов считается наиболее комфортным при 33 °C. Это меньше на 2 °C чем при отоплении радиаторами. Отсюда возникает экономия до 18% в год от всего отопительного бюджета. Кроме того, считается, что отопление на уровне пола наиболее комфортно для проживания человека.


Система отопления может быть моновалентной и бивалентной. У моновалентных систем один источник отопления. Он полностью отвечает круглогодичной потребности в тепле. У бивалентных, соответственно, — два источника.

Отопление дома в зимний период

На территории с более суровыми климатическими условиями актуально использование бивалентной системы отопления. За счет второго источника тепла расширяется диапазон температур. Работы одного теплового насоса достаточно только до уровня температуры -20 °С. При большем ее понижении подключаются электрообогреватель, камин, жидкотопливный или газовый котел. При этом мощность теплового насоса ограничивается от максимальной зимней потребности до 70 — 80%. Недостающие 20 — 30% дает дополнительный источник тепла. Это снижает общую эффективность работы системы. Однако снижение является незначительным.

При полном переходе на отопление здания геотермальной системой (в случае, когда не планируется устанавливать дополнительно котел или электроприбор) тепловой насос применяется совместно с внутренним модулем, содержащим небольшой встроенный электронагреватель. Он поддержит прибор, когда температура окружающей среды будет ниже -20 °С.

В каких случаях использование теплового насоса является обоснованным?

Вопрос отопления загородного дома предполагает рассмотрение нескольких вариантов:

  • Газ. При отсутствии рядом с домом газопровода это становится невозможным. В ряде регионов купить газ можно только в баллонах.
  • Уголь или дрова. С ними отопление превращается в трудоемкий и малоэффективный процесс.
  • Жидкотопливный котел требует больших расходов на топливо и специального помещения. Особое хранение необходимо и самому топливу, что неудобно в небольшом доме.
  • Отопление электричеством обходится очень дорого.

В таком случае на помощь приходит геотермальная система отопления. Ее используют даже там, где доступен газ. Установка теплового насоса дороже установки оборудования для отопления газом. Однако, газ в дальнейшем придется оплачивать постоянно, в отличие от энергии, взятой из окружающей среды.

Окупаемость теплового насоса сложно выразить в усредненном числовом значении. Все зависит от его начальной стоимости. Суть установки такого отопления сводится к перспективе. Хотя количество потребляемой электроэнергии — в 3−5 раз меньше, чем у других систем отопления, все же необходимо подсчитать в денежном эквиваленте все энергозатраты за год и сравнить их со стоимостью системы, ее монтажа и эксплуатации.

Достигнуть максимальной эффективности применения теплового насоса можно при соблюдении двух важных условий:

  • Отапливаемое здание должно быть утепленным, а показатель теплопотерь не должен превышать 100 Вт/м2. Существует прямая связь между тем, как утеплен дом и тем, насколько выгодно будет установка теплонасоса.
  • Подключение теплового насоса к низкотемпературным источникам обогрева (конвекторам, теплым полам), температурный режим которых колеблется между 30 — 40 °C.

Итак, тепловой насос станет неплохой альтернативой традиционным способам отопления. Прибор гарантирует экономичность и полную безопасность. Владельцу, после установки геотермальной системы отопления, не придется зависеть от различных внешних факторов, как, например, перебои с газоснабжением или вызовом сервисной службы. Энергия, взятая из окружающей среды, не требует оплаты и не исчерпывается.

В соответствии с прогнозами Мирового комитета по энергетике в 2020 г. геотермальные насосы составят три четверти всего отопительного оборудования.

Тепловой насос – новейшие технологии в обогреве помещений

Главная страница » Публикации » Тепловой насос – новейшие технологии в обогреве помещений

Современный мир стремительно набирает обороты в развитии самых разнообразных технологий по обогреву помещений, жилых и коммерческих комплексов, производственных предприятий и пр. Связано это в первую очередь с желанием людей снизить потребление природных энергоресурсов (из-за периодического увеличения цен на энергоносители) и, конечно, сделать более продуктивным решение отопления при малых затратах. Одним из таких методов является использование новейшей технологии обогрева — тепловых насосов. Сама по себе возможность так обогреваться была разработана около полувека назад, но сегодня ее усовершенствовали и предоставили широкому кругу потребителей.

Содержание:

Тепловой насос — комплекс, который работает по принципу холодильной камеры, только с точностью до наоборот. Источниками тепла могут быть вода, воздух, земля. Безусловно, для работы теплового насоса требуется минимум электроэнергии, подпитывающей компрессоры и насосы, но выдаваемое тепло несопоставимо с потреблением энергии. Как правило, потребляя всего 1 кВт электричества, тепловой насос способен выдавать в 5 раз больше тепла. Кроме того, тепловой насос при должном оснащении способен работать в обратную сторону, выдавая в жаркий период года прохладу.

Но все же основное предназначение тепловых (геотермальных) насосов — это обогрев, а также обеспечение горячей водой объектов, начиная от малоэтажных зданий и заканчивая крупными жилыми комплексами.

Применение теплового насоса на отопление

Для того чтобы добиться максимального эффекта от системы отопления тепловым насосом, помещение либо здание в целом должно быть по максимуму утеплено. Согласно нормативам, потери тепла не должны превышать 70 Вт на кв/м. В современных зданиях этот норматив выдерживается беспрекословно, но для старых домов необходимо довести этот параметр до нормы путем внедрения новых утеплителей и усовершенствования мероприятий по повышению качества отопления основных систем (водяное, газовое, воздушное). Тепловой насос по большей части является дополнением к основным системам отопления, но в регионах со средней температурой может выступать и основным. Расчет средней температуры берется исходя из того, что в течение года основную систему отопления не включают в режим обогрева больше чем на 40-50 градусов прогрева теплоносителя.

Основные преимущества тепловых насосов

  • Доступность – использовать тепловой насос допускается практически в любых регионах страны, независимо от климата и объемов здания. Источник тепла можно найти в любом уголке планеты, и тепловой насос способен преобразовать это тепло в источник отопления вашего жилья, даже если рядом нет газопровода. Теперь обогрев помещений не зависит от наличия топлива, поставщиков энергоресурсов и сезонных тарифов.
  • Экономия — величина КПД у теплового насоса — около 500%, он не затрачивает много энергии, при этом использует полученную максимально эффективно.
  • Универсальность — не только обогрев, но и при необходимости охлаждение помещений. Полученное тепло из воздуха или земли может направляться не в дом, а на улицу или в воду, таким образом подогревая бассейн или охлаждая погреба.
  • Экологичность — это самый экологически чистый вид обогрева. Тепловые насосы не тратят много природных ресурсов, не сжигают газ, нефть, твердое топливо. Не вырабатывается углекислый газ и азотосодержащие вещества. Используемые в тепловых насосах жидкости (фреон), не разрушают озон и не содержат хлористых углеродов.
  • Безопасность — использование тепловых насосов рекомендовано в жилых домах, так как они не взрывоопасны и не вызывают возгораний. Здесь нет выбросов газа и открытого огня. Ни один из элементов насоса не нагревается до таких температур, чтобы воспламенить близлежащие горючие материалы.

К сожалению, пока что в мире продажи тепловых насосов не глобальны, но свою нишу они все же приобрели и как минимум 10% от общего количества отопительных приборов занимают. Но, с учетом динамического развития рынка, уменьшения энергоресурсов природы и постоянного роста цен на поставку теплоносителя, тепловой насос в скором времени станет одним из основных методов отопления жилых, коммерческих и производственных помещений.

Особенности, встречающиеся при отоплении тепловыми насосами

Безусловно, наряду с преимуществами есть всегда и некоторые особенности использования тепловых насосов, в некоторых случаях считающиеся минусами.

1. Тепловой насос можно применить, если здание хорошо утеплено. Чем лучше, тем выгоднее использование этой технологии отопления. Согласитесь, незачем отапливать улицу, когда из недр земли добывается частичка тепла, при этом идет хоть и мизерный, но расход электроэнергии.

2. Если не подобрать минимальной разницы температур на входном и выходном контуре теплового насоса, то коэффициент расхода электроэнергии может повышаться, а значит не всегда можно добиться экономичности использования тепловых насосов. Выгоднее всего подключать тепловой насос к уже имеющейся системе отопления, тогда эффект будет значительно выше и затраты на энергоноситель заметно снизятся.

3. Желательно использовать систему теплового насоса с бивалентными схемами отопления. Ввиду того, что холодных дней в году сравнительно меньше, если не использовать генераторы тепла по определенной схеме, то можно снизить энергоэффективность теплового насоса. Поэтому необходимо либо следить за изменением наружной температуры и регулировать КПД теплового насоса вручную, либо укомплектовать систему дополнительными регуляторами, которые будут выполнять эту работу за вас на автомате.

На сегодняшний день тепловые насосы отлично себя зарекомендовали в использовании в таких стационарных объектах, как бассейны, жилые дома, социальные сферы (детские сады, школы), складские помещения, торговые центры, гостиницы и пр.

Если у вас нет рядом газопровода или имеющегося отопления недостаточно, то, используя тепловой насос в своем доме, вы получите надежную и недорогую «добавку». Гарантия на тепловые насосы — около 25 лет, при необходимости каждый отдельный элемент износившегося теплового насоса можно заменить, обновить или восстановить.

Теплые полы позволяют не только сидеть, но и лежать, не боясь простудиться. Сегодня теплые полы воспринимаются потребителями как вполне доступный способ дополнительного отоплен.

Рис. 1. Укладка основного стенового блока за счет его конструкции происходит быстрее, чем укладка других стройматериалов Обеспечение населения комфортабельным и доступным по стоимости жил.

Представляем вашему вниманию технологию замены трубопроводов методом гидравлического разрушения.
Метод гидравлического разрушения трубопроводов заключается в разрушении старой трубы, с одновременн.

Особенности работы теплового насоса

Винтовые прототипы насосов

Довольные есть ли владельцы тепловых насосов? Обсуждение по этому поводу можно продолжать бесконечно, однако с уверенностью можно сказать, что винтовые типы славятся в первую очередь простотой своей конструкции. Масса у них в большинстве случаев, как и габариты, довольно скромные. В эксплуатации они не привередливы и особого внимания не требуют.

В целом износ элементов у них маленький за счет отсутствия трения у деталей. Использоваться они способны в самых различных областях. Дополнительно их устанавливают как низкотемпературные холодильные установки. Предел давления у винтовых насосов очень большой. При этом сжатие двухфазных средств возможно. Потребление электроэнергии у них составляет 2 кВт. Тепловая мощность агрегата в первую очередь зависит от параметра пускового тока. Блоки управления, как правило, выпускаются с напряжением не более 230 В. Предельная частота при этом находится в районе 50 Гц. Расход в контуре отопления максимум может достигать 1000 литров в час. Остаточный напор винтового насоса в среднем составляет 500 бар. Коэффициент преобразования у многих моделей не превышает 2 СОР.

Плюсы и минусы геотермальных тепловых насосов

Геотермальные системы типа «земля-вода» наиболее стабильны, поскольку извлекают теплоту глубокозалегающих горизонтов грунта.

Температура этих слоев всегда одинакова независимо от времени года и лежит в диапазоне 5—10 °С. В целом преимущества данных установок перед тепловыми насосами других типов выглядят так:

  • стабильно высокая эффективность (СОР не менее 4);
  • надежность в работе;
  • долговечность наружного теплообменника (трубы ПНД и РЕ-Ха при температуре теплоносителя +20 °С могут прослужить до 50 лет);
  • при температуре грунтовых вод до 12 °С в летнее время геоколлектор может охлаждать помещения напрямую через теплообменник, без включения теплового насоса;
  • кроме нагрева теплоносителя в системе отопления, агрегат способен готовить горячую воду для хозяйственных нужд.

Теоретический СОР геотермальных систем достигает 7, но на практике подобная эффективность невозможна из-за расхода электричества компрессором и насосом наружного контура, чья задача — перекачивать рассол на большое расстояние либо поднимать его со значительной глубины.

Недостатков теплового насоса «земля-вода» всего 2, но они существенны:

  • Устройство подобного отопления обойдется значительно дороже, нежели воздушные или водяные системы (в 4—5 раз).
  • Длительность строительно-монтажных и наладочных работ — около 1 месяца.

Для закладки геотермального контура важно тщательно выполнить расчеты и произвести геологические исследования грунта. Вкупе с монтажом подобные работы проводятся специалистами высокой квалификации, имеющими опыт

Частных фирм, способных выполнить качественный монтаж агрегата и наружного контура, насчитывается буквально единицы. Отсюда возникает риск «закопать деньги в землю» без всякой отдачи, воспользовавшись услугами халтурщиков.

Принцип работы теплонасосов

Принцип работы тепловых насосов

Для осуществления работы тепловых насосов требуется энергия из источников окружающей среды – грунта, воздуха, воды.

Составляющие прибора:

  • испаритель;
  • конденсатор;
  • дроссельный клапан, отвечающий за снижение давления;
  • компрессор, повышающий давление. Он питается от электрической энергии.

Трубопровод связывает компоненты во взаимосвязанную систему и имеет две части – одна часть отвечает за циркуляцию жидкости, а другая за движение газа. В связи с тем, что хладагент закипает при 40 градусах, он используется с низкотемпературными тепловыми источниками. Точка кипения может меняться из-за изменения давления.

Работа осуществляется по следующему принципу:

  1. Жидкость поступает в коллектор (для жидкости используют раствор из спирта или гликолевую смесь). Далее она поглощает тепло и доставляет к насосу.
  2. В испарителе осуществляется передача энергии в теплоноситель. После этого происходит закипание жидкости. Она переходит в газообразное состояние. Газ отбирает тепло, которое коллектор поставляет из окружающей среды.
  3. Далее газ поступает в компрессор и сжимается. За счет сжатия происходит нагрев и выталкивание его в конденсатор.
  4. Затем система отопления нагревается — теплоноситель переходит в жидкое состояние и поступает в коллектор. Процесс повторяется.

Мнение о насосах с поршневыми компрессорами

Как правило, поршневой тепловой насос отзывы владельцев получает положительные из-за довольно высокой мощности. Целесообразнее их устанавливать именно в больших жилых домах, или просто помещениях для обогрева. Коэффициент полезного действия у них в среднем находится в районе 95 %. Из недостатков сразу следует отметить высокое давление, с которым компрессору довольно сложно справиться.

Подача от сети осуществляется независимо. Запуск работы без предварительной накачки у них делать можно, и это преимущество. В целом многие модели являются сильно громоздкими. В связи с этим их установка довольно проблематична. В качестве привода использовать высокоскоростные электродвигатели не получится. Во многом это связано с особенностями шатунного механизма.

Если рассматривать модели компании «Ваилант», то мощность агрегата в среднем составляет 5.7 кВт. Потребление электроэнергии в свою очередь находится в районе 1.5 кВт. Коэффициент преобразования у насосов серии VWL равен 5.2 кВт. Общее напряжение блоков управления находится на уровне 230 Гц. В целом пусковой ток без ограничителя довольно высокий. В итоге объемный расход в контуре отопления может доходить до 1100 литров в час.

Почему тепловой насос

Кроме отопления в холодное время года, насос позволяет в летнее время перейти на процесс кондиционирования воздуха в жилом помещении. Для этого насос переводят в обратный режим работы – функцию охлаждения. Для обеспечения экологической чистоты не только собственного жилья, но и атмосферы всей планеты в целом, применение тепловых насосов в качестве отопления очень оправдано. Кроме того, оборудование может похвастаться длительным сроком работы, экономией средств, безопасностью и созданием комфортных условий в доме.

Все виды энергоносителей с каждым сроком дорожают, поэтому рачительные хозяева готовы установить дорогостоящее оборудование, которое окупится за счет работы без использования искусственного топлива. Приобретение жидкого, газообразного или твердого топлива не требуется для эффективной работы теплового насоса.

В частных домах большой площади применение теплового насоса совместно с резервным способом отопления позволяет окупить вложенные затраты на шестом году эксплуатации. При этом на 1 кВт затраченной электроэнергии выделяется около 6 кВт тепловой. Тепловой насос позволяет получить температуру воды в системе до 70ºС.

В доме с установленным тепловым насосом не придется пользоваться услугами кондиционера, так как в летний период по контуру циркулирует теплоноситель, который охлаждается в земле до температуры 6ºС. По стоимости это дешевле, чем использование отдельных систем охлаждения воздуха. Чтобы сделать работу насоса еще более эффективной, к нему подключают дополнительные ветки обогрева бассейна, а летом используется энергия из солнечных батарей.

Тепловой насос в действии

Под твердой корой и мантией планеты находится раскаленное ядро. Еще долгие годы, на протяжении жизни многих поколений землян, ядро не изменит своей температуры, и будет подогревать наш общий дом изнутри. В зависимости от климатических условий на глубине уже около 50– 60 м температура земли находится в пределах 10–14ºС. Даже в вечной мерзлоте пользование тепловым насосом возможно, только глубину заложения труб придется увеличить.

Как это работает

Оборудование предназначается для сбора низкой температуры окружающей среды на глубине, преобразования ее в высокотемпературную энергию и переноса в систему отопления дома. Планета постоянно выделяет тепло, которое используется для обогрева жилища. Тепло получают из окружающего воздуха и воды, которые аккумулируют солнечную энергию.

По сути, тепловой насос представляет собой агрегат, напоминающий работу холодильного оборудования. Только у холодильника испаритель расположен так, что сбрасывает ненужное тепло, а у теплового насоса он находится в постоянном контакте с источником природного тепла:

  • с применением вертикальных или косых скважин взаимодействует с массивом земли, расположенным ниже точки замерзания;
  • применение труб на глубине теплых озерах и реках позволяет собрать энергию незамерзающих водяных потоков;
  • специальные приспособления собирают температуру теплого воздуха снаружи жилища.

Движение топливного носителя по системе организуется при помощи компрессора. Для повышения температуры, собранной на глубине земли применяется система зауженных воронок. Проходя по ним под давлением, носитель сжимается и увеличивает температуру. Конденсатор, установленный в системе отдает энергию для нагревания жидкости в отопительной системе, которая в итоге поступает в радиаторы внутреннего контура отопления дома.

Для использования теплового насоса круглый год система снабжается двумя теплообменниками. Испаритель одного сбрасывает охлаждающую энергию, а второй работает поставщиком тепла для нагрева помещения. Источником для сбора тепла являются недра земли, дно незамерзающих водоемов или воздушные массы, у которого трубы большой протяженности заимствуют низкотемпературную энергию.

Конструктивная схема насоса частного дома

  • система труб наружного, иногда удаленного сбора, в которых постоянно движется носитель тепла;
  • рабочая система коллектора, включающая в себя компрессор, трубы, теплообменники, клапаны и воронки различного действия;
  • внутренняя отопительная система дома с трубами и радиаторами или система воздушного охлаждения.

Эксплуатационный срок, в течение которого не будут происходить поломки топливного оборудования, производители и монтажники насосов называют в 20 лет. Но такое утверждение маловероятно, так как законы физики никто не отменял, а постоянно трущиеся и двигающиеся части выйдут из строя раньше. Оптимальным сроком работы без ремонта и замены деталей можно обозначить цифру в 10 лет.

Новые аксиально-поршневые модификации

Данные тепловые насосы отзывы пользователей имеют не слишком хорошие, но мощность у устройств заявлена большая. Конструкции в целом очень сложные и в обслуживании насосы этого типа проблематичны. Непосредственно ротор агрегата соединяется с цилиндрами. Также аксиально-поршневые тепловые насосы отзывы пользователей имеют отрицательные из-за высокой силы трения.

При этом все карданы в корпусе крепятся на шайбах. В некоторых случаях они не способны долго продержаться. В итоге может пострадать электродвигатель устройства. Тяга аксиально-поршневых компрессоров зависит от типа установленных шарниров. Некоторые производители в этом плане не радуют.

Стоит ли выбирать насосы с турбокомпрессорами

Данный тип рассчитан на экстремально низкие температуры. Чаще всего модели можно встретить в северных странах. Ресурс работы у насосов является повышенным. Компания «Дайкин» в этом плане весьма преуспела. Подогрев компрессоров у устройств имеется. Также владельцы отмечают прочные поддоны. Для наилучшей эксплуатации агрегата устанавливается система холодной плазмы. Представляет она собой набор активных фильтров, которые способны очистить воздух от любых загрязнений.

Хладагент во многих моделях «Дайкин» используется серии «410А». Как отмечают специалисты, он абсолютно безвреден для здоровья человека. Режим «Контроль» способен порадовать владельца стабильной работой на низкой частоте. В результате можно добиться значительного сокращения потребления электричества. По громкости насосы данного типа не выделяются из вышеуказанных приборов. На расстоянии в 10 метров они в среднем выдают 55 дБ.

Напряжение внутреннего блока способно достигать максимум 230 В. Средняя тепловая мощность агрегата данного типа составляет 3 кВт. Таким образом, коэффициент преобразования у модели может дойти до 3 СОР. В итоге можно сказать, что вышеуказанная модификация для утепления дома подходит хорошо и наверняка многими понравится.

Преимущества теплового насоса

  • Экономия.Высокий уровень КПД (в среднем он 500%) позволяет экономить на топливе и электроэнергии. При фактической затрате в 5 кВт, тепловой насос тратит всего 1кВт.
  • Забота об окружающей среде. Устройство даёт возможность при помощи экологически чистого метода отопить помещение. Этим проявляется забота не только к природе, но и к самим людям, находящимся внутри дома. Ресурсы, которые использует человек в современном мире для отопления и кондиционирования не возобновляются, именно по этой причине установка теплового насоса важна для будущего поколения.
  • Безопасность в использовании.Отсутствуют такие опасные моменты как: открытое пламя, выхлопы, запах солярки и многое другое. Полностью исключена утечка газа или разлив мазута. Не нужно пожароопасных хранилищ для топлива: уголь, дрова, солярка.
  • Комфорт.

Работа производится в бесшумном состоянии. Присутствует контроль климата благодаря погодозависимой и мультизональной автоматике, создаёт уютную атмосферу во всех комнатах дома.

Ещё одним типом отопления, считающимся наименее безопасным, является воздушное:

Тепловые насосы типа вода-вода

Данная версия отопительного агрегата приобретается людьми с определенным уровнем достатка, умеющих оценивать риски и взвешивать все за и против.

Отсюда грамотные и корректные отзывы о тепловых насосах «»:

Игорь, г. Кременчуг, Украина. Приобрели кирпичное здание площадью 290 м2 с целью разместить на 1 этаже небольшое производство, на 2-м – офисные помещения. Рядом газопровод, но – высокого давления, для подключения нужно ГРП построить плюс соорудить котельную. Все вместе превысило 40 тыс. у. е., поэтому обратили взор на тепловые насосы. Благо, обнаружился ресурс в виде грунтовых вод, залегающих неглубоко. Пробурили 2 скважины – заборную и сливную на расстоянии 20 м, глубина – 11 м. В одну поставили харьковский насос погружного типа (мощность 350 Вт), подключили ПНД трубами диаметром 32 мм. Тепловой агрегат – плод стараний украинских умельцев, собранный из импортных узлов. В здании залили теплые полы, запустили систему. На настройку ушло 2 дня, зато получили воду температурой 40°. После замеров выяснили, что СОР равен 3.6—4, отличный показатель.
Владимир, г. Курск, Россия. Как пользователь теплового насоса с 2-летним стажем, развею парочку мифов об альтернативной энергетике. Имеющиеся средства вложил в тепловой насос с наружным контуром, погруженным в водоем. По трубам рассол незамерзающий циркулирует. Взял оборудование фирмы Weswen, потому что у соседа такое же. Результат: при —25° на улице в доме температура +24°, меня вполне устраивает. При более крепких морозах становится прохладнее, но меньше 20° не бывало. Разговоры о потерях тепла по пути в дома – это миф. У меня в траншее трубы проходят, а у соседа прямо по улице. Хорошее утепление – и никаких потерь.
Геннадий, Киевская обл., Украина. Поделюсь интересным опытом. Владею торгово-офисным центром, рядом планирую строительство собственного дома. На территории пришлось построить канализационную станцию, она и 3 близлежащих дома обслуживает (на 20 квартир каждый). Производительность станции – до 30 м3/сут., представьте, сколько тепла мимо кассы. Для пробы погрузили в одну емкость контур, купили недорогой ТН «вода-вода» и подключили к фанкойлам в офисном центре. Результат – треть здания обогревается. По возможности буду докупать еще оборудование и уходить от газа, тарифы у нас драконовские.
Виктор, Латвия.

Поставил ТН в свой дом 200 м2, работает на подземных водах. Из одного колодца берет воду, в другой сбрасывает. Цель была – уйти от электроотопления, чтобы меньше платить за электроэнергию. Не скажу, что потребление резко снизилось, по итогу общий расход электричества упал процентов на 30%. Наверное, играет роль наш холодный климат. Но есть и плюсы: теперь не нужно за отоплением следить, все действует на автоматике, да и летом комнаты охлаждает. В целом системе ставлю твердую 4.

Кирилл, г. Витебск, республика Беларусь. Поскольку мне на дом выделили электрической мощности 3.5 кВт, а газа поблизости не намечается, то оставалось только дровами топить

Знакомый посоветовал обратить внимание на речку и новые технологии отопления. Опуская подробности, скажу: ТН «вода-вода» мощностью 6.4 кВт на мой дом 100 м2 вполне хватает

Дом хорошо утеплен пенопластом, полы – 150 мм, стены – 100 мм, кровля – 200 мм. Сделали добавочный контур и опустили в трехкамерный септик, теперь за счет этого нагревается вода на ГВС (бойлер 200 л). В запасе стоит пеллетный котел, но пока пылится без дела.

Тепловые насосы «вода-вода» — оборудование специфичное и применяется не так часто, как прочие виды геотермальных систем. По эффективности они не уступают грунтовым контурам при условии, что есть достаточное количество воды в источнике (иначе – дебет скважины).

Как не пустить деньги на ветер


Если обратить внимание на такие разные отзывы владельцев, можно сделать вывод: геотермальное отопление нужно выбирать правильно. В противном случае можно и деньги потратить и всё равно топиться газом или электричеством

  1. Нужно обратить внимание до установки теплового насоса — температурный режим региона, в котором он будет установлен. В США такой вид отопления имеет только положительные стороны, так как климат там тёплый и нет резких перепадов температуры. Для России всё не так, если большую часть года зима, будьте готовы подключать дополнительное отопление к тепловому насосу, так как природного тепла может просто не хватить.
  2. Подготовьте несколько соток свободной земли, которую нельзя будет застраивать и засаживать деревьями, если такой роскоши нет, устанавливать геотермальное отопление будет не выгодно, а в некоторых случаях даже невозможно.

Если же имеется много свободного места и климат позволяет установить такую большую систему, тепловой насос не разочарует вас.

Тепловые насосы воздух-воздух и воздух-вода

Отопительные установки типа «воздух-воздух» и «» начали пользоваться спросом благодаря наиболее доступной цене среди техники подобного рода.

Домовладельцы, купившие воздушные тепловые насосы от известных брендов, отзываются о них положительно, хотя случаются и отрицательные отклики:

Сергей, г. Красноярск Российской Федерации. Недавно закончил строительство дома 150 м2 площади в 2 этажа (таунхаус), система отопления – теплые полы. Проектом предусмотрен электрообогрев, возиться с углем либо пеллетами нет желания, а газ не подведен

Сначала думал поставить конвекторы, но потом обратил внимание на тепловые насосы. Грунтовый – неинтересно, а вот идея с воздушным ТН мне понравилась, стал заглядываться на «Зубаданы» (Mitsubishi Zubadan)

Но после скачка доллара пришлось купить нечто попроще — DanHeat AVH-24V1DR. Работает отлично, в доме +24°, ТН успевает нагревать бак с водой на 500 л до 40°, электрокотел стоит в резерве (настроен на +35°). Общие затраты электроэнергии – от 25 до 30 кВт в сутки, внутри еще идут отделочные работы. Сосед наматывает электрокотлом не меньше 80 кВт/сут. Правда, температура на улице еще не опускалась ниже нуля, зима покажет настоящий расход.
Игорь, г. Краснодар, Россия. Двухэтажный дом 9 х 9 м, высота потолков 2.6 м, отапливаемая площадь около 150 м2. 2 года обогревались электричеством – тепловентиляторами и конвекторами. В самый холодный месяц расходовали до 2800 кВт электроэнергии, в среднем за час это выходило 3.88 кВт/ч. Рассмотрели все варианты водяного отопления, но в результате решили отказаться от него и остановиться на тепловых насосах. Геотермальные системы на наш дом стоят больше 20000 у. е., потому купили и поставили тепловой насос «воздух-воздух» серии Nordic от General-Fujitsu. Затраты на электричество снизились в 1.5 раза – в среднем до 2.7 кВт/ч. Причем в самые холодные дни при —27° на дворе температура на 2 этаже не падала ниже 18°. Считаю, зимнее испытание теплового насоса прошло успешно.
Матвей, Подмосковье. Могу рассказать о своем тепловом насосе, который обогревает мой небольшой дом уже 5 лет. Общая площадь – 100 м2, отличное утепление, хватает мощности насоса «воздух-вода» 6 кВт. Работает с низкотемпературным отоплением – теплыми полами, потребляет 1.2 кВт/ч максимум. Вдобавок ночью нагревается вода в бойлере, когда дешевый тариф действует. Температура пола даже в лютый мороз — 26°, так что в комнатах тепло. Других вариантов отопления не было, электрики мне выделили всего 3.5 кВт, а за подключение к ближайшему газопроводу просили 1 млн руб. Получается, по сравнению с газом мой тепловой насос уже окупился, по тем ценам я отдал за него 350 тыс. руб. Кстати, многие в Подмосковье поступили так же и довольны.
Алексей, г. Киев, Украина. Знакомый недавно уже второй ТН поставил шведской фирмы Nibe. У него 2 дома, на первом лет 10 назад делал грунтовый контур, весь участок перекопал. Теперь взял воздушный для второго дома, доволен. Покупает оборудование в Германии, везет его сюда хитрым способом и не переплачивает по здешним ценам. Геотермальным насосом топит дом из оцилиндровки, без утепления, площадь – порядка 270 м2. «Воздух-воздух» купил для дома из пеноблоков с утеплением «мокрый фасад», там площади 140 квадратов всего.
Валентин, г. Волгоград, Россия. Хотел бы поделиться негативным опытом покупки и установки теплового насоса «воздух-вода» российского производства. Менеджеры уверяли, что собирают аппарат из импортных комплектующих (не китайских!), все монтируют, налаживают и дают год гарантии (ерунда, конечно). На дом 200 м2 был приобретен ТН 16 кВт, после чего монтаж выполняла фирма – партнер. На тот момент теплые полы были сделаны только в 2 помещениях, так что полноценно проверить работу оборудования не удалось. Когда закончили теплые полы и подключили к ТН, выяснилось, что его хватает на обогрев 2 комнат площадью 30 м. кв. К этому моменту фирма – поставщик исчезла, а все приглашенные мной специалисты разводят руками и не могут разобраться в причине. Остался с этой чудо-техникой у разбитого корыта: в доме оборудование на полмиллиона рублей, а тепло в 2 помещениях.

Примечание. Текст реальных отзывов сокращен, но смысл и выраженная в цифрах информация осталась без изменений.

Эксплуатация

Тепловые насосы, черпающие энергию грунта — высокотехнологичные и надежные установки, не нуждающиеся в постоянном присмотре. Домовладельцу достаточно выполнять такие требования:

  • вызывать специалистов сервисной службы для проверки с периодичностью, указанной в руководстве по эксплуатации;
  • проводить осмотр фреоновых магистралей с целью обнаружения утечек, о чем свидетельствуют масляные пятна на трубках и узлах;
  • периодически (1 раз в месяц) проверять видимые стыки геоконтура, распределительную гребенку;
  • прислушиваться к работе компрессора и перекачивающих агрегатов, они не должны издавать посторонних шумов.

Профилактические мероприятия могут отличаться для изделий от разных производителей, их точный перечень и описание даны в инструкции по эксплуатации.

1 Область применения тепловых насосов

style=»display:block»
data-ad-client=»ca-pub-9337857885889635″
data-ad-slot=»9967522739″
data-ad-format=»auto»>

Тепловые насосы помимо вышеуказанных достоинств имеют универсальный характер, так как могут быть установлены на дачи, в частном секторе, а так же квартире, и для обслуживания зданий промышленного значения.

Геотермальные тепловые насосы отопления, имеют возможность не только отапливать помещение, но и кондиционировать его в тепловое время года.

Конструктивно тепловые насосы представлены различными типами систем, главная задача которых извлечь тепловую энергию из естественной среды, которые окружают практически любое помещение: воздуха, воды либо грунта. Именно эти все факторы делают такие насосы доступными, практически для любой локации, помещения и его размеров.

Принцип работы теплового насоса

Кроме этого тепловые насосы для дачи требует затрат электроэнергии на 80 % меньше чем все остальные источники отопления. Это означает, что цены на тепловые насосы для отопления, окупит себя за несколько сезонов, а устройство дальше, лишь будет средством для добычи автономной тепловой энергии, и с легкостью сэкономит ваши деньги.

Более того, такие насосы работают автономно, и установив его единожды, вы будете иметь необходимую температуру в помещении (тепло – зимой, прохладу – жарким летом), без вмешательства в систему.

Следует отметить, что глубинные тепловые насосы не только имеют отличный показатель экологичности, но и полностью безопасны для человека.

Принцип работы геотермальной установки заключается в следующем: теплоноситель проходит по внешнему теплопроводу, таким образом прогреваясь до определенной температуры. Далее попадая в теплообменник (испаритель), теплоноситель выполняет функцию прогрева внутренних элементов системы.

Под действием специального хладагента, и с помощью компрессора (за счет низкого давления), образовывается газообразный носитель. Проходя через второй теплообменник (конденсатор), где теплоноситель непосредственно взаимодействует с горячим газом. Таким образом хладагент поступает назад в цикл, а теплоноситель, уже достигнувши нужной температуры поступает дальше в элементы системы отопления.

Можно увидеть, что тепловые воздушные насосы для отопления, работают по такому же принципу что и привычный для нас холодильник. В тоже время, с помощью другой конструкции приспособления, отнятое тепло не выбрасывается, а поступает в систему.

Сама по себе система теплового насоса представлена непосредственно устройством, а так же системой для отбора тепловой энергии с грунта и элементов системы отопления (трубопроводы, радиаторы).

Особенности устройства земляных геоконтуров

Горизонты грунта, имеющие постоянную положительную температуру, начинаются на 20—30 см ниже глубины промерзания почвы. Существует 3 вида подземных теплообменников, используемых для совместной работы с тепловыми насосами:

  • вертикальные зонды;
  • плоскостные коллекторы из труб;
  • энергетические сваи.

Вертикальный зонд — это оголовок с подключенными трубами, погружаемый в скважину глубиной 18 м и более. Точное число скважин и зондов, их глубина и диаметр трубопроводов определяется расчетом после проведения геологических исследований .

Трубы от скважин сходятся в колодце с коллектором, от которого идут 2 утепленные магистрали к тепловому насосу — подающая и обратная. Диаметры магистралей могут достигать 160 мм.

Плоскостные геоконтуры — это полимерные трубы, уложенные на дне котлована и напоминающие структурой теплые полы. Глубина котлована — ниже границы замерзания, размеры и шаг укладки также определяется расчетом.

Энергетические сваи — это те же зонды, окруженные арматурным каркасом и залитые специальным бетоном, хорошо проводящим тепло.

На отопление небольшого утепленного коттеджа площадью 100 м2 потребуется 7.5 кВт/ч тепловой энергии. По данным ведущего производителя отопительной техники Vaillant, примерная длина вертикальных зондов в грунте составит 110 м, а под устройство плоскостного контура понадобится 250 м2 площади участка.

Для монтажа подземных теплообменников различных типов используются трубы из сшитого полиэтилена марки РЕ-Ха и полиэтилена низкого давления (ПНД) марки РЕ-100 , чьи данные указаны в таблице:

Каждый электрик должен знать:  Импульсные свойства транзисторов
Тип геоконтура Применяемые трубы Диаметр, мм Сфера применения Влияние, оказываемое на окружающую среду
Зонд вертикальный РЕ-Ха, РЕ-100 32, 40 32, 40 Малая площадь земельного участка Нагрев грунтовых вод в режиме охлаждения помещений
Коллектор плоскостной РЕ-Ха, РЕ-100 20, 25, 32, 40 25, 32, 40 Большая площадь земельного участка При работе на отопление небольшое охлаждение почвы и влияние на растения
Свая энергетическая буронабивная РЕ-Ха, РЕ-100 20, 25 20, 25 Малая площадь земельного участка со слабыми грунтами При режиме охлаждения небольшой подогрев грунтовых вод

Чтобы предупредить воздействие плоскостного теплообменника на растительность, его рекомендуется максимально углубить (до 3—3.5 м), а участок подобрать открытый, где солнце станет пополнять запас тепла, нагревая почву.

Владельцы воздушных тепловых насосов из СНГ

Алина Шувалова, Днепр (Днепропетровск), Украина

Отказались от централизованного отопления и поставили тепловой насос воздух-воздух в квартире (инициатива мужа). Экономия существенная, за счет того, что везде стоят металлопластиковые окна, дом утеплен, а со всех сторон квартиры с отоплением.

Получилось так, что мы только немного подогреваем квартиру, причем сами можем регулировать температуру. Когда мы на работе, а ребенок в школе – насос отключен, стоит на таймере и включается, когда сын приходит домой (за это время квартира не успевает остыть).

Кашевич Алексей, Беларусь

Купил себе в дом тепловой насос воздух-воздух (до этого топили печкой). Поначалу все шло как по маслу, а когда наступили холода, стали постоянно вылетать пробки. Я не придавал этому значения, а когда начало выбивать постоянно, вызвал электрика.

Как оказалось, в холод он потребляет слишком много электроэнергии, а наша сеть на это не рассчитана. Был выбор – либо возвращаться к печному отоплению, либо сидеть в холоде. В общем, сезон выдался не особенно комфортным, что дальше делать – еще не решил. Прокладывать и подключать более мощный кабель слишком дорого.

Мой совет – перед тем как покупать воздушный тепловой насос убедитесь, что мощности вашей электросети хватит, чтобы он нормально работал. Моих 5 кВт ему не хватило.

Платон Ф. Украина, Днепропетровская обл.

Строил дом долго, думал отапливаться газовым котлом, но кризис сильно подкосил и пришлось выбирать более экономный способ (только за подключение к газу хотели почти 20 тысяч долларов). Перебрал варианты и остановился на тепловом насосе воздух-воздух.

Поначалу думал, что это тот же кондиционер, но помощнее, но ошибся. Знакомые отапливают дом сплит-системами, а я тепловым насосом. В конце зимы посчитали затраты – у меня на обогрев тепловой насос съел на 50% меньше, чем их кондиционеры.

Кстати, когда были сильные морозы, то тепловой насос работал, а кондиционеры почти не грели и им приходилось включать конвекторы.

Влад, Литва

Поставил дорогой Зубадан на дом площадью 250 метров. Не могу нарадоваться – думаю, года за 3-4 окупится. Раньше топил котлом на угле из-за которого было много проблем. Его нужно разгрузить, периодически досыпать, потом весь черный в пыли.

С тепловым насосом все проще – поставил температурный режим, если нужно – таймер – никаких неудобств. Единственное – осенью и весной надо делать профилактику и вызывать мастера. Но это неизбежные расходы.

Наружный блок теплового насоса воздух-воздух Mitsubishi Zubadan.

Факторы, влияющие на стоимость теплового насоса

  • для определения мощности насоса учитывают площадь предполагаемого отопления и количество подключенных дополнительных контуров (бассейн, горячее водоснабжение);
  • играет роль тип насоса по способу забора тепла, следует ли бурить скважины;
  • во избежание потерь тепла при эксплуатации важно утеплить наружные стены, крышу и пол частного дома, это позволит сделать работу экономичной и обогреть больше площади;
  • в стоимость насоса включаются затраты на бурение скважин, земляные работы;
  • на цену влияет протяженность труб и количество последовательно подключенных генераторов.

Самым малостоящим по сравнению с другими типами насосов можно считать оборудование по сбору тепловой энергии из воздушных масс. И стоимость конструктивных частей и цена монтажа существенно ниже.

Самые глубокие скважины и применение мощного оборудования в зонах с большой глубиной линии замерзания может увеличить стоимость оборудования до 700 тыс.рублей, а монтаж при этом потребует затрат до 400 тыс.рублей.

Отзыв: Желание установить геотермальный тепловой насос возникло после того, как прикинули стоимость всех пусконаладочных работ по устройству газового отопления. Начало мучений положило то, что газопровод около нашего дома оказался с высоким давлением в системе и требовал установки еще две точки понижения напора. Это и финансовые проблемы и бумажно-оформительские. Кроме того, следовало пристроить генераторный узел, а перед этим согласовать чертежи и планы. Все это влетело бы в такую копеечку, что просто в голове не укладывалось.

После тщательных копаний в интернете и расчетов стало понятно, что использование теплового оборудования в виде насоса позволит получить приличный коэффициент полезного действия и еще сэкономить средства при пользовании, та как не придется платить еще и за газ.

Проложили поверхностный коллектор, плохо только то, что на этом месте ни сажать, ни строить больше ничего нельзя, так как специалисты предупредили, что земля должна отдавать температуру только отопительной системе и ничему больше. Пережили зиму, мы живем в теплом Краснодаре, зимы у нас не слишком суровые, вода в системе была около 60ºС, в доме было тепло. Дом у нас 160 м2.

Отзыв: У нас отопление происходит воздушным насосом. Для оборудования пришлось строить основание рядом с домом, так как площадь дома у нас 155 м2, да и хочется постоянно горячую воду. Особых нареканий нет никаких на работу теплового воздушного насоса, даже зимой он откуда-то извлекает тепло. Дом отапливается нормально, живем мы в середине России по климатическому поясу.

Отзыв: Мы установили тепловой насос более года. Климат у нас не теплый, можно сказать, суровый. В самую зиму пришлось протапливать дополнительно котел на солярке для поддержания тепла. Специалисты твердили, что температура будет в системе около 65ºС, но по факту все было намного хуже, поднялась только до 55ºС. Не очень мы довольны таким оборудованием, скважину копали глубокую (60 м), а теперь не совсем тепло. Хотя, если говорить об экономии электричества, то существенно меньше уходит.

Валентин Венедиктович, Нижневартовск

Разновидности аккумуляторов природного тепла

Земельная энергия

Земные массивы в глубине планеты служат для бесплатного получения низкотемпературной энергии. Есть области ниже линии промерзания, в которых на протяжении года держатся стабильные показатели плюсовой температуры. Для сбора тепла применяют два распространенных способа:

  • прокладка горизонтальных трубопроводов большой протяженности на мелком заглублении (более 1м) и расстоянием между ветками около метра;
  • бурение вертикальных и наклонных скважин глубиной от 40 до 250 м для поднятия теплой воды, обработки ее и последующим сбросом в водоем.

Водное тепло

Для такого способа подходят теплые озера и реки с наличием течения и незамерзающего слоя воды. Иногда высокое поднятие грунтовых вод тоже используется для забора тепла насосом. На дно водоема прокладывают трубы, придавливают их грузом и используют открытый способ сбора энергии. Он подразумевает, что в одну скважину по ходу тока воды поднимается жидкость, а после обработки сбрасывается по второй скважине. Для варианта использования грунтовых вод велик риск, что высота поднятия может поменяться в зависимости от сезона или сдвигов в земной коре.

Использование воздушных масс

Такой принцип забора тепла является самым доступным и дешевым. Устанавливается теплообменник, который представляет собой скопление ребер, таким образом, увеличивая контактную площадь. Для усиления сбора энергии ставят вентиляторы обдува. Очень эффективно применение такого источника для подогрева воды в бассейне или повышения температуры воды хозяйственных и бытовых нужд. Для этого расходуется мало электричества, и такая система является экономически обоснованной.

Легкие системы небольшой мощности располагают на крыше или стене дома, для более мощных требуется самостоятельный фундамент. В установках работа происходит за счет инверторного преобразования переменного тока. Если достигнута нужная температура жидкости, то снижается мощность, что позволяет экономить средства и продлить срок службы насоса.

Тепловые насосы типа грунт-вода

Тепловые насосы типа «» — наиболее надежные поставщики тепловой энергии в любой климатической зоне, кроме вечной мерзлоты.

Отзывы о них соответствующие:

Александр, г. Тольятти Российской Федерации.

Свой дом 300 м2 в прошлый год отапливал дровами и углем, твердотопливный котел Buderus. Наплясался вокруг него с бубном, в результате на данный момент стоит как резервный. Сейчас основное отопление – ТН с грунтовым контуром длиной 800 м, закопан на глубину 3.5 м. Реальные затраты на электричество в среднем 30 р./м2 за месяц. Считали, что электрокотлом вышло бы 85 р./м2. Удобства: не просит дров, температуру в доме держит (фанкойлы стоят), есть ГВС. Общие затраты составили 1 млн 70 тыс. руб., расчетная окупаемость – лет 8. Когда окупится на самом деле – неизвестно, но впечатления строго положительные.

Леонид, г. Москва.

Проживаю круглогодично в загородном коттедже 230 м2, семья из 4 человек. Отапливаем геотермальным насосом с конца августа по середину мая, горячая вода – круглый год. Общая длина грунтовых зондов – 240 м, температура в комнатах +23.5° (теплые полы). За год набегает по счетчику около 17000 кВт, это без расхода электричества на всю технику. Считаю, многовато. Надо задействовать ночной тариф, буду заниматься.

Виктор, г. Санкт-Петербург.

Я владелец хорошо утепленного дома 180 м2, обогреваемым тепловым насосом «грунт-вода» мощностью 7.5 кВт. Агрегат немецкий, Viessmann Vitocal200G со встроенными ТЭНами. Вентиляция всех помещений – принудительная с рекуперацией тепла. Температура в гостиной до 24°, в спальнях — 22°. Единственное, что при сильных морозах не хватало тепла на подогрев воды ГВС, а температура ниже 21° не опускалась. Теплоизоляционные параметры здания: стены газобетон 400 мм + 120 мм пенопласт (плотность 25 кг/м3), полы – 200 мм пенопласт, кровля – 300 мм минваты. За год по счетчику израсходовали 24000 кВт электричества.

Сергей, Ростовская обл., Россия. Небольшой загородный коттедж 115 м2 решили обогревать грунтовым тепловым насосом, потому что подключиться к газовой трубе выйдет еще дороже. Контур около 500 м уложили за 2 недели, оборудование быстро поставили, а вот настраивали его еще дней 15. В доме уже были сделаны теплые полы, так что проблем не возникло. Спустя год эксплуатации могу сказать в трех словах: комфортно, тепло, недорого. О сроке окупаемости стараюсь не думать. Да, и трава с кустарниками во дворе растет как обычно, без изменений.
Игорь, г. Самара, Россия. 5 лет назад, когда строил дом из газобетона, сразу задумался об отоплении. Есть проблема с газом и электричеством, а дрова уже не для меня, заслуженного пенсионера. Сын вовремя предложил вариант с тепловым насосом, берущим тепло от земли. Во время строительства закопали в котлован петлю из полиэтиленовой трубы 40 мм на глубине 2.5 м. Когда дом был готов, купили сам ТН, подключили трубы и на этом все. Насос 7.5 кВт не только обогревает площадь 100 м2, но и горячую воду готовит в бойлере 100 л. Электричество мне отпускают по дневному и ночному тарифу, так что с расходами на отопление справляюсь.

Установить геотермальную систему в своем доме может не каждый, препятствие – величина первоначальных затрат.

Надежнее всего – горизонтальный контур, его предпочитает большая часть домовладельцев, оставивших сообщения на форумах.

И снова тепловой насос позитивные впечатления

Скважины пробурили 2 шт глубиной около 11 м каждая, на расстоянии 20м одна от другой. В одну Харьковский погружной насос мощностью 1,1 кВт ( впоследствии заменил на 0,35 кВт и то много, просто меньше уже нет)

Во вторую — трубу от выхода первичного контура (полиэтилен технический 32 мм практически до дна скважины ( важно . так как при таком погружении создается сифонныйэффект, что дает возможность применить насос минимальной мощности, а это деньги).

Подключили к тепловому насосу контуры отопления и…поехали!… точнее приехали. Компрессор проработал минут 20 и аварийно отключился по высокому давлению. Не буду описывать как пришлось вникать в премудрости холодильного дела и устранять все косяки так называемого производителя, скажу только, что ребята напороли таких боков, как будто собирали не холодильщики, а … ну в общем неважно. К теме полезности тепловых насосов это не имеет отношения, тем более я сознательно шел именно к такому варианту дабы набить шишек (ну и собсно набил не совсем правда понимаю на кой они мне нужны…).

В общем через кошмарных двое суток запустил и было мне счастье.

Выглядит сие чудо после переделки таким образом:

Корпус ТН, шкаф управления и все навесное делал уже сам, так как в первозданном виде на него без слез не глянешь.А это учет и фильтр воды на входе в первичный контур ( важно. механический фильтр с фильтрацией частиц размером до 5 мкм ставить обязательно, так как теплообменники пластинчатые неразборные, те более что затраты на него мизерные и здесь экономить не нужно).

Это панель индикации где вы видите температуру воды из скважины 1 и в скважину 2, а также подачи и обратки контура отопления.

Температуру еще не набрал, так как стоял выключенный и я включил на 5 минут чтобы сфотографировать.

Куча дополнительного оборудования которое вы видите (счетчики и прочее) была установлена только с целью снятия показаний в различных режимах для всестороннего изучения вопроса, поскольку мальчик я любознательный, и в обычных условиях ставить его не нужно.

На сегодня все. Об испытаниях, выводах и рекомендациях завтра.

Сообщение отредактировал ingener40: 10 April 2012 — 00:30

Выводы независимых экспертов

Специалисты по холодильным машинам, посещающие темы форумов с обсуждением различных тепловых насосов, высказывают свои мнения, суть которых сводится к следующему:

  • воздушные отопительные установки хорошо работают в южных регионах, с меньшей экономичностью – в средней полосе с умеренным климатом;
  • воздушным тепловым насосам не помешает подстраховка в виде другого источника тепла на случай сильных морозов;
  • не существует статистики, гласящей о реальной производительности ТН, даже в двух соседних домах одинаковые агрегаты могут работать по-разному;
  • при подборе и монтаже тепловой установки многое зависит от качества выполненных расчетов и производимых работ;
  • реальная окупаемость тепловых насосов может сильно отличаться в ту или иную сторону от расчетной и в лучшем случае составляет 6—8 лет.

Справедливости ради стоит привести мнения нескольких экспертов в данной области:

Михаил, г. Запорожье, Украина. Не пытаюсь никого отговаривать либо вставлять палки в колеса, но в нынешних условиях окупаемость бюджетного проекта может достигать 10—12 лет, при удачном стечении обстоятельств – 8 лет. И это без учета постоянного удорожания электроэнергии.
Виталий, г. Орел, Россия. На данный момент существуют единицы сервисных организаций, умеющих квалифицированно рассчитать параметры геотермальной системы и внедрить проект в жизнь по всем правилам. Без этого тепловой насос не сможет функционировать максимально эффективно. А большая часть продавцов и монтажников просто не разбирается в той теме, которую пытается навязать пользователю.
Дмитрий, г. Сочи, Россия. Недобросовестные китайские и российские производители вместе с фирмами – продавцами снижают репутацию тепловых насосов в нашей стране. Этому способствует низкое качество продуктов и безответственное ведение монтажных работ. В действительности геотермальные системы — это лучшая отопительная техника из всего, что придумал человек на сегодняшний день.

Невзирая на все проблемы, особенно финансовые, тепловые насосы различных типов продолжают медленно, но уверенно завоевывать популярность. Об этом свидетельствуют многочисленные отзывы домовладельцев, пользующихся установками таких брендов:


  • Mitsubishi Electric (линейка Zubadan);
  • Daikin (модельный ряд Altherma);
  • Viessmann (линейка Vitocal);
  • Vaillant;
  • Stiebel Eltron;
  • NIBE;
  • OCHSNER.

Из бюджетных брендов стоит отметить фирму DanHeat и китайско-американские агрегаты Mammoth. Учитывая, что углеводородное топливо, а вслед за ним и электричество продолжают расти в цене, наступит момент, когда тепловые насосы сравняются по стоимости с другими видами отопления, превосходя их по эффективности втрое.

ТЕПЛО ИЗ ХОЛОДА

Сегодня становятся всё более актуальны поиски способа максимально снизить количество потребляемой электроэнергии, а непрерывно растущая стоимость энергоресурсов делает этот поиск способом выживания на рынке. При этом холодильные установки для центрального или выносного холодоснабжения (например, в супермаркетах, на молокозаводах, ледовых дворцах и пр.) выделяют достаточно большое количество тепла, которое в процессе конденсации хладагента чаще всего утилизируется в окружающую среду при помощи воздушных конденсаторов. Именно за счет этого «бросового» тепла появляются возможности для энергосбережения в промышленности и торговле.

Рекуперация (от лат. recuperatio — обратное получение) — это возвращение части материала или энергии, расходуемых на проведении того или иного технологического процесса, для повторного использования в том же процессе. Плюсом рекуперации является экономия энергии, и как следствие, экономия средств на эксплуатацию системы в целом. Минусом являются необходимые дополнительные первоначальные вложения в установку рекуператора.

Воздушная система обогрева помещений:

В простейшем варианте установка имеет два параллельно установленных конденсатора, один — на улице (он работает в теплое время года), а второй — внутри помещения (он подогревает воздух внутри в холодное время года). В недорогом исполнении такое решение не имеет никакой регулирующей автоматики. Перевод из зимнего режима в летний производится вручную отключением одного и подключением другого конденсатора, при помощи запорных клапанов. Чуть более сложные варианты имеют один конденсатор, установленный в помещении, и систему, направляющую поток воздуха либо на улицу, либо внутрь помещения. Управление распределением потока может быть как ручным, так и автоматическим.

Следует отметить, что система утилизации тепла может быть установлена и на уже действующей холодильной машине.

В нашей стране успешный опыт модернизации действующей установки был осуществлен на ледовой арене «Локомотив» в Ярославле. Система утилизации тепла, вырабатывающая горячую воду для технологических нужд, была установлена спустя полтора года после сдачи объекта в эксплуатацию. Благодаря ее применению расход горячей воды из городской сети сократился в десять раз, а сама система окупилась менее чем за два года.

Накопительная система подачи теплой воды:

Использование систем рекуперации тепла позволяет использовать эту теплоту для нагрева различных теплоносителей (воздуха, воды т.п.), экономить электричество, снизить электрическую нагрузку. Как правило, рекуперация окупается за 1,5 — 4 года (только за счет экономии электроэнергии) при сроке службы до 10 лет. Для увеличения срока службы возможна установка никелированного покрытия со сроком службы до 50 лет.

Система рекуперации тепла актуальна для объектов, на которых одновременно с потребностью в холодоснабжении существует потребность в горячем водоснабжении или отоплении. Таким объектом вполне может являться супермаркет, гипермаркет или торговый центр.

В странах западной Европы и северной Америки уже давно и повсеместно применяются системы рекуперации тепла, выделяемого холодильными установками. В качестве самого заметного примера последних лет можно назвать XXI зимние Олимпийские игры в Ванкувере (2010г., Канада), где вся нагрузка на отопление легла на подобную систему.

Если рассматривать термодинамику цикла, то можно увидеть, что есть две основные возможности снять теплоту:

  1. Использовать перегрев сжатого в компрессоре газа.
  2. Утилизировать теплоту конденсации хладагента.

Тепловой насос вода-вода

Энергоносители с течением времени только дорожают, поэтому желательно выбрать экономичную технику. В статье содержится обзор вариантов применения одного из самых современных видов отопительных систем — теплового насоса вода-вода.

Особенности

Выгода такого устройства только кажется нереальной. Производители обещают, что, потратив 1 кВт электричества, получим до 5 кВт тепла в доме.

Не существует вечного двигателя с КПД 300—500 %.

Тепловой насос не производит тепло, как угольная или газовая печь. Он его перекачивает из окружающего дом пространства. Например, собирает со дна водоема. Это, кстати, самый выгодный источник тепла.

На глубине несколько метров температура воды изменяется мало.

Стабильность температуры поддерживается выделением тепла в расплавленном ядре планеты. Внутри Земли находится природный ядерный реактор.

Этого тепла мало, чтобы обогреть всю поверхность зимой.

Но можно собрать энергию с поверхности или из глубоких скважин, сконцентрировать, направить для обогрева коттеджа.

Устройство

Принцип действия давно известен. Есть три замкнутых герметичных контура — внутридомовой, компрессорный, внешний.

  1. Система отопления. Оптимально применить теплые полы. Дополнительная опция — горячее водоснабжение.
  2. Конденсатор. Передает энергию, собранную вовне, от хладагента (обычно фреон) к теплоносителю (вода) отопления.
  3. Испаритель. Отбирает тепловую энергию у теплоносителя (например, этиленгликоль), циркулирующего во внешнем контуре.
  4. Компрессор. Перекачивает хладагент от испарителя, переводя его из газообразного в жидкое состояние, повышая давление и охлаждая в конденсаторе.
  5. Расширительный клапан. Устанавливается испарителем. Регулирует поток хладагента.
  6. Внешний контур. Укладывается на дно водоема или опускается в скважины.
  7. Насосы внутреннего и внешнего контура.
  8. Автоматика. Управляет системой по заданной величине обогрева помещения и изменений температуры наружного воздуха.

В испарителе теплоноситель внешнего контура охлаждается, отдавая тепло хладагенту, а затем насосом перекачивается по внешнему контуру. Там он нагревается, цикл вновь повторяется.

Внешний контур в пруду неподалеку от здания выглядит таким образом.

Коллектор эффективен круглогодично. Зимой на глубине более 3-х метров температура воды достаточна для нагрева.

После испарителя хладагент проходит компрессор , где его давление и температура увеличиваются. Потом в конденсаторе отдает тепло системе отопления.

Затем хладагент проходит дроссель, где резко падает давление вследствие расширения. При переходе в газообразное состояние почти мгновенно температура хладагента сильно уменьшается. Этот процесс можно ощутить на практике при заправке газовой зажигалки из баллончика со сжиженным газом. Значительный температурный перепад способствует эффективному поглощению тепла хладагентом из внешнего контура.

Есть вариант с разомкнутым коллектором. Возможен, когда вода хорошего качества. Тогда системе и насосу не угрожает заиливание, отложение солей жесткости, ускоренная коррозия.

Такие теплогенераторы получили практическое применение только после энергетических кризисов 70-х годов прошлого столетия.

До тех пор их развитие тормозила относительная дешевизна энергоносителей — нефти, газа и т. п. Кроме того, несовершенство технологий сдерживало массовое внедрение инновации.

Принцип работы

Тепловой насос (ТН) работает как холодильник, но с точностью до наоборот — физические процессы зеркальны. Они очень похожи — срок службы продолжителен — обычно более 30 лет.

Когда хладагент попадает в испаритель, эта фаза называется изотермическим расширением. Фреон получает тепло от внешнего коллектора, давление падает.

Затем происходит адиабатическое сжатие — компрессор увеличивает давление хладагента. При этом его температура возрастает до максимум +70° С.

Проходя конденсатор, фреон становится жидкостью, т. к. при повышенном давлении отдает тепло контуру отопления . Эта фаза называется изотермическим сжатием.

Когда хладон проходит дроссель, давление и температура резко падают. Происходит адиабатическое расширение.

На первый взгляд сложно для понимания. Но это стократно проще происходящего внутри привычного смартфона. Нам это не мешает использовать возможности гаджета. То же происходит при эксплуатации ТН.

Когда все системы смонтированы, опробованы, отрегулированы, то пользователь будет переключать лишь несколько тумблеров и кнопок.

Например, чтобы установить разную температуру обогрева для детской комнаты, гостиной, кухни.

Преимущества

Развитие транспорта, интернета, мобильной связи, строительных технологий все меньше привязывают человека к одному месту. Все чаще люди выбирают жизнь вне города «на лоне природы». Там уже можно получить привычный «городской» комфорт, удаленный заработок, общение по интернету со всеми континентами. Поэтому, а также из-за постоянного роста стоимости энергоресурсов, ТН становится все более востребованным.

Он обладает и другими выгодами:

  1. Экологически безопасен.
  2. Использует возобновляемый источник энергии.
  3. Отсутствуют регулярные затраты расходных материалов после пуска.
  4. Автоматически регулирует нагрев по температуре наружного воздуха.
  5. Срок окупаемости начальных затрат — 5-8 лет.
  6. Обеспечивает горячее водоснабжение.
  7. Летом работает как кондиционер, охлаждая приточный воздух.
  8. Минимальные энергозатраты — генерирует от 4 до 6 кВт тепла при 1 кВт потребленного электричества.
  9. С электрогенератором любого типа отопление и кондиционирование «удаленного от цивилизации» коттеджа будет независимым.
  10. Возможна адаптация к системе «умный дом» для дистанционного управления, дополнительной экономии энергии.
  11. Подорожание энергоносителей (нефти, газа) почти не влияет на личный бюджет. Если установить ветряной или солнечный генератор, то получится полная независимость. Гидроэлектрогенератор — идеальный вариант.

Недостатки

Как и любое устройство, данная система имеет ряд недостатков.

Внешний контур

Из-за постоянного отбора геотермальной энергии возле расположения труб внешнего коллектора происходит охлаждение почвы. На севере короткое лето не дает возможности полного восстановления энергопотенциала. Это постепенно снижает эффективность ТН в течение примерно 5 лет. Затем тепловое равновесие стабилизируется.

Остывания почвы можно избежать, если применить ТН типа вода-вода, расположив внешний коллектор в водоеме на глубине более 3-х метров.

Другой вариант — разместить скважины вокруг дома. Тогда отбор тепла происходит с огромной площади всего водоносного слоя, пересеченного пробуренными отверстиями.

Скважины — дорогое мероприятие. Особенно при плотном грунте. Не говоря уже о скальных породах. Тут можно применить вариант с открытым внешним коллектором.

Можно обойтись двумя скважинами. Одна — для забора грунтовых вод . Вторая — для слива обратно в водоносный слой. Такой вариант возможен при хорошем качестве воды.

Фильтры не всегда могут выручить, если слишком много солей жесткости или взвешенных микрочастиц. Перед монтажом надо обязательно сделать анализ воды из скважины.

Компрессорный контур

Электродвигатели шумят во время работы. Компрессор — еще больше, а также создает вибрацию. То же происходит во время работы домашнего холодильника. При этом мощность ТН гораздо больше. Шума и вибрации тоже.

Неприятных эффектов легко избежать:

  1. Тепловой насос закрыт шумоизолирующим корпусом.
  2. Компрессор крепится к опорной раме через резиновые прокладки с пружинами.
  3. Все оборудование лучше разместить в подсобном или подвальном помещении. Обязательно надо предусмотреть принудительную вентиляцию. Утечка фреона может быть опасна для здоровья человека.

Внутренний контур

Система отопления наполнена водой, нагретой до +35° С. Для обычных радиаторов этого мало. Особенно для северных регионов.

Но ТН хорошо работает с теплыми полами. При проектировании нужно предусмотреть достаточную степень тепловой инерционности наружных ограждений здания — толщину и материал стен, полов, крыши, тройное остекление.

Теплые полы, подогрев приточного воздуха создают комфортные и здоровые условия для жизни человека внутри здания.

Кроме температуры воздуха большое значение имеет радиационная температура — инфракрасное излучение стен, полов, потолка. Например, когда человек ночью сидит у костра, то весь горячий воздух идет вверх, никого не согревая. При этом стороне человека, обращенной к костру, тепло, а спина мерзнет.

Стоимость

Начальные затраты велики. Стоимость поставки оборудования, монтажа, пусконаладочных работ значительно превосходит традиционные системы отопления. Но дом строится на десятилетия.

Поэтому правильно будет учесть эксплуатационные расходы за весь срок службы ТН — 30 лет. Даже при сохранении действующих тарифов и цен на энергоносители экономичность системы типа вода-вода — вне конкуренции.

Ежегодная экономия в сравнении с:

  • газовым котлом — 70 % ;
  • электрообогревом — 350 %;
  • твердотопливным котлом — 50 %.

Теперь надо умножить существующие или проектируемые расходы на 30 лет. Экономия многократно перекроет начальные капиталовложения.

Отключение электричества

Компрессор, насосы, автоматика нуждаются в бесперебойном электроснабжении. На случай отключения должен быть электрогенератор с автоматическим запуском. Его мощность должна перекрывать сумму пусковых токов.

Есть большой плюс — после секундной полной нагрузки в момент запуска ТН высвобождается более 40 % мощности генератора. Этого хватит для электропитания остальной домашней техники и освещения.

Эффективность

С течением времени выгодность ТН становится все более очевидной из-за постоянного роста стоимости энергоносителей. Технологии тоже не стоят на месте.

Программирумые схемы управления домашней техникой с дистанционным доступом уже никого не удивляют. Тепловой насос органично встраивается в систему «умный дом», что позволяет уменьшить износ оборудования, продлить срок его службы.

Правильно подобранный и качественно смонтированный ТН — гарантия обеспечения теплом вне зависимости от времени года и рыночных колебаний уровня цен на энергоносители.

Но максимальной эффективности ТН может достичь, если определиться с выбором отопительной системы на ранних этапах проектирования здания. Тогда есть возможность выбрать оптимальные материалы и толщину ограждающих конструкций с нужной теплопроводностью и тепловой инерционностью.

Критерии выбора

На первый взгляд кажется сомнительной необходимость трудоемкой укладки на дно водоема нескольких сотен метров пластиковых труб или еще более затратного бурения скважин для ТН типа вода-вода. Ведь существуют системы типа воздух-воздух. Там внешний коллектор вообще отсутствует. Например, у очень качественного японского инверторного ТН воздух-вода производства компании Mitsubishi Heavy .

Все просто — плотность воды в 800 раз больше, чем воздуха. И тепла тоже. Поэтому эффективность и экономика у водяных систем всегда будет больше, чем у Мицубиси .

Расчет мощности

Для предварительных расчетов обычно используют упрощенную формулу: на 10 м2 отапливаемого здания требуется 700 Ватт тепла. Тогда для дома площадью 250 м2 нужно купить тепловой насос вода-вода мощностью 175 кВт.

Для обеспечения горячего водоснабжения итоговую цифру нужно увеличить на 15 %.

При этом не учитывается большая разница между климатическими зонами, например, Крыма и Московской области. Теплопотери внешних ограждающих конструкций разных зданий тоже сильно отличаются. Есть другие факторы, которые обязательно надо учитывать в расчете. Это могут сделать только специалисты.

Обзор производителей

Расходы на монтаж с учетом стоимости скважин могут составить от 5 до 10 тысяч долларов. При использовании открытого водоема будет дешевле в 1,5—2 раза.

Производители тепловых насосов делятся на три ценовых категории:

  1. Дешевые китайские. Например, Meeting (КНР), максимальная мощность — 7 кВт, отапливаемая площадь — 50—100 м2, цена — 95200 руб.
  2. Под американским брендом производятся в том же Китае. Например, Mammoth (США/КНР), максимальная мощность — 7,8 кВт, отапливаемая площадь — 50 м2, цена — 261000 руб.
  3. Самые дорогие традиционно — немецкие. Например, Stiebel Eltron (ФРГ), максимальная мощность — 9,9 кВт, отапливаемая площадь — 50 м2, цена — 645000 руб.

Рекомендуется выбрать оператора, предоставляющего весь комплекс услуг:

  • проектирование;
  • поставка;
  • монтаж;
  • пусконаладочные работы;
  • сервисное обслуживание.

Цены на разные модели тепловых насосов

Нюансы монтажа и эксплуатации

Перед сборкой и запуском системы будет полезно изучить советы тех, кто уже на практике осуществил монтаж устройства и начал его использовать по назначению.

Где брать тепло

На начальном этапе проектирования отопления с использованием ТН вода-вода надо выбрать первичный источник тепла.

Лучший вариант — открытый водоем (пруд, река, озеро, море) достаточной площади и глубины на расстоянии до 100 метров от дома.

Если такой возможности нет, то бурят скважины до глубины залегания водоносного слоя грунта.

Тут есть два варианта:

  1. Для открытого типа внешнего коллектора понадобится только две скважины на расстоянии друг от друга 20 метров. Из одной вода перекачивается на обогрев испарителя конденсаторного контура. Затем сбрасывается во вторую. При этом дебет скважины должен быть достаточным. Это определяется выкачиванием воды погружаемым насосом. Перед продолжением проектных работ надо сделать лабораторный анализ воды на содержание солей жесткости и взвешенных частиц.
  2. Если получен негативный результат анализа или дебета, понадобится пробурить больше. Нужно будет разместить в скважинах примерно такую же длину труб, как в открытом водоеме.

Эксплуатация и обслуживание

После окончания пусконаладочных работ владелец управляет только двумя кнопками: включить/выключить и зимний/летний режим (отопление или охлаждение), а также регулирует температуру в разных комнатах.

Ежегодный осмотр, обслуживание делают специалисты сервисной службы — контроль:

  • отсутствия утечек фреона;
  • смазки;
  • теплоносителей во внешнем и внутреннем контурах;
  • работы автоматики.

Как сделать насос вода-вода своими руками

Изготовление теплового насоса вода-вода своими руками многократно сложнее бытового холодильника. Представленный ниже рабочий образец собран по схеме «труба в трубе». Производительность — 4 кВт тепла на 1 кВт потребленной электроэнергии.

Компрессор

Здесь применен спиральный компрессор ZR-24. Смонтирован внутри бухт-теплообменников, которые поставлены друг на друга.

Установлен манометр давления после компрессора.

Конденсатор

Потребуется медная трубка диаметром 1/2 дюйма с оконечными патрубками для соединения с компрессорным контуром.

Длину теплообменного змеевика можно посчитать по формуле:

W — мощность теплового насоса, равная четырехкратной электрической мощности компрессора.

t1 — температура воды после нагрева конденсатором. Принимается равной +35° С.

t2 — температура воды на входе. Для варианта теплых полов — +30° С.

d — диаметр медной трубки.

Медную трубу нужно свить бухтой диаметром 1 метр внутри ПНД (полиэтилен низкого давления) трубы диаметром 25 мм.

Испаритель

Расчет поверхности теплообмена медной трубки — по той же формуле. Медная труба диаметром 3/4 дюйма вставлена в ПНД трубу диаметром 32 мм и они вместе свиты бухтой диаметром 1 метр.

Сварка и заполнение фреоном

Когда все контуры собраны вместе с терморегулятором, надо пригласить специалиста по холодильникам для заполнения компрессорного контура фреоном.

Кроме того, понадобятся минимум 2 регулятора: по величине температуры внутрикомнатного воздуха и степени нагрева системы «теплый пол».

Полезные рекомендации

На всех этапах строительства дома, начиная с этапа проектирования, надо помнить, что ТН — инерционная система. Ее можно сравнить с массивной русской печью, которую протапливали обычно один раз за сутки во время приготовления пищи. Затем накопленное тепло обогревало жилище до следующего утра.

Стены, сложенные из тяжелых бревен, имеют достаточно высокую степень тепловой инерции. Проще говоря, медленно остывают, когда ночью становится холоднее. Хорошая тепловая инерция у толстых каменных стен, а также у тяжелого бетона или кирпича.

Пенопласт и пенобетон обладают хорошими теплоизоляционными свойствами. Но из-за малого удельного веса имеют невысокую тепловую инерцию. ТН в здании со стенами из таких материалов при резком падении температуры наружного воздуха не всегда сможет успеть «накачать» достаточно тепла извне в отопительную систему «теплый пол».

Также надо учесть другие факторы:

  1. Чтобы уменьшить теплопотери или вовсе не заморозить трубы в магистрали между домом и скважинами или коллектором, необходимо укладывать их на глубину ниже уровня промерзания. В Крыму — достаточно 0,75 метра, а на широте Москвы — минимум 1,5.
  2. Самые большие потери тепла — обычно через окна. Поэтому тройное остекление — вовсе не роскошь, а экономически обоснованное строительное решение. Идеальный вариант — использовать стекла, способные отражать инфракрасные лучи.
  3. В случае применения варианта из 2-х скважин для забора и слива воды расстояние между ними должно быть не менее 20 метров.
  4. Самодельный ТН лучше пробовать сначала в подсобном помещении или гараже. Устройство теплых полов в жилом помещении потребует дополнительных затрат.

Видео

В этом видеоролике объясняется, почему самодельный тепловой насос выдает тепла на 440 % больше, чем потребляет электроэнергии компрессор.

В следующем видеоролике — описание теплового насоса «под ключ» российского производителя стоимостью от 220 тыс. рублей.

Евгений Афанасьев главный редактор

Автор публикации 22.11.2020

Понравилась статья?
Сохраните, чтобы не потерять!

Добавить комментарий