Тепловым насосом называется устройство, при помощи которого происходит передача тепла от более холодной среды более теплой.
Он может использоваться как для обогрева, так и охлаждения воздуха внутри помещения.
Принцип работы тепловых насосов основан на двух физических явлениях:
- при изменении агрегатного состояния вещества (конденсации или испарении) происходит поглощение или выделение тепла;
- изменение давления влечет за собой изменение температуры конденсации или испарения.
Основными элементами теплового насоса являются:
- теплообменник-испаритель;
- теплообменник-конденсатор;
- компрессор;
- дроссель.
Содержание
Рабочий цикл насоса
- В испарителе рабочая среда (чаще всего используется хладон) находится под низким давлением. Такое состояние вызывает ее кипение при низкой температуре. При этом рабочая среда поглощает теплоту источника с низким потенциалом.
- Кипящее вещество передается в компрессор, сжимается и передается в конденсатор, в котором создается высокое давление. Под действием давления рабочая жидкость конденсируется при более высокой температуре. Образующаяся при этом теплота отдается приемнику тепловой энергии (например, теплоносителю отопительной системы).
- Из конденсатора рабочая жидкость поступает в испаритель для прохождения следующего цикла.
Источники тепла
Тепловой насос может забирать тепло из следующих источников:
- воздуха;
- грунта;
- воды.
В эти же среды тепло может сбрасываться. Среда (более теплая), которой передается тепло, называется теплоприемником.
Исполнение испарителя и конденсатора зависит от источника тепла и теплоприемника:
- воздух-воздух;
- вода-вода;
- воздух-вода.
Кроме вышеуказанных систем существуют так называемые геотермальные тепловые насосы для отопления, которые используют тепло земли и подземных вод.
Тепловой насос воздух – воздух
Воздушные тепловые насосы для отопления могут быть выполнены в виде моноблока или сплит-системы.
Моноблочное исполнение предусматривает монтаж всех узлов агрегата в едином корпусе. Сплит-система имеет два блока – наружный и внутренний.
Они соединяются между собой магистралями, изготовленными из медных трубок.
Кроме классического набора узлов (компрессор, испаритель, конденсатор и т.д.) в тепловой насос воздух-воздух входят два вентилятора:
- осевой;
- силовой.
Вентиляторы предназначены для увеличения интенсивности теплообмена с источником (наружным воздухом) и теплоприемником (внутренним воздухом).
В результате работы теплового насоса для отопления дома «воздух-воздух» происходит прямая передача тепла от агрегата внутреннему воздуху.
Преимущества системы воздух-воздух
Насосы этого типа пользуются большим спросом у населения в силу следующих причин:
- невысокая стоимость теплового насоса;
- простота монтажа;
- невысокая температура воздуха, проходящего через теплообменник конденсатора;
- экономичность;
- экологичность.
Недостатки воздушной системы
- зависимость уровня производительности от перепада температур атмосферного воздух;
- ограничение по площади обогрева – на больших площадях часто приходится устанавливать несколько тепловых насосов.
На самом деле, воздушные системы отопления очень эффективны. Взять хотя бы настенный электрический конвектор.
Также воздушное отопления применяется пр обогреве гаража – почитайте здесь. И как система отопления теплиц, об этом по адресу: https://obogreem.net/otoplenie-zdanij/dom/otoplenie-teplici.html
Тепловой насос воздух-вода
В отличие от теплового насоса воздух-воздух в системе воздух – вода имеется только один вентилятор, который служит для нагнетания наружного воздуха на теплообменник испарителя.
К теплообменнику конденсатора подсоединяется теплоприемник – трубопровод отопительной системы.
Тепловые насосы воздух – вода могут устанавливаться как наружно, так и внутри помещения.
При наружной установке теплового насоса возникает необходимость заглубления трубопровода теплоприемника в грунт во избежание замерзания.
Недостатки
Главный недостаток воздушного теплового насоса является ограничение его использования при температуре окружающего воздуха ниже -25 градусов. При такой температуре установка автоматически отключается.
При температуре -20°C эффективность агрегата снижается больше чем в два раза.
Выйти из этого положения можно, установив дополнительно резервное оборудование (газовый или электрический котел, например).
Тепловой насос вода-вода
Система вода-вода является боле стабильной, а, следовательно, и перспективной. В качестве источника тепла в этом случае используются слои водоемов, температура которых не падает ниже +4 градусов в любое время года.
Существует два варианта отбора тепла у водоема:
- открытый;
- закрытый.
В первом случае вода забирается прямо из водоема, а после ее прохождения через теплообменник испарителя, возвращается обратно.
Существенным недостатком этого варианта является необходимость дополнительных капиталовложений в фильтрацию исходной воды.
К открытому типу относятся системы, используемые в качестве источника тепла подземные воды.
Для этого бурятся две скважины: одна – для забора источника, вторая – для его возврата.
Расстояние между скважинами должно быть не менее 15 метров. Такой вариант также требует предварительной фильтрации воды на входе.
Второй вариант предусматривает установку на дне водоема закрытого контура в виде трубчатой замкнутой петли, по которой циркулирует жидкость. Она и переносит тепло от водоема к теплообменнику.
Здесь не требуется фильтровать исходную воду, но устройство контура тоже стоит немалых денег.
Геотермальные тепловые насосы
Геотермальными называют насосы, забирающие тепло у грунта, природных водоемов или подземных вод. Так что ранее рассматриваемая система вода-вода тоже относится к геотермальной (если, конечно, в качестве источника не используются сточные воды).
Геотермальные насосы, отбирающие тепло у грунта, имеют два исполнения:
- с горизонтальным теплообменником: коллекторы с теплоносителем расположены горизонтально на глубине не менее метра;
- с вертикальным теплообменником: трубки с теплоносителем уходят вертикально в землю на глубину не менее 20 метров. На такой глубине сохраняется постоянная температура грунта (от 10 до 12 градусов) независимо от сезона. Чем глубже скважина, тем выше температура грунта.
На первый взгляд кажется, что горизонтальное расположение теплообменника предпочтительнее из-за простоты устройства.
На самом деле это не так:
для обогрева 200 квадратных метров площади потребуется примерно 500 м кв. под коллектор.
Преимущества
Насосы, отбирающие тепло у грунта – самые эффективные изо всех видов тепловых насосов: каждый киловатт затраченной энергии электрической приносит почти 5 кВт тепловой.
Недостатки
Главным недостатком, который не позволяет превратить геотермальные насосы в фаворитов – очень большие первоначальные капиталовложения.
Геотермальное система – хорошая вещь, сама идея получения бесплатного тепла от недр земли или из водоема, очень заманчива. Однако не все так просто.
Чтобы построить систему геотермального отопления дома нужно потратить крупную сумму денег, а окупаться они будут около 20 лет.
Тепловой насос для отопления
Расчет насоса
Для расчета тепловых насосов необходимы следующие исходные данные:
- теплопотребность дома;
- температура теплоносителя в отопительной системе;
- мощность теплового насоса (подобранного предварительно);
- энергозатраты насоса на нагрев хладагента;
- теплосъем с источника тепла.
Алгоритм расчета геотермального теплового насоса с горизонтальным расположением коллектора.
- Рассчитывается требуемая тепловая мощность коллектора. Она равна разности мощности насоса и затрат на нагрев фреона.
- Определяется суммарная длина труб – частное от деления тепловой мощности коллектора на теплосъем с источника тепла.
- Рассчитывается необходимая площадь участка под укладку коллектора делением длины труб на шаг укладки контура (обычно шаг равняется 0,75 м).
- Выбирается труба (чаще металлопластиковая). При окончательном расчете необходимо учесть:
- потерю давления в трубе. Для металлопластика эта величина составляет 45 Па/м;
- величину сопротивления одного контура (приблизительно 7 кПа);
- скорость потока воды (или другого теплоносителя) – 0,3 м/с.
Установка
Монтажом тепловых насосов в России занимается пока не так уж много компаний. Стоимость установки зависит от:
- типа насоса;
- типа источника тепла.
Устройство теплового насоса своими руками
В целях уменьшения финансовых затрат можно попробовать сделать насос для отопления дома своими руками.
Этапы работ
- приобретаем компрессор (можно воспользоваться компрессором от холодильника);
- изготавливаем конденсатор.
За основу можно взять емкость из коррозионностойкой стали. Объем – от 100 до 200 литров. Бак надо разрезать пополам и внутрь вмонтировать змеевик. На изготовление змеевика подойдут медные трубки от холодильника или самые обычные сантехнические трубы малого диаметра.
Толщина стенки стальных труб должна быть небольшой, в противном случае при изготовлении конструкции при выполнении радиусов гибки вы столкнетесь с проблемами. Но толщина медной трубки не должна быть менее 1 мм.
Процесс изготовления змеевика
Медную трубку наматываем на кислородный или газовый баллон (пустой!). При этом важно соблюсти равномерный шаг между витками. Для фиксации конструкции можно воспользоваться алюминиевым перфорированным уголком (такие используются для защиты углов при внутренней отделке помещений).
При этом надо постараться, чтобы расположение витков совпадало с расположением отверстий в элементе.
- Змеевик устанавливается внутрь разрезанного бака. В стенку емкости ввариваются соединения резьбовые (вход и выход змеевика). Половинки емкости соединятся методом сварки.
- В качестве испарителя можно использовать емкость из пластмассы объем, которой равен 60-80 литров. Внутрь емкости также устанавливается змеевик из трубки диаметров ¾ дюйма. Для подачи воды на испаритель и ее слива можно использовать водогазопроводные трубы обычного качества.
- Компрессор и испаритель закрепляются на стене при помощи кронштейнов (можете посмотреть, как крепятся внешние блоки сплит-систем).
- Следующий этап выполняется только холодильных дел мастером: он выполняет обвязку узлов медной трубкой, закачивает фреон.
- Осталось выполнить установку готового теплового насоса. Этот этап зависит от выбора системы источник-теплоприемник. Самыми подходящими системами для самостоятельного монтажа являются:
- воздух – воздух;
- воздух – вода;
- вода – вода.
Отопление тепловым насосом: отзывы
“…Использовали тепловой насос для отопления небольшого склада (350 кв. м). Понадобился насос мощностью 19,4 кВт с потребляемой мощностью 3 кВт/ч. За отопительный сезон агрегат наработал 2,5 тысячи часов (работал в импульсном режиме). В летний период установку можно использовать для охлаждения, но пока еще мы не пробовали.
К работе системы претензий нет, но пришлось потратить очень большие деньги: полный объем работ, включая покупку оборудования, стоил порядка 750 тысяч рублей. Зато потом платили за электроэнергию 2-3 кВт/ч…”
Сергей Камаев, Клинцы, 58 лет.
“…Долго сомневался, стоит ли использовать тепловой насос для отопления коттеджа. В Интернете отзывов совсем мало, что, в общем-то, настораживало. В общем, решился. И сейчас не жалею. Конечно, пришлось дико потратиться (цена на тепловой насос для отопления дома довольно высока), но система окупила себя довольно быстро, никакого шума, гари и дыма!..”
Константин Воронец, предприниматель, 36 лет.