Тепловой насос: разновидности, принцип работы и особенности эксплуатации

Проблема альтернативы привычным видам топлива, применимых владельцами, в особенности в частных домах, с каждым годом становится актуальней. Поскольку именно они занимаются самостоятельно решениями обеспечения себя теплом. Хозяева квартир, получающих тепло по городским коммуникациям, меньше знакомы с экономией потребления природных ресурсов, дающих горячую воду и обогрев помещения. Именно жильцам загородной недвижимости и частного сектора необходимо получить информацию о таких инновациях, как тепловой насос для отопления дома. В статье будет описан не только принцип работы устройства, но и показана сама возможность его установки на участке. Либо при доме, что характерно для воздушных агрегатов. Также мы поясним выгоду от применения механизма.

Что такое тепловой насос

Что такое тепловой насос для отопления хозяйственных построек, дома и бани? Это парокомпрессионная установка, обеспечивающая перенос тепла от низкотемпературных источников с низким потенциалом к высокотемпературным, обладающими высоким потенциалом. Передача тепла идет за счет конденсирования и испарения хладагента. Его роль обычно играет фреон, который циркулирует в замкнутом контуре. Электричество обеспечивает эту вынужденную циркуляцию и не расходует столь важный компонент ни на какие другие операции теплового насоса.

Принципиальная работа ТН объясняется циклом Карно, применимом в основе функционирования домашних холодильников. То есть, привычная холодильная камера с кухни – это тепловой насос. При загрузках его продуктами, пусть и холодными, имеющими температуру более высокую в сравнении с камерой холодильника, по закону сохранения энергии входит следующие. Выделенное тепло от продуктов никуда не уходит, но и температурные показатели внутри среды камеры повышаться не должны. Поэтому лишнее тепло выходит через радиаторную решетку, прогревая воздушную среду кухонного помещения.

Большее число съестного, помещенное в холодильник, отдает большее количество тепла. Самый простой ТН – это обычная холодильная камера, размещенная на открытом воздухе с настежь распахнутой дверцей. Причем радиатор должен выводится в комнату. Конечно, принцип, описанный здесь, не раскрывает тему полностью. Она будет подана, пусть и в несколько упрощенном виде, далее – где описывается работа ТН, имеющих хороший КПД и выполняющие несколько другие функции.

Есть ли польза от ноу-хау с приставкой «эко»?

Именно так, с приставкой «эко», позиционируют теплонасосы для отопления на мировом рынке. Но для начала следует разобраться, так ли нова технология для российского потребителя. Ни у кого не возникает вопросов насчет того, что в странах Запада, а также в Японии, ТН давно пользуются заслуженным уважением. И лишь относительно недавно появились в России. Естественно, в СССР были свои разработки этих систем, но до рядового гражданина они не дошли по ряду причин.

Однако статья не об этом. Здесь дается краткое описание основных плюсов и минусов, на основе которых можно сделать выбор в пользу приобретения либо – проигнорировать представленный продукт.

Достоинства

1. Возможность сэкономить на энергообеспечении. Ценники поднимаются на все топливо, а ТН позволяет приобрести больше тепла за меньшие деньги.
2. Технология существенно помогает реализации программы экопоселений, которые находятся вдалеке от газовых магистралей. Тем не менее это не главное преимущество. Установка окупается и в любой другой местности с альтернативными источниками энергообеспечения. Поскольку в качестве источников тепла служит естественная среда и ландшафт планеты: воздух, грунт, вода и солнце – как источник, питающий ее.
3. Реверс агрегатов дает тепло зимой и холод летом. Но такую опцию имеет не весь модельный ряд систем.
4. Компрессор, внешние устройства и остальные элементы оборудования рассчитаны на долгий срок службы. Они способны проработать до полувека при грамотной эксплуатации, без серьезного ремонта и смены основных узлов.
5. Как и все виды устройств, могут обходиться без центрального обеспечения электричеством. Питание может осуществляться солнечными батареями, ветряками, бензином, дизелем и пр.
6. Легкость эксплуатации и невысокие затраты на ТО.
7. Непрерывность рабочего цикла – до -15°C.
8. ТН являются системами с полным автоматом и высокой экологичностью.

Подводя итог и актуализируя сильные стороны системы, необходимо указать на экономию электроэнергии. Теплонасос проигрывает солнечным коллекторам, поскольку им она вообще не нужна.

Но обходит электрокотлы по показателю теплоотдачи, а именно – по дельте «входа – выхода». То есть, имеет высокий КПД. Параметров подсчета очень много, и по большей части они относятся к сложным биосферным.

Недостатки

1. Высокий ценник теплонасосов с последующей недешевой установкой самого оборудования. Само собой, окупаемости придется ждать довольно долго. По утверждениям менеджеров компаний, это составляет порядка 7 лет.
2. Невозможность работать при низких температурах. Предел для теплонасосов ограничивается -20°C. В этом случае приходится либо докупать теплогенератор, либо подключать имеющийся. Сплитовые системы получили название бивалентных.
3. Отрицательное воздействие на микроорганизмы (анаэробы), живущие в грунте, приведет к их полной гибели.
4. Необходимость проведения трехфазной сети для обеспечения бесперебойного напряжения оборудованию.

Не самый идеальный аппарат с позиции энергосбережения и стоимости покупки. Прежде чем выбрать систему, нужно иметь хоть какой-то реальный отрезок времени для планирования ее окупаемости. Есть более дорогие ТН, способные к обеспечению работы до -35°C. Соответственно, вклад вернется много позже. Конечно, было бы неплохо на практике посчитать, во сколько обойдется такое приобретение и каковы затраты на монтаж. Например, понадобится тестовое внедрение геотермальных систем. Подобную схему лучше осуществить несколькими хозяйствами... Много нюансов, да и само изобретение есть куда совершенствовать. Возможно, отчасти решит проблему тепловой насос российского производства – они, по крайней мере, дешевле западных аналогов.

Работа теплонасоса

Как работает тепловой насос? На этот вопрос мы ответим в несколько усеченном виде. Во-первых, базис любого устройства – это его структура. Искомое представляет собой замкнутый контур-трубопровод, сочетающий в себе испаритель, конденсатор, расширитель, понижающий давление, и компрессор, который его повышает.

Как было объяснено выше, газ фреон двигается по трубам. В данном случае используется фреон r410a, закипающий при температуре -48,5°C.

Особенность работы системы с ним заключается в том, что в холодной части контура он является жижей, а в теплой находится в газообразном состоянии. Более детальное перемещение газа по системе выглядит следующим образом:

1. Сжимаемый компрессором, он нагревается и в таком виде продолжает свое путешествие к конденсатору. Последний ко всему прочему представляет собой теплообменник.
2. Процесс, происходящий в нем, осуществляет переброс тепла от хладагента к теплоприемнику (обычная вода) реверсной трубопроводной системы, являющейся отопительной системой дома.
3. Передав тепловую энергию, фреон остывает и опять оказывается в жидком состоянии. Но при этом разогретый теплоприемник идет на циркуляцию по системе горячего отопления и водоснабжения.
4. Минуя расширительный клапан (редуктор), газ в жидком состоянии уходит в испаритель, что говорит о закольцовке процесса.

Это процесс характерен для всех типов ТН. Конкретно – части общей схемы, находящейся в помещении и взаимодействующей с внешней структурой, которая различна, исходя из вида источников отопления. А именно:

• для аэротермальных – воздух;
• геотермальные – грунт (с применением «рассола») либо грунтовые воды;
• гидротермальные – водоем либо другие скважины (последние относят и ко 2 типу).

Возвращаясь к принципу работы холодильника, который не имеет реверса и как кондиционер – способный греть и охлаждать помещение. В этом случае модели ТН, функционирующие в двух режимах (лето/зима), в жаркое время года будут работать как обычный кондиционер. Само собой понижение температуры будет обеспечено перегонкой «тепла» в теплоноситель из внутреннего помещения, а не из наружного. К слову, если говорить о типологии, то воздушные теплонасосы – это канальные полупромышленные кондиционеры.

Конструктивные особенности тепловых насосов

Тепловые насосы для отопления частного дома имеют различные конфигурации. Это могут быть:

Аппараты с открытым циклом. Их ставят, если жилище расположено близь водоема. При этом вода, применяемая в качестве теплоносителя, набирается в открытый контур и, пройдя полный круговорот, остывая, опять оказывается в водоеме.

Закрытые геотермальные системы качают в виде теплоносителя воздух или воду. Если воду, то она запускается по трубам, проложенным на большой глубине в грунте, и выходящим на дно водоема. Этот тип признается более экологичным. Если нет рядом водоема, тогда применяются вертикальные и горизонтальные теплонасосы. Первые используются на участках с небольшой территорией. Вертикальный насос можно установить в скважину.

Энергия тепла в своем расходе на обеспечение нормальных жилищных условий частного дома собирается из внешней среды термонасосом. Энергия низкой температуры, которая концентрируется помпой, отправляет ее дальше в отопительную систему.

Воздушные

Отопление с помощью аэротермального устройства на краткосрочном этапе планирования, учитывая материальный аспект и обеспечение жилья комфортными условиями жизни, довольно выгодно. Это зависит от самой разновидности системы, которая и формирует стоимость конечного продукта. В этом случае купить воздушный тепловой насос будет выигрышней остальных видов. Например, оборудования на основе геотермальных и гидротермальных принципов работы. Прочие окупятся несколько позже. Они более требовательны к ландшафту, но их использование ограничивается значительным минусовым порогом.

В качестве преимущества – вам не придется производить инженерно-геодезические изыскания:

• бурить скважины под геотермальные зонды;
• копать траншеи под грунтовые горизонтальные коллекторы;
• укладывать трубы на дно водоема под гидротермальное обеспечение.

Минусовой порог аэротермального оборудования определяется как -15 °С. Но для мягких зим с климатической амплитудой от 0°С до -5°С – это идеальное решение. Цена отопления с помощью теплового насоса становится ниже не во всех климатических условиях использования. Для более высоких отрицательных температур придется устанавливать дополнительный котел.

Необходимость установки обуславливается не только тем, что основной агрегат не справляется с задачей обогрева на критичных или почти критичных для него минимумах. Дело в том, что при таких режимах работы существенно возрастает сама амортизация установки.

Также существенным нюансом к использованию служит влажность. То есть, сухой воздух и температура в -15°С для прибора лучше, нежели -10°С и высокая влажность.

Образование льда на агрегате может приводить к ухудшению его работы. И как вариант – к выходу из строя отдельных элементов.

Последняя рекомендация – размещение. Инсталляция производится с наименее подветриваемой стороны. Что немаловажно для образования оледенения. В особенности – во влажном климате и при осадках. Этот промышленный кондиционер лучше вешать на стену, а не ставить на отмостку, что существенно облегчит уборку наледи.

Тепловые насосы «воздух – воздух», являющиеся разновидностью аэротермального класса подвергаются тем же климатическим воздействиям, что и описанные здесь «воздух – вода».

Водяные

В данном разделе будут рассмотрены несколько источников тепла для водяных вариантов гидротермических систем. И представлен скважинный тепловой насос, равно относящийся к грунтовым типам.

Реки, озеры, моря, океаны

Водная гладь всегда входила в большой гидротехнический комплекс, который человек выстраивал для собственных нужд со дня своего появления на земле. Сначала это были геотермальные источники и гейзеры, которые он осваивал примитивными способами. После – водяные мельницы, гидроэлектростанции. Сейчас пришло время ТН.

Устройство этой схемы предполагает размещение коллектора на дне водоема. Трубы с антифризом прижимаются к дну грузами. Теплоноситель, обладающий высокой температурой в летнее время и в зимнее, может обеспечить приличную экономию. Расположение установки будет выгодным на расстоянии до 50 m, а может и больше – все зависит от ситуации. Но более дальняя позиция жилища от источника снижает эффективность и влияет на удорожание процесса добычи тепла.

Канализационные стоки

На этом методе уже давно сосредоточили свое внимание ученые. Сначала канализация начала давать биотопливо. Теперь применение получает отклик среди широких масс населения для задействования ТН. Коллекторы ставятся в частных и многоэтажных домах. Но все же на сегодняшней день метод имеет большее распространение в промышленной среде. Оно и понятно: государство в первую очередь финансирует производство и добычу. Кто бы что ни говорил, но для граждан со среднем доходом иметь личный коллектор для отопления дома пока дороговато.

Грунтовая и скважинная вода

Метод в плане устройства мало чем отличается от рассмотренного далее грунтового. Итак, вертикальный зонд. Применяется U-образная петля, которая закидывается в пробуренную скважину до грунтовых вод, – это закрытый тип. Либо открытый тип, где предполагаются 2 колодца: один – на подъем, другой – для сброса (септик), как и горизонтальная система с водоемом. Способ может быть не совсем экологичным, поэтому надо заботиться о чистоте сбрасываемой воды и знать о законах природопользования.

Точные проведенные геодезические изыскания – залог успеха будущего предприятия. Существуют два основных фактора, которые сделают установку экологичной и экономически выгодной. Грунтовые воды должны иметь постоянный ток. А значит, будет постоянный теплоноситель. Во-вторых, химический состав не должен содержать большого количества солей железа и прочих соединений и примесей, отрицательно действующих на износ ТН.

Грунтовые

Тепловая энергия, находящаяся в грунте, достаточна для повышения температуры фреона до необходимого агрегатного состояния, способного обеспечить работу отопительной системы. Грунт зимой (в среднем по стране) промерзает неглубоко. Конечно, есть регионы, где применение такой системы нецелесообразно. Но в основном на глубине примерно 2 м годовых колебаний температур не наблюдается. Поэтому можно смело рассчитывать на круглогодичное обеспечение своего дома горячей водой.

Горизонтальный коллектор

Коллектор-труба располагается вдоль земляной поверхности. Расчет глубины проводится конкретно по каждому участку. Закладка трубы происходит либо ниже уровня промерзания грунта, либо глубже. Причем, заглубляясь в грунт, важно обеспечить стабильность. Для обеспечения максимальной эффективности, коллектор закладывают в два слоя.

Диаметр труб для коллектора находится в диапазоне от 25 до 40 mm. Рисунок коллектора может спроектирован в виде змейки, зигзага, петлями, спиралями. Трубы располагаются с интервалом от 60 cm до 1 m. Определяющим условием является тип грунта:

• сухие пески – 10 Вт/м, сухая глина – 20 Вт/м;
• глинистые почвы со средней влажностью – 25 Вт/м;
• водянистая глина – 35 Вт/м.

Можно привести вариант расчета плана денежных затрат на проведение труб по грунтово-горизонтальной схеме. Если это участок с влажной глиной с площадью 400 кв. м, получается, что дом размером 100 кв. м потребует внушительной конструкции. Причем на данной территории больше ничего не должно быть построено.

После установки коллектора происходит его наполнение антифризом – второе название «рассол». Это может быть раствор на основе этиленгликоля и пропиленгликоля. Первый вариант обладает более низкой вязкостью. Также, в сравнении со вторым, обеспечивает лучшую теплопередачу. Но при этом проигрывает в теплоемкости. Поэтому, чтобы передать то же количество энергии, его потребуется закачать больше.

Схема движения предполагает отдачу тепла грунтом антифризу. После он идет в ТН, где передает тепловую энергию хладагенту. После этого остывший раствор снова уходит под землю за следующей порцией.

Вертикальный зонд

Принцип работы теплового насоса не отличается от горизонтального. Здесь, скорее, будет учитываться принципиальность властей. Их поддержкой придется заручиться, заплатив кругленькую сумму за разрешение на бурение глубокой скважины порядка 80-100 m, с последующим бетонированием методом заливки. Но если есть такая возможность, можно на этой пойти. Поскольку конструкция обладает максимальным теплосъемом, что говорит о стабильности температур подачи в отопительную систему.

Вид вертикального зонда – это U-образная конструкция. Чтобы не заглубляться на сотню метров, понадобится всего одна. Есть даже отличное решение сбора системы таких конструкций. Условие: «зарыться» на 20 m, и расположить трубы на расстоянии друг от друга на 5-7 m. Это вариант намного дешевле, но чем-то напоминает горизонтальный коллектор по возможности теплосъема.

В заключение приводится памятка удельной теплопроводности типов грунта для установки вертикального зонда:

• осадочные породы – 20 Вт/м;
• каменистые почвы – 50 Вт/м;
• осадочные породы с водным насыщением – 50 Вт/м;
• каменистые почвы – 70 Вт/м;
• подземные грунтовые воды – 80 Вт/м.