Принцип работы теплового насоса

С термином «тепловой насос» (ТН) значительной части белорусских граждан сталкиваться не приходилось. В то же время, многие из нас регулярно эксплуатируют тепловые насосы в повседневной жизни, ведь они являют собой неотъемлемую конструктивную часть холодильников и систем кондиционирования. Мы настолько привыкли к этим бытовым агрегатам, что даже не замечаем их. В этой статье мы объясним, как работает тепловой насос для отопления дома.

Геотермальное отопление: как это работает

Для швейцарцев, отопительные системы зданий на основе геотермальных теплонасосных установок, являются такой же обыденной вещью как для нас холодильники. Правила работы этого устройства схожи с кондиционером реверсного типа. Это означает, что тепловой насос способен не только отапливать помещение, но и давать холод в жаркие дни.

Главное отличие устройства от систем кондиционирования — адаптация изделия для эксплуатации при отрицательных температурах. Если кондиционер при минусе за окном существенно снижает производительность тепла, вплоть до остановки, то геотермальный насос продолжает с должным эффектом выполнять свои функции в любой обстановке. Даже в самые сильные морозы отопление тепловым насосом высокоэффективно обеспечивает комфортный уровень температуры внутри всех помещений.

Изобретение теплового насоса

Основные правила функционирования теплового насоса отражены в цикле Карно. Принципы функционирования базового устройства французский ученый описал в далеком 1824 г. в своей диссертации. Теплонасосная система, которая пригодна для практического использования, была разработана и представлена общественности лордом Кельвином в 1852 году. Свое детище лорд назвал «умножителем тепла». Изобретение позволило делать забор тепловой энергии в одной или нескольких точках и переносить ее в другую посредством системы коллекторов. К примеру, морозильная камера в бытовом холодильнике поглощает тепло из продуктов и в последующем выбрасывает его в пространство кухни. В камере морозилки происходит охлаждение продуктов, а задняя решетка холодильника накапливает тепло.

В основу функционирования геотермального теплового насоса, положено несколько базовых принципов. Любое вещество, имеющее температуру превышающую абсолютный ноль (минус 273C) — обладает тепловой энергией, наша задача преобразовать ее и перевести в пригодный для обогрева температурный интервал (+35…+65С). Поэтому принцип действия теплового насоса основан на аккумулировании природного низкопотенциального тепла из естественных источников (земля, водоем или воздух), окружающих строение, и передаче сконцентрированной энергии системе отопления здания. Тепловая энергия может также передаваться системе водоснабжения (ГВС), оборудованной в здании. Используя насос мы, грубо говоря, вкапываем «морозильную камеру» в землю либо погружаем в озеро в непосредственной близости от объекта. Важно то, что вне зависимости от температуры окружающей среды морозилка пребывает в незамерзающем состоянии, не покрывается льдом. Это позволяет сохранять высокий уровень эффективности сбора тепловой энергии. При этом устройство теплового насоса позволяет агрегату производить отбор тепла у источников различного типа – почвы, озера, реки, воздуха, канализационных стоков и т.д.

Коллекторы для сбора рассеянного тепла размещают в грунте или водоеме рядом с зданием, для которого нужно наладить отопление. Жидкость (незамерзающая смесь на основе гликоля) перемещается по трубкам коллектора, собирает тепловую энергию и возвращается к тепловому насосу. Насос, как и холодильник, производит отбор тепла, понижая температуру гликолевой смеси примерно на 4-6 градусов по Цельсию. Энергия, которую изъяло устройство, переходит отопительной системе здания. Далее цикл повторяется: жидкость начинает двигаться по трубам в почве либо водной среде, восстанавливая нужный уровень температуры, после чего снова подается на насосный агрегат. В условиях климата Беларуси, для круглогодичного использования, применяют коллекторы, изымающие энергию из почв и водоемов, так как в этих средах зимой температуры меняется не так сильно. «Воздушные» тепловые насосы используются для подогрева бассейнов в летний период, или как дополнительный источник тепла к существующим твердо- и жидко-топливным системам отопления (снижение расхода топлива на 70-80%). При необходимости охлаждения (кондиционирования) дома в жаркий летний период запускается реверсивный процесс. В этом случае происходит забор тепловой энергии внутри здания и сброс ее в грунт или воду. Один и тот же агрегат способен в зимние месяцы давать зданию тепло, а летом охлаждать его.

Основные функции теплового насоса

Тепловые насосы способны в один момент времени выполнять сразу несколько попутных функций:

• отопление здания;
• подогрев воды для ее последующего использования в быту (ГВС);
• кондиционирование помещений посредством фанкойлов;
• подогрев воды в бассейнах;
• подогрев кровли и тропинок для недопущения образования ледяной корки.

Получается, что одна установка геотермального отопления способна справляться сразу со всеми функциями по отоплению или охлаждению здания в зависимости от потребностей в конкретный момент времени.

Внешние коллекторы с открытым и закрытым циклом

Внешний контур (коллектор) для сбора тепловой энергии может работать в открытом и закрытом цикле. Выбор цикла влияет на способ обмена тепла с природной средой.

Коллектор открытого цикла.

Из озера, реки либо скважины с грунтовой водой осуществляется забор воды. Затем происходит ее подача к тепловому насосу. Жидкость передает (отбирает) тепло у насосного агрегата и отводится обратно в водоем, либо в приемную грунтовую скважину на некотором удалении от точки, где был выполнен забор. Главное преимущество открытого цикла является относительная дешевизна его устройства и возможности одновременного получения воды для бытового использования. Из недостатков можно отметить необходимость в частом обслуживании (чистке) теплообменника.

Коллектор закрытого цикла.

Использует в работе особый состав, выполняющий роль теплоносителя. Функционирование системы в этом случае основано на прокачке этого теплоносителя сквозь коллекторы, которые располагаются на дне водоема, либо помещенные в почву. Теплоноситель изымает энергию у воды (земли), затем возвращается и передает ее насосу. Агрегат, с помощью компрессора, трансформирует низкотемпературную тепловую энергию (0-5С), в высокотемпературную (+35…+65С), и распространяет тепло по дому, а охлажденный теплоноситель отправляется на повторное прохождение цикла. Главное преимущество закрытого контура – не происходит смешения и взаимодействия сред, тепло передается через стенки коллектора. Такая система практически не требует обслуживания и рассчитана на срок эксплуатации 80-100 лет.

Если углубиться внутрь земли 1,5 метров, то там сохраняется температура около 10-12C вне зависимости от времени года.Увеличивая глубину, мы можем добиться повышения температуры. Данный способ является лучшим в плане эффективности работы теплового насоса. Мы получаем низкий расход электричества и самую дешевую тепловую энергию. Так, затратив 1кВт электроэнергии, мы получаем до 5кВт энергии тепла. Минус системы – значительные капиталовложения на первом этапе.

Геотермальные тепловые насосы — перспективы использования.

На сегодняшний день в таких странах как Швеция и Япония более 90% всех вновь возводимых частных домов используют для отопления геотермальные источники энергии. В нашей стране, при наличии в населенном пункте газопровода, срок окупаемости теплового насоса довольно высок. Но судя по последним государственным программам, стоимость возмещению расходов на отопление будет постепенно приближаться к 100%, что уже является поводом задуматься о перспективах отопления газом через 5-10 лет. В том случае, если для газификации участка необходимо разрабатывать проект, прокладывать 200-300 метров трубы, строить повысительную станцию и пр. выбор в пользу теплового насоса становиться очевидным.

Тепловой насос: принцип работы — особенности и виды

Такой агрегат как тепловой насос принцип работы имеет сходный с бытовыми приборами – холодильником и кондиционером. Примерно 80% своей мощности он заимствует у окружающей среды. Насос перекачивает тепло с улицы в помещение. Его работа подобна принципу функционирования холодильника, отличается только направление переноса тепловой энергии.

Например, для охлаждения бутылки с водой люди ставят ее в холодильник, затем бытовой прибор частично «забирает» у этого предмета тепло и теперь, по закону сохранения энергии должен его отдать. Но куда? Все просто, для этого в холодильнике имеется радиатор, как правило, находящийся на его задней стенке. В свою очередь радиатор, нагреваясь, отдает тепло помещению, в котором стоит. Таким образом, холодильник отапливает комнату. До какой степени она прогревается, можно почувствовать в небольших магазинах жарким летом, когда включено несколько холодильных установок.

А теперь немного фантазии. Предположим, что в холодильник постоянно подкладываются теплые предметы, и он обогревает комнату или его расположили в оконном проеме, открыли дверцу морозильной камеры наружу, при этом радиатор находился в помещении. В процессе своей работы, бытовой прибор, охлаждая воздух на улице, одновременно будет переносить тепловую энергию, которая есть снаружи, в здание. Точно такой имеет тепловой насос принцип действия.

Откуда насос берет тепло?

Функционирует тепловой насос, благодаря эксплуатации природных низкопотенциальных источников тепловой энергии, среди которых:

• окружающий воздух;
• водоемы (реки, озера, моря);
• грунт и грунтовые артезианские и термальные воды.

Система отопления с тепловым насосом

Теплоноситель, забирающий на себя тепло из окружающей среды, циркулирует по внешнему контуру. Он попадает в испаритель насоса и отдает хладагенту примерно 4 -7 °C, притом, что его температура кипения равна -10 °C. В результате хладагент закипает и дальше переходит в газообразное состояние. Уже охлажденный теплоноситель во внешнем контуре направляется на следующий виток для набора температуры.

Состоит функциональный контур теплового насоса из:

• испарителя;
• хладагента;
• электрического компрессора;
• конденсатора;
• капилляра;
• терморегулирующего управляющего устройства.

• хладагент после закипания, двигаясь по трубопроводу, попадает в компрессор, работающий при помощи электроэнергии. Это устройство сжимает хладагент, находящийся в газообразном состоянии, до высокого давления, что вызывает повышение его температуры;
• горячий газ попадает в другой теплообменник (конденсатор), в котором тепло хладагента отдается теплоносителю, циркулирующему по внутреннему контуру отопительной системы, или воздуху в помещении;
• остывая, хладагент переходит в жидкое состояние, после чего проходит сквозь капиллярный редукционный клапан, теряя давление, и затем снова оказывается в испарителе;
• таким образом, цикл завершился, и процесс готов повториться.

Примерный расчет теплопроизводительности

На протяжении часа через насос по внешнему коллектору проходит 2,5-3 кубометра теплоносителя, который земля в состоянии нагреть на ∆t = 5-7 °C (прочитайте также: «Важно знать: как продумать расчет теплового насоса»). Чтобы рассчитать тепловую мощность данного контура, следует воспользоваться формулой:

Q = (T₁ — T₂) x V, где:
V – расход теплоносителя в час (м 3 /час);
T₁ — T₂ — разница температуры на входе и входе (°C) .

Виды тепловых насосов

В зависимости от вида потребляемого рассеянного тепла тепловые насосы бывают:

• грунт-вода — для их работы в водяной отопительной системе используются закрытые грунтовые контуры или геотермальные зонды, находящиеся на глубине (подробнее: «Геотермальные тепловые насосы для отопления: принцип устройства системы»);
• вода-вода — принцип работы теплового насоса для отопления дома в данном случае основывается на использовании открытых скважин для забора грунтовых вод и их сброса (прочитайте: «Как подобрать водяной насос для отопления»). При этом внешний контур не закольцован, а система отопления в доме – водяная;
• вода-воздух – устанавливают внешние водяные контуры и задействуют отопительные конструкции воздушного вида;
• воздух-воздух – для их функционирования используют рассеянное тепло наружных воздушных масс плюс воздушная система отопления дома.

Преимущества тепловых насосов

1. Экономичность и эффективность. Принцип действия тепловых насосов, изображенных на фото, основан не на производстве тепловой энергии, а на переносе ее. Таким образом, КПД теплового насоса должен быть больше единицы. Но как такое возможно? В отношении работы тепловых насосов используется величина, которая называется коэффициентом преобразования тепла или сокращенно КПТ. Характеристики агрегатов данного типа сравнивают именно по этому параметру. Физический смысл величины заключается в определении соотношения между количеством полученного тепла и затраченной на его получение энергии. Например, если коэффициент КПТ равен 4,8, это означает, что электроэнергия в 1кВт, затраченная насосом, позволяет получить 4,8 кВт тепла, причем безвозмездно от природы.
2. Универсальное повсеместное применение. В случае отсутствия доступных для потребителей линий электропередач работу компрессора насоса обеспечивают при помощи дизельного привода. Поскольку природное тепло есть повсюду, принцип работы этого устройства позволяет использовать его повсеместно.
3. Экологичность. Принцип работы теплового насоса основан на малом потреблении электроэнергии и отсутствии продуктов горения. Используемый агрегатом хладагент не содержит хлоруглеродов и полностью озонобезопасен.
4. Двунаправленный режим функционирования. В отопительный период тепловой насос способен обогревать здание, а в летнее время охлаждать его. Тепло, отобранное у помещения, можно применять для обеспечения дома горячим водоснабжением, а, если имеется бассейн, подогревать в нем воду.
5. Безопасная эксплуатация. В работе тепловых насосов отсутствуют опасные процессы – нет открытого огня, и не выделяются вредные для здоровья человека вещества. Теплоноситель не имеет высокой температуры, что делает устройство безопасным и одновременно полезным в быту.
6. Автоматическое управление процессом обогрева помещений.

Некоторые особенности эксплуатации насосов

Чтобы обеспечить эффективную работу теплового насоса, необходимо соблюдать ряд условий:

• помещение должно быть качественно утепленным (теплопотери не могут превышать 100 Вт/ м²);
• тепловой насос выгодно использовать для низкотемпературных отопительных систем. Данному критерию соответствует система теплого пола, поскольку ее температура 35-40°C. КПТ во многом зависит от соотношения между температурой входного контура и выходного.

Принцип работы тепловых насосов заключается в переносе тепла, что позволяет получать коэффициент преобразования энергии величиной от 3 до 5. Другими словами каждый 1 кВт использованной электроэнергии приносит в дом 3-5 кВт тепла.

Виды тепловых насосов, преимущества и недостатки каждого из них

В условиях постоянного роста тарифов на электричество и газ, ухудшения экологической обстановки все чаще применяются альтернативные источники энергии. Тепловой насос (ТН) — один из вариантов таких систем, с помощью которого можно отопить частный дом зимой, кондиционировать помещения летом, нагревать воду для бытовых нужд. Устройства позволяют экономить на энергоносителях, не используют невозобновляемых природных ресурсов, что важно с точки зрения охраны окружающей среды. Рассмотрим виды тепловых насосов, их преимущества и недостатки, особенности эксплуатации.

Устройство и принцип работы

Теплонасос в общем виде состоит из:

• компрессорной установки;
• конденсаторного теплообменника;
• испарительного теплообменника;
• средств автоматики и присоединительной арматуры.

Компрессор требуется для сжатия и передачи по трубопроводам хладагента, в качестве которого в современных ТН применяются фреоны R410A и R407C, безопасные для озонового слоя.

При сжатии температура фреона стремительно повышается, под давлением до 40 бар он перемещается в конденсатор и передает тепловую энергию потребителю (адиабатический процесс). Потребителем может быть воздух или теплоноситель, который затем отдает энергию отопительной системе. Температура фреона понижается, он возвращается из газообразного состояния в жидкое (изотермический процесс).

Затем жидкий хладагент через вентиль-терморегулятор, применяемый для дозировки и снижения давления, поступает в теплообменник-испаритель. Вследствие падения давления при передаче по каналам испарителя фреон вновь превращается в газ. Температура снижается, осуществляется его нагрев от источника — воды, воздуха, земных недр. Затем уже холодный фреон перемещается в компрессор и рабочий цикл вновь повторяется.

Таким образом, теплонасос сам не вырабатывает тепло, а лишь перемещает его в дом. Для работы требуется электроэнергия, которая расходуется в основном на компрессор. Для определения эффективности ТН используется показатель преобразования (СОР) — отношение полученной тепловой энергии к потребленной электрической. Параметр зависит от производителя и типа теплонасоса и находится в интервале от 2 до 6.

Виды тепловых насосов

В зависимости от технологии, применяемой для забора и распределения энергии, конструкции оборудования и способов использования, различают следующие виды теплонасосов:

• «воздух-воздух»;
• «воздух-вода»;
• «грунт-вода» (геотермальные);
• «вода-вода».

«Воздух-воздух»

Источник энергии для такого типа устройств — атмосферный воздух. По внешнему виду теплонасос не отличим от сплит-систем, способен нормально функционировать при температуре до -30°С, получая энергию из окружающей среды. Дом отапливается нагретым в конденсаторе воздухом.

Теплонасос «воздух — воздух»

• низкая стоимость;
• удобство и скорость монтажа;
• отсутствие утечек теплоносителя.

• невозможность организации горячего водоснабжения;
• снижение показателя СОР при отрицательных температурах;
• необходимость в монтаже внутренних блоков в комнатах, устройстве воздуховодов.

Тепловые установки «воздух-воздух» применяются преимущественно в домах с сезонным проживанием и не могут рассматриваться как основное средство отопления.

«Воздух-вода»

Принцип действия системы идентичен предыдущему типу. Отличие заключается в нагреве не воздуха в комнатах, а теплоносителя, используемого в контуре ГВС и для отопления дома.

Если помещения обогреваются с помощью обычных батарей, работа насоса менее эффективна. ТН «воздух-вода» следует использовать с конвекторами и радиаторами большой площади, а также низкотемпературными системами «теплые стены» и «теплый пол» с водяным теплоносителем.

Схема организации отопления и ГВС с помощью теплонасоса «воздух-вода»

• возможность организации горячего водоснабжения;
• срок службы, надежность;
• бурение скважин не требуется;
• максимальная эффективность весной и осенью.

• невозможность использования при температурах ниже -20°С;
• необходимость в размораживании наружного блока;
• значительное снижение коэффициента СОР при отрицательных температурах (до 1,2).

Насосы «воздух-вода» в качестве единственного средства отопления могут устанавливаться лишь в теплых регионах. В средней полосе они зачастую монтируются вместе с иным отопительным оборудованием (пеллетными, твердотопливными, электрокотлами, каминами с водным контуром).

«Грунт-вода»

В качестве внешнего (геотермального) контура задействованы недра земли. Поэтому теплонасосы «грунт-вода» обладают важным преимуществом перед другими типами ТН — стабильностью параметра СОР независимо от поры года и температуры воздуха.

Существует три способа сооружения геотермального контура:

• горизонтальный;
• вертикальный;
• наклонный.

Горизонтальный контур

Для использования тепловой энергии земли требуется обустройство коллектора, занимающего значительную площадь. Система трубопровода располагается близко к поверхности, из-за чего производительность оборудования относительно невелика — 30-40 Вт на погонный метр контура.

Глубина заложения полиэтиленовых труб принимается ниже линии промерзания грунта на 0,3-0,5 м и составляет порядка 1,3-2 м. В этой зоне температура остается положительной (от +3 до +15°С) на протяжении всего календарного года.

Площадь, отводимая под коллектор, зависит от площади дома, процента остекления, степени утепления. Для определения требуемого участка и диаметра труб требуется выполнение подробных теплотехнических расчетов.

Схема размещения ТН «грунт-вода» с горизонтальным контуром

Для обустройства горизонтального коллектора используется два способа:

1. Грунт срезается на всей площадке, производится укладка труб теплообменника с интервалом 0,6-1,5 м. По завершении раскладки котлован обратно засыпается грунтом. Для производства работ используется тяжелая землеройная техника — бульдозеры, фронтальные погрузчики, экскаваторы прямая или обратная лопата.
2. Укладка труб коллектора осуществляется за несколько этапов в канавы шириной 0,6-1,0 м. Для производства земляных работ используются мини-экскаваторы либо экскаваторы-погрузчики.

Преимущества горизонтального контура:

• меньшая стоимость по сравнению с вертикальной укладкой;
• возможность выполнения работ во время прокладки других инженерных сетей (канализации, водопровода);
• стабильность работы системы независимо от поры года.

• невозможность выполнения при завершенном ландшафтном оформлении участка;
• значительная занимаемая площадь, на которой запрещена посадка деревьев и другие работы по благоустройству;
• необходимость обеспечения естественного попадания осадков и солнечного света.

Вертикальный контур

Система представляет собой куст скважин глубиной 30-200 м с опущенными на дно специальным оборудованием — геотермальными зондами. В этой зоне на протяжении многих десятилетий температура остается неизменной и возрастает примерно на 2-5°С через каждые 70-100 м.

Схема размещения теплового насоса «грунт-вода» с вертикальным контуром

• значительно сокращается необходимая для обустройства площадь в сравнении с горизонтальным контуром;
• стабильность показателя СОР;
• возможность установки теплового насоса в жилых домах, предприятиях промышленности.

• необходимость проведения предварительных инженерно-геологических изысканий;
• задействование буровых установок и специального оборудования;
• стабилизация теплоотдачи на 2-3 сезон эксплуатации.

Наклонный контур

Для установки теплового насоса с наклонным контуром требуется участок площадью всего 4 м2. Бурение скважин возможно даже в подвале дома.

В заранее обустроенной шахте глубиной 4 м в разные стороны под углом бурятся скважины. В них укладываются трубы, соединенные с расположенным в доме теплоприемником.

Во избежание промерзания грунта от наклонного контура пространство между землей и трубами заполняется строительным раствором с низкой теплопроводностью.

Размещение теплового насоса «грунт-вода» с наклонным контуром

«Вода-вода»

Для получения тепла используются грунтовые воды. Они имеют постоянную температуру (более +7°С) и расположены на различной глубине.

Подземные воды из скважины поднимаются посредством центробежного насоса и поступают на станцию тепломассообмена, где происходит передача энергии антифризу нижнего контура ТН. Эффективность работы теплонасоса зависит от глубины грунтовых вод и удаленности скважины от станции.

Организация отопления и горячего водоснабжения по принципу «вода-вода» имеет ряд ограничений по использованию:

• необходимость обустройства дренажного колодца для отработанных вод;
• отсутствие или значительная глубина залегания грунтовых вод;
• нестабильность дебета скважины;
• необходимость учета загрязненности и солевого состава воды во избежание засорения теплообменника.

Заборная вода должна отвечать следующим параметрам: содержание магния и железа — менее 0,5 мг/л, общая доля хлоридов — не выше 300 мг/л. Выпадающие в осадок вещества должны полностью отсутствовать. При превышении допустимых концентраций требуется монтаж станций обессоливания и водоподготовки.

Монтаж систем «вода-вода» рационален, если в непосредственной близости расположена река либо иной водоем. Устройство отопления возможно только с закольцованным контуром, а в качестве теплоносителя должна применяться только вода.

Тепловой насос «вода — вода»

Преимущества и недостатки тепловых насосов

Популярность тепловых насосов, используемых как для бытовых, так и для производственных нужд, обусловлена такими преимуществами:

1. Экономичность и эффективность. Для подачи в систему отопления 1 кВт•ч тепловой энергии расходуется всего 0,2-0,3 1 кВт•ч электроэнергии.
2. Возможность использования во всех регионах.
3. Экологичность. При работе теплонасоса не выделяются продукты горения, потребление электроэнергии крайне низкое. Используемый хладагент безопасен для окружающей среды, не содержит хлоруглеродов.
4. Многофункциональность. Тепло, взятое у природы, можно направлять на обогрев дома зимой или охлаждение его летом, для организации ГВС, подогрева воды в бассейне.
5. Безопасность. Отсутствие строгих требований к системам вентиляции помещений, высокий уровень пожарной безопасности.
6. Бесшумность работы, компактность.
7. Возможность автоматического управления работой системы, в том числе удаленного — через интернет.

К недостаткам относятся:

• высокая стоимость оборудования и работ по его монтажу;
• необходимость в качественном утеплении дома.

Главным недостатком теплонасосов любого типа является недостаточный нагрев воды. Как правило, температура ее редко превышает 50-60°С.

Использование тепловых насосов — экономичное решение для эффективного обогрева и снабжения горячей водой частного дома. Оборудование абсолютно безопасно как для человека, так и для окружающей среды.