Td-te.ru

Дом и Быт — Журнал TD-TE.Ru
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловой насос: принцип работы — особенности и виды

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.

Процесс, как работает тепловой насос, выглядит примерно так:

  • 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.


Принцип работы теплового насоса, достаточно подробное видео:

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.

Принципы работы теплового насоса

  • Принципы работы теплового насоса
  • Как получить тепло
  • Что такое фанкойл: принцип работы и правила установки вентиляторного доводчика

Что такое тепловой насос

Тепловой насос представляет собой парокомпрессионную установку, которая переносит тепло от холодных, низкопотенциальных источников тепла к горячим, высокопотенциальным. Тепло передается за счет конденсации и испарения хладагента, в качестве которого чаще всего используется фреон, циркулирующий по замкнутому контуру. Электроэнергия, от которой работает тепловой насос, тратится только на эту принудительную циркуляцию.

Принцип работы теплового насоса основан на так называемом цикле Карно, который прекрасно знаком вам по работе холодильных установок. На самом деле, бытовой холодильник, стоящий на вашей кухне, также является тепловым насосом. Когда вы помещаете в него продукты, пусть даже холодные, но температура которых все-таки выше, чем температура в камере холодильника, по закону сохранения энергии выделяемое ими тепло никуда не девается. Поскольку температура внутри повышаться не должна, тепло выводится наружу через решетку радиатора, нагревая воздух в кухне. Чем больше продуктов вы поместите одновременно в холодильник, тем больше будет теплоотдача.

Простейшим вариантом теплового насоса станет открытый холодильник, помещенный на улице, радиатор которого находится в комнате. Но пусть холодильник исполняет свои прямые обязанности, ведь уже существуют специальные устройства — тепловые насосы, имеющие кпд гораздо выше. Принцип их действия достаточно прост.

Как работает тепловой насос

Любой теплонасос состоит из испарителя, конденсатора, расширителя, понижающего давление, и компрессора, который давление повышает. Все эти устройства соединены в один замкнутый контур трубопроводом. По трубам циркулирует хладагент, инертный газ с очень низкой температурой кипения, поэтому в одной части контура, холодной, он представляет собой жидкость, а во второй, теплой, он переходит в газообразное состояние. Точка кипения, как известно из физики, может меняться в зависимости от давления, вот зачем нужны в этой системе расширитель и компрессор.

Предположим, что снаружи теплоноситель циркулирует по трубам, уложенным в земле, поскольку он имеет низкую температуру, то проходя по ним, он нагревается, даже когда внешняя температура составляет всего около 4-5оС. Поступая в испаритель, который выполняет функцию теплообменника, теплоноситель отдает полученное тепло во внутренний контур системы, который заполнен хладагентом. Даже этого тепла достаточно, чтобы хладагент перешел из жидкого в газообразное состояние.

Двигаясь дальше, газ перемещается в компрессор, где под действием высокого давления сжимается, а его температура при этом повышается. Став горячим, газ поступает в конденсатор, который также является теплообменником. В нем происходит передача тепла от горячего газа к теплоносителю обратного трубопровода, входящего в отопительную систему дома. Отдав тепло, газ охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, в то время, как нагретый теплоноситель поступает в систему горячего водоснабжения и отопления. Проходя через редукционный клапан расширителя, сжиженный газ снова попадает в испаритель – цикл замыкается.

В холодное время года тепловые насосы работают на обогрев дома, а в жару – на его охлаждение. В этом случае принцип работы тот же, только летом тепло в теплоноситель поступает из внутренних помещений, а не снаружи.

Конструктивные особенности тепловых насосов

В настоящее время используются тепловые насосы, имеющие разные конструкции. Так, насос с открытым циклом применяют, когда дом расположен рядом с водоемом. В этом случае теплоноситель, вода, поступает в открытый контур, проходит весь цикл и, охлаждаясь, вновь сливается в водоем.

Геотермальные насосы закрытого типа прокачивают теплоноситель – воздух или воду, по трубам, заложенным глубоко в землю и проложенным по дну водоема. Закрытый цикл в экологическом плане считается более безопасным. К закрытому типу относятся насосы с вертикальным и горизонтальным теплообменником, которые используются, когда поблизости нет водоемов. Вертикальные тепловые насосы применяются, когда площадь земельного участка, на котором расположен дом, невелика. Иногда вертикальные насосы устанавливают в пробуренных поблизости скважинах.

В комплекс работ по установке теплового насоса входит проведение внутренних электромонтажных работ, прокладка внешнего трубопровода и внутренних воздуховодов.

Как устроен и как работает тепловой насос

Тепло и комфорт в наших домах независимо от времени года и погоды за окном обеспечены источниками энергии, которые иссякают с ошеломляющей скоростью. Задумываемся ли мы о том, что когда-то закончатся запасы нефти, газа, угля и радиоактивных элементов? Нет, человечество беспечно и расточительно. Сохранить богатства недр для последующих поколений позволяют устройства, которые используют альтернативные, возобновляемые источники энергии. Одним из таких изобретений является тепловой насос, принцип работы которого основан на использовании тепла, находящегося на поверхности Земли и в её атмосфере. Рассмотрим устройство теплового насоса и возможность его применения в современных отопительных системах.

Читать еще:  Выбираем проточный водонагреватель

Как работает тепловой насос

Конструкцию «умножителя тепла» предложил еще в 1852 году лорд Кельвин. В его работе использовался основной принцип теплового насоса – постепенный отбор низкотемпературного тепла, его накопление и отдача в виде энергии с высокой температурой. Данный процесс был описан «циклом Карно» в далеком 1824 году.

С тех пор прошло немало лет, а с тепловым насосом сейчас знаком каждый ребенок и стоит он на любой кухне. Вы не ослышались, ведь ваш холодильник – это тот же тепловой насос, только работающий в других целях. Вы ведь замечали, как нагревается задняя стенка холодильника? А задумывались ли вы о том, что его повышенная температура – не что иное, как тепло, отобранное агрегатом у продуктов, которые вы загрузили в него после похода в супермаркет.

Принцип действия теплового насоса

Похожим образом функционирует и тепловой насос. Основным его элементом является мощный компрессор, позволяющий создавать высокое давление. К нему присоединен испаритель – радиатор из тонких трубок с высокой теплопроводностью. При работе компрессор нагнетает теплоноситель, в роли которого выступает хладагент. Это вещество способно кипеть и испаряться при низкой температуре. Компрессор создает давление в десятки атмосфер, поэтому хладагент испаряется даже при отрицательных температурах. На входе в испаритель сечение трубопровода уменьшается до диаметра в десятые доли миллиметра, происходит распыление хладагента и он переходит из жидкой фазы в газообразное состояние, при этом поглощая тепло.

Далее на пути теплоносителя установлен конденсатор, в котором хладагент отдаёт тепло радиатору, охлаждается и снова превращается в жидкость, а затем возвращается в компрессор. Такой цикл повторяется многократно. При этом доля энергии, которую потребляет компрессор теплового агрегата, составляет около 20% от производимого им количества теплоты. Остальные 80% он «заимствует» у окружающей среды. Так как тепловой энергией обладает любой предмет, имеющий температуру выше абсолютного нуля, отобрать эту энергию можно при условии, что температура рабочего тела будет еще ниже. С этой ролью отлично справляются современные хладагенты.

Тепловую энергию насос может брать как из геотермальных источников, так и из атмосферы. Важной особенностью современных агрегатов является возможность работы не только на обогрев, но и на кондиционирование помещения в тёплое время года.

Современные тепловые насосы – высокотехнологичные агрегаты

Преимущества тепловых насосов

Главным достоинством тепловых насосов является их высокая эффективность. 1кВт электроэнергии, которую потребляет устройство такого типа, способно дать для отопления дома дополнительно 4-5кВт тепловой энергии. Это значит, что производительность тепловых помп по сравнению с традиционными электрическими отопительными приборами, составляет 400-500%.

Не менее важным преимуществом приборов, работающих по циклу Карно, является их высокая надёжность и долговечность (достаточно вспомнить советские холодильники ЗИЛ, работающие более полувека). Современные компрессоры тепловых агрегатов не менее надёжны, но более экономичны.

Тепловые насосы практически не требуют никакого обслуживания и способны работать на протяжении многих лет.

И последнее: несмотря на высокую стоимость установки, данные отопительные агрегаты имеют срок самоокупаемости 2-3 года. Это один из самых низких показателей среди всех типов устройств, используемых в системах отопления.

Виды тепловых насосов

В зависимости от того, какую среду использует устройство для производства энергии и каким способом происходит ее передача, различают пять видов тепловых помп:

  • воздух-вода;
  • воздух – воздух;
  • вода – вода.
  • вода – воздух;
  • грунт – вода;

Три последних вида тепловых насосов называют геотермальными, так как они используют энергию тепла подземных вод или грунта. Такие устройства осуществляют теплообмен, функционируя с открытым или закрытым циклом работы.

Схема геотермального теплового насоса типа вода-вода с открытым циклом

Геотермальные насосы с открытым циклом

Принцип работы таких агрегатов заключается в перекачивании грунтовых вод в тепловой насос, установленный внутри здания. При этом вода отдаёт тепловую энергию и возвращается обратно в подземный резервуар на некотором расстоянии от места забора.

Огромное преимущество данного метода заключается в одновременном водоснабжении дома за счет использования воды из скважины. Другим плюсом является высокая эффективность работы такого насоса, связанная со стабильно высокой температурой воды в любое время года. Несомненным достоинством является и экологичность насосов с открытым циклом, так как всю установку можно рассматривать как систему сообщающихся сосудов, которые не оказывают влияния на уровень грунтовых вод в горизонте. Правильно установленные скважины абсолютно не нарушают природный баланс, обеспечивая стабильные поставки тепла для отопления дома в холодное время года и отвод излишков теплоты летом. Конструктивно агрегаты с открытым циклом встроены в систему водяного отопления и представляют собой классический пример тепловых насосов с водой в качестве теплоносителя.

Тепловые насосы закрытого цикла с теплообменником

Геотермальные агрегаты такого вида функционируют за счет прокачивания теплоносителя по коллекторному трубопроводу, размещенному в открытом водоёме или грунте. При этом теплоноситель прогревается за счёт теплоты воды или недр земли, возвращается к конденсатору насоса и отдает тепловую энергию для обогрева здания.

Закрытый первичный контур геотермального теплового насоса

При установке коллектора в озере необходимо, чтобы его расстояние от дома было не более чем 100 метров, а глубина и береговая линия соответствовали требованиям к монтажу. Достоинством такой системы, как и других подобных систем, использующих водоёмы, является относительно низкая цена.

Для установки теплообменника в грунт используют горизонтальный или вертикальный коллектор – зонд. Такой трубопровод представляет собой систему труб, горизонтально и (или) вертикально установленных в грунте. Длина вертикального зонда может варьироваться от 50 до 200 метров в глубину земли. Это самый эффективный тепловой агрегат, позволяющий получать на каждый затраченный 1кВт электроэнергии до 5кВт теплоты. Минусом такой установки является её стоимость – самая высокая среди всех систем такого типа. Несмотря на высокие капиталовложения, тепловые насосы закрытого цикла типа грунт-вода и вода-вода получили широкое распространение в Западной Европе, особенно в Германии.

Монтаж грунтового теплообменника геотермального теплового агрегата

Тепловые насосы воздух-воздух и воздух-вода

Агрегаты этого типа используют тепло атмосферы. Даже при отрицательных температурах наружный воздух имеет некоторое количество тепла. Эту энергию и отбирает тепловой насос у воздушной среды. По принципу отбора тепла у атмосферного воздуха функционируют современные инверторные кондиционеры, имеющие клапан обратимости, который позволяет им работать как на обогрев, так и на охлаждение. Главным недостатком устройств такого типа можно считать работу в крайне нестабильной воздушной среде. Продуктивность этих тепловых помп очень сильно зависит от температуры «за бортом». В самых благоприятствующих условиях агрегаты такого типа могут привлечь до 4кВт тепловой энергии на каждый 1Квт электрической. Выбирая такой прибор для отопления своего дома, следует помнить о том, что ниже нуля градусов эффективность их работы резко уменьшается, а при дальнейшем снижении температуры обмерзает наружный теплообменник агрегата, в связи с чем его работа в режиме теплового насоса не представляется возможной и прибор переходит в режим простого электрообогревателя.

Тепловой агрегат типа воздух-вода

Тепловые насосы, использующие в качестве теплоносителя воздух, успешно используются в странах с умеренно-континентальными погодными условиями. В случае использования таких устройств в районах с континентальным и резко-континентальным климатом, требуется установка дополнительных отопительных систем для работы в наиболее холодное время года.

Работа теплового насоса воздух-вода (видео)

Как работает тепловой насос

Как работает тепловой насос

При этом не все понимают, как работает тепловой насос. На чём основан принцип его работы, и так ли экономично данное оборудование с финансовой точки зрения. Попробуем разобраться в данной статье строительного журнала samastroyka.ru с этим вопросом.

Как работает тепловой насос

В основе работы теплового насоса лежит уникальный цикл Карно, со своим круговым процессом. По этой схеме тепловой насос способен перекачивать по кругу рассеянное тепло, взятое с грунта, воды или воздуха.

Подобный подход даёт возможность сбора почти, что 75% тепловой энергии тепловым насосом, однако 25% энергии требуется для работы самого оборудования. По этой причине, тепловой насос, не может обойтись без потребления электроэнергии, которая нужна для его эффективной работы. При этом, потребляя всего 1 кВт электроэнергии, тепловой насос способен отдать в 5-7 раз больше.

Принцип работы теплового насоса сильно напоминает обычный холодильник или кондиционер, которыми мы привыкли пользоваться ежедневно. К примеру, глубоко под землей (ниже промерзания уровня грунта) или на дне водоёма, уложены по схеме теплых полов трубы, по которым все время циркулирует теплоноситель.

Температура под землей, на глубине которой уложены трубы, всегда постоянная, с плюсовой отметкой. Поэтому теплоноситель нагревается не слишком сильно, всего лишь на несколько градусов. Затем, попадая в испаритель теплового насоса, он отдает собранное тепло внутреннему контуру, и вот здесь начинается самое интересное.

Во внутреннем контуре теплового насоса имеется фреон (хладагент), который под высоким давлением попадает в испаритель, и отбирает часть тепла отданного теплоносителем, стенкам испарителя. Затем хладагент попадает в компрессор теплового насоса, где происходит процесс его сжатия, разогрева и выталкивания в конденсатор.

Уже в конденсаторе теплового насоса, тепло отбирается непосредственно в систему отопления или горячего водоснабжения дома (через теплообменник). Затем цикл передачи тепла повторяется снова и снова, именно так и работает тепловой насос.

Виды тепловых насосов

На сегодняшнее время бывают различные виды тепловых насосов, например, тепловой насос грунт-вода, или воздух-воздух. Рассмотрим вкратце существующие разновидности тепловых насосов:

Тепловой насос грунт-вода: это геотермальные тепловые насосы, которые призваны отбирать тепло из грунта и переносить его в дом, передавая через теплоноситель, который циркулирует в системе отопления.

Тепловой насос вода-вода: тепло, при использовании теплового насоса вода-вода, отбирается в данном случае из скважины или колодца. Для этого специальный гидравлический блок, установленный в тепловом насосе, перекачивает грунтовую воду, отбирает тепло и сбрасывает ее обратно в колодец-скважину. Данный вид теплового насоса, примечателен тем, что возможно использовать уже существующий колодец на участке, для того, чтобы сделать у себя в доме геотермальное отопление.

Читать еще:  Чем газовый шаровой кран отличается от водопроводного и можно ли взаимозаменять?

Тепловой насос воздух-вода: источником тепла в данной разновидности теплового насоса выступает окружающий воздух. Потребляя всего 1 кВт электроэнергии, воздушный тепловой насос способен увеличить ее до 5 кВт, на нужды отопления и нагрев горячей воды.

Тепловой насос воздух-воздух: принцип работы теплового насоса воздух-воздух аналогичен работе домашнего кондиционера, который функционирует на обогрев помещений. Отличие заключается лишь в эффективности работы, поскольку тепловые насосы воздух-воздух, почти в 3 раза эффективнее любых кондиционеров с функцией обогрева.

Безусловно, за тепловыми насосами, как и за другими источниками альтернативной энергии, будущее. Когда то, запасы нефти и газа на Земле будут опустошены, нужна будет перезагрузка, и вот тогда на помощь придёт энергия солнца, земли и ветра, позволив выжить всему человечеству.

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы теплового насоса или принцип действия теплового насоса, термодинамически аналогичен холодильной машине. В качестве рабочего тела в компрессионных тепловых насосах выступает хладагент (фреон), который и осуществляет перенос тепла от источника к потребителю за счет работы, совершаемой компрессором теплового насоса.

Резкое повышение температуры фреона до 70-110 °С происходит за счет сжатия фреона в компрессоре теплового насоса.

Потребители тепла, в свою очередь, тоже делятся на воздушные и водяные. Отсюда и появляется условное разделение тепловых насосов по источнику и потребителю тепла на три основных типа.

Основные типы тепловых насосов:

  • воздух-воздух
  • воздух-вода
  • вода-вода

Основные типы делятся на подтипы и разновидности. Например, водяные тепловые насосы делятся на тепловые насосы с открытым и замкнутым первичным контуром отбора тепла. Так, существуют водяные тепловые насосы, которые перекачивают воду через себя, как обычный водяной насос, но при этом отбирают у воды часть ее тела.

Существуют тепловые насосы, которые отбирают тепло верхних слоев земли через замкнутый геотермальный контур (конструктивно такой контур можно представить как обычный водяной теплый пол).

Воздушные тепловые насосы могут передавать тепло непосредственно потребителю, как это делают кондиционеры. Такие тепловые насосы называются воздух-воздух. Но тепловые насосы могут передавать тепло жидкому теплоносителю, например воде в водяной системе отопления. Такие тепловые насосы называются воздух-вода (это самые распространенные и универсальные тепловые насосы).

У большинства читателей возникает резонный вопрос — ну хорошо, допустим вода имеет положительную температуру, но откуда же взяться теплу в воздухе, когда его температура ниже нуля, скажем, -25 °С?

Из школьного курса физики все мы помним, что такого понятия, как холод в физике просто не существует. Есть только тепло и его потенциал. Тепло есть всегда и везде вплоть до 0 К (Кельвин), температуры, которая недостижима. Напомню, что температура 0 К — это почти -273 °С.

КПД (СОР) теплового насоса всегда больше 1. Диапазон рабочих значений СОР современных тепловых насосов равен 3-5.

Например, при КПД (СОР) теплового насоса равным 3, тепловой насос потребит всего 1 кВт электрической энергии на передачу потребителю 3 кВт тепла от источника.

Факт: Геотермальные тепловые насосы переносят тепло не от ядра нашей планеты, а от Солнца, которое нагревает верхние слои почвы и воды, содержащейся в ней. Таким образом, все бытовые тепловые насосы переносят солнечное тепло.

Принцип работы теплового насоса для отопления дома

При отоплении дома, тепловой насос выступает в качестве котла в системе отопления дома. Соответственно и говорить мы будем о том, как тепловой насос работает в системе отопления.

Как и любой котел в водяной системе отопления, тепловой насос нагревает воду, циркулирующую в системе отопления. Гидравлически подключение теплового насоса не отличается от подключения обычного котла.

Принципиальные схемы подключения теплового насоса для отопления:

  • схема подключения теплового насоса для отопления через буфер
  • схема подключения теплового насоса для отопления через бойлер косвенного нагрева
  • схема прямого подключения теплового насоса для отопления

Давайте рассмотрим принципы работы трех основных типов бытовых тепловых насосов по очереди.

Принцип работы теплового насоса воздух-воздух

Несмотря на простоту такого теплового насоса и ряд его неоспоримых преимуществ, у него есть и ряд недостатков, которые ограничивают возможности его применения для отопления дома.

  • доступная цена (это самые дешевые тепловые насосы)
  • относительно простой монтаж (как для обычного кондиционера)
  • высокая эффективность, как следствие невысокой температуры нагрева 25-30 °С
  • быстрая окупаемость

  • нагревает воздух только в одном помещении
  • наличие фреонового контура между наружным и внутренним блоком
  • ограниченная тепловая мощность
  • необходимо инверторное управление мощностью компрессора
  • шум внутреннего блока (как у кондиционера)

Принцип работы теплового насоса воздух-вода

Для полноценного отопления дома любой площади лучше всего подходит водяная система отопления и тепловой насос воздух-вода здесь уместен как нельзя лучше. В отличие от чисто воздушного теплового насоса, в тепловом насосе воздух-вода заложен принцип нагрева воды аналогично обычному котлу в водяной системе отопления.

Принцип работы теплового насоса воздух-вода позволяет отапливать значительные площади, практически без ограничений. Но и здесь есть свои плюсы и минусы.

  • доступная цена
  • простой монтаж (как для обычного электрического котла)
  • большой диапазон мощностей
  • нагревает воду (жидкий теплоноситель) в системе отопления
  • может быть установлен на любом удалении от потребителя
  • высокая эффективность
  • ограничение по минимальной рабочей температуре воздуха на улице

Принцип работы теплового насоса вода-вода

Мы же остановимся только на тех из них, которые получили широкое распространение в быту, имеют высокую надежность и доказанную эффективность.

Самый простой и эффективный тепловой насос вода-вода — это тепловой насос с открытым первичным контуром, который перекачивает воды между скважинами или резервуарами (водоемами).

Более сложные и дорогие тепловые насосы вода-вода для отопления дома — это тепловые насосы с замкнутым контуром, которые чаще всего и называют геотермальными или рассольными тепловыми насосами, поскольку первичный контур у них расположен под землей и внутри контура циркулирует незамерзающий теплоноситель (водный раствор пропиленгликоля), который иногда и называют рассолом.

  • средняя сезонная эффективность может быть выше (но на практике чаще ниже), чем у воздушных моделей
  • большой диапазон мощностей
  • нагревает воду в системе отопления
  • самая высока цена «под ключ» среди всех типов тепловых насосов
  • сложный монтаж
  • высокий уровень шума (если тепловой насос установлен в доме)
  • необходимость согласования с муниципальными службами
  • длительный срок окупаемости
  • сложное техническое обслуживание
  • высокие риски утраты/порчи геотермального контура

Следует помнить, что в погоне за эффективностью, покупатели ограничивают выбор тепловых насосов только минимально допустимой рабочей температурой воздуха на улице и максимальной температурой нагрева теплоносителя.

В этих двух параметрах и кроется главная ошибка, которая подстерегает неопытного покупателя. Для таких покупателей тепловой насос воздух-воздух будет оптимальным выбором.

Учитывая, что тепловой насос, как и любой котел, не может являться единственным источником тепла в системе отопления, следует обязательно предусмотреть резервный источник тепла, как это рекомендовано в строительных нормах и правилах (СНиП), но о которых мы так часто забываем в погоне за оптимизацией расходов.

Тепловые насосы для дома: особенности технологии, сфера применения и стоимость оборудования

Тепловые насосы успешно используются в быту и промышленности в Европе и США уже более 25 лет. Их особенность состоит в преобразовании так называемого низкопотенциального тепла окружающей среды: земли, воды, воздуха. На российском рынке эта экологичная технология получила распространение сравнительно недавно.

Экспериментальные поселки, которые отапливались при помощи тепловых насосов, существовали еще в Советском Союзе. То, что было смелым экспериментом в двадцатом веке, в двадцать первом – вошло в практику.

Устройство и принцип работы бытового теплонасоса

Тепловой насос – это система, с помощью которой можно переносить тепло от менее нагретого тела к более нагретому, увеличивая температуру последнего. Тепловые насосы являются альтернативными источниками энергии, позволяющими получать дешевое тепло без вреда для окружающей среды.

Принцип работы бытового теплонасоса основан на том факте, что любое тело с температурой выше абсолютного нуля обладает запасом тепловой энергии. Этот запас прямо пропорционален массе и удельной теплоемкости тела. Если в этом контексте обратить внимание, например, на моря, океаны, подземные воды, обладающие огромной массой, можно прийти к выводу, что их грандиозные запасы тепловой энергии можно частично использовать для отопления домов без ущерба мировой экологической обстановке. «Взять» тепловую энергию какого-либо тела можно, если охладить его. Грубый расчет выделяемого при этом тепла возможен по формуле: Q = C*M*(T2 − T1), где Q − полученное тепло, C − теплоемкость, M – масса, T1 − T2 − температура, на которую было произведено охлаждение тела. Формула показывает, что при росте массы теплоносителя разница температур может быть небольшой. Например, охлаждая 1 кг теплоносителя от 1000 до 0 o С, можно получить столько же тепла, сколько даст охлаждение 1000 кг от 1 до 0 o С.

Типы тепловых насосов

По виду передачи энергии тепловые насосы бывают двух типов:

  • Компрессионные . Основные элементы установки – это компрессор, конденсатор, расширитель и испаритель. Используется цикл сжимания-расширения теплоносителя с выделением тепла. Этот тип тепловых насосов прост, высокоэффективен и наиболее популярен.
  • Абсорбционные . Это теплонасосы нового поколения, использующие в качестве рабочего тела пару абсорбент-хладон. Применение абсорбента повышает эффективность работы теплового насоса.

По источнику тепла выделяют тепловые насосы:

  • Геотермальные . Тепловая энергия берется из грунта или воды.
  • Воздушные . Тепло извлекается из атмосферы.
  • Использующие вторичное тепло . В качестве источника тепла используются воздух, вода, канализационные стоки.

По виду теплоносителя входного/выходного контура:

  • Тепловые насосы «воздух-воздух» . Этот вид тепловых насосов забирает тепло у более холодного воздуха, еще больше понижая его температуру, и отдает его в отапливаемое помещение.
  • Тепловые насосы «вода-вода» . Используется тепло грунтовых вод, которое передается воде для отопления и горячего водоснабжения.
  • Тепловые насосы «вода-воздух» . Используются зонды или скважины для воды и воздушная система отопления.
  • Тепловые насосы «воздух-вода» . Атмосферное тепло используется для водяного отопления.
  • Тепловые насосы «грунт-вода» . Трубы прокладываются под землей, и по ним циркулирует вода, забирающая тепло из грунта.
  • Тепловые насосы «лед-вода» . Для нагревания воды в системе отопления и горячего водоснабжения используется тепловая энергия, которая высвобождается при получении льда. Замораживание 100-200 л воды способно обеспечить обогрев среднего дома в течение часа.

Расчет эффективности тепловых насосов для отопления

Для того чтобы тепловой насос был эффективным, он должен давать тепловой энергии больше, чем потреблять электрической. Это соотношение называется коэффициентом преобразования. Коэффициент преобразования может меняться в зависимости от разницы температур входного и выходного контура. Чем холоднее снаружи, тем менее эффективна система. Для разных типов тепловых насосов коэффициент преобразования может варьироваться от 1 до 5. Для объективной оценки теплового насоса требуется дополнительный параметр годовой эффективности.

Эффективность конкретного теплового насоса будет зависеть от множества факторов, и ее расчет достаточно сложен. Дать обобщенную формулу, которая бы работала всегда, практически невозможно. Поэтому каждый конкретный случай требует обращения к экспертам, которые в зависимости от поставленной задачи и ее условий подберут необходимый тип теплового насоса и объем хладагента.

Сферы применения и степень распространения

Тепловые насосы востребованы прежде всего в случаях, когда другие способы организации системы отопления обходятся значительно дороже. Растущая распространенность тепловых насосов на производстве и в быту связана со следующими их преимуществами:

  • Экономичность . Для передачи в отопительную систему 1 кВт•ч тепловой энергии, установке требуется в среднем затратить всего 0,2-0,35 кВт•ч электроэнергии.
  • Простота эксплуатации.
  • Упрощение требований к системам вентиляции помещений, повышение уровня пожарной безопасности.
  • Возможность переключения с зимнего режима отопления на летний режим кондиционирования.
  • Компактность и бесшумность , что делает тепловой насос привлекательным для отопления частного дома.

По данным Европейской ассоциации тепловых насосов, до недавнего времени европейский рынок этого оборудования был в основном сосредоточен во Франции. В последние несколько лет рынки стали расширяться в Германии, Великобритании и Восточной Европе. По оценке Мирового энергетического комитета, уже в ближайшие пять лет доля отопления и горячего водоснабжения от тепловых насосов будет составлять в развитых странах не менее 75%.

Общий недостаток тепловых насосов – не очень высокая температура нагреваемой воды. Как правило, она составляет 50-60 o С.

Это интересно!

Впервые в Москве теплонасосная система горячего водоснабжения для многоэтажного дома была сдана в эксплуатацию в микрорайоне Никулино-2 в 2002 г. Проект был реализован при участии Министерства обороны РФ.

Стоимость оборудования

Традиционное решение для частных домов и коттеджей – газовое отопление. Однако вариант теплового насоса значительно выгоднее и удобнее. Чтобы установить газовый котел, требуются специальный дымоход, вентиляция, а также целый набор разрешительных документов. Применение тепловых насосов избавит вас от этих проблем и существенно сэкономит ваши средства. Чтобы провести газ в Подмосковье, потребуется около $20 000, и это в том случае, если ваш дом удален от газопровода менее, чем на 1 км, – иначе затраты вырастут в несколько раз! Помимо этого, придется учесть скорость работы отечественных газовщиков. Установка теплового насоса «под ключ» стоит от $15 000, а работы занимают всего 2-3 недели.

Из всего вышесказанного можно сделать однозначный вывод: использование тепловых насосов – это эффективное, простое в монтаже, экологичное и экономичное решение для организации отопления и горячего водоснабжения в частном доме.

Принцип работы тепловых насосов отопления дома

Под понятием тепловой насос подразумевается совокупность агрегатов, предназначенных для накопления энергии тепла от различных источников в окружающей среде и передача этой энергии потребителям.

Для примера, подобными источниками могут быть стояки канализации, отходы различных крупных производств, выделяемое при работе тепло от различных электростанций и т.д. В итоге, источником могут выступать различные среды и тела, имеющие температуру более одного градуса.

Задача теплового насоса — преобразовать естественную энергию воды, земли или воздуха в тепловую энергию для нужд потребителя. Так как данные виды энергии постоянно самовосстанавливаются, то можно считать их безграничным источником.

  1. Тепловой насос для отопления дома принцип работы
  2. Отопление тепловым насосом воздух воздух.
  3. Тепловые насосы для отопления дома вода вода.

Тепловой насос для отопления дома принцип работы

Принцип работы тепловых насосов основан на возможности тел и сред отдавать свою тепловую энергию другим таким же телам и средам. По этой особенности различают различные виды тепловых насосов, в которых обязательно присутствуют поставщик энергии и её получатель.

В названии насоса на первом месте указывается источник тепловой энергии, а на втором тип носителя, которому передаётся энергия.

В конструкции каждого теплового насоса отопления дома выделяют 4 основных элемента:

  1. Компрессор, предназначенный для увеличения давления и температуры пара, возникающего вследствие кипения фреона.
  2. Испаритель, представляющий из себя бак, в котором фреон из жидкого состояния переходит в газообразное.
  3. В конденсаторе хладагент передаёт тепловую энергию внутреннему контуру.
  4. Посредством дроссельного клапана регулируется количество хладагента, поступающего в испаритель.

Отопление тепловым насосом воздух воздух.

Тип теплового насоса воздух воздух обозначает, что тепловая энергия будет браться из внешней среды (атмосферы) и передаваться носителю, так же воздуху.

Принцип действия данной системы основан на следующем физическом явлении: среда в жидком состоянии, испаряясь, понижает температуру поверхности, откуда происходит её рассеивание.

Для наглядности кратко рассмотрим схему работы морозильной камеры холодильника. Фреон, циркулирующий по трубкам холодильника, забирает тепло из холодильника и сам при этом нагревается. В последствие собранное им тепло передаётся во внешнюю среду (то есть в помещение в котором расположен холодильник). Затем хладагент, сжимаясь в компрессоре, снова остывает и круговорот продолжается. Воздушный тепловой насос работает по тому же принципу — забирает тепло из уличного воздуха и обогревает дом.

Конструкция агрегата состоит из следующих частей:

  • Внешний блок насоса представляют компрессор, испаритель с вентилятором и расширительный клапан.
  • Теплоизолированные медные трубки служат для циркуляции фреона
  • Конденсатор, с расположенным на нём вентилятором. Служит для рассеивания уже нагретого воздуха по площади помещений.

Отопление тепловым насосом воздух воздух

При работе воздушного теплового насоса при обогреве дома в определённом порядке происходят следующие процессы:

  • Посредством вентилятора воздух с улицы втягивается в устройство и проходит через внешний испаритель. Фреон, совершающий круговорот в системе, собирает всю энергию тепла из уличного воздуха. В следствие этого из жидкого состояния он переходит в газообразное.
  • В дальнейшем газообразный фреон сжимается в конденсаторе и переходит во внутренний блок.
  • Затем газ переходит в жидкое состояние, при этом отдавая накопленное тепло воздуху комнаты. Этот процесс происходит в конденсаторе расположенном в помещении.
  • Переизбыток давления уходит через расширительный клапан, а фреон в жидком состоянии уходит на новый круг.

Фреон постоянно будет забирать тепловую энергию из уличного воздуха, так как его температура всегда будет меньше. Исключением является тот случай, когда на улице сильные морозы. В таких условиях эффективность теплового насоса будет уменьшаться.

Для повышения мощности агрегата максимально увеличивают поверхности конденсатора и испарителя.

Как и у каждого сложного прибора у воздушного теплового насоса есть свои плюсы и минусы. Из плюсов стоит выделить:

1. В зависимости от потребности агрегат может повышать или понижать температуру обогрева дома.
2. Насос данного типа не засоряет окружающую среду вредными продуктами сгорания топлива.
3. Устройство легко устанавливается.
4. Воздушный насос абсолютно безопасен в плане возникновения пожара.
5. Коэффициент отдачи тепла насосом очень высок по сравнению с энергозатратами (на 1 кВт затраченной электроэнергии приходится от 4 до 5 кВт выделяемого тепла)
6. Отличаются доступной ценой.
7. Устройство удобно при использовании.
8. Система управляется автоматически.

Из минусов воздушной системы стоит упомянуть:

1. Небольшой шум, создаваемый при работе устройства.
2. Эффективность прибора зависит от температуры окружающей среды.
3. При низких уличных температурах возрастает потребление электричества. (ниже -10 градусов)
4. Система целиком зависит от наличия электричества. Проблема может быть решена установкой автономного генератора.
5. Воздушным насосом нельзя нагреть воду.

В целом приборы класса воздух-воздух идеально подойдут для обогрева деревянных домов, у которых, вследствие особенности материала, снижены естественные потери тепла.

Перед выбором воздушного насоса стоит выяснить следующие ключевые моменты:

  • Показатель теплоизоляции помещений.
  • Квадратуру всех комнат
  • Число людей, живущих в частном доме
  • Условия климата

В большинстве случаев на 10 кв. м. помещения должно приходится около 0,7 кВт мощности устройства.

Тепловые насосы для отопления дома вода вода.

При обустройстве отопительной системы в частном доме хорошо подойдут системы класса вода-вода. Помимо этого они смогут обеспечить жилище горячей водой. В качестве источников природного тепла подойдут различные водоёмы, подземные воды и т.д.

Тепловой насос вода вода

В основу работы насоса вода вода положен закон о том, что изменении агрегатного состояния (из жидкости в газ и наоборот) вещества, под воздействием различных факторов влечёт за собой высвобождение или поглощение энергии тепла.

Подобный тип насосов можно использовать для отопления дома даже при низких температурах окружающей среды, так как в глубоких слоях земли всё равно сохраняется плюсовая температура.

Тепловой насос вода вода

Принцип работы теплового насоса вода вода следующий:

  • Специальный насос гонит воду по медным трубкам системы из внешнего источника в установку.
  • В приборе вода из окружающей среды воздействует на хладагент (фреон), температура кипения которого от +2 до +3 градусов. Часть энергии тепла воды передаётся фреону.
  • Компрессор всасывает газообразный хладагент и сжимает его. В результате этого процесса температура хладагента ещё больше возрастает.
  • Затем фреон направляется в конденсатор, где и нагревает воду до необходимой температуры (40-80 градусов). Нагретая вода поступает в трубопровод отопительной системы. Здесь фреон возвращается в жидкое состояние и цикл начинается заново.

Стоит отметить, что приборы вода-вода используются для отопления дома площадью 50-150 кв.м.

При выборе устройства данного класса стоит обратить внимание на определённые условия:

  • В качестве источника энергии предпочтение следует отдать открытым водоёмам (легче монтаж труб), на расстоянии не более 100 м. К тому же глубина водоёма для более северных районов должна быть не менее 3 метров (на такой глубине вода обычно не промерзает). Трубы, подводимые к воде должны быть утеплены.
  • Жёсткость воды сильно влияет на работу насоса. Не каждая модель способна функционировать при высоких показателях жёсткости. Вследствие этого до приобретения устройства берётся проба воды и исходя из полученных результатов подбирается насос.
  • По типу работы агрегаты делятся на моновалентные и бивалентные. Первые отлично справятся с ролью основного источника тепла (вследствие своей большой мощности). Вторые могут выступать дополнительным источником обогрева.
  • С мощностью насоса возрастает его кпд, но в то же время и увеличивается потребление электричества.
  • Дополнительные возможности прибора. Например: корпус с шумоизоляцией, функция нагрева воды для бытовых нужд, автоматическое управление и др.
  • Для расчёта необходимой мощности прибора нужно общую площадь помещений умножить на 0,07 кВт (показатель энергии на 1 кв.м.). Эта формула действительна для стандартных помещений, с высотой не более 2,7 м.
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector