Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, обзор моделей, их плюсы и минусы

Воздушные тепловые насосы относятся к категории современного оборудования, использующего в работе альтернативные источники энергии. Источником тепла для них является окружающая нас атмосфера. Расходуя 1 кВт электроэнергии при помощи этих установок можно получить 4 кВт тепловой энергии. При этом они абсолютно безопасны экологически и не требуют сжигания топлива.

Важно! Если Вы хотите использовать эту систему в качестве альтернативы газовому отоплению, учтите, что теплотворность 1 кВт электроэнергии равна теплу, вырабатываемому 0.11 м³ природного газа. Более подробно о количестве энергии, выделяемой различными материалами, можно посмотреть в этой таблице.

Виды тепловых насосов

Существуют два вида установок. В одном тепловая энергия атмосферного воздуха передается для нагрева жидкого теплоносителя в системе отопления и горячей воды для хозяйственных нужд. В другом случае нагревается непосредственно воздух внутри помещения, без возможности нагрева горячей воды, это принцип называется воздух-воздух.

Кроме атмосферных существуют геотермальные и гидротермальные тепловые насосы. В их работе тепло отбирается из пробуренной скважины или водоема. Однако дополнительные расходы, связанные с бурением, защитой от коррозии, обеспечением электробезопасности и заиливанием, существенно усложняют монтаж и увеличивают сумму капитальных затрат.

Системы тепловых насосов воздух-вода являются самым оптимальным вариантом по надежности, уровню комфорта и стоимости. При этом имеют большой эксплуатационный срок.

Принцип работы насоса воздух-вода

Как уже было сказано, основным источником тепловой энергии для установок этого типа является атмосферный воздух. В принципиальной основе работы воздушных насосов лежит физическое свойство жидкостей к поглощению и отдаче тепла во время фазового перехода из жидкого состояния в газообразное, и обратно. В результате смены состояния выделяется температура. Система работает по принципу холодильника наоборот.

Для эффективного использования этих свойств жидкости легкокипящий хладагент (фреон, хладон) циркулирует по замкнутому контуру в конструкцию которого входят:

• компрессор с электроприводом;
• обдуваемый вентилятором испаритель;
• дроссельный (расширительный) клапан;
• пластинчатый теплообменник;
• медные или металлопластиковые циркуляционные трубки, соединяющие основные элементы схемы.

Движение хладагента по контуру осуществляется благодаря давлению, развиваемому компрессором. Для снижения тепловых потерь трубы покрываются теплоизоляционным слоем из искусственного каучука или вспененного полиэтилена с защитным металлизированным покрытием. В качестве хладагента используют хладон или фреон, способный закипать при отрицательной температуре и не замерзающий до -40°C.

Весь процесс работы состоит из следующих последовательных циклов:

1. В радиаторе испарителя находится жидкий хладагент, температура которого ниже, чем у наружного воздуха. Во время активного обдува радиатора тепловая энергия от низко потенциального воздуха передается хладону, который закипает и переходит в газообразное состояние. При этом его температура повышается.
2. Подогретый газ поступает в компрессор, где в процессе сжатия еще более нагревается.
3. В сжатом и разогретом состоянии пары хладагента подаются в пластинчатый теплообменник, где по второму контуру циркулирует теплоноситель системы отопления. Поскольку температура теплоносителя значительно ниже, чем у разогретого газа, фреон активно конденсируется на пластинах теплообменника, отдавая тепло в систему отопления.
4. Охлажденная парожидкостная смесь поступает на дроссельный клапан, который пропускает к испарителю только охлажденный жидкий хладагент с низким давлением. После чего весь цикл повторяется.

Для увеличения эффективности теплоотдачи трубки на испарителя навито спиральное оребрение. Расчет системы отопления, выбор циркуляционных насосов и другого оборудования должен учитывать гидравлическое сопротивление и коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника установки.

Видео обзор устройства системы и ее работы

» alt=»»>

Инверторные тепловые насосы

Наличие инвертора в составе установки позволяет обеспечить плавный пуск оборудования и автоматическое регулирование режимов в зависимости от температуры наружного воздуха. Это позволяет максимально повысить эффективность работы теплового насоса за счет:

• достижения КПД на уровне 95-98%;
• снижения потребления энергии на 20-25%;
• минимизации нагрузок на электрическую сеть;
• увеличения сроков эксплуатации установки.

В результате температура внутри помещений стабильно поддерживается на одном уровне, не зависимо от изменения погоды. При этом наличие инвертора в комплекте с автоматизированным блоком управления обеспечит не только зимний обогрев, но и подачу охлажденного воздуха летом при жаркой погоде.

В то же время следует учесть, что наличие дополнительного оборудования всегда влечет за собой его удорожание и увеличение срока окупаемости.

Работа системы отопления от такого насоса

Принцип работы самой установки был описан выше. В результате ее происходит нагрев теплоносителя во втором контуре теплообменника, который и будет служить в дальнейшем источником тепла для обогрева здания или отдельных помещений.

Классическим вариантом распределения нагретого теплоносителя является соединение теплообменника двумя отдельными линиями к распределительной гребенке и водонагревательному бойлеру. К гребенке в свою очередь подключаются отопительные приборы, теплые полы и другое оборудование. Такое распределение необходимо из-за различных режимов работы систем горячего водоснабжения и отопления.

Линейка тепловых насосов воздух-вода определяет мощности установок от 2 до 120 кВт, что позволяет выбрать оборудование для отопления и горячего водоснабжения жилого дома любой площади.

Режим подачи холодного воздуха

Конструкция тепловых насосов позволяет не только обогревать дом зимой, но и обеспечить подачу охлажденного воздуха в жаркие дни летом. Для этого циркуляция хладагента запускается по обратному циклу. Однако, охлаждение отопительных приборов не обеспечит необходимый эффект поскольку опускающийся вниз холодный воздух не сможет создать комфортных условий по всему объему помещения. Поэтому для того чтобы использовать установку воздух-вода для кондиционирования потребуется наличие обдуваемого вентилятором конвектора.

Кроме этого в циркуляционный контур дополнительно устанавливают 4-ходовой клапан, второй дроссельный клапан и 2 линии труб. При переключении клапана закрывается линия в направлении «зимнего» дросселя и открывается в сторону «летнего», и охлажденный теплоноситель подается на конвектор. Подогрев горячей воды так же будет отключен.

Стоимость такого усовершенствования с учетом дополнительного оборудования, материалов и работ может быть вполне сравнима со стоимостью кондиционера. Поэтому в большинстве случаев будет вполне разумным отказаться от эксплуатации в сплит-режиме, а просто купить климатическую установку.

Преимущества и недостатки

Достоинства	Недостатки
экономически выгодный тип отопительного оборудования с минимально возможными капиталовложениями и эксплуатационными затратами	сложную схему подключения для работы в режиме охлаждения воздуха
возможность одновременного обогрева помещений и приготовления горячей воды для хозяйственных нужд	непропорциональный рост расхода электроэнергии при понижении наружной температуры
наличие высокотемпературных моделей, способных обеспечить стабильную работу теплых полов, фанкойлов и конвекторов	вероятная остановка отопления при температуре наружного воздуха ниже -25°C
высокую энергоэффективность оборудования на уровне А+++	наличие шумового фона во время работы
возможность совместной работы с отопительными котлами	зависимость от стабильного электроснабжения.
автоматизированное управление оборудованием
простой монтаж и обслуживание
возможность работы на аккумулятор тепла позволяет более экономно расходовать электроэнергию с учетом тарифов по времени суток

Большинство моделей прекрасно работают до температуры наружного воздуха -15°C. При дальнейшем похолодании эффективность системы резко снижается. Это связано с такой технической характеристикой, как точка кипения хладагента. Для наиболее распространенных марок она находится в пределах от -20°C до -35°C. При меньшей температуре воздуха хладагент перестает закипать в испарителе и работа системы прекращается. Поэтому для жилых домов и коттеджей в холодной климатической зоне необходимо наличие дополнительного котла или камина.

Блок испарителя может быть установлен на опорах возле земли или на стене здания. Для защиты от шума работающего компрессора второй блок рекомендуется устанавливать в отдельном помещении, в подвале или на чердаке. При этом необходимо принимать рекомендуемое изготовителями расстояние между блоками не более 10 метров.

После этого блоки соединяются между собой металлопластиковыми или медными трубками в усиленной тепловой изоляции с фольгированной защитой. На последнем этапе монтажа ко второму контуру пластинчатого теплообменника подключают трубы системы отопления и подводят линию электроснабжения.

Тепловые насосы воздух-вода на российском рынке продает более 20 различных компаний из Европы, Японии, Южной Кореи и Китая. В числе наиболее популярных можно назвать:

• Mitsubishi Electric;
• Cooper&Hunter;
• Hitachi;
• Panasonic.

Простые и доступные по цене, но менее комфортные и надежные бюджетные модели изготавливают Neoclima и Tosot.

Тепловые насосы концерна Mitsubishi Electric отличаются самым оптимальным соотношением цены, качества и удобного пользования. Внешние блоки работают без потери тепловой мощности до температуры -15°C и компания гарантирует подачу тепла при похолодании до -28°C. Стоимость  данного оборудования начинается от 10000 долларов.

Бытовая серия Zubadan этого же производителя и полупромышленная Mr.Slim включают широкий ряд моделей мощностью от 2,8 до 34,6 кВт. Варианты установки: подвесной, настенный или напольный. Используются для отопления жилых домов, офисов, небольших магазинов и мастерских.

Торговый бренд Cooper&Hunter представлен на рынке большим количеством моделей, входящих в 7 бытовых серий и 2 промышленные. Это американская компания, но ее производство расположено в Китае. Мощность предлагаемого оборудования от 2,5 до 112 кВт. Все установки:

• рассчитаны на устойчивую эксплуатацию в диапазоне температур наружного воздуха от -25°C до +40°С (у некоторых моделей больше);
• специально адаптированы для использования в северных странах Европы;
• имеют специальную защиту от обмерзания;
• нечувствительны к перепадам напряжения в диапазоне 110-260 Вольт;
• отличаются малым уровнем шума во время работы;

При выборе теплового насоса не следует искать самый дешевый вариант, поскольку обычно такие установки имеют низкое качество изготовления слабые технические характеристики и непродолжительный срок эксплуатации. Однако и слишком высокая стоимость зачастую бывает не оправдана. Лучшее решение всегда где-то посередине.

Содержимое:о такое воздушный теплонасосЭкономичные системы обогрева дома вытесняют традиционные виды отопления с использованием газа, твердого топлива и электричества. Воздушный тепловой насос – это одно из наиболее популярных альтернативных решений.Среди преимуществ, можно отметить низкую, по сравнению с геотермальными установками, стоимость, возможность использования при создании новых систем отопления и реконструкции старых. Тепловой насос особенно востребован в системах «пассивный дом» – жилых помещений, сконструированных по принципу минимальных затрат тепла и внедрения энергосберегающих технологий.

Что такое воздушный теплонасос

Простейший тепловой насос был спроектирован еще в 1852 году и получил название «умножитель тепла». Лорд Кельвин открыл основополагающие принципы действия, которые легли в основу всего современного отопительного оборудования.Согласно законам физики, тепло передается от нагретого тела к тому, что имеет меньшую температуру. Но, возможен обратный процесс, при условии использования для этого дополнительной энергии.Немного позже был открыт принцип обратного цикла Карно. Вещество, при испарении, поглощает тепло, а после конденсации на поверхности, отдает его. Именно этот закон лежит в основе холодильников и кондиционеров. Низкотемпературный воздушный теплонасос работает как эти бытовые приборы, только в «обратную сторону».Некоторые производители кондиционеров используют этот принцип, предлагая потребителю кондиционеры, способные работать на обогрев помещения. Но системы кондиционирования имеют низкий КПД при отрицательных температурах, так как основным предназначением техники является охлаждение, а не нагрев.Низкотемпературные воздушные тепловые насосы для отопления дома, работают, используя этот физический закон. Как отопление осуществляется на практике?Существует зависимость тепловой мощности воздушно-водяного теплового насоса от температуры наружного воздуха. По этой причине, производители предусматривают подключение к тепловому насосу дополнительного отопительного оборудования, которое компенсирует недостатки тепловой энергии при падении наружной температуры ниже -15°С. Работа в условиях холода продолжается, хотя и с меньшей эффективностью.Существует несколько типов воздушных теплонасосов, отличающихся по принципу, используемому для обогрева помещений.

Тепловые воздушно-водяные насосы

Бытовые системы теплоснабжения и ГВС, на базе воздушных теплонасосов, очень эффективны для применения в умеренных широтах РФ. Средний СОР (коэффициент преобразования) 3. Получается, что на каждый потраченный 1кВт, приходится 3 кВт продуцируемой тепловой энергии.Принцип работы такой же, как и в насосах других модификаций, но с определенными отличиями:

• С помощью циркуляционного насоса, нагретый теплоноситель поступает в систему ГВС и отопление.

Интенсивность нагрева теплоносителя варьируется от +30°С до +60°С. При температуре ниже -15°С, включается комбинированное теплоснабжение с воздушным теплонасосом, что незаменимо в условиях холодного климата. Недостаток тепла компенсирует любой котел (электричество, газ, дрова).Так как монтаж наружного блока осуществляется на улице, дополнительным преимуществом будет наличие функции антизамерзания или оттаивания.

Теплонасосы воздушного отопления

Теплонасосы воздушного отопления используются для обогрева отдельных помещений. Принцип работы во многом напоминает тот, что использует тепловентилятор, только функцию греющей спирали играет конденсатор.Корпус внутреннего блока теплонасоса похож на кондиционер и также может работать на воздушное отопление и охлаждение.Потребителю предлагаются различные решения вопроса обогрева:Теплонасосы, отапливающие помещение посредством теплого воздуха, имеют следующие преимущества:

• Максимальный КПД – отсутствие необходимости в предварительном нагреве теплоносителя приводит к более экономичному расходу электроэнергии. Воздух нагревается всего до температуры 20-40°С, а это в свою очередь обеспечивает больший коэффициент СОР, равный 4.
• Быстрый прогрев здания – теплый воздух начинает поступать в помещение через несколько секунд после включения.
• Универсальность – оборудование можно использовать летом как кондиционер. В базовой комплектации предусмотрена функция охлаждения помещения.

При достижении критичной для работы отрицательной температуры, происходит автоматическое включение резервного источника тепла при использовании воздушного ТН. Таким образом, удается компенсировать недостаток тепловой энергии.

В чем отличие кондиционера и воздушного ТН

Действительно, теплоснабжение помещений воздушными тепловыми насосами в условиях холодного климата во многом напоминает обогрев с помощью обычных кондиционеров. Используются внутренние и внешние блоки, схожего строения. Даже во внутреннем устройстве много похожего. Разница заключается в том, что воздушные ТН внутреннего размещения более эффективны при нагреве, чем при охлаждении, а кондиционеры, наоборот.Почувствовать отличие можно, сравнив некоторые характеристики оборудования. Кондиционер перестает работать на обогрев уже при температуре около -5°С. Рабочий режим тепловых насосов от -25°С до +45°С.Так как существует тенденция к совершенствованию воздушных теплонасосов для «пассивных» домов, скоро, для широкого круга потребителя станут доступны модели оборудования, способные сохранять работоспособность при падении температуры до -32°С.Отличие воздушного ТН от кондиционера заключается в разных технических характеристиках, хотя между ними много похожего.

Как подобрать воздушный теплонасос

Выбор воздушного ТН не настолько сложен, как может показаться с первого взгляда. При подборе подходящей модели, следует ориентироваться на следующие параметры:Дополнительно определяют, какой вид котла будет использоваться в качестве резервного источника тепла. Как показывает практика, наиболее популярным остается воздушное отопление с подключением электрического котла, что позволяет полностью обойтись без газа.

Какой марки выбрать теплонасос воздушного типа

Если проанализировать отзывы о воздушных тепловых насосах, достаточно легко определить производителей оборудования, пользующихся наибольшим спросом у отечественного потребителя:

• Stiebel Eltron – немецкая компания, начавшая свой путь с изобретения кипятильника. Со временем, ассортимент продукции постоянно расширялся. На сегодняшний день, Stiebel Eltron является лидером в производстве водонагревательной и отопительной техники. Компания предлагает два вида тепловых насосов: геотермальные и воздушные, работающие на нагрев теплоносителя и воздуха.
• Viessmann – еще один немецкий производитель, имеющий более 30 летний опыт в производстве воздушных насосов. Наибольшей похвалы заслуживают станции Viessmann, подключающиеся к водяному контуру отопления. В качестве достоинств – наличие погодозависимых датчиков управления и множество дополнительных функций, доступных в базовой комплектации.
• Mitsubishi – японская корпорация, впервые использовавшая технологию Zubadan. Решение позволило увеличить СОР (являющийся самым высоким среди аналогичного оборудования) и расширить сферы применения. Компания Mitsubishi одна из первых предложила потребителю кондиционеры, работающие на нагрев и воздушные тепловые насосы. Постоянно внедряются новые технологии увеличивающие сферу применения продукции.
• Vaillant – компания разработала целую серию экономичного оборудования geoTHERM. В ассортименте представлено оборудование, извлекающее тепло из земли, воды, воздуха и солнечных лучей. Продукция Vaillant максимально адаптирована для использования в условиях РФ.

Стоимость воздушного ТН с установкой

Дороже всего стоят тепловые насосы, обогревающие помещение посредством теплоносителя. Оборудование обойдется приблизительно от 80 тыс. руб. (производительность 4,5 кВт), до 800 тыс. руб. (18.5 кВт). Тепловые насосы воздушного обогрева, обойдутся от 50 тыс. руб. (на 4 кВт) до 120 тыс. руб. (на 8 кВт).Стоимость монтажа воздушного ТН рассчитывается индивидуально, исходя из технических параметров помещения и других факторов.Срок службы оборудования составляет не менее 20 лет. Установленное оборудование самоокупается уже через 3-5 отопительных сезонов, в зависимости от интенсивности эксплуатации.

Плюсы и минусы использования воздушных теплонасосов

Буквально 5 лет назад, отечественный потребитель практически не имел опыта отопления зданий зимой с помощью воздушных тепловых насосов. Приходилось довольствоваться высказываниями и исключительно положительными комментариями, расположенными на сайтах различных производителей техники, что не давало ясное представление о возможностях оборудования. С тех пор появился определенный опыт использования, позволивший выявить не только преимущества, но и недостатки воздушных ТН.

Преимущества

Недостатки

Если сравнивать воздушные ТН и газовое отопление, особенно с учетом того, что последние модели насосного оборудования способны сохранять работоспособность при -32°С, становится очевидным преимущество первых. Теплонасосы экономичны, не нуждаются в разрешении на эксплуатацию, монтируются в течение 1 дня и имеют более высокий КПД, чем газовое оборудование.В последнее время, производители несколько снизили стоимость тепловых установок, что позволило еще большему количеству покупателей оценить достоинство станций. Если тенденция будет продолжаться, можно ожидать увеличенного спроса на теплонасосы.</li>

Оплачивать электроэнергию и теплоснабжение с каждым годом становится сложнее. При строительстве или покупке нового жилья проблема экономичного энергоснабжения становится особенно острой. Из-за периодически повторяющихся энергетических кризисов выгоднее увеличить первоначальные расходы на высокотехнологичное оборудование, чтобы потом десятилетиями получать тепло по минимальной стоимости.

Наиболее рентабельным вариантом в некоторых случаях является тепловой насос для отопления дома, принцип работы этого устройства довольно простой. Перекачивать тепло в прямом смысле этого слова невозможно. Но закон сохранения энергии позволяет техническим устройствам понижать температуру вещества в каком-то одном объеме, одновременно нагревая что-либо в другом месте.

Что такое тепловой насос (ТН)

Возьмем для примера обычный бытовой холодильник. Внутри морозильника вода быстро превращается в лед. Снаружи находится горячая на ощупь радиаторная решетка. От нее тепло, собранное внутри морозильной камеры, передается комнатному воздуху.

То же самое, но в обратной последовательности, делает ТН. Радиаторная решетка, расположенная снаружи здания, имеет гораздо большие размеры, чтобы собрать достаточно тепла из окружающей среды для обогрева жилья. Теплоноситель внутри трубок радиатора или коллектора отдает энергию отопительной системе внутри дома, а затем нагревается снова вне дома.

Устройство

Обеспечить дом теплом — это более сложная техническая задача, чем охладить небольшой объем холодильника, где установлен компрессор с морозильным и радиаторным контурами. Почти так же просто устроен воздушный ТН, который получает тепло из атмосферы и подогревает внутренний воздух. Добавляются только вентиляторы для обдува контуров.

Получить большой экономический эффект от установки системы «воздух-воздух» сложно из-за малого удельного веса атмосферных газов. Один кубический метр воздуха весит всего лишь 1,2 кг. Вода примерно в 800 раз тяжелее, поэтому теплотворная способность тоже имеет многократную разницу. Из 1 кВт электрической энергии, потраченной устройством типа «воздух-воздух», можно получить только 2 кВт тепла, а ТН «вода-вода» дает 5–6 кВт. Гарантировать такой высокий коэффициент полезного действия (КПД) может ТН.

Состав компонентов насоса:

1. Система отопления дома, для которой лучше применить теплые полы.
2. Бойлер для горячего водоснабжения.
3. Конденсатор, передающий энергию, собранную вовне, к теплоносителю внутридомового отопления.
4. Испаритель, отбирающий энергию у теплоносителя, который циркулирует во внешнем контуре.
5. Компрессор, который перекачивает хладагент от испарителя, переводя его из газообразного в жидкое состояние, повышая давление и охлаждая в конденсаторе.
6. Расширительный клапан, устанавливается перед испарителем для регулирования потока хладагента.
7. Внешний контур укладывается на дно водоема, закапывается в траншеи или опускается в скважины. Для ТН типа «воздух-воздух» контуром служит наружная радиаторная решетка, обдуваемая вентилятором.
8. Насосы перекачивают теплоноситель по трубам снаружи и внутри дома.
9. Автоматика для управления по заданной программе обогрева помещения, которая зависит от изменений температуры наружного воздуха.

Внутри испарителя теплоноситель внешнего трубного регистра охлаждается, отдавая тепло хладагенту компрессорного контура, а затем насосом перекачивается по трубам на дне водоема. Там он нагревается и цикл вновь повторяется. В конденсаторе происходит передача тепла системе отопления коттеджа.

Цены на разные модели тепловых насосов

тепловой насос

Принцип работы

Открытый в начале XIX века французским ученым Карно термодинамический принцип переноса тепла потом был детализирован лордом Кельвином. Но практическая польза их трудов, посвященных решению проблемы отопления жилья от альтернативных источников, появилась только в последние пятьдесят лет.

В начале семидесятых годов прошлого столетия произошел первый энергетический кризис мирового масштаба. Поиски экономичных способов отопления привели к созданию устройств, способных собирать из окружающий среды энергию, концентрировать ее и направлять на обогрев дома.

В результате была разработана конструкция ТН со взаимодействующими между собой несколькими термодинамическими процессами:

1. Когда хладагент компрессорного контура попадает в испаритель, давление и температура фреона почти мгновенно снижаются. Полученный в результате температурный перепад способствует отбору тепловой энергии от теплоносителя внешнего коллектора. Эта фаза называется изотермическим расширением.
2. Затем происходит адиабатическое сжатие — компрессор увеличивает давление хладагента. При этом его температура возрастает до +70 °С.
3. Проходя конденсатор, фреон становится жидкостью, так как при повышенном давлении отдает тепло контуру внутридомового отопления. Эта фаза называется изотермическим сжатием.
4. Когда хладон проходит дроссель, давление и температура резко падают. Происходит адиабатическое расширение.

Нагревание внутреннего объема помещения по принципу ТН возможно только с использованием высокотехнологичного оборудования, снабженного автоматикой для управления всеми вышеперечисленными процессами. Кроме того, программируемые контроллеры регулируют интенсивность генерации тепла соответственно колебаниям температуры наружного воздуха.

Альтернативное топливо для насосов

Использовать углеродное топливо в виде дров, угля, газа для работы ТН вовсе не нужно. Источником энергии служит рассеянное в окружающем пространстве тепло планеты, внутри которой находится постоянно действующий ядерный реактор.

Твердая оболочка материковых плит плавает на поверхности жидкой раскаленной магмы. Иногда она прорывается наружу при вулканических извержениях. Вблизи вулканов встречаются геотермальные источники, где даже зимой можно купаться и загорать. Тепловой насос способен собирать энергию практически повсеместно.

Для работы с различными источниками рассеянного тепла существует несколько типов ТН:

1. «Воздух-воздух». Извлекает энергию из атмосферы и нагревает воздушные массы внутри помещения.
2. «Вода-воздух». Тепло собирается внешним контуром со дна водоема для последующего использования в вентиляционных системах.
3. «Грунт-вода». Трубы для сбора тепла располагаются горизонтально под землей ниже уровня промерзания, чтобы даже в самый сильный мороз получать энергию для подогрева теплоносителя в отопительной системе здания.
4. «Вода-вода». Коллектор раскладывают по дну водоема на глубине от трех метров, собранное тепло нагревает воду, циркулирующую в теплых полах внутри дома.

Существует вариант с открытым внешним коллектором, когда можно обойтись двумя скважинами: одна — для забора грунтовых вод, а вторая — для слива обратно в водоносный слой. Такой вариант возможен только при хорошем качестве жидкости, потому что фильтры быстро засоряются, если в составе теплоносителя имеется слишком много солей жесткости или взвешенных микрочастиц. Перед монтажом надо обязательно сделать анализ воды.

Если пробуренная скважина быстро заиливается или вода содержит много солей жесткости, тогда стабильная работа ТН обеспечивается бурением большего количества отверстий в земле. В них опускают петли герметичного внешнего контура. Затем скважины закупоривают с помощью тампонажа из смеси глины и песка.

Использование грунтовых насосов

Извлечь дополнительную пользу из участков, занятых газонами или цветниками, можно с помощью ТН типа «грунт-вода». Для этого нужно уложить в траншеи трубы на глубину ниже уровня промерзания для сбора подземного тепла. Расстояние между параллельными траншеями не менее 1,5 м.

На юге России даже в экстремально холодные зимы земля замерзает максимум на 0,5 м, поэтому проще снять грейдером полностью слой земли на монтажном участке, уложить коллектор, а затем засыпать экскаватором котлован. На этом месте нельзя сажать кустарники и деревья, корни которых способны повредить внешний контур.

Количество получаемого тепла от каждого метра трубы зависит от типа почвы:

• сухой песок, глина — 10–20 Вт/м;
• влажная глина — 25 Вт/м;
• увлажненный песок и гравий — 35 Вт/м.

Площади прилегающего к дому участка земли может быть недостаточно для размещения внешнего регистра труб. Сухие песчаные грунты не дают достаточного теплового потока. Тогда применяют бурение скважин глубиной до 50 метров, чтобы достичь водоносного слоя. В скважины опускают U-образные петли коллектора.

Чем больше глубина, тем выше возрастает тепловая эффективность зондов внутри скважин. Температура земных недр повышается на 3 градуса каждые 100 м. Эффективность съема энергии скважинного коллектора может достигать 50 Вт/м.

Монтаж и запуск систем ТН — это технологически сложный комплекс работ, которые могут выполнить только опытные специалисты. Общая стоимость оборудования и комплектующих материалов значительно выше, если сравнивать с обычным газовым оборудованием для теплоснабжения. Поэтому срок окупаемости первоначальных затрат растягивается на годы. Но дом строится на десятилетия, а геотермальные тепловые насосы — самый выгодный способ отопления для загородных коттеджей.

Ежегодная экономия в сравнении с:

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

При расчете срока окупаемости ТН стоит учитывать эксплуатационные расходы за все время службы оборудования — минимум 30 лет, тогда экономия многократно превысит первоначальные затраты.

Насосы типа «вода-вода»

Разместить на дне близлежащего водоема полиэтиленовые трубы коллектора может практически любой человек. Для этого не понадобится больших профессиональных знаний, навыков, инструментов. Достаточно равномерно распределить витки бухты по поверхности воды. Между витками должно быть расстояние не менее 30 см, а глубина затопления не менее 3 м. Затем надо привязать грузы к трубам, чтобы они ушли на дно. Тут вполне подойдет некондиционный кирпич или природный камень.

На монтаж коллектора ТН типа «вода-вода» потребуется значительно меньше времени и денег, чем при рытье траншей или бурении скважин. Расходы на приобретение труб также будут минимальными, поскольку съем тепла при конвективном теплообмене в водной среде достигает 80 Вт/м. Очевидная выгода применения ТН — не нужно сжигать углеродное топливо для получения тепла.

Альтернативный способ отопления дома становится все более востребованным, поскольку обладает еще несколькими преимуществами:

1. Экологически безопасен.
2. Использует возобновляемый источник энергии.
3. После окончания пусконаладочных работ отсутствуют регулярные затраты расходных материалов.
4. Автоматически регулирует нагревание внутри дома по температуре наружного воздуха.
5. Срок окупаемости начальных затрат 5–10 лет.
6. Можно подключить бойлер для горячего водоснабжения коттеджа.
7. Летом работает как кондиционер, охлаждая приточный воздух.
8. Срок службы оборудования — более 30 лет.
9. Минимальные энергозатраты — генерирует до 6 кВт тепла при использовании 1 кВт электричества.
10. Полная независимость отопления и кондиционирования коттеджа при наличии электрогенератора любого типа.
11. Возможна адаптация к системе «умный дом» для дистанционного управления, дополнительной экономии энергии.

Для работы ТН типа «вода-вода» необходимы три независимых системы: внешний, внутридомовой и компрессорный контуры. Они объединены в одну схему теплообменниками, в которых циркулируют различные теплоносители.

При проектировании системы энергоснабжения следует учитывать, что на перекачивание насосом теплоносителя по внешнему контуру расходуется электроэнергия. Чем больше длина труб, изгибов, поворотов, тем менее выгоден ТН. Оптимальное расстояние от дома до берега — 100 м. Его можно удлинить на 25 % за счет увеличения диаметра труб коллектора с 32 до 40 мм.

Воздушные — сплит и моно

Применять воздушные ТН выгоднее в южных регионах, где температура редко опускается ниже 0 °С, но современное оборудование способно работать и при —25 °С. Чаще всего устанавливают сплит-системы, состоящие из внутридомового и наружного блоков. Внешний комплект состоит из вентилятора, обдувающего радиаторную решетку, внутренний — из конденсаторного теплообменника и компрессора.

Конструкцией сплит-систем предусматривается реверсивное переключение режимов работы с помощью клапана. Зимой внешний блок является генератором тепла, а летом наоборот — отдает его наружному воздуху, работая как кондиционер. Воздушные ТН отличаются предельно простым монтажом внешнего блока.

Другие преимущества:

1. Высокая эффективность работы наружного блока обеспечивается большой площадью теплообмена радиаторной решетки испарителя.
2. Бесперебойная работа возможна при температуре наружного воздуха до —25 °С.
3. Вентилятор размещается за пределами помещения, поэтому уровень шума находится в допустимых пределах.
4. Летом сплит-система работает как кондиционер.
5. Автоматически поддерживается заданная температура внутри помещения.

Проектируя отопление зданий, расположенных в регионах с продолжительной и морозной зимой, необходимо учитывать низкую эффективность воздушных ТН при отрицательных температурах. На 1 кВт затраченной электроэнергии приходится 1,5–2 кВт тепла. Поэтому надо предусматривать дополнительные источники теплоснабжения.

Самый простой монтаж ТН возможен в случае применения моноблочных систем. Внутрь помещения заходят только трубки с теплоносителем, а все остальные механизмы находятся снаружи в одном корпусе. Такая конструкция существенно повышает надежность работы оборудования, а также снижает шум до величины менее 35 дБ — это на уровне обычного разговора двух человек.

Когда установка насоса нерентабельна

Найти в городе свободные участки земли для расположения внешнего контура ТН типа «грунт-вода» практически невозможно. Проще установить на внешней стене здания воздушный тепловой насос, который особенно выгоден в южных регионах. Для более холодных территорий с продолжительными морозами существует вероятность обледенения наружной радиаторной решетки сплит-системы.

Высокий коэффициент полезного действия ТН обеспечивается при выполнении следующих условий:

1. Обогреваемое помещение должно иметь утепленные внешние ограждающие конструкции. Максимальная величина тепловых потерь не может превышать 100 Вт/м².
2. ТН способен работать эффективно только с инерционной низкотемпературной системой «теплый пол».
3. В северных регионах ТН следует использовать совместно с дополнительными источниками тепла.

Когда температура наружного воздуха резко падает, то инерционный контур «теплого пола» просто не успевает прогревать помещение. Зимой так бывает часто. Днем солнышко пригрело, на градуснике —5 °С. Ночью температура может быстро опуститься до —15 °С, а если подует сильный ветер, то мороз будет еще сильнее.

Тогда надо установить под окнами и вдоль наружных стен обычные батареи. Но температура теплоносителя в них должна быть в два раза выше, чем в контуре «теплого пола». Дополнительную энергию в загородном коттедже может дать камин с водяным контуром, а городской квартире — электрический котел.

Остается только определить, будет ли ТН основным или дополняющим источником тепла. В первом случае он должен компенсировать 70 % общего количества тепловых потерь помещения, а во втором — 30 %.

Видео

В ролике проводится визуальное сравнение достоинств и недостатков различных типов тепловых насосов, подробно объясняется устройство системы «воздух-вода».

Похожие записиОтзывы и комментарииRMNT.RU В /В  Статьи и обзоры В /В  Инженерные системы В /В  Отопление и теплоснабжение

Отопление дома воздухом — технология, исключающая посредников вВ передаче тепла. СВ применением теплового насоса КПД системы вырастает вВ 2–3В раза, но применимы ли подобные системы вВ реалиях российского климата? Сегодня мы расскажем оВ воздушных насосах иВ устройстве систем отопления сВ их применением.

Материалы из сети:

Читайте также

Опасные ошибки при монтаже дымоходаВсё об электрических конвекторах вВ вопросах иВ ответахЭксплуатация радиаторов вВ вопросах иВ ответахВыгодное электрическое отопление тепловым насосом Electrolux VikingНовинка от Royal Thermo — панельные радиаторы из сталиЗамена радиаторов отопления вВ квартиреШесть причин теплопотерь вВ частном домеКак быстро прогреть дом или дачу кВ выходнымОбогреватели-картины: плюсы, минусы, особенностиПринципы правильного размещения иВ выбора размеров радиатора отопленияОсобенности установки твёрдотопливного котлаВакуумный солнечный коллектор — особенности эксплуатации

Специальные предложения

	Насос AQUARIO AJC-101	8В 720В рубКупить
	Теплоноситель Warme АВТ-ЭКО-30 (ВАРМЕ) 48кг	4В 041В рубКупить
	Теплоноситель Thermagent EKO -30 (Термагент) 45кг	6В 757.50В рубКупить
	Дифференциальный выключатель нагрузки УЗО ВД63 2 полюса, 25А, Тип AC, 30мА | код. 11450 | Schneider Electric	1В 707.75В рубКупить
	Дифференциальный выключатель нагрузки УЗО ВД63 2 полюса, 40А, Тип AC, 30мА | код. 11452 | Schneider Electric	1В 842.80В рубКупить
	Силовой удлинитель на катушке УКз16 с термозащитой, 4-местный, 50м, SQ1301-0536 | код. SQ1301-0536 | TDM	3В 838.20В рубКупить
	Софтстартер PSR12-600-81 5,5кВт 400В (24В DC) | код. 1SFA896106R1100 | ABB	10В 608В рубКупить

Мировой энергетический комитет составил прогноз использования источников тепла для обогрева зданий на 2020 год. В нем утверждается, что в развитых странах 75% домов будут получать горячее водоснабжение и отапливаться геотермальной энергией нашей планеты.

На сегодняшний день 40% всех новых домов Швейцарии оборудованы тепловыми насосами, а в Швеции этот показатель доведен до 90%. Россия и страны СНГ меньше внедряют тепловой насос для отопления дома, хотя первые энтузиасты уже пользуются этим методом, передавая свой опыт последователям.

Принципы работы

Для обогрева здания используется перенос энергии источника низкого потенциала (температуры) теплоносителем к потребителю. В технологическом процессе используется закон термодинамики, обеспечивающий выравнивание тепловых энергий двух систем с разными температурами: передача мощности горячего источника холодному потребителю.

При использовании тепла окружающей среды осуществляется повышение его температурного потенциала для обогрева и горячего водоснабжения.

Источником регенеративного тепла могут быть:

• поверхность земли или ее объем;
• водная среда (озеро, река);
• воздушные массы.

Более популярны модели, забирающие энергию от земли, поверхность которой обогревается солнечными лучами и энергией внешнего и внутреннего ядра планеты. Они отмечаются:

1. лучшим сочетанием потребительских качеств;
2. эффективностью;
3. ценой.

Схемы циркуляции теплоносителей

При работе теплового насоса (ТН) используется три замкнутых контура, по которым циркулируют различные жидкости/газы — теплоносители. Каждый из них выполняет свои функции.

Контур съема потенциала энергии источника

При заборе тепла воздуха используется искусственный обдув корпуса испарителя воздушными потоками от вентиляторов.

Замкнутый цикл жидкого теплоносителя для передачи тепла водной среды или земли осуществляется по трубопроводам, которые соединяют змеевик испарителя с коллектором, утопленным на дно водоема либо заглубленным в землю на расстояние, превышающее промерзание грунта в сильные холода.

В качестве теплоносителя применяются незамерзающие жидкости на основе разбавленных водных растворов спирта. Их принято называть «антифризы» или «рассолы». Они под влиянием более высокой температуры (≥+3ºС) поднимаются к испарителю, передают ему тепло, а после охлаждения (≈-3ºС) самотеком направляются назад к источнику энергии, обеспечивая непрерывную циркуляцию.

Внутренний контур

По нему циркулирует хладагент на основе фреона, «поднимая» тепло на более высокий уровень. Под действием температуры он последовательно переходит в газообразное и жидкостное состояние.

В состав внутреннего контура входят:

• испаритель, забирающий энергию от рассолов и передающий ее фреону, который при этом закипает и становится разреженным газом;
• компрессор, сжимающий газ до высокого давления. При этом резко увеличивается температура фреона;
• конденсатор, в котором горячий газ передает свою энергию теплоносителю выходного контура, а сам остывает, переходя в жидкое состояние;
• дроссель (расширительный клапан), редуцирующий фреон за счет перепада давления до состояния насыщенного пара для поступления в испаритель. При прохождении хладагента через узкое отверстие давление теплоносителя падает до начального значения.

Выходной контур

Здесь циркулирует вода. Она обогревается в змеевике конденсатора для использования в обычной жидкостной системе отопления. При этом способе ее температура достигает порядка 35ºС, что обусловливает ее применение в системе «Теплый пол» с длинными магистралями, позволяющими равномерно передавать генерируемую энергию всему объему помещения.

Использование только радиаторов отопления, создающих меньшие объемы теплообмена с пространством комнат, не так эффективно.

Конструктивное исполнение

Промышленность выпускает различные по эксплуатационным характеристикам модели, но они имеют в своем составе оборудование, выполняющее типовые задачи, описанные выше.

Как вариант конструктивного исполнения на рисунке представлен тепловой насос для отопления дома.

Здесь по входным трубопроводам принимается тепло от геотермальных источников, а по выходным — передается в систему обогрева дома.

Работа теплового насоса обеспечивается:

• системой контроля параметров схемы и управления, включая дистанционные способы через интернет;
• дополнительным оборудованием (узлы промывки и заполнения, расширительные баки, группы безопасности, насосные станции).

Грунтовые конструкции

Они используют три схемы устройства теплообменников для забора энергии от источника:

1. поверхностное расположение;
2. установка вертикальных грунтовых зондов;
3. заглубление горизонтальных конструкций.

Первый метод наименее эффективен. Поэтому он редко применяется для отопления дома.

Установка зондов в скважинах

Этот способ наиболее эффективен. Он предусматривает создание скважин на глубины порядка 50÷150 метров и больше для размещения U-образного трубопровода из пластиковых материалов с диаметром от 25 до 40 мм.

Увеличение площади поперечного сечения трубы, как и углубление скважины, создает улучшенный теплосъем, но удорожает конструкцию.

Горизонтальные коллекторы

Бурение скважин для зондов стоит дорого. Поэтому часто выбирается этот способ, как более дешевый. Он позволяет обойтись рытьем траншей ниже глубины промерзания почвы.

В проекте горизонтального коллектора следует учитывать:

1. теплопроводность грунта;
2. среднюю влажность почвы;
3. геометрию участка.

Они влияют на габариты и конфигурацию коллектора. Трубы могут укладываться:

• петлями;
• зигзагами;
• змейкой;
• плоскими геометрическими фигурами;
• винтовыми спиралями.

Важно понимать, что площадь участка, отводимого под такой коллектор, обычно превышает габариты фундамента дома в 2÷3 раза. Это основной недостаток такого метода.

Водные коллекторы

Это наиболее экономичный способ, но он требует расположения около здания глубокого водоема. На его дне размещают и закрепляют грузами собранные трубопроводы. Для эффективной работы теплового насоса требуется просчитать минимальную глубину закладки коллектора и объем водоема, способного обеспечить теплосъем.

Габариты такой конструкции определяются проведением тепловых расчетов и могут достигать протяженности более 300 метров.

Рисунок ниже демонстрирует подготовку магистралей для сборки на льду весеннего озера. Он позволяет визуально оценить масштабы предстоящей работы.

Воздушный метод

Внешний или встроенный вентилятор нагнетает воздух с улицы прямо на испаритель с фреоном, как в кондиционере. При этом не требуется создавать громоздкие конструкции из труб и помещать их в грунт или водоем.

Тепловой насос для отопления дома, работающий по такому принципу, стоит дешевле, но использовать его рекомендуется в относительно теплом климате: морозный воздух не позволит работать системе.

Подобные устройства нашли широкое применение для обогрева воды в бассейнах или помещений, расположенных рядом с промышленными устройствами, постоянно участвующими в технологическом процессе и выделяющими в атмосферу тепло мощными системами охлаждения. В качестве примера можно привести силовые автотрансформаторы энергетики, дизельные станции, котельные.

Основные характеристики

При выборе модели ТН следует учитывать:

• выходную тепловую мощность;
• коэффициент трансформации тепловых насосов;
• условный кпд;
• годовую эффективность и издержки.

Выходная мощность

При создании нового проекта дома учитывают его потребности в тепле с учетом конструктивных особенностей материалов, создающих теплопотери через стены, окна, двери, потолок и пол помещений различных габаритов. Расчет учитывает создание комфорта при самых низких морозах в конкретной местности.

Возможности конструкций

Для справки. Модели выходной мощности 6÷11 кВт «рассольно-водяных» схем способны нагревать воду встроенных баков в относительно небольших постройках. Мощность в 17 кВт достаточна для поддержания температуры воды 65ºС у котла с емкостью 230÷440 литров. Потребности в тепле средних по величине зданий покрывают мощности 22÷60 кВт.

Коэффициент трансформации тепловых насосов Ктр

Он определяет эффективность конструкции по безразмерной формуле:

Kтр=(Твых-Твх)/Твых

Величина «Т» обозначает температуру теплоносителей на выходе и входе в конструкцию.

Коэффициент преобразования энергии (ͼ)

Его рассчитывают для определения доли полезной мощности тепла по отношению к приложенной энергии на компрессор.

ͼ=0,5Т/(Т-То)=0,5(ΔТ+То)/ΔТ

Для этой формулы температура потребителя «Т» и источника «То» определяется в градусах Кельвина.

Величину ͼ можно определить по количеству затраченной энергии на работу компрессора «Рэл» и полученной полезной теплопроизводительности «Рн». В этом случае его называют «СОР» по сокращению от английского термина «Coefficient of perfomance».

ͼ=Рн/Рэл

Коэффициент ͼ — переменная величина, зависимая от перепада температур между источником и потребителем. Он обозначается цифрами от 1 до 7.

Условный КПД

Некоторые продавцы в рекламных целях «называют» показатель СОР термином КПД и заявляют, что он больше единицы и составляет 400 или 500%.

Годовая эффективность и издержки

Коэффициент СОР оценивает работу теплового насоса в определенный момент времени при конкретных условиях эксплуатации. Чтобы проанализировать работу ТН, введен показатель эффективности системы за год (β).

β=Qwp/WeІ

Здесь символ Qwp обозначает величину тепловой энергии, произведенной за год, а Wel — значение потребленного электричества установкой за то же время.

Показатель издержек Eq

Эта характеристика обратна показателю эффективности.

Eq=1/β

Для определения характеристик ТН используется специализированное программное обеспечение и заводские стенды.

Отличительные черты

Преимущества

Отопление дома тепловым насосом в сравнении с другими системами обладает:

1. хорошими параметрами экологичности;
2. большим сроком службы оборудования без технического обслуживания;
3. возможностью простого переключения режима обогрева зимой на кондиционирование летом;
4. высокой годовой эффективностью.

Недостатки

На стадии проекта и при эксплуатации приходится учитывать:

1. сложность выполнения точных технических расчетов;
2. высокую стоимость оборудования и монтажных работ;
3. возможности образования «воздушных пробок» при нарушениях технологии укладки трубопроводов;
4. ограниченную температуру воды на выходе из системы (≤+65ºС);
5. строгую индивидуальность каждой конструкции для любого здания;
6. потребность больших площадей для коллекторов с исключением строительства объектов на них.

Краткий перечень производителей

Современный тепловой насос для отопления дома выпускают такие компании, как:

• Bosch — Германия;
• Waterkotte — Германия;
• WTT Group OY — Финляндия;
• ClimateMaster — США;
• ECONAR — США;
• Dimplex — Ирландия;
• FHP Manufacturing — США;
• Gustrowr — Германия;
• Heliotherm — Австрия;
• IVT — Швеция;
• LEBERG — Норвегия.

Вывод

Тепловой насос является перспективной системой отопления дома в ближайшем будущем. Его эксплуатационные характеристики преобладают над другими традиционными схемами обогрева.

Добавить комментарий

Используемые источники:

• https://vremya-stroiki.net/teplovoj-nasos-vozdux-voda-dlya-otopleniya-doma/
• https://avtonomnoeteplo.ru/altenergiya/286-vozdushnyy-teplovoy-nasos-dlya-otopleniya-doma.html
• https://otoplenie-expert.com/elementy-otopleniya/teplovoy-nasos.html
• https://www.rmnt.ru/story/heating/otoplenie-doma-teplovym-nasosom-vozdux-vozdux.1238688/
• http://buildip.ru/teplovoj-nasos-dlya-otopleniya-doma.html