Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, разновидности и использование

Принцип работы тепловых насосов «воздух-воздух» и «воздух-вода»

Тепловые насосы типа «воздух-воздух» и «воздух-вода» работают по принципу кондиционера, обходятся дешевле других типов (поскольку не требуется бурить скважину или прокладывать теплопоглощающий контур, не нужно соединять его с отопительной системой), но уступают им в универсальности, поскольку морозный воздух не может дать нужного количества тепла. Поэтому тепловые насосы для отопления дома с таким принципом работы более востребованы в том случае, если необходимо обеспечить горячее водоснабжение или в качестве дополнительного источника тепла. При этом возможны два варианта их устройства:

Сплит. Установка представляет собой два блока (наружный и внутренний), подключенные к инженерным коммуникациям. В наружном блоке установлен мощный вентилятор, во внутреннем – конденсатор и система управления. Компрессор может быть вмонтирован либо во внутренний, либо в наружный блок, причем второй способ предпочтительнее, поскольку не позволяет шуму, неизбежному при работе системы, распространяться по дому;

Моно. В нем все элементы заключены в общий корпус, который монтируется либо с внешней стороны стены дома, либо внутри, но посредством гибкого шланга связывается с улицей.

Такие тепловые насосы для дома работают «как часы» и обладают несколькими важными преимуществами. Высокий коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую (1: 4, поскольку, напомним, потраченный 1 кВт электрической энергии дает 4–6 кВт тепловой энергии) свидетельствует о том, что применение геотермальной системы для отопления дома вполне выгодно.

В заключительном разделе статьи вы узнаете о перспективах отопления домов тепловыми насосами и сможете посмотреть видео о работе таких устройств.

Принцип действия тепловых насосов

Принцип работы устройства для обогрева дома основан на том, что вещество (холодильный агент) может отдавать тепловую энергию либо забирать ее в процессе смены состояния. Эта идея заложена в основу функционирования холодильника (из-за этого задняя стенка прибора горячая).

Термонасос для отопления функционирует следующим образом:

1. Поступающий агент охлаждается на 5 градусов в испарительном отделе на основании энергии от носителя тепла.
2. Охлажденный агент поступает в компрессор, который в результате работы сжимает и нагревает его.
3. Уже горячий газ попадает в отсек для теплообмена, в котором он отдает собственное тепло отопительной системе.
4. Сконденсированный хладагент возвращается к старту цикла.

Устройство

Тепловой насос для отопления дома состоит из нескольких основных контурных элементов:

• контур с теплоносителем, который перемещает энергию от теплоисточника;
• контур с фреоном, который периодически испаряется, забирая тепловую энергию с первого контура, и снова оседает конденсатом, передавая тепло третьему;
• контур, где циркулирует жидкость, являющаяся переносчиком тепла для отопления.

Эксплуатация термо насоса для отопления дома является выгодной с финансовой точки зрения. Причина этого в том, что устройство не требует высокой мощности (соответственно, расход электричества не больше, чем у стандартного бытового прибора), однако при этом производится в 4 раза больше тепла по сравнению с потребляемой электроэнергии.

Также не требуется создавать отдельную линию проводки для подключения насоса.  

Плюсы и минусы

Перед принятием решения, использовать тепловой насос или нет, следует ознакомиться с достоинствами и недостатками его работы. К главным плюсам теплового насоса относится:

• небольшой расход электричества на отопление дома;
• отсутствие необходимости регулярного осмотра и технического обслуживания, что делает затраты на эксплуатацию теплового насоса для отопления минимальными;
• допускается монтаж в любой местности. Насос может работать с такими источниками тепловой энергии, как воздух, почва и вода. Поэтому появляется возможность его установки практически в любое место, где планируется строительство дома. А в условиях отдаленности от газовой магистрали, устройство является самым подходящим методом обогрева. Даже если отсутствует электричество, функционирование компрессора можно обеспечить при помощи привода на основе бензина или дизеля;
• отопление дома осуществляется в автоматическом режиме. Не требуется добавлять топливо или проводить иные манипуляции, как, например, в случае с котельным оборудованием;
• отсутствие загрязнения окружающей среды вредными газами и веществами. Все применяемые холодильные агенты полностью безопасны и экологически пригодны;
• пожаробезопасность. Жителям дома никогда не будет угрожать взрыв или повреждение вследствие перегрева теплового насоса;
• возможность эксплуатации даже при условиях холодной зимы (до -15 градусов);
• качественный тепловой насос для отопления дома может служить до 50 лет. Замена компрессора требуется лишь раз в 20 лет.

Смотрите видео плюсы и минусы

Как и любое устройство, тепловые насосы имеют определенные недостатки:

1. Если температура окружающей среды опускается ниже 15 градусов, то насос работать не сможет. В таком случае потребуется монтаж второго теплоисточника. При очень низких температурных значениях включается котел, генератор или электрический обогреватель;
2. Высокая стоимость оборудования. Оно будет стоить примерно 350 000-700 000 рублей, еще такую же сумму придется потратить на создание геотермальной станции и установку устройства. Дополнительные монтажные работы не требуются только для теплового насоса, использующего воздух в качестве теплового источника;
3. Лучше всего устанавливать тепловой насос в сочетании с теплым полом или вентиляторными конвекторами, однако в старых зданиях потребуется перепланировка и возможно даже капитальный ремонт, что повлечет дополнительные затраты времени и средств. Если частный дом строится с нуля, такая проблема отсутствует;
4. При работе теплового насоса температура грунта, расположенного вокруг трубопровода с теплоносителем, снижается. Это становится причиной гибели некоторых микроорганизмов, участвующих в функционировании окружающей среды. Таким образом, некоторый ущерб экологии все же наносится, однако он существенно меньше урона от газо- или нефтедобычи.

Принцип работы теплового насоса

Объясняя принцип действия теплового насоса, люди часто вспоминают холодильник, где в радиатор на задней стенке сбрасывается тепло, «снятое» с продуктов в камере.

SagaУчастник FORUMHOUSE

Принцип работы теплового насоса, как холодильника: решетка на его обратной стороне греется, морозилка – охлаждается. Если мы удлиним трубки с фреоном и опустим их в ванну, то вода в ней будет охлаждаться, а решетка холодильника – нагреваться; холодильник будет перекачивать тепло из ванны и греть помещение.

По этому же принципу работают и кондиционеры, и тепловые насосы.  Работа приборов основана на цикле Карно.

Теплоноситель движется по грунту или воде, в процессе «снимая» тепло и повышая свою температуру на несколько градусов. В теплообменнике теплоноситель отдает накопленное тепло хладагенту, тот становится паром, поступает в компрессор, где поднимается его температура. В этом виде он поставляется в конденсатор, отдает тепло теплоносителю ОС дома, и охладившись,  снова превращается в жидкость и поступает в испаритель, где  нагревается от новой порции нагретого теплоносителя. Цикл повторяется.

Хотя тепловой насос не будет работать без электричества, это выгодное устройство, поскольку тепла он выдает в 3-7 раз больше, чем тратит электроэнергии.

Мы разберем это на конкретном примере нашего пользователя, который сделал тепловой насос своими руками.

Тепловые насосы работают на энергии природных источников тела:

• грунта;
• воды;
• воздуха.

Собирать тепло  с грунта (ниже глубины промерзания его температура всегда около +5 — +7 градусов), можно двумя способами:

• горизонтальный грунтовый коллектор
• уложенные горизонтально разными способами трубы.

По трубам течет «рассол» — на FORUMHOUSE часто используют пропиленгликоль, который забирает тепло земли, передает его хладагенту, и остыв, снова отправляется в грунтовый коллектор.

Горизонтальный грунтовый коллектор – самый дешевый способ получения энергии для работы теплового насоса.  Проблема в том, что он занимает большую площадь. Чтобы обогреть дом 100 кв.м. потребуется около 5 соток на участке, и над коллектором нельзя будет возводить капитальных строений и сажать деревья с мощной корневой системой.

Люди с небольшими участками вынуждены использовать более дорогой способ – вертикальный грунтовый зонд. Это целая U-образная труба, опущенная на большую глубину (около 150 метров), или несколько таких труб, заглубленных на 20 метров (в итоге это получается дешевле и не требует получения разрешения).

SagaУчастник FORUMHOUSE

Для экономии места можно бурить маленьким буром много неглубоких скважин. Получится дешевле чем бурить одну большую.

Также для работы теплового насоса используется вода – или из открытого водоема, или из скважины.

Способ устройства теплового насоса для отопления дома «вода- вода» считается  самым выгодным (нет расходов на бурение и прокладку траншей), но только если дом, в котором будет установлен тепловой насос, стоит на берегу, не дальше, чем в 50 метрах от водоема. В этом случае трубопровод с «рассолом» опускается на дно реки  — и все.

При втором способе необходимо пробурить две скважины: из одной вода будет поступать к тепловому насосу и передавать ему свое тепло, а во вторую будет отправляться уже «отработанная», остывшая вода. Расстояние между скважинами должно быть не менее 20 метров.

Тепловые насосы «воздух-воздух» эффективны только в южных регионах, где температура зимой не опускается ниже -5 градусов.

Для нашей зимы лучше использовать геотермальный тепловой насос.

Назначение

Основными задачами ТП являются:

• учет тепловых потоков и расходов теплоносителя и конденсата
• контроль параметров теплоносителя
• регулирование расхода теплоносителя
• распределение теплоносителя по системам потребления теплоты
• преобразование вида теплоносителя или его параметров
• защита местных систем от аварийного повышения параметров теплоносителя
• заполнение и подпитка систем потребления теплоты
• сбор, охлаждение, возврат конденсата и контроль его качества
• аккумулирование теплоты
• подготовка воды для систем горячего водоснабжения
• отключение систем потребления теплоты

Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника

Прежде чем приступить к изготовлению теплового насоса, необходимо выбрать источник тепла и решить вопрос со схемой работы установки. Кроме компрессора понадобится и другое оборудование, а также инструменты.

Выполнение схем и чертежей. Чтобы установить тепловой насос, необходимо сделать скважину, потому что источник энергии должен находиться под землей. Глубина скважины должна быть такой, чтобы температура земли составляла не менее 5 градусов. Для этой цели также подойдут любые водоёмы.

Конструкции тепловых насосов похожи, поэтому вне зависимости от того, каким будет источник тепла, можно использовать практически любую схему, найденную в сети. Когда схема будет выбрана, необходимо выполнить чертежи и указать в них размеры и места соединения узлов.

Так как рассчитать мощность установки достаточно трудно, можно воспользоваться средними значениями. Например, для жилого помещения, имеющего низкие теплопотери, потребуется отопительная система с мощностью 25 Вт на кв. метр. Для здания, которое хорошо утеплено, это значение составит 45 Вт на кв. метр. Если у дома, достаточно высокие теплопотери, мощность установки должна быть не менее 70 Вт на кв. метр.

Выбор нужных деталей. Если компрессор, снятый с холодильника, поломан, то предпочтительнее приобрести новый. Не рекомендуется производить ремонт старого компрессора, ведь в будущем это может негативно повлиять на работу теплового насоса.

Дополнительно потребуется приобрести следующие детали:

• герметичная тара из нержавейки объёмом 120 литров;
• емкость из пластика объёмом 90 литров;
• три трубы из меди разного диаметра;
• трубы из металлопластика.

Для работы с металлическими деталями понадобятся сварочный аппарат и болгарка.

Сборка узлов и установка теплового насоса

В первую очередь следует установить на стену компрессор, используя кронштейны. Следующий шаг – работа с конденсатором. Бак из нержавейки нужно разделить на две части при помощи болгарки. В одну из половин монтируется медный змеевик, затем емкость необходимо заварить и сделать в ней резьбовые отверстия.

Чтобы изготовить теплообменник, нужно намотать на емкость из нержавейки медную трубу и закрепить концы витков рейками. Присоединить к выводам сантехнические переходы.

Как только работа с узлами будет окончена, нужно подобрать терморегулирующий клапан. Конструкцию следует собрать и заправить систему фреоном (для этой цели подойдет марка R-22 или R-422).

Подсоединение к заборному устройству. Вид устройства и нюансы подсоединения к нему будут зависеть от схемы:

• «Вода-земля». Следует установить коллектор ниже линии промерзания земли. Необходимо, чтобы трубы находились на таком же уровне.
• «Вода-воздух». Такую систему устанавливать легче, так как нет необходимости в бурении скважин. Коллектор монтируется в любом месте около дома.
• «Вода-вода». Коллектор изготавливается из металлопластиковых труб, а после помещается в водоём.

Также можно установить для обогрева дома комбинированную отопительную систему. В такой системе тепловой насос работает одновременно с электрическим котлом и используется как дополнительный источник отопления.

Тепловой насос для обогрева дома вполне можно собрать самостоятельно. В отличие от покупки готовой установки, это не потребует больших финансовых затрат, а результат обязательно порадует.

Советы и рекомендации

Тепловой насос – оборудование технически сложное и достаточно дорогое, поэтому подходить к его выбору следует с большой ответственностью. Чтобы не быть голословными, приведем несколько вполне конкретным рекомендаций.

1. Никогда не приступайте к выбору теплового насоса без предварительного проведения расчетов и создания проекта. Отсутствие проекта может стать причиной фатальных ошибок, исправить которые можно будет лишь с помощью огромных дополнительных финансовых вложений.

2. Доверить проектирование, монтаж и сервисное обслуживание теплового насоса и системы отопления следует только профессионалам. Как убедиться в том, что в данной компании работают профессионалы? В первую очередь, по наличию всей необходимой документации, портфолио реализованных объектов, сертификатов от поставщиков оборудования. Очень желательно, чтобы весь комплекс необходимых услуг предоставляла одна компания, которая в данном случае будет нести полную ответственность за реализацию проекта.

3. Советуем вам отдать предпочтение тепловому насосу европейского производства. Пусть вас не смущает тот факт, что он дороже китайского или российского оборудования. При включении в смету стоимости работ по монтажу, запуску и отладке всей системы отопления разница в цене насосов будет практически незаметна. Но зато, имея в своем распоряжении «европейца», вы будете уверены в его надежности, поскольку высокая цена насоса – это лишь результат использования при его создании современных технологий и высококачественных материалов.

Виды конструкций тепловых насосов

Тип ТН принято обозначать словосочетанием, указывающим на среду-источник и теплоноситель системы отопления.

Существуют следующие разновидности:

• ТН «воздух — воздух»;
• ТН «воздух — вода»;
• ТН «грунт — вода»;
• ТН «вода — вода».

Самый первый вариант – это обычная сплит-система, работающая в режиме обогрева. Испаритель монтируется на улице, а внутри дома устанавливается блок с конденсатором. Последний обдувается вентилятором, благодаря чему в помещение подается теплая воздушная масса.

Если такую систему оснастить специальным теплообменником с патрубками, получится ТН типа «воздух — вода». Он подключается к водяной системе отопления.

Испаритель ТН типа «воздух — воздух» или «воздух — вода» можно разместить не на улице, а в канале вытяжной вентиляции (она должна быть принудительной). В этом случае эффективность ТН будет увеличена в несколько раз.

Теплонасосы типа «вода — вода» и «грунт – вода» для отбора тепла используют так называемый наружный теплообменник или, как его еще называют, коллектор.

Принципиальная схема работы теплового насоса

Это длинная закольцованная труба, как правило, пластиковая, по которой циркулирует жидкая среда, омывающая испаритель. Обе разновидности ТН представляют собой одно и то же устройство: в одном случае коллектор погружается на дно поверхностного водоема, а во втором – в грунт. Конденсатор такого ТН расположен в теплообменнике, подключаемом к системе водяного отопления.

Подключение ТН по схеме «вода — вода» является гораздо менее трудоемким, чем «грунт — вода», поскольку отпадает необходимость в проведении земляных работ. На дно водоема труба укладывается в виде спирали. Разумеется, для данной схемы подойдет только такой водоем, который зимой не промерзает до дна.

Эффективность воздушного теплового насоса

ВТН эффективны и зимой, и летом, благодаря COP (коэффициенту преобразования). COP теплового насоса – это способ измерения его эффективности путем сравнения потребляемой мощности, необходимой для производства тепла, с количеством тепла на выходе.

Показатель COP  корректируется с учетом времени года. Чтобы иметь возможность сравнивать тепловые насосы по тому, насколько сильно на них влияют эти изменения, используется сезонный COP (Seasonal Coefficient of Performance).

ВТН получает энергию из окружающего воздуха, но при снижении окружающей температуры снижается и эффективность.

Принцип действия теплового насоса

Теплоноситель нагревается от источника низкопотенциального  (5…10 °С) тепла. Насос сжимает хладагент, температура которого при этом повышается (50…60 °С) и нагревает теплоноситель системы отопления или ГВС.

В процессе работы ТН задействованы три тепловых контура:

• наружный (система с теплоносителем и циркуляционным насосом);
• промежуточный (теплообменник, компрессор, конденсатор, испаритель, дроссельный клапан);
• контур потребителя (циркуляционный насос, тёплый пол, радиаторы; у ГВС – бак, точки водоразбора).

Сам процесс выглядит следующим образом:

Контур съёма тепловой энергии

1. Грунт нагревает солевой раствор.
2. Циркуляционный насос поднимает рассол в теплообменник.
3. Раствор охлаждается хладагентом (фреоном) и возвращается в грунт.

Теплообменник

1. Жидкий фреон, испаряясь, забирает тепловую энергию у рассола.
2. Компрессор сжимает хладагент, его температура резко повышается.
3. В конденсаторе фреон через испаритель отдаёт энергию теплоносителю отопительного контура и снова становится жидким.
4. Остывший хладагент, через дроссельный клапан уходит к первому теплообменнику.

Отопительный контур

1. Подогретый теплоноситель отопительной системы подтягивается циркуляционным насосом к рассеивающим элементам.
2. Отдаёт тепловую энергию воздушной массе помещения.
3. Остывший теплоноситель по обратной трубе возвращается к промежуточному теплообменнику.

Видео с подробным описанием процесса:

Тепловые насосы для отопления дома: типовые разновидности

Самый удобный способ классификации тепловых насосов предполагает разделение подобных агрегатов по типу среды, в которой проложен первичный контур, питающий теплом испаритель.

И согласно этому способу классификации тепловые насосы делятся на следующие разновидности:

• Геотермальные агрегаты (земля-вода).
• Гидротермальные насосы (вода-вода).
• Аэротермальные установки (воздух-вода).

Причем все виды тепловых насосов эксплуатируют общий принцип работы, но среда «обитания» первичного контура накладывает свой отпечаток и на функционирование, и на обустройство агрегата. Поэтому далее по тексту мы рассмотрим нюансы обустройства каждой разновидности тепловых насосов.

Установка «земля-вода»

Тепловой насос «земля-вода» Первичный контур геотермального насоса заглубляют в грунт до отметки 5-6 метров. Причем такой монтаж практикуют при обустройстве систем с горизонтальным теплообменником. А в случае монтажа вертикального первичного контура практикуется и 150-метровое заглубление, в особую скважину.

При этом минимальный объем работ характерен именно для вертикального размещения первичного контура. Поскольку при горизонтальном размещении необходимо распределить трубы теплообменника по слишком большой площади (50 квадратный метров на каждую 1000 Ватт энергетической отдачи теплового насоса).

Ну а в качестве теплоносителя геотермальный тепловой насос использует совершенно безвредный соляной раствор, незамерзающий даже при отрицательных температурах.

Насос «вода-вода»

Первичный контур гидротермального насоса можно инсталлировать в естественный или искусственный водоем, обычный или сточный колодец, реку или рукотворный канал.

Тепловой насос «вода-вода»

Причем испаритель и труба с теплоносителем погружаются в воду, как минимум, на 1,5-2 метра. Ведь поверхностные слои могут замерзнуть, повредив и функциональность, и целостность элементов теплового насоса.

Словом, для геотермального насоса придется подобрать «правильный» водоем. А вот сама инсталляция первичного контура происходит достаточно просто – полимерную трубу с тем же соляным раствором «топят» на нужной глубине, используя особы грузила.

И такой способ размещения первичного контура превращает обустройство насосной станции «вода-вода» в чрезвычайно простую и нетрудоемкую операцию. Поэтому, если поблизости есть подходящий водоем, то лучшим вариантом теплового насоса будет именно гидротермальный агрегат.

Агрегат «воздух вода»

Тепловой насос воздух-вода По сути, это тот же кондиционер, правда, много больших размеров. Первичный контур с испарителем размещается «на воздухе», за пределами жилища, в специальном корпусе.

Причем для обеспечения работоспособности насоса в зимнее время этот корпус очень часто объединяют с вытяжным каналом вентиляционной системы жилища.

Словом, основное достоинство данной системы – простота монтажа, а вот эффективность работы насосов «воздух-вода» весьма сомнительна. Ну а в наших широтах они попросту не могут конкурировать с геотермальными или гидротермальными установками.

Методика расчета мощности теплового насоса

Помимо определения оптимального источника энергии, потребуется высчитать необходимую для обогрева мощность теплонасоса. Зависит она от величины теплопотерь здания. Произведем расчет мощности теплового насоса для отопления дома на конкретном примере.

Для этого используем формулу Q=k*V*∆T, где

• Q – это теплопотери (ккал/час). 1 кВт/ч = 860 ккал/ч;
• V – объем дома в м3 (площадь умножаем на высоту потолков);
• ∆Т – отношение минимальных температур снаружи и внутри помещения в самый холодный период года, °С. Из внутренней tº вычитаем наружную;
• k – обобщенный коэффициент теплопередачи здания. Для кирпичного здания с кладкой в два слоя k=1; для хорошо утепленного здания k=0,6.

Таким образом, расчет мощности теплонасоса для отопления кирпичного дома в 100 кв.м и высотой потолков 2,5 м, при перепаде ttº от -30º на улице до +20º внутри, будет таковым:

Q = (100х2.5) х (20- (-30)) х 1 = 12500 ккал/час

12500/860= 14,53 кВт. То есть, для стандартного кирпичного дома площадью 100 м понадобится 14-килловатное устройство.

Выбор типа и мощности теплонасоса потребитель принимает, исходя из ряда условий:

• географические особенности местности (близость водоемов, наличие грунтовых вод, свободного участка под коллектор);
• особенности климата (температуры);
• тип и внутренний объем помещения;
• финансовые возможности.

Итоги

Современные тепловые насосы — это высокоэффективные устройства, которые легко обеспечивают 3-4 кВт тепла на один затраченный киловатт электроэнергии. Но стоимость самого оборудования и устройства первичного контура не многим по карману. Если же говорить о моделях воздух-воздух или воздух-вода, то хорошую эффективность они показывают при плюсовых температурах, с падением температуры их производительность сильно снижается (хотя последние линейки могут работать и до -40oC). Технология, несомненно, очень интересная и перспективная, но пока доступна немногим.

Возможно, вам интересна будет статья «Солнечное отопление: насколько эффективно?»