Теполовой насос для отопления: принцип работы и преимущества использования

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;
• 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. 

Принцип работы теплового насоса

Работу теплового насоса можно сравнить с работой обычного холодильника. Только вместо холода аппарат вырабатывает тепло. Веществом, передающим энергию, является фреон — газ или жидкость с низкой температурой кипения. При испарении он поглощает тепло, а при конденсации — отдает его.

Тепловой насос — главный элемент системы. Его размеры не превышают габаритов средней стиральной машины, что облегчает установку прибора. Сам насос включается в два контура: внутренний и внешний.

Внутренний контур состоит из системы теплоснабжения дома (трубы и радиаторы).Внешний контур находится в воде или под землей. Он включает в себя коллектор-теплообменник и трубы, связывающие коллектор с насосом.

Тепловые насосы комплектуются различными дополнительными устройствами. Это могут быть:

• коммуникационное устройство для управления системой через персональный компьютер или мобильный телефон;
• блок охлаждения для локальной или центральной системы охлаждения;
• дополнительный насосный блок может потребоваться для отопления полов;
• циркуляционный насос необходим для циркуляции горячей воды;

Процесс работы насоса состоит из нескольких этапов:

1. Незамерзающая смесь подается в коллектор. Происходит поглощение тепловой энергии и транспортировка ее к насосу.
2. В испарителе энергия передается фреону, где он нагревается до 8 °C, закипает и превращению в пар.
3. При увеличении давления в компрессоре повышается температура. Она может достигать 70 °C.
4. Внутридомовая система отопления получает тепловую энергию через конденсатор. Фреон мгновенно охлаждается и переходит в жидкое состояние, отдавая при этом оставшееся тепло. Затем он идет обратно в коллектор. Так завершается цикл.
5. Далее работа повторяется по тому же принципу.

Наиболее эффективно тепловой насос функционирует при наличии в доме теплых полов. Тепло распределяется по всей площади пола равномерно. При этом отсутствуют зоны перегрева. Теплоноситель в системе редко нагревается больше 35 °C, а отопление путем нагрева полов считается наиболее комфортным при 33 °C. Это меньше на 2 °C чем при отоплении радиаторами. Отсюда возникает экономия до 18% в год от всего отопительного бюджета. Кроме того, считается, что отопление на уровне пола наиболее комфортно для проживания человека.

Система отопления может быть моновалентной и бивалентной. У моновалентных систем один источник отопления. Он полностью отвечает круглогодичной потребности в тепле. У бивалентных, соответственно, — два источника.

Что такое грунтовой тепловой насос и принцип его работы

Грунтовой насос подключается к сети и выдает в зимнее время тепло, а в летнюю пору наоборот прохладу. Такие насосы, по мнению экспертов, имеют просто огромный потенциал. Да, несомненно, многим трудно отказаться от традиционных котлов для обогрева и нужно время чтобы разобраться с новой технологией, однако в развитых странах ее осваивают довольно массово. Тепло от предметов не должно просто улетучиваться, как и холод, если их можно использовать для улучшения нашей жизни – именно так считают ученые.

Не нужно переживать за газ, давление и другие «прелести» котлов, тогда как чистая энергия получается за счет естественных процессов. Газ, как известно, не вечен, и сжигая его, люди не могут бесконечно отапливать дома, именно поэтому стоит задуматься об альтернативных источниках и системах отопления.

Тепловой насос для отопления дома принцип работы

Принцип работы теплового насоса для отопления

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.

Тепловой насос для отопления дома

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.

Монтаж своими руками

Если владелец дома хорошо разбирается в принципе работы и схеме оборудования, можно собрать насос самостоятельно. Предварительно требуется провести расчеты, для этого воспользуйтесь готовым ПО для оптимизации охладительных систем.

Тепловой насос Просто и недорого 1

Watch this video on YouTube

Видео монтажа

Меньше всего сложностей предполагает произведенный своими руками монтаж системы отопления дома «воздух — вода». Она будет состоять из двух каналов (для подачи воздушного потока и для отвода отработанного), вентилятора и компрессора. Компрессор не обязательно приобретать новый, допускается воспользоваться рабочим устройством с холодильника или другого оборудования. Рекомендуется использовать спиральный компрессор.

Этапы работы:

1. Сделать из медной трубы змеевик. Трубу, по которой будет поступать холодильный агент, разместить сверху.
2. Вмонтировать змеевик в разделенную напополам пластиковую емкость. Она будет выполнять роль испарителя.
3. Подключить терморегулирующий клапан и заизолировать его.
4. Собрать все элементы в блок и проверить его работоспособность.

Важно отметить, что данная процедура является достаточно сложной для обычного человека. Непрофессионал не сможет правильно собрать все детали и подключить терморегулирующий клапан

Лучше доверить выполнение работ мастерам, т.к. ошибки в процедуре станут причиной неправильного функционирования оборудования либо неэффективного потребления электричества.

Таким образом, тепловой насос – эффективный способ отопления частного дома. На сегодняшний день в России и странах СНГ использование данного оборудования не сильно распространено, однако в Европе и США такие установки активно применяются для отопления.

Выбирать подходящий тепловой насос рекомендуется на основании не только стоимости монтажных работ и эксплуатации, но и региона использования, условий строительства, площади участка и других факторов.

Особенности выбора

Теплонасос — это устройство технически сложное и довольно дорогостоящее, потому подходить к приобретению этого оборудования нужно очень тщательно. Существует ряд рекомендаций, которые смогут в этом помочь:

1. Не стоит приступать к выбору теплонасоса без предварительного выполнения расчетов и разработки проектной документации. Не соблюдение этого правила может являться причиной серьезных ошибок, и исправить их можно будет только с помощью значительных дополнительных материальных затрат.
2. Доверить разработку проекта, установку и гарантийное обслуживание термонасоса и отопительной системы следует лишь профессиональной компании. Для начала нужно проверить наличие всех требуемых документов строительной организации, портфолио уже установленных систем, сертификаты на реализуемое оборудования. Лучше всего чтобы полностью комплекс требуемых работ производила одна фирма, которая в этом случае несет всю ответственность за установленную отопительную систему.
3. Желательно выбирать теплонасос от европейского производителя. Отличие по стоимости при выборе российских или китайских устройств незначительное. Во время разработки сметы стоимости работ по установке, запуску и наладке всей отопительной системы разница в цене почти незаметна. Но европейское оборудование надежней в эксплуатации, так как завышенная стоимость насосного оборудования — это только результат использования качественных материалов и современных технологий.

Устройство теплового насоса

Чем же хороши эти агрегаты? Тем, что затратив 1 кВт электроэнергии, в самом плохом варианте вы получаете 1,5 кВт тепла. И чудес тут нет: электричество тратиться не на преобразование в тепловую энергию, а на работу агрегатов для переноса тепла.

В этом устройстве есть три отдельных контура:

• В первом (внешнем) циркулирует обычный теплоноситель (соляной раствор или антифриз). Он нагревается от наружных источников тепла (вне дома).
• Во втором (внутреннем) герметично запаяно вещество с очень низкой температурой кипения.

• И третий контур идет в отопительную систему.

Если говорить коротко, то принцип работы теплового насоса состоит в следующем. У объектов разной природы, имеющих зимой положительные температуры (грунт на глубине ниже уровня промерзания, вода, воздух в вентиляционных шахтах и т.п.), тепло отбирается. От этого тепла нагревается циркулирующий по замкнутому контуру хладагент. Нагревшись до температуры выше точки кипения, жидкость переходит в газообразное состояние. По трубе пар (с температурой уже выше 0oC) попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления. При сжатии выделяется большое количество тепла и из компрессора выходит вещество, нагретое уже до приличных величин +35oC или даже +60oC. В другом устройстве — конденсаторе — большую часть своего тепла он передает теплоносителю, который подается на трубы отопления.

Достаточно привлекательный внешний вид , малый уровень шумов позволяет устанавливать оборудование в доме

Хладагент в значительной степени потерявший тепло, но еще находящийся в газообразном состоянии и под приличным давлением, движется дальше по внутреннему контуру. Попадает на спускной клапан, где давление падает, резко снижается температура, вещество снова становится жидкостью. И снова попадает в испаритель, начинает следующий цикл работы теплового насоса.

Вот и получается что электроэнергия уходит не на выработку тепла, а только на его перемещение. И потому затратив 1 кВт электроэнергии, от этого устройства можно получить 2-6 кВт тепла. Такой разброс коэффициента преобразования из-за особенностей использования: чем ниже температура первичного нагрева (от внешних источников), тем менее эффективно будет работать тепловой насос. Но работать он будет даже при -20oC.

Обзор производителей

• Daikin Altherma (EHYHBH05AV32/EHYKOMB33AA3/EVLQ05CV3). Гибридная модель со встроенным газовым котлом. Оснащается коаксиальным дымоходом. В режиме работы ТНУ внешний блок собирает тепло от воздуха. При переключении на газовое отопление, котел работает от центрального газопровода. Аппарат очень компактный и как другие модели от Daikin может работать в 3 режимах.
• Viessmann Vitocal (200-S). Отличается высокой энергоэффективностью, работает очень тихо. Управляется аппарат вручную и через мобильное приложение на телефоне. Оборудован баком косвенного нагрева, используется для отопления и получения горячей воды.
• Mitsubishi Electric (PUHZ-SHW230YKAR1) – японский тепловой насос. Генерирует тепло при температурах до -28°С, причем его эффективность не падает после достижения температуры в -15°С. Очень компактный вариант, простой в монтаже
• Panasonic (WH-UD16HE5/WH-SDC16H6E5) – обеспечивает максимальную мощность до температуры -20°С. Максимальная температура воды на выходе – +55°С. Аппарат очень экономичен, с прекрасными характеристиками. Интегрируется в любую систему отопления.
• LG (HU163.U33 + HN1639 NK3) – южнокорейская модель, работающая по принципу инверторного кондиционера. Совместима с радиаторной системой отопления и системой «теплый пол». Может использоваться для получения горячей воды и для охлаждения воздуха. Минимальная температура внешнего воздуха -20°С. В линейке есть модели, которые подключаются не только к однофазной, но и к трехфазной сети.

Как работает геотермальный тепловой насос

Принцип работы теплового насоса заключается в работе геотермального контура. Такой контур забирает тепло из земли и обеспечивает температуру нагрева. При этом, нагревание не зависит от внешних погодных факторов. Как же работает геотермальный контур? В скважины, глубиной до сотни метров помещаются специальные грунтовые зонды, с помощью которых и происходит нагрев. В геотермальных скважинах температура всегда статична, независимо от поры года. Специальный рассол(пропилен-николь) греется, забирая от грунтового горизонта тепло, до 6 С°. Циркулируя по замкнутому контуру, тепло передаётся на испаритель теплового насоса. На конденсаторе, насос преобразует тепло до 60 С°. Таким образом, мы имеем температуру, готовую к нагреву непосредственно теплоносителя. Вода нагревается и подаётся по системе в дом, для использования в бытовых целях и нагрева для системы отопления. Принцип действия охлаждения, при тёплой погоде, разделяется на два типа:

• Активное — компрессор в работе, но тепловой насос работает наоборот. Забирает тепло из системы отопления и передаёт температуры в грунт. Грунтовые зонды осуществляют передачу тепла уже в землю.
• Пассивное — вода охлаждается в теплообменнике при выключенном компрессоре.

Важно!

Отопление тепловым насосом своими руками сделать достаточно сложно, ведь такая система отопления тепловым насосом, очень сложная с точки зрения инженерии. Как следствие в виду неправильного монтажа системы или неопытности в монтаже, даже фирма, целенаправленно занимающаяся геотермальными насосами, может наломать дров. Начиная от падения КПД, путём снижения эффективности преобразования, вплоть до неработающей системы в итоге вообще. Чаще всего фирмы “играются” с глубиной скважины, чтобы составить более демократичную смету и удешевить всю систему в целом. Конечно, цена отопления дома тепловым насосом сразу упадёт для заказчика, таким образом фирма будет иметь возможность сделать систему дешевле, но потом начнутся проблемы с эксплуатацией. Например скважины могут смерзаться, в следствие чего, тепловой насос по эффективности упадёт в разы. Как бы не пришлось ставить отопительные приборы для отогрева отопительной системы. Это ведь бред?

Также можно уменьшить цену на тепловые насосы для отопления, путём применения дешёвых зондов, которые развалятся в скором времени. Решение конечно есть: бурить новые скважины, разрушая уже готовый ландшафтный проект, но оно Вам надо? Так что лучше тщательно выбирайте качественные комплектующие и не поскупитесь купить тепловой насос для отопления подороже. Ещё в целях экономии, в контур, заливают антифриз вместо пропилена гликоля. Это дешевле, да, но такой антифриз может отравить почву на вашем участке.

Короче говоря, обдумывая как и что сделать, не поскупитесь на нормальную, качественно сделанную, систему отопления. Стоимость отопления тепловым насосом, а именно монтажа системы, выйдет в таком случае первоначально дороже, зато Вы будете иметь работающую систему на сто лет вперед.

Схема отопления тепловым насосом

Как было отмечено ранее, существует три вида тепловых оборудований. Они различаются лишь получением тепла из окружающей среды при помощи контурных труб, протянутых под землей или погруженных в водную среду.

При этом тепло получается за счет циклирования по трубам пропиленгликоля, спирта или водно-гликолевого состава. Эти жидкости преобразуют тепло из внешней среды, передавая его в испарительную установку.

Схема отопительной системы при помощи теплового оборудования:

1. Теплоноситель преобразует фреон в пар;
2. Пары, проходя через компрессорное устройство сжимаются и нагреваются;
3. Пар передает тепловую энергию системе отопления и водоснабжения;
4. Снижение температуры и давления пара.

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.

Тепловой Насос ВЫГОДЕН или НЕТ?.. Кому не Стоит Покупать Тепловой Насос? (РАЗБОР)

Watch this video on YouTube

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.

Производители тепловых насосов

Примеры хорошо зарекомендовавших себя фирм:

• Шведские . Есть оборудование, работающее от любого геотермального источника (грунт, горные породы, вода), а также агрегаты воздух-вода. Эти системы дешевыми не назовешь, но срок эксплуатации — 20 лет, стабильная репутация и хорошие отзывы.

  На рынке много европейских производителей. Для них экономия на отоплении из-за высоких цен очень актуальна, а тепловые насосы окупаются у них за несколько лет

• Тепловые насосы Viessmann — продукт европейского концерна, который почти столетие занимается разработкой и производством отопительного и климатического оборудования. В нашей стране представлены модели вода-вода и рассол-вода. Большая часть оборудования по максимуму может нагреть теплоноситель внешнего контура до 45oC, 55oC или до 60oC. Одна линейка выдает 65oC. Как и отопительные котлы, тепловые насосы Viessmann имеют отличную репутацию: надежны, не требуют внимания и обслуживания.
• Немецкие тепловые насосы Stiebel Eltron типа воздух-вода работают при температуре до -20oC, некоторые модели, работающие на соляном растворе, могут обеспечивать также нагрев воды для хозяйственных нужд, и работать на охлаждение летом. Некоторые — только отопление. Есть модульные модификации, пригодные для больших площадей. Они собираются в группу до шести штук.
• Известная японская кампания Mitsubishi Electric в 2007 году запустила в производство тепловые насосы Z В этой линейке есть бытовые модели, полупромышленные и промышленные агрегаты. Некоторые дают возможность сделать мультизональное разделение, которое позволяет управлять температурой в каждом обслуживаемом помещении. Есть линейка тепловых насосов воздух – вода Mitsubishi Heavy, которые работать могут и на обогрев и на охлаждение.

Присутствуют на рынке и тепловые насосы российского производства. Цены и качество — между европейскими и китайскими агрегатами. Например, тепловые насосы «Henk system». С качеством оборудования, судя по отзывам, все нормально, но проблема, как обычно у нас, в грамотном расчете, а особенно в монтаже. Если с воздушными системами проблемы бывают нечасто, то об установках геотермального типа этого не скажешь: нормальные партнеры у этого предприятия есть не во всех регионах.

Henk выпускает много разных агрегатов, разной производительности и типа. Всего 82 модели. Есть линейка для низкотемпературных систем водяного пола, есть для высокотемпературных — с радиаторами. Тип подключения — однофазный и трехфазный, с теплообменниками для подогрева воды бытового назначения. Собственно, выбрать есть из чего.

Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации (эффективности) — это соотношение выработанной помпой тепла с учетом затраченного электричества (то есть КПД термонасоса). У разных видов насосов этот коэффициент отличается:

• В случае водяного оборудования коэффициент равняется 5 независимо от сезона. Это обозначает, что во время потребления 1 кВт/ч электричества система выдает 5 кВт/ч тепловой энергии.
• У грунтовых помп коэффициент меньше — 4,1−4,5.
• Самый низкий коэффициент у воздушных насосов, причем эффективность значительно зависит от температуры воздуха. Так при 0C размер коэффициента равняется примерно 3,6, а при -17C он не более 1,6.

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.

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?»

Итоги

Геотермальные насосы — не самая дешевая затея. Если у вас есть возможность подключить газ, и эта затея обойдется вам меньше, чем 15 000 долларов, подключайте газ. Если такой возможности нет или сумма получается больше — целесообразно установить тепловой насос. И лучше геотермальный. Он хоть и требует больших вложений на старте, но работает стабильнее и показывает большую производительность. Сумма вложений — очень приблизительная и зависит от конкретных условий. Но эти устройства тем и отличаются, что проект и расчет геотермального теплового насоса — вещь сугубо индивидуальная и считается под каждый проект. Даже на двух соседних участках условия (и сумма) могут значительно отличаться.