Принцип работы тепловых насосов

Лучшие умы человечества разрабатывают новые технологии для создания энергии с целью сократить расход природных запасов. Достойным вариантом выступает тепловой насос. В зависимости от оборудования для работы может понадобиться грунт, вода либо же воздух. В статье будет описан принцип работы тепловых насосов.

Содержание:

1. Что такое тепловой насос
2. Принцип работы теплового насоса системы «земля-вода» и «земля-воздух»
   • Плюсы и минусы схемы работы теплового насоса
3. Принцип работы теплового насоса системы «воздух-воздух» и «воздух-вода»
   • Плюсы. Минусы
4. Принцип работы теплового насоса системы «вода-воздух» и «вода-вода»
   • Плюсы. Минусы
5. Лучшие производители
6. Сборка системы своими силами
7. Итог

Ниже будут рассмотрены следующие вопросы:

• разновидность агрегатов, их плюсы и минусы;
• принцип работы оборудования;
• устройство отопительной системы.

Что такое тепловой насос

• Тепловой насос используется как для полноценного отопления дома, так и при обустройстве теплых полов. Принцип работы заключается в следующем: теплоноситель поступает в теплообменник. Хладагент под действием полученного тепла генерирует в газ, нагретый до максимальных температур. Во втором теплообменнике он отдает свое тепло жидкому носителю, последний уже проходит по трубам отопительной системы.
• На рынке производителями представлено несколько видов тепловых насосов, которые могут использовать различные виды «топлива»: грунт, воздух и вода.

• Геотермальные котлы еще мало используются в нашей стране ввиду своей высокой стоимости. Но принцип работы теплового насоса завоевывает все больше поклонников и получает положительные отзывы.

Принцип работы теплового насоса системы «земля-вода» и «земля-воздух»

• Геотермальное оборудование, использующее в качестве топлива грунт, обеспечивает поступление нагретого воздуха в помещения посредством водопроводов либо воздуховодов, что и дает название данным системам.
• Физические свойства грунта позволяет хранить тепло, полученное в течение дня от солнца. Коллектор монтируется глубоко в земле, ниже глубины ее промерзания. Теплоноситель, постоянно циркулирующий по каналам коллектора, забирает на себя это рассеянное тепло.
• Самой низкопотенциальной энергии недостаточно, чтобы обогреть даже собачью конуру. Однако этого хватит для закипания хладагента, являющимся следующим этапом отопительной системы. Под воздействием температуры хладагент обретает газообразное состояние и поступает в компрессор, где происходит сжатие газа.
• Под растущим давлением у газа повышается температура и уже при выходе из компрессора она составляет 70-120 градусов, иногда и выше. Хладагент в конденсаторе передает накопленную температуру теплоносителю.

• По пути к редукционному устройству газ превращается в жидкость, которая двигается через дроссель, где происходит резкое падение давления обратно к испарителю. Такая схема работы теплового насоса, если не вдаваться в мельчайшие подробности, и обеспечивает отопление помещений.
• Электропитание необходимо для компрессора, перекачивающего хладагент. При затрате 1 кВт на выходе получаем 4 кВт тепловой энергии, где разница в 3 кВт получена от грунта.

Плюсы и минусы схемы работы теплового насоса

Из положительных свойств можно отметить постоянство источника тепла. То есть на определенной глубине даже в самый лютый мороз температура грунта не меняется.

Минус системы заключается:

• в высокой цене оборудования и дорогих установочных работах – наем техники для копки ямы и привлечение специалистов для подключения. Хотя здесь можно воспользоваться горизонтальным коллектором и выкопать траншею собственными силами;
• в «оккупации» большой площади, отведенной под монтаж коллектора. Как правило, данный участок значительно превышает площадь отапливаемого дом;

• в отсутствии возможности использовать территорию под зеленые насаждения, потому как на их корни будут постоянно воздействовать отрицательные температуры. К тому же при аварийной ситуации может понадобиться раскопать часть участка для осмотра поломки оборудования.

Принцип работы теплового насоса системы «воздух-воздух» и «воздух-вода»

• Технология подразумевает под собой работу оборудования, осуществляющее забор воздуха из атмосферы для дальнейшего его прогрева. Это могут быть современные «умные» кондиционеры и тепловые насосы промышленного назначения.
• В базовую комплектацию системы входит вентиляторы, которые работают на принудительный забор воздуха. В компрессоре происходит нагнетание давления для циркуляции хладагента в замкнутом контуре.

• В конденсаторе фреон переходит в газообразную форму и нагревается примерно до 60 градусов. Проходя через испаритель, газ возвращается в свое прежнее жидкое состояние. Накопленная положительная температура распространяется по вентиляционным каналам.
• Вентиль регулировки позволяет настроить комфортный режим в помещении. Блок автоматики служит для постоянного контроля над выполнением заданных параметров. При аварийных ситуациях им подается сигнал об имеющихся неисправностях.

• Инновационные модели дают возможность управлять настройками на удалении (через сеть интернет). Здесь осуществляется программирование оборудования с учетом времени суток, наружной температуры, интенсивности посещения отапливаемой комнаты. 

Плюсы. Минусы

• Сразу следует отметить, данная система не используется как самостоятельный источник нагрева. Чаще он выступает в качестве помощника для снижения нагрузки основного отопительного прибора. Тепловой коэффициент примерно равен 2,5 кВт, а это значит, что за 1 кВт электроэнергии получим 3,5 кВт тепловой энергии. Показатели могут варьироваться в зависимости от температуры на улице.
• Аналогичные устройства используются для подогрева воды в бассейнах.

К преимуществам такого оборудования относится:

• нагрев воздушных потоков происходит внутри помещения, что позволят сократить затраты на производство тепла;
• возможность использовать обогрев периодически, например, загородного дома, который посещается только по выходным. С помощью дистанционного управления можно включить систему обогрева буквально за пару часов до приезда.

Ложкой дегтя выступит ограничение работы данной системы, связанное с климатическими условиями большинства регионов страны. Эффективный обогрев возможен только при температуре от – 15 до + 20 градусов и дополнительной теплоизоляции строения. Для некоторых моделей нижняя граница составляет до – 30 градусов.

Наружный теплообменник монтируется на стену, более мощное оборудование может потребовать фундамента. Агрегаты, установленные на цокольном этаже, в виду своей высокой производительности передают шум и вибрации во внутренние помещения.

Принцип работы теплового насоса системы «вода-воздух» и «вода-вода»

• Если неподалеку от жилья располагается незамерзающий водоем с проточной водой или грунтовые воды протекают на небольшой глубине, то целесообразнее установить тепловой насос, работающий по принципу «вода-воздух» и «вода-вода».

• На дне водоема прокладывается система труб теплообменника. Груз в 5 кг на каждый метр рукава обеспечит его стабильность – не позволит перемещаться под действием течения. Посредством электрического насоса теплоноситель подается по каналу в испаритель.
• Накопленное тепло передается на внутренний контур, наполненный хладагентом с низкой температурой кипения. Под действием высоких температур фреон приобретает газообразную форму и затем попадает в конденсатор. Вторичный контур нагревает теплоноситель, который проходит в систему воздушного или водяного отопления дома.
• Выше была описана работа насоса закрытого типа. Здесь циркуляция происходит по замкнутому кругу – по завершению оборота водяной теплоноситель обратно поступает в водоем.
• Система открытого цикла предусматривает бурение двух скважин до уровня прохождения грунтовых вод.  В оду из них устанавливается электрический насос, закачивающий воду в теплообменник и далее по предыдущей схеме. Вторая скважина, расположенная не менее чем в 5 метрах от предыдущей, служит для сбрасывания уже охлажденного теплоносителя.

Плюсы. Минусы

Из-за низкого давления и недостаточно высокой температуры система может использоваться с тепловыми экранами и теплыми полами.

Среди плюсов можно отметить:

• экономичность. Качественное оборудование дает на 1 кВт электроэнергии 7-8 кВт тепла;
• минимум используемого пространства, за счет компактных размеров самого агрегата и удаленности работающего устройства.

Существенным минусом выступает дебет скважины. Уровень грунтовых вод может меняться при подвижках пластов. Поэтому система однажды станет бесполезной при резком падении воды.

При удаленности открытых водоемов установка тепловых насосов считается невыгодной и неэффективной. Тем более что для составления схемы прокладки, да и буровых и земляных работ необходимо привлечь специалистов и арендовать технику.

Лучшие производители

На рынке представлено оборудование от ведущих и малоизвестных компаний.

• Первые строчки занимает производитель NIBE AB (Швеция). Его оборудование отмечено благодаря уникальным свойствам и техническим характеристикам. Цена теплового насоса с таким принципом работы составляет от 500000 руб.
• Чуть ниже расположился HELIOTHERM (Австрия). Следующая позиция отдана продукции старейшей торговой марке Viessman (Германия), которая вот уже почти век разрабатывает и производит устройства для отопительных систем.

• Ведущие производители отвечают за качество, предоставляя гарантию на насосы до 25 лет бесперебойной службы. По их же заверению некоторые компоненты прослужат лет 100 не меньше.

Сборка системы своими силами

• К сожалению домашних мастеров, справиться прокладкой и монтажом сложных устройств не получится. Эта работа состоит из многих этапов от проектирования до сборки автоматического блока. Тонкости и нюансы сопровождают на каждом шаге установки, которые не может знать неподготовленный человек.
• Неправильный расчет длины магистрали, неверная глубина заложения коллектора, ошибочная настройка и балансировка может вывести всю систему из строя. Поэтому экономия нецелесообразна, переложите решение этой сложной задачи на плечи специализированных фирм.

Итог

В заключение хотелось бы беспристрастно рассмотреть преимущества работы тепловых насосов, так широко разрекламированных производителями.

• Экономичность – спорный вопрос. Дороговизна оборудования, установки и последующего обслуживания влетит в копеечку. О бережливости можно утверждать при наружной температуре до -5 градусов. Зная наши суровые зимы, потребление электроэнергии агрегатами автоматически повышается в разы.
• Универсальность. Системы можно использовать в качестве кондиционеров в летний период. Однако учитывая предыдущий пункт, возникает вопрос: не дороговато ли обойдется охлаждение дома?
• Экологичность – подтверждается безоговорочно, за счет неиспользования природных ресурсов и отсутствию продуктов горения в атмосферу.

• Эффективность обогрева. Данный фактор подтверждается только при качественном утеплении и изолировании всего здания. При других условиях установка теплового насоса нецелесообразна.
• Автоматическое управление, несомненно, в разы повышает комфорт. Функция позволяет с компьютера или телефона удаленно регулировать уровень температуры в помещениях. Однако такое преимущество есть не у всех моделей.

Безопасная эксплуатация возможна только при качественном подборе всех составляющих отопительной системы и, безусловно, грамотном монтаже.