Тепловой насос для отопления дома

Что такое тепловой насос для отопления дома. Устройство и принцип работы.

Тепловым насосом называют устройство, позволяющее осуществлять преобразование и перенос теплоты от какого-либо источника с низкой температурой к потребителю с более высокими температурными параметрами. Термодинамический цикл и принцип работы теплового насоса идентичен холодильной машине или кондиционеру. В основе данных устройств лежит один и тот же круговой процесс – обратный цикл Карно. Ключевая разница между данными устройствами заключается непосредственно в назначении оборудования и диапазоне рабочих температур.

Эти два деревянных дома – "Маяк" и "Чёрный лес" построенные компанией Archiline в Беларуси, оборудованы системой отопления и подогрева воды на основе теплового насоса и тёплого водяного плинтуса. Отопление происходит теплом земли и воздуха! Система требует небольшого количества электроэнергии для обеспечения работы контроллера. Закажите дом и Archiline оборудует его новой уникальной системой обогрева! Жмите на фото, посмотрите как выглядят дома внутри!

Деревянный дом – "Маяк":

Деревянный дом – "Чёрный лес":

На сегодняшний день в мире успешно эксплуатируются миллионы тепловых насосов различных конструкций и назначения. Однако наибольшее распространение в сфере теплоснабжения и кондиционирования зданий получили именно паро-компрессионные установки. Как же работает тепловой насос? Рассмотрим подробнее принцип работы и устройство паро-компрессионного теплового насоса.

В специальном теплообменнике, называемом испарителем, осуществляется передача тепла от внешнего низкопотенциального источника теплоты к рабочему телу теплового насоса – хладагенту.

Низкопотенциальным источником теплоты для теплового насоса может выступать любая общедоступная среда с невысокой температурой, например, окружающий воздух, грунт, подземные воды либо открытый водоём, какой-либо вторичный энергоресурс. В качестве хладагента в современных теплонасосных установках применяются экологичные фреоновые смеси, обладающие нулевым потенциалом разрушения озонового слоя (ODP = 0) и минимальным потенциалом глобального потепления (GWP → min).

Так, поступая в испаритель в жидком состоянии и под низким давлением, хладагент теплового насоса принимает теплоту от внешнего источника и испаряется, после чего в газообразном состоянии попадает в компрессор. В компрессоре теплового насоса происходит сжатие фреона с резким повышением его температуры. При этом основное потребление электроэнергии тепловым насосом приходится как раз именно на питание компрессора.

После компрессора сжатый и разогретый до высоких температур фреон поступает в следующий специальный теплообменник – конденсатор. В конденсаторе происходит передача преобразованного до высокого потенциала тепла от рабочего тела теплового насоса (фреона) к потребителю – воздуху отапливаемых помещений либо теплоносителю (воде) системы отопления здания.

Передавая тепло в конденсаторе, фреон переходит обратно в жидкое состояние и, после прохождения через редукционное устройство (расширительный клапан), возвращается к первому теплообменнику-испарителю с первоначальными параметрами – низким давлением и температурой.

Паро-компрессионный цикл замыкается. Таким образом, затрачивая лишь энергию на привод компрессора, в тепловом насосе происходит преобразование и передача тепла от источника с низкой температурой к потребителю с более высоким потенциалом. При этом к тепловому насосу требуется подвести в несколько раз меньше энергии, чем можно получить на выходе.



Коэффициент преобразования теплового насоса

Соотношение количества производимого тепла к затрачиваемой энергии называется коэффициентом преобразования теплового насоса или коэффициентом трансформации (обозначается как СОР). Для современных тепловых насосов величина СОР может достигать 5 – 5,5. Значение СОР = 5 показывает, что при подводе к тепловому насосу 1 кВт электрической энергии можно получить 5 кВт тепла.

СОР – это специальная безразмерная величина, позволяющая оценить эффективность использования теплового насоса, а также объективно сравнить различные тепловые насосы между собой.

Необходимо отметить, что часто величину СОР путают с коэффициентом полезного действия (КПД) устройства. Однако это не совсем верно. СОР теплового насоса в основном варьируется в диапазоне от 2 до 5, а КПД любой установки не может быть выше 1 (более 100%), ведь в каждом процессе существуют неизбежные потери и отступления от идеальных условий. Дело в том, что в значении СОР не учитывается то количество энергии, которое подводится к тепловому насосу от низкопотенциального источника. Величина СОР отражает скорее эффективность трансформации тепла от источника тепла к потребителю.

Тепловой насос позволяет использовать общедоступное и «бесплатное» внешнее тепло, аккумулируемое в грунте, водоемах, окружающем воздухе. Потребителем при этом затрачивается в несколько раз меньше энергии только на электропитание установки (работа, направленная преобразование теплоты от источника). Таким образом, значение СОР для потребителя принято объективно использовать вместо КПД, в качестве величины, показывающей непосредственную эффективность работы теплового насоса.

На практике значение СОР зависит от множества параметров. На величину СОР влияют: температура источника низкопотенциального тепла, температура нагреваемого или охлаждаемого теплоносителя, совершенство цикла работы, параметры используемого хладагента и т.д. Также часто в значении СОР учитывается потребление энергии циркуляционными насосами, встроенными в тепловой насос. Поэтому, оценивая СОР различных тепловых насосов, важно понимать, при каких температурных параметрах и по каким стандартам сравниваются значения.

Чем выше температура используемого низкопотенциального источника и чем ниже температура нагреваемой среды, тем выше производительность и эффективность работы теплового насоса.

Этим обуславливается высокая эффективность применения тепловых насосов с низкотемпературными системами отопления. Так, при работе с радиаторным отоплением, СОР теплового насоса приблизительно равен 3,5. При работе теплового насоса с низкотемпературной системой, например, напольным отоплением, СОР достигает величины 4,5 – 5,1. То есть, в случае с напольным отоплением тепловой насос будет потреблять на 30-40% меньше электрической энергии в сравнении с вариантом применения обычной радиаторной системы.



Виды тепловых насосов, особенности монтажа и эксплуатации

В зависимости от используемого источника тепла, а также нагреваемой (охлаждаемой) среды различают следующие тепловые насосы: воздух-воздух, воздух-вода, вода-вода, грунт-вода и т.д. Рассмотрим особенности устройства и эксплуатации основных типов тепловых насосов.

Тепловой насос «Воздух-воздух»

Тепловые насосы данного типа используют энергию наиболее общедоступного источника тепла – окружающего воздуха, нагревая при этом воздух отапливаемых помещений. В основном оборудование представлено сплит-системами небольшой мощности – установками, включающими в себя отдельный наружный блок теплового насоса и отдельный внутренний модуль (или несколько внутренних блоков – вариант мультисплит), размещаемый в помещении.

При этом наружный блок соединяется с внутренним модулем фреоновым контуром в процессе монтажа оборудования. Самый распространенный пример такого теплового насоса – бытовой кондиционер с функцией обогрева. Особенно популярны такие тепловые насосы в странах с более теплым климатом, где нет необходимости установки полноценной системы отопления, а функция обогрева нужна только в кратковременные периоды года.

Основные достоинства данного типа оборудования: лёгкость монтажа и относительно невысокая стоимость, возможность работы как в режиме отопления, так и в режиме кондиционера без установки дополнительных приборов. Основной недостаток: эффективность работы теплового насоса, использующего в качестве источника тепла наружный воздух, напрямую зависит от температуры последнего.

В холодный период года при отрицательных температурах, когда дому требуется больше тепла, СОР теплового насоса и производительность значительно снижаются и мощности оборудования становится недостаточно для обогрева помещений. При этом такой тепловой насос всегда имеет ограничение по используемой температуре - минимально допустимую для работы температуру наружного воздуха.

Современные тепловые насосы «воздух-воздух» способны работать до температур -25°С – -35°С. Но снижение эффективности работы и ограничения по температурам в холодный период года всё же не позволяют использовать такие тепловые насосы в качестве основного источника отопления дома в нашем климате, в этом случае необходимо наличие отдельной полноценной независимой системы теплоснабжения.



Тепловой насос «Воздух-вода»

Тепловые насосы, также использующие в качестве источника тепла наружный воздух. Однако для данного типа тепловых насосов в качестве нагреваемой среды выступает теплоноситель водяной системы отопления или горячего водоснабжения здания. Оборудование может быть представлено в виде сплит-систем или в виде моноблока (когда тепловой насос представляет собой единый наружный блок, подсоединяемый напрямую к водяной системе теплоснабжения здания), выпускаются модели как небольшой мощности в несколько киловатт, так и промышленные установки высокой производительности. Могут работать и в режиме нагрева, и в режиме охлаждения.

Эффективность работы таких тепловых насосов сопоставима с моделями «воздух-воздух». Минимальная рабочая температура наружного воздуха – -25°С, максимальная температура нагреваемого теплоносителя – +65°С. Среднегодовой коэффициент преобразования для систем «воздух-вода» равен примерно 3, при этом в тёплый период года значение СОР может быть равно 5 и выше.

Достоинства: лёгкость монтажа, возможность интеграции в общую бивалентную систему практически с любым действующим источником тепла, развитая система автоматики. Недостатки: ограничения по используемой температуре, снижение производительности при отрицательных температурах наружного воздуха. Такие тепловые насосы чаще всего используются в системах отопления и горячего водоснабжения вместе с традиционными источниками тепла, такими как дизельный, электрический либо газовый котел.

Тепловой насос «Грунт-вода» или «рассол-вода»

Тепловые насосы, использующие в качестве источника тепла энергию, аккумулированную в грунте – наиболее дорогие в монтаже, но и наиболее надежные и эффективные источники теплоснабжения среди теплонасосных установок. Выпускаются тепловые насосы в широком диапазоне мощностей – от компактных тепловых насосов для частных жилых домов производительностью нескольких киловатт до каскадных промышленных устройств мощностью в сотни киловатт.

Температура грунта на глубине остается постоянной на протяжении всего года и практически не подвержена сезонным влияниям. В зависимости от типа геотермального контура различают тепловые насосы с вертикальным контуром – скважинами, и горизонтальным – с укладкой в земле замкнутого горизонтального контура. В первом случае в пробуренные скважины опускаются U-образные зонды, количество и глубина скважин зависят от тепловой мощности устанавливаемого оборудования. В случае горизонтальной укладки – геотермальный коллектор петлями укладывается по территории на глубине, превышающей глубину промерзания грунта (1,2 – 1,5 м).

При этом, сам коллектор может быть как непосредственно испарителем теплового насоса (медные трубки, заполненные фреоном), так и представлять собой промежуточный контур между грунтом и испарителем теплового насоса – систему пластиковых труб, заполняемую теплоносителем с низкой температурой кристаллизации («рассолом»).

На практике большее распространение получили системы с организацией промежуточного рассольного контура. Тепловые насосы «грунт-вода» также способны работать и в качестве кондиционера летом, буквально «закачивая» в землю тепло и охлаждая здание. Кроме грунта горизонтальный геотермальный контур может быть уложен и на дно водоёма.

Тепловые насосы «рассол-вода» могут работать не только с устройством геотермального контура, они также позволяют рационально использовать энергию вторичных ресурсов, например, на предприятиях, отбирать тепло от канализационных стоков, систем водоснабжения и водоотведения, технологических жидкостей и т.д.

СОР тепловых насосов «грунт-вода» остается практически неизменным за всё время эксплуатации оборудования и составляет для современных установок около 3,5 – для высокотемпературных систем отопления, и от 4,5 до 5 – для низкотемпературного отопления.

Достоинства: возможность использования теплового насоса в качестве основного и единственного источника теплоснабжения дома, надежность, полная автономность системы и автоматизация всех процессов, высокая эффективность работы. Недостатки: дороговизна монтажа вертикального контура либо необходимость наличия большой территории для горизонтальной укладки геотермального коллектора.

Тепловой насос «Вода-вода»

Разновидность тепловых насосов, позволяющих осуществлять отбор тепла от воды без организации промежуточного контура, например с устройством системы переливных скважин, либо с использованием воды в качестве промежуточного теплоносителя вместо рассольного раствора. Условно данный тип тепловых насосов можно отнести к предыдущим установкам «грунт-вода» и «рассол-вода».



Вентиляционные тепловые насосы (рекуператоры)

Как правило, тепловые насосы небольшой мощности, специально спроектированные для отбора низкопотенциального тепла от воздуха с температурой от -15°С до +35°С из системы вентиляции зданий. В таких системах воздух, поступая из помещений, перед выбросом на улицу предварительно проходит через испаритель теплового насоса, передавая тепло фреоновому контуру. В тепловом насосе может осуществляться нагрев поступающего из улицы воздуха, теплоносителя системы отопления либо горячего водоснабжения. На сегодняшний день в Европе выделен отдельный класс вентиляционных тепловых насосов для горячего водоснабжения, позволяющих заменить традиционные электрические бойлеры.

Преимущества тепловых насосов

· Тепловой насос (тип грунт-вода) может являться полноценным источником теплоснабжения и кондиционирования здания наряду с такими традиционными системами, как газовый, дизельный или электрический котел, либо работать с ними в единой системе по бивалентной схеме (тип воздух-вода).

· Автономность работы. Автоматика теплового насоса позволяет обогревать дом на протяжении всего отопительного сезона совершенно автономно, без участия человека.

· Возможность удаленного контроля и управления: современные тепловые насосы позволяют осуществлять контроль и управление системой отопления дома через сеть Интернет.

· Безопасность и экологичность. Отсутствие пожароопасных процессов горения органического топлива с появлением вредных продуктов сгорания.

· Надежность и долговечность. Гарантия поставщиков тепловых насосов на оборудование составляет от 1 до 5 лет. Расчетный срок службы теплонасосного оборудования – 20 – 30 лет.

· Тихая работа. По уровню шума при работе тепловой насос сопоставим с холодильником.

· Возможность монтажа в любых помещениях: для установки теплового насоса не требуется специализированное помещение с отдельным входом, тепловой насос может быть установлен даже на кухне либо в ванной комнате.

· Минимальные затраты на техническое обслуживание: отсутствие дополнительных расходов на обслуживание системы в процессе эксплуатации, кроме оплаты за потребленную электроэнергию.

· Экономическая эффективность. Тепловой насос потребляет в среднем в 4 раза меньше электроэнергии, чем электрический котел аналогичной мощности. Эксплуатационные затраты сопоставимы со стоимостью газа при работе газового котла.

Особенности выбора теплового насоса

Тепловой насос – это современный эффективный и экологичный источник отопления дома. Однако ввиду относительно высокой стоимости оборудования (первоначальных капиталовложений) к выбору конкретного типа и модели теплового насоса стоит подходить максимально рационально.

При этом желательно сделать принципиальный выбор конкретного источника тепла ещё до проектирования системы отопления дома. Как правило, в новых домах с ещё не существующей системой отопления оптимальным может быть выбор системы типа «грунт-вода». В случае наличия уже действующего основного источника тепла в доме, например, дизельного котла, оправданным решением может быть установка теплового насоса типа «воздух-вода».

При выборе мощности устанавливаемого теплового насоса желательно произвести теплотехнический расчет ограждающих конструкций здания с целью уточнения тепловой нагрузки. Ведь дома даже с одинаковой отапливаемой площадью могут отличаться по тепловым потерям в 2 раза из-за конструктивных особенностей. Определившись с теплопотреблением здания, необходимо оценить, на какую часть нагрузки всё-таки стоит подбирать теплонасосное оборудование.

Зачастую правильнее подобрать тепловой насос мощностью 70-80% от тепловой нагрузки здания, т.к. максимальное (расчетное) количество тепла для системы отопления требуется лишь в совсем короткий промежуток времени в году – при самых низких температурах, от -24°С и ниже, что случается не так часто при нашем климате. Рациональнее выбрать тепловой насос меньшей мощности, существенно снизив капиталовложения в установку, и использовать несколько часов в году пиковый нагреватель, либо вложить средства в дополнительное утепление ограждающих конструкций здания.