Как правильно выбрать тепловой насос? Принцип действия тепловых насосов Тепловой насос для дома

Тепловой насос – это устройство, которое нагревает воду систем отопления и горячего водоснабжения, сжимая фреон, изначально подогретый от источника низкопотенциального тепла, компрессором до 28 бар. Подвергаясь высокому давлению, газообразный теплоноситель с изначальной температурой 5-10 °С; выделяет большое количество тепла. Что позволяет прогреть теплоноситель системы потребления до 50-60 °С, без применения традиционных видов топлива. Поэтому считается, что тепловой насос обеспечивает пользователя самым дешёвым теплом.

Подробнее о достоинствах и недостатках смотрите видео:

Подобное оборудование уже более 40 лет эксплуатируется в Швеции, Дании, Финляндии и других странах, на государственном уровне поддерживающих развитие альтернативной энергетики. Не так активно, но увереннее с каждым годом, тепловые насосы выходят на российский рынок.

Цель статьи: сделать обзор популярных моделей тепловых насосов. Информация будет полезна тому, кто стремится максимально сэкономить на отоплении и горячем водоснабжении собственного дома.

Тепловой насос обогревает дом бесплатной энергией природы

В теории, отбор тепла возможен из воздуха, грунта, грунтовых вод, сточных вод (в том числе из септика и КНС), открытыъ водоёмов. На практике – для большинства случаев доказана целесообразность использования оборудования, забирающего тепловую энергию из воздуха и грунта.

Варианты с отбором тепла от септика или канализационной насосной станции (КНС) – самые заманчивые. Прогоняя через ТН теплоноситель с 15-20 °С, на выходе можно получить не менее 70 °С. Но приемлем этот вариант только для системы горячего водоснабжения. Отопительный контур снижает температуру в «заманчивом» источнике. Что ведёт к ряду неприятных последствий. Например, обмерзанию стоков; а если теплообменный контур теплового насоса размещён на стенках отстойника, то и самого септика.

Самые популярные ТН под потребности СО и ГВС – геотермальные (использующие тепло земли) устройства. Они выделяются наилучшими эксплуатационными показателями в условиях тёплого и холодного климата, в песчаном и глинистом грунте с разным уровнем грунтовых вод. Потому что температура грунта ниже глубины промерзания почти не изменяется на протяжении всего года.

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

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

Теплообменник

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

Отопительный контур

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

Видео с подробным описанием процесса:

Что дешевле для отопления: электричество, газ или тепловой насос?

Приведем затраты на подключение каждого из типа отопления. Для представления общей картины возьмем Московскую область. В регионах цены могут отличаться, но соотношение цен останется прежним. В расчетах принимаем, что участок «голый» — без проведеного газа и электричества.

Затраты на подключение

Тепловой насос. Укладка горизонтального контура по ценам МО – 10 000 рублей за смену экскаватора с кубовым ковшом (выбирает до 1 000 м³ грунта за 8 часов). Система для дома в 100 м² будет закопана за 2 дня (справедливо для суглинка, на котором можно снять до 30 Вт тепловой энергии с 1 м.п. контура). Порядка 5 000 рублей потребуется для подготовки контура к работе. В итоге, горизонтальный вариант размещения первичного контура обойдётся в 25 000.

Скважина выйдет дороже (1 000 рублей за погонный метр, с учётом монтажа зондов, обвязки их в одну магистраль, заправкой теплоносителем и опрессовкой.), но значительно выгоднее для будущей эксплуатации. При меньшей занятой площади участка возрастает отдача (для скважины 50 м – минимум 50 Вт с метра). Покрываются потребности насоса, появляется дополнительный потенциал. Поэтому вся система будет работать не на износ, а с некоторым запасом мощности. Разместить 350 метров контура в вертикальных скважинах – 350 000 рублей.

Газовый котёл. В Московской области за подключение к газовой сети, работы на участке и монтаж котла «Мособлгаз» запрашивает от 260 000 рублей.

Электрический котел. Подключение трёхфазной сети обойдётся в 10 000 рублей: 550 – местным электросетям, остальное – на распределительный щит, счётчик и прочее наполнение.

Потребление

Для работы ТН с тепловой мощностью 9 кВт требуется 2.7 кВт/ч электроэнергии – 9 руб. 53 коп. в час,

Удельная теплота при сгорании 1 м³ газа – те же 9 кВт. Бытовой газ для МО выставлен по 5 руб. 14 коп. за куб.

Электрокотёл потребляет 9 кВт/ч = 31 руб. 77 коп. в час. Разница с ТН – почти в 3,5 раза.

Эксплуатация

Если подведён газ, то наиболее рентабельный вариант для отопления – газовый котёл. Стоит оборудование (9 кВт) минимум 26 000 рублей, месячная оплата за газ (по 12 ч/сутки) составит 1 850 рублей.
Мощное электрооборудование выгоднее с точки зрения организации трёхфазной сети и приобретения самого оборудования (котлы – от 10 000 рублей). Тёплый дом будет стоить 11 437 рублей за месяц.
С учётом первоначальных вложений в альтернативное отопление (оборудование 275 000 и монтаж горизонтального контура 25 000), ТН, расходующий электричества на 3 430 руб/месяц, окупится не ранее чем через 3 года.

Сравнивая все варианты отопления, при условии создания системы «с нуля», становится очевидным: газ будет не намного выгоднее геотермального теплонасоса, а обогрев электричеством в перспективе 3 лет безнадёжно проигрывает обоим этим вариантам.

С подробными расчётами в пользу эксплуатации теплового насоса можно ознакомиться, просмотрев видео от производителя:

Некоторые дополнения и опыт эффективной эксплуатации освещены в этом ролике:

Основные характеристики

При выборе оборудования из всего многообразия характеристик обратите внимание на следующие характеристики.

Основные характеристики тепловых насосов

Характеристики	Диапазон значений	Особенности
Тепловая мощность, кВт	До 8	Помещения площадью не более 80 – 100 м², при высоте потолка не более 3 м.
	8-25	Для одноуровневых дачных домов с потолком 2.5м, площадью от 50 м²; коттеджей для ПМЖ, до 260 м².
	Свыше 25	Целесообразно рассматривать для 2-3 уровневых жилых домов с потолками 2.7м; промышленных объектов – не более 150 м², при высоте потолка в 3 и более.
Потребляемая мощность основного оборудования (предельное потребление вспомогательных элементов) кВт/ч	От 2 (от 6)	Характеризует энергопотребление компрессора и циркуляционных насосов (тэна).
Схема работы	Воздух-воздух	Трансформированная тепловая энергия воздуха передаётся в помещение потоком прогретого воздуха через сплит-систему.
	Воздух — вода	Энергия, снятая с пропущенного через прибор воздуха, передаётся теплоносителю жидкостной отопительной системы.
	Рассол-вода	Передачу тепловой энергии от возобновляемого источника выполняет натриевый или кальциевый раствор.
	Вода-вода	По магистрали открытого первичного контура грунтовые воды несут тепловую энергию прямо к теплообменнику.
Температура теплоносителя на выходе, °С	55-70	Показатель важен для расчёта потерь на длинном отопительном контуре и при организации дополнительной системы горячего теплоснабжения.
Сетевое напряжение, V	220, 380	Однофазные – потребляемая мощность не более 5.5 кВт, только для стабильной (малонагруженной) бытовой сети; самые дешёвые – только через стабилизатор. Если есть сеть 380 V, то трёхфазные приборы предпочтительнее – больший диапазон мощностей, меньше вероятность «просадить» сеть.

Сводная таблица моделей

В статье мы рассмотрели наиболее популярные модели, выявили их сильные и слабые стороны. С перечнем моделей можете ознакомиться в следующей таблице:

Сводная таблица моделей

Модель (страна производитель)	Особенности	Цена, руб.
Тепловые насосы для отопления небольших помещений или под ГВС
1.	Система «воздух-вода»; работает от однофазной сети; выступающая конденсационная линия вставляется в бак с водой.	184 493
2.	«Рассол-вода»; питание от трёхфазной сети; вариативное управление мощностью; возможность подключения дополнительного оборудования – рекуператора, разнотемпературного оборудования.	355 161
3.	Тепловой насос типа «воздух – вода» с питанием от сети 220V и функцией защиты от замерзания.	524 640
Оборудование для отопительных систем коттеджей под ПМЖ
4.	Схема «вода – вода». Для того чтобы ТН мог выдавать стабильные 62 °С теплоносителя в системе отопления, возможности комплекта из компрессора и насосов (1.5 кВт) дополняет электронагреватель мощностью в 6 кВт.	408 219
5.	На базе схемы «воздух-вода», в одном приборе, состоящим из двух блоков, реализованы потенциалы охладительного и нагревательного устройств.	275 000
6.	«рассол-вода», прибор прогревает теплоноситель для радиаторов до 60 °С, может использоваться при организации каскадных систем отопления.	323 300
7.	В одном корпусе с геотермальным насосом размещён накопительный бак для системы горячего водоснабжения, на 180 литров теплоносителя	1 607 830
Мощные тепловые насосы для нужд систем отопления и горячего водоснабжения
8.	Возможен отбор тепла от грунта и грунтовых вод; возможны эксплуатация в составе каскадных систем и удалённое управление; работает от трёхфазной сети.	708 521
9.	«рассол-вода»; управление мощностью компрессора и частотой вращения циркуляционных насосов осуществляется посредством частотной регулировки; дополнительный теплообменник; сеть – 380 V.	1 180 453
10.	схема работы «вода-вода»; встроенные насосы первичного и вторичного контура; предусмотрена возможность подключения гелиосистем.	630 125

Тепловые насосы для отопления небольших помещений или под ГВС

Предназначение – экономичное отопление жилых и вспомогательных помещений, обслуживание системы горячего водоснабжения. Самым низким потреблением (до 2 кВт) выделяются однофазные модели. Для защиты от скачков напряжения в сети им нужен стабилизатор. Надёжность трёхфазных, объясняется особенностями сети (нагрузка распределяется равномерно) и присутствием собственных защитных цепей, предотвращающих повреждение устройства при перепадах напряжения. Оборудование этой категории не всегда справляется с одновременным обслуживанием системы отопления и контура горячего водоснабжения.

1. Huch EnTEC VARIO КНР S2-E (Германия) – от 184 493 руб.

Huch EnTEC VARIO самостоятельно не эксплуатируется. Только в связке с накопительным баком системы горячего водоснабжения. ТН подогревает воду для санитарных нужд, охлаждая воздух в помещении.

Из преимуществ – небольшое энергопотребление прибора, приемлемая температура воды в контуре ГВС и функция очистки системы (периодическим кратковременным нагреванием до 60 °С) от патогенных бактерий, развивающихся во влажной среде.

Минусы в том, что прокладки, фланцы и манжету, надо докупать отдельно. Обязательно оригинальные, иначе будут потёки.

При расчёте необходимо помнить, что устройство прокачивает 500 м³ воздуха в час, поэтому минимальная площадь помещения, в котором установлен Huch EnTEC VARIO, должна быть не менее 20 м², при высоте потолка в 3 и более метра.

2. NIBE F1155-6 EXP (Швеция) – от 355 161 руб.

Модель заявлена, как «интеллектуальное» оборудование, с автоматической настройкой под потребности объекта. Внедрена инверторная схема питания компрессора – появилась возможность настраивать выходную мощность.

Присутствие такой функции при малом числе потребителей (точки водоразбора, радиаторы отопления), делает отопление небольшого дома более выгодным, чем в случае с обычным, неинверторным ТН (у которых нет плавного пуска компрессора и выходная мощность не регулируется). Потому что у NIBE, при малых значениях мощности, тэны включаются редко, а собственное максимальное потребление теплового насоса – не более 2 кВт.

В условиях небольшого объекта шум (47 ДБ) не приемлем. Оптимальный вариант установки – отдельное помещение. Обвязку размещать на стенах не примыкающим к комнатам для отдыха.

3. Fujitsu WSYA100DD6 (Япония) – от 524 640 руб.

«Из коробки» работает только на нагрев в одном контуре. Опционально предлагается комплект для подключения второго контура, с возможностью независимой настройки для каждого. Но сам тепловой насос рассчитан на систему отопления помещения до 100 м², с высотой потолка не более 3 метров.

В списке преимуществ – небольшие габариты, работа от бытовой электросети, регулировка температуры на выходе 8…55 °С, что по замыслу производителя должно было как-то повлиять на комфорт и точность управления подключенными системами.

Но всё перечеркнула низкая мощность. В нашем климате, отапливая заявленные 100 м², устройство будет работать на износ. Что подтверждают частые переходы устройства в «аварийный» режим, с отключением помпы и ошибками на дисплее. Случай не гарантийный. Исправляется перезапуском оборудования.

«Аварии» влияют на расход электроэнергии. Потому что когда умолкает компрессор, в работу включается тэн. Поэтому совместное подключение контуров СО и тёплого пола (или ГВС) допустимо на объекте площадью не более 70 м².

Оборудование для отопительных систем типовых коттеджей под ПМЖ

Здесь представлены геотермальные, воздушные и водяные (снимающие тепловую энергию с грунтовых вод) устройства. Заявленной выходной мощности (не менее 8 кВт) достаточно чтобы обеспечить теплом все потребительские системы дачных (и ПМЖ) домов. У многих тепловых насосов этой категории есть режим охлаждения. Внедрённые инверторные схемы питания отвечают за плавный пуск компрессора, из-за его плавной работы снижается дельта (разница температур) теплоносителя. Выдерживается оптимальный режим работы контура (без лишних перегревов и выхолаживаний). Что позволяет снизить расход электроэнергии во всех режимах работы ТН. Наибольший экономический эффект – в устройствах «воздух-воздух».

4. Vaillant geoTHERM VWW 61/3 (Германия) – от 408 219 руб.

Использование воды из скважины в качестве теплоносителя первого контура (только VWW) позволило упростить конструкцию и снизить цену ТН без потери в производительности.

Устройство отличается малым энергопотреблением в основном режиме работы и низким уровнем шума.

Минус Vaillant – требовательность к воде (известные случаи повреждения подающей магистрали и теплообменника соединениями железа и марганца); следует исключить работу с солесодержащими водами. Ситуация не гарантийная, но если монтаж выполняли специалисты сервисного центра, то есть кому выставлять претензии.

Необходимо сухое, непромерзаемое помещение, объёмом не менее 6.1 м³ (2.44 м² при потолке 2.5 м). Каплеобразование под насосом – не брак (допускается стекание конденсата с поверхностей заизолированных контуров).

5. LG Therma V AH-W096A0 (Корея) – от 275 000 руб.

Тепловой насос системы «воздух-вода». Прибор составляют 2 модуля: наружный забирает тепловую энергию у воздушных масс, внутренний трансформирует и передаёт её системе отопления.

Главный плюс – универсальность. Можно настроить, как для обогрева, так и для охлаждения объекта.

Недостаток этой серии LG Therma в том, что его (и всей линейки) потенциала, не хватит для нужд коттеджа, площадью более 200 м².

Важный момент: рабочие блоки двухкомпонентной системы нельзя разносить более чем на 50 м в горизонтальной плоскости и на 30 м по вертикали.

6. STIEBEL ELTRON WPF 10MS (Германия) – от 323 300 руб.

Модель WPF 10MS – самая мощная из тепловых насосов STIEBEL ELTRON.

Среди преимуществ – автоматически подстраиваемый режим отопления и возможность соединения 6 устройств в каскадную (это параллельное или последовательное подключение приборов с целью увеличения расхода, напора или организации аварийного резерва) систему, мощностью до 60 кВт.

Минус в том, что организация мощной электросети, для одновременного подключения 6 таких приборов, возможна только с разрешения местного подразделения Ростехнадзора.

Есть особенность в установке режимов: после внесения необходимых корректировок в программу, следует подождать, пока погаснет контрольная лампа. Иначе, после закрывания крышки система вернётся к исходным настройкам.

7. Daikin EGSQH10S18A9W (Япония) – от 1 607 830 руб.

Мощное устройство для одновременного обеспечения теплом СО, ГВС и тёплого пола жилого дома, площадью до 130 м².

Программируемые и управляемые пользователем режимы; в рамках заданных параметров контролируются все обслуживаемые контуры; есть встроенный накопитель (для нужд ГВС) на 180 литров и вспомогательные нагреватели.

Из недостатков – внушительный потенциал, который не будет полностью задействован в доме 130 м²; цена, из-за которой период окупаемости растягивается на неопределённый срок; не реализованная в базовой комплектации автоматическая адаптация под внешние климатические условия. Термисторы (тепловые резисторы) окружающей среды устанавливаются опционально. То есть при изменениях внешней температуры, предлагается настраивать режим работы вручную.

Оборудование для объектов с большим потреблением тепла

Для полного обеспечения потребностей в тепловой энергии жилых и коммерческих зданий, площадью более 200 м². Дистанционное управление, каскадная эксплуатация, взаимодействие с рекуператорами и гелиосистемами – расширяют возможности пользователя в создании комфортной температуры.

8. WATERKOTTE EcoTouch DS 5027.5 Ai (Германия) – от 708 521 руб.

Модификация DS 5027.5 Ai – самая мощная в линейке EcoTouch. Стабильно прогревает теплоноситель отопительного контура и обеспечивает тепловой энергией систему ГВС в помещениях до 280 м².

Спиральный (самый производительный из существующих) компрессор; регулировка скорости потока теплоносителя позволяет получить стабильные показатели температуры на выходе; цветной дисплей; русифицированное меню; аккуратный внешний вид и низкий уровень шума. Каждая деталь для комфортной эксплуатации.

При активном пользовании точками водоразбора включаются тэны, из-за чего энергопотребление увеличивается на 6 кВт/ч.

9. DANFOSS DHP-R ECO 42 (Швеция) – от 1 180 453 руб.

Достаточно мощное оборудование для того чтобы обеспечить тепловой энергией систему горячего водоснабжения и отопительные контуры многоуровневого коттеджа с постоянным проживанием.

Вместо дополнительного обогревателя для ГВС, здесь задействован поток горячей воды с подачи отопительного контура. Пропуская уже горячую воду через пароохладитель, тепловой насос разогревает воду в дополнительном теплообменнике ГВС до 90 °С. Стабильная температура в СО и баке ГВС поддерживается за счёт автоматической регулировки скорости циркуляционных насосов. Подходит для каскадного подключения (до 8 ТН).

Нет тэнов для отопительного контура. Дополнительные ресурсы отбираются у любого сочетаемого котла – блок управления возьмет от него столько тепла, сколько требуется в конкретном случае.

При расчёте места под монтаж теплового насоса необходимо оставлять зазор в 300 мм между стеной и задней поверхностью устройства (для удобства контроля и обслуживания коммуникаций).

10. Viessmann Vitocal 300-G WWC 110 (Германия) – от 630 125 руб.

В роли теплоносителя первого контура – грунтовые воды. Отсюда и постоянная температура на первом теплообменнике, и самый высокий коэффициент СОР.

Среди плюсов — вспомогательный электронагреватель небольшой мощности на первом контуре и фирменный контроллер (по сути – беспроводной пульт) для удалённого управления.

Минус — работоспособность циркуляционного насоса, состояние магистрали и теплообменника первого контура зависит от качества перегоняемых грунтовых вод. Фильтрация обязательна.

Исключить появление сложно решаемых проблем с дорогостоящим оборудованием, поможет анализ грунтовых вод. Который следует сделать до покупки теплового насоса системы «вода-вода».

Выбор редакции

Многолетний опыт производства и эксплуатации тепловых насосов в Северной Европе позволил нашим соотечественникам сократить область поиска самого выгодного способа обогреть свой дом. Реальные варианты существуют под любой запрос.

Надо обеспечить теплом контур ГВС или систему отопления жилого дома до 80 — 100 м²? Рассмотрите потенциал NIBE F1155 – его «интеллектуальная» начинка экономит без ущерба теплоснабжению.

Стабильную температуру в контурах тёплого пола, СО, ГВС коттеджа в 130 м² обеспечит –здесь задействован теплообменник ГВС (180 литров).

Выдаёт постоянный тепловой поток одновременно для всех потребителей. Возможность создания каскада из 8 ТН позволяет обеспечить теплом объект площадью не менее 3 000 м².

Тепловой насос - это устройство, которое может обеспечивать вашему дому отопление зимой, охлаждение летом и производство горячей воды круглый год.

Тепловой насос использует энергию возобновляемых источников - нагретого воздуха, земли, скальных пород или воды - для производства тепловой энергии. Это преобразование осуществляется с помощью особых веществ - .

Принцип действия теплового насоса

Конструктивно любой тепловой насос состоит из двух частей: наружной, которая «забирает» тепло возобновляемых источников, и внутренней, которая отдает это тепло в систему отопления или кондиционирования вашего дома. Современные тепловые насосы отличаются высокой энергоэффективностью, что в практическом плане означает следующее - потребитель, т.е. владелец дома, используя тепловой насос, тратит на обогрев или охлаждение своего жилища, в среднем, всего четверть тех денег, которые он потратил бы, если теплового насоса не было.

Иначе говоря, в системе с тепловым насосом 75% полезного тепла (или холода) обеспечивается за счет бесплатных источников - тепла земли, грунтовых вод или нагретого в помещениях и выбрасываемого на улицу использованного воздуха.

Рассмотрим, как действует, пожалуй, самый популярный в быту тепловой насос, работающий за счет тепла земли. Работа теплонасоса происходит в несколько циклов.

Цикл 1, испарение

Наружная часть «земляного» теплового насоса представляет собой замкнутую систему труб, зарытых в землю на определенную глубину, где температура круглый год стабильна и составляет 7-12°C. Чтобы «собрать» достаточное количество энергии земли, требуется, чтобы общая площадь, занимаемая системой подземных труб, была в 1,5-2 раза больше всей отапливаемой площади дома. Эти трубы заполнены хладагентом, который нагревается до температуры земли.

Хладагент имеет очень низкую температуру кипения, поэтому способен прейти в газообразное состояние уже при температуре грунта. Далее этот газ поступает в .

Цикл 2, сжатие

Именно этот компрессор и расходует всю необходимую для работы теплового насоса энергию, но по сравнению, к примеру, с отоплением от , эти затраты заметно ниже. К сравнению затрат мы вернемся позже.

Итак, нагретый до температуры 7-12°C газообразный хладагент из подземных труб в камере компрессора сильно сжимается, что приводит к его резкому нагреву. Чтобы понять это просто вспомните, как нагревается обычный велосипедный насос, когда вы накачиваете шины. Принцип тот же самый.

Хозяину на заметку

«Тепловой насос - современное отопление. Но реальные значения эффективности теплонасосов зависят от температурных условий, т.е. в холодные дни их эффективность падает. Она составляет порядка 150% при температуре −20 °C, и порядка 300% при температуре источника +7 °C».

Цикл 3, конденсация

После цикла сжатия, мы получили горячий пар под высоким давлением, который подается уже во внутреннюю, «домашнюю» часть теплового насоса. Теперь этот газ может быть использован для системы воздушного отопления или для нагрева воды в системе водяного отопления и горячего водоснабжения. Также этот горячий пар может применяться с системой « ».

Отдавая тепло в систему отопления, горячий газ охлаждается, конденсируется и превращается в жидкость.

Цикл 4, расширение

Эта жидкость поступает в расширительный клапан, где ее давление понижается. Теперь жидкий хладагент низкого давления снова направляется в подземную часть для нагрева до температуры земли. И все циклы повторяются.

Эффективность использования тепловых насосов

На каждый 1 кВт электроэнергии, потребляемой тепловым насосом для работы его компрессора, в среднем, вырабатывается около 4 кВт полезной тепловой энергии. Это соответствует 300% эффективности.

Сравнение отопления с помощью теплового насоса с другими способами.

Данные представлены Европейской ассоциацией тепловых насосов (EHPA)

Тип отопления	Энергоэффективность, %

Следует понимать, что показатели эффективности тепловых насосов отличаются, в зависимости от конкретных условий, в которых действует ваше устройство. Так, если вы используете «земляной» тепловой насос, и у вас на участке глинистая почва, то эффективность теплонасоса будет примерно вдвое выше, чем если бы трубы теплового насоса лежали в песчаном грунте.

Также следует помнить, что укладка подземной части должна осуществляться ниже отметки промерзания грунта. Иначе тепловой насос работать вообще не будет.

Реальные значения эффективности тепловых насосов зависят от температурных условий, т.е. в холодные дни их эффективность падает. Она составляет порядка 150% при температуре −20 °C, и порядка 300% при температуре источника +7 °C. Но технологии не стоят на месте - современные модели отличается большей энергоэффективностью, причем эта тенденция сохраняется.

Тепловые насосы для охлаждения дома

По своему принципу действия тепловой насос аналогичен или . Поэтому в летнее время он может применяться не для обогрева дома, а для его охлаждения или кондиционирования. Вспомним, что, если речь идет о «земляном» теплонасосе, то температура грунта стабильна в пределах 7-12°C круглогодично. И с помощью теплового насоса она может передаваться в помещения дома.

Принцип работы системы охлаждения с помощью теплового насоса аналогичен системе отопления, только вместо радиаторов используются . При пассивном охлаждении теплоноситель просто циркулирует между фанкойлами и скважиной, т.е. холод из скважины напрямую поступает в систему кондиционирования, но сам компрессор при этом не работает. Если пассивного охлаждения недостаточно, включается компрессор теплового насоса, который дополнительно охлаждает теплоноситель.

Типы тепловых насосов

Бытовые тепловые насосы бывают 3-х основных типов, различающихся по внешнему источнику тепла:

«земляные» или «грунт-вода», «грунт-воздух»;
«водяные» или «вода-вода», «вода-воздух»;
«воздушные» или «воздух-вода», «воздух-воздух».

«Земляные» тепловые насосы

Самые популярные - это тепловые насосы, использующие тепло земли. О них уже шла речь выше. Это самые эффективные, но и самые дорогие из всех типов. Трубы, уходящие под землю, могут располагаться вертикально или горизонтально. В зависимости от этого, «земляные» тепловые насосы делятся на вертикальные и горизонтальные .

Вертикальные тепловые насосы требуют погружения труб, по которым циркулирует хладагент на значительную глубину: 50-200 м. Правда, есть альтернатива - сделать не одну такую скважину, а несколько, но более «мелких». Расстояние между такими скважинами должно быть не менее 10 м. Чтобы рассчитать глубину бурения, можно грубо прикинуть, что тепловой насос мощностью 10 кВт потребует скважины (одну или несколько) общей глубиной около 170 м. Следует также помнить, что бесполезно бурить очень мелкие - менее 50 м - скважины.

При горизонтальной укладке дорогостоящее бурение на большую глубину не требуется. Глубина заложения трубопроводов при этом способе - около 1 м, в зависимости от региона установки эта величина может как уменьшаться, так и увеличиваться. Труба с хладагентом при этом способе укладывается так, чтобы расстояние между соседними участками было не менее полутора метров, иначе сбор тепла не эффективен.

Хозяину на заметку

«Если вы живете в зоне умеренного климата - например, на Северо-Западе - то наиболее эффективный вариант для вас - тепловой насос, использующий тепло земли. Причем, лучше установить вертикальный вариант теплонасоса - особенно, если ваш дом находится на скальных породах».

Для установки теплового насоса мощностью 10 кВт необходима общая длина зарытой трубы порядка 350-450 м. Если принять во внимание ограничения, связанные с соседством разных участков между собой, то вам понадобится участок земли с размерами 20 на 20 метров. Есть ли такой свободный участок в наличии - большой вопрос.

Как выбрать нужный тепловой насос

Если вы живете в зоне умеренного климата - например, на Северо-Западе - то наиболее эффективный вариант для вас - тепловой насос, использующий тепло земли. Причем, лучше установить вертикальный вариант теплонасоса - особенно, если ваш дом находится на скальных породах, где найти свободный обширный участок земли проблематично. Но такой тип теплового насоса наиболее дорог по сумме капитальных затрат.

В зоне с мягким климатом - например, в Сочи - можно установить тепловой насос «воздух-вода», который не требует чрезмерных капитальных затрат и особенно эффективен в местности, где сезонные колебания температур сравнительно невелики.

В зависимости от принципа действия, бывают и . Более популярны модели, работающие от электричества.

Еще одно важное замечание. Хорошей идеей являются комбинированные модели тепловых насосов, которые совмещают классический вариант теплонасоса с газовым или электрическим нагревателем. Такие нагреватели могут применяться при неблагоприятных погодных условиях, когда эффективность теплового насоса снижается. Как уже говорилось, особенно снижение эффективности свойственно тепловым насосам «воздух-вода» и «воздух-воздух».

Комбинация этих двух источников тепла позволяет снизить стоимость капитальных затрат и увеличить срок окупаемости теплонасосной установки.

Преимущества и недостатки тепловых насосов

Главным достоинством тепловых насосов являются их низкие эксплуатационные расходы. Т.е. стоимость произведенного тепла или охлаждения для конечного потребителя является самой низкой по сравнению с другими способами отопления/кондиционирования. Кроме этого, система с тепловым насосом практически безопасна для дома. Следовательно, упрощаются требования к системам вентиляции его помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Что также положительно влияет на стоимость установки этих систем.

Тепловые насосы просты в эксплуатации и весьма надежны, а еще - практически бесшумны.

Еще один плюс - вы легко можете переключить тепловой насос с отопления на охлаждение в случае необходимости. Нужно лишь иметь дома не только отопительные , но и фанкойлы.

Что такое тепловой насос для дома ✮Большой выбор тепловых насосов на портале сайт

Но есть у них и минусы, главный из которых является оборотной стороной главного плюса - капитальные затраты на их установку весьма существенны. Еще одним недостатком тепловых насосов до недавнего времени была сравнительно низкая температура теплоносителя - не более 60 C. Но последние разработки дали возможность устранить этот недостаток. Правда, и цена на такие модели выше, чем на стандартные.

Тепловой насос - хорошая альтернатива традиционному отоплению частного дома. Прибор, используемый в течение 30 лет в странах Запада, в России еще является новинкой. Препятствием для его широкого использования являются два фактора: высокая стоимость и недостаток сведений о тепловых насосах, их преимуществах и принципах работы. Показателем практичности геотермальной системы отопления служит ее популярность на Западе. Так, тепловыми насосами в Швеции и Норвегии отапливаются около 95% домов. Предлагаем вам подробнее ознакомиться с устройством и принципами работы этого теплового оборудования, за которым, непременно, будущее.

Что такое тепловой насос?

Тепловой насос - прибор, поглощающий из окружающей среды (вода, земля, воздух) низко потенциальную тепловую энергию и передающий ее в системы теплоснабжения с более высокой температурой.

Природа вокруг нас пропитана энергией. Даже мороз обладает теплом. Энергию невозможно извлечь из окружающей среды только при температуре -273 °С. Поэтому даже в самую лютую зиму загородный дом может отапливаться за счет энергии, полученной от природы.

В зависимости от источника энергии (вода, земля, воздух), происходит модификация тепловых насосов. Однако наиболее практичным и испытанным является геотермальный тепловой насос, применяющий энергию грунта. Он идеально подходит для российских условий.

Геотермальное отопление работает по одному из трех направлений:

Использование геотермального отопления, как и любой системы теплоснабжения, позволит не только обогреть дом, но и обеспечить горячей водой, обогреть автостоянку или теплицу, нагреть воду в бассейне

Преимущества использования теплового насоса

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:

Незамерзающая смесь подается в коллектор. Происходит поглощение тепловой энергии и транспортировка ее к насосу.
В испарителе энергия передается фреону, где он нагревается до 8 °C , закипает и превращению в пар.
При увеличении давления в компрессоре повышается температура. Она может достигать 70 °C.
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.
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.

Отопление дома в зимний период

На территории с более суровыми климатическими условиями актуально использование бивалентной системы отопления . За счет второго источника тепла расширяется диапазон температур. Работы одного теплового насоса достаточно только до уровня температуры -20 °С. При большем ее понижении подключаются электрообогреватель , камин, жидкотопливный или газовый котел. При этом мощность теплового насоса ограничивается от максимальной зимней потребности до 70 - 80%. Недостающие 20 - 30% дает дополнительный источник тепла. Это снижает общую эффективность работы системы. Однако снижение является незначительным.

При полном переходе на отопление здания геотермальной системой (в случае, когда не планируется устанавливать дополнительно котел или электроприбор) тепловой насос применяется совместно с внутренним модулем, содержащим небольшой встроенный электронагреватель. Он поддержит прибор, когда температура окружающей среды будет ниже -20 °С.

В каких случаях использование теплового насоса является обоснованным?

Вопрос отопления загородного дома предполагает рассмотрение нескольких вариантов:

Газ . При отсутствии рядом с домом газопровода это становится невозможным. В ряде регионов купить газ можно только в баллонах.
Уголь или дрова . С ними отопление превращается в трудоемкий и малоэффективный процесс.
Жидкотопливный котел требует больших расходов на топливо и специального помещения. Особое хранение необходимо и самому топливу, что неудобно в небольшом доме.
Отопление электричеством обходится очень дорого.

В таком случае на помощь приходит геотермальная система отопления . Ее используют даже там, где доступен газ. Установка теплового насоса дороже установки оборудования для отопления газом. Однако, газ в дальнейшем придется оплачивать постоянно, в отличие от энергии, взятой из окружающей среды.

Окупаемость теплового насоса сложно выразить в усредненном числовом значении. Все зависит от его начальной стоимости. Суть установки такого отопления сводится к перспективе. Хотя количество потребляемой электроэнергии - в 3−5 раз меньше , чем у других систем отопления, все же необходимо подсчитать в денежном эквиваленте все энергозатраты за год и сравнить их со стоимостью системы, ее монтажа и эксплуатации.

Достигнуть максимальной эффективности применения теплового насоса можно при соблюдении двух важных условий:

Отапливаемое здание должно быть утепленным , а показатель теплопотерь не должен превышать 100 Вт/м2. Существует прямая связь между тем, как утеплен дом и тем, насколько выгодно будет установка теплонасоса.
Подключение теплового насоса к низкотемпературным источникам обогрева (конвекторам , теплым полам), температурный режим которых колеблется между 30 - 40 °C.

Итак, тепловой насос станет неплохой альтернативой традиционным способам отопления. Прибор гарантирует экономичность и полную безопасность . Владельцу, после установки геотермальной системы отопления, не придется зависеть от различных внешних факторов, как, например, перебои с газоснабжением или вызовом сервисной службы. Энергия, взятая из окружающей среды, не требует оплаты и не исчерпывается.

В соответствии с прогнозами Мирового комитета по энергетике в 2020 г. геотермальные насосы составят три четверти всего отопительного оборудования.

Практика применения тепловых насосов: видео

К концу XIX века появились мощные холодильные установки, которые могли перекачать тепла как минимум вдвое больше, чем тратилось энергии на приведение их в действие. Это был шок, ведь формально выходило, что тепловой вечный двигатель возможен! Однако при внимательном рассмотрении выяснилось, что до вечного двигателя по-прежнему далеко, а низкопотенциальное тепло, добытое с помощью теплового насоса, и высокопотенциальное тепло, получаемое, например, при сжигании топлива, - это две большие разницы. Правда, соответствующая формулировка второго начала была несколько видоизменена. Так что же такое тепловые насосы? В двух словах, тепловой насос - это современный и высокотехнологичный прибор для отопления и кондиционирования воздуха. Тепловой насос собирает тепло с улицы или из земли и направляет в дом.

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы теплового насоса прост: за счёт механической работы либо других видов энергии он обеспечивает концентрацию тепла, ранее равномерно распределённого по некоторому объёму, в одной части этого объёма. В другой части, соответственно, образуется дефицит тепла, то есть холод.

Исторически тепловые насосы впервые начали широко применяться в качестве холодильников - по сути, любой холодильник представляет собой тепловой насос, перекачивающий тепло из холодильной камеры наружу (в комнату или на улицу). Никакой альтернативы этим устройствам до сих пор нет, и при всём многообразии современной холодильной техники базовый принцип остаётся прежним: откачка тепла из холодильной камеры за счёт дополнительной внешней энергии.

Естественно, практически сразу же обратили внимание на то, что заметный нагрев теплообменника конденсатора (у бытового холодильника он обычно выполнен в виде чёрной панели или решётки на задней стенке шкафа) можно было бы использовать и для обогрева. Это уже была идея обогревателя на основе теплового насоса в её современном виде - холодильник наоборот, когда тепло закачивается в замкнутый объём (помещение) из неограниченного внешнего объёма (с улицы). Однако в этой области конкурентов у теплового насоса полно - начиная с традиционных дровяных печей и каминов и заканчивая всевозможными современными отопительными системами. Поэтому многие годы, пока топливо было относительно дешёвым, эта идея рассматривалась как не более чем курьёз, - в большинстве случаев она была абсолютно невыгодна экономически, и лишь крайне редко такое использование было оправдано - обычно для утилизации тепла, откачиваемого мощными холодильными установками в странах с не слишком холодным климатом. И только со стремительным ростом цен на энергоносители, усложнением и удорожанием отопительного оборудования и относительным удешевлением на этом фоне производства тепловых насосов, такая идея становится экономически выгодной сама по себе, - ведь заплатив один раз за довольно сложную и дорогую установку, затем можно будет постоянно экономить на сокращённом расходе топлива. Тепловые насосы являются основой набирающих популярность идей когенерации - одновременной выработки тепла и холода - и тригенерации - выработки сразу тепла, холода и электричества.

Поскольку тепловой насос является сутью любой холодильной установки, то можно сказать, что понятие «холодильная машина» - его псевдоним. Правда, следует иметь в виду, что несмотря на универсальность используемых принципов работы, конструкции холодильных машин всё-таки ориентированы именно на выработку холода, а не тепла - например, вырабатываемый холод концентрируется в одном месте, а получаемое тепло может рассеиваться в нескольких разных частях установки, потому что в обычном холодильнике стоит задача не утилизировать это тепло, а просто избавиться от него.

Классы тепловых насосов

В настоящее время наиболее широко применяются два класса тепловых насосов. К одному классу можно отнести термоэлектрические на эффекте Пельтье, а к другому - испарительные, которые, в свою очередь подразделяются на механические компрессорные (поршневые или турбинные) и абсорбционные (диффузионные). Кроме того, постепенно возрастает интерес к использованию в качестве тепловых насосов вихревых труб, в которых работает эффект Ранка.

Тепловые насосы на эффекте Пельтье

Элемент Пельтье

Эффект Пельтье заключается в том, что при подаче на две стороны специально подготовленной полупроводниковой пластины небольшого постоянного напряжения, одна сторона этой пластины нагревается, а другая - охлаждается. Вот, в общем-то, и готов термоэлектрический тепловой насос!

Физическая суть эффекта состоит в следующем. Пластина элемента Пельтье (он же «термоэлектрический элемент», англ. Thermoelectric Cooler, TEC), состоит из двух слоёв полупроводника с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При переходе электрона под действием внешнего напряжения в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, он должен приобрести энергию. При получении им этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников (при протекании тока в обратном направлении происходит обратный эффект - место контакта слоёв нагревается дополнительно к обычному омическому нагреву).

Достоинства элементов Пельтье

Достоинством элементов Пельтье является максимальная простота их конструкции (что может быть проще пластины, к которой припаяны два проводка?) и полное отсутствие каких-либо движущихся частей, а также внутренних потоков жидкостей или газов. Следствием этого является абсолютная бесшумность работы, компактность, полное безразличие к ориентации в пространстве (при условии обеспечения достаточного теплоотвода) и очень высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам. Да и рабочее напряжение составляет лишь несколько вольт, поэтому для работы вполне достаточно нескольких батареек или автомобильного аккумулятора.

Недостатки элементов Пельтье

Главным недостатком термоэлектрических элементов является их относительно невысокая эффективность - ориентировочно можно считать, что на единицу перекачанного тепла им потребуется вдвое больше подведённой внешней энергии. То есть, подведя 1 Дж электрической энергии, из охлаждаемой области мы сможем удалить лишь 0.5 Дж тепла. Понятно, что все суммарные 1.5 Дж выделятся на «тёплой» стороне элемента Пельтье и их надо будет отвести во внешнюю среду. Это во много раз ниже эффективности компрессионных испарительныхтепловых насосов.

На фоне столь низкого КПД обычно уже не так важны остальные недостатки, - а это небольшая удельная производительность в сочетании с высокой удельной стоимостью.

Использование элементов Пельтье

В соответствии с их особенностями, основная область применения элементов Пельтье в настоящее время обычно ограничивается случаями, когда требуется не очень сильно охладить что-либо не слишком мощное, особенно в условиях сильной тряски и вибраций и при жёстких ограничениях по массе и габаритам, - например, различные узлы и детали электронной аппаратуры, прежде всего военной, авиационной и космической. Пожалуй, самое широкое распространение в быту элементы Пельтье получили в маломощных (5..30 Вт) переносных автомобильных холодильниках.

Испарительные компрессионные тепловые насосы

Схема рабочего цикла испарительного компрессионного теплового насоса

Принцип работы этого класса тепловых насосов заключается в следующем. Газообразный (полностью или частично) хладагент сжимается компрессором до давления, при котором он может превратиться в жидкость. Естественно, при этом он нагревается. Нагретый сжатый хладагент подаётся в радиатор конденсатора, где охлаждается до температуры окружающей среды, отдавая ей излишнее тепло. Это зона нагрева (задняя стенка кухонного холодильника). Если на входе конденсатора значительная часть сжатого горячего хладагента ещё оставалась в виде пара, то при понижении температуры в ходе теплообмена она также конденсируется и переходит в жидкое состояние. Относительно охлаждённый жидкий хладагент подаётся в расширительную камеру, где, проходя через дроссель или детандер, теряет давление, расширяется и испаряется, по крайней мере частично переходя в газообразную форму, и, соответственно, охлаждается, - существенно ниже температуры окружающей среды и даже ниже температуры в зоне охлаждения теплового насоса. Проходя по каналам панели испарителя, холодная смесь жидкого и парообразного теплоносителя отбирает тепло из зоны охлаждения. За счёт этого тепла продолжает испаряться оставшаяся жидкой часть хладагента, поддерживая стабильно низкую температуру испарителя и обеспечивая эффективный отбор тепла. После этого хладагент в виде пара добирается до входа компрессора, который откачивает и вновь сжимает его. Затем всё повторяется сначала.

Таким образом, на «горячем» участке компрессор-конденсатор-дроссель хладагент находится под высоким давлением и преимущественно в жидком состоянии, а на «холодном» участке дроссель-испаритель-компрессор давление низкое, а хладагент в основном находится в парообразном состоянии. И сжатие, и разрежение создаются одним и тем же компрессором. С противоположной от компрессора стороны тракта зоны высокого и низкого давления разделяет дроссель, ограничивающий поток хладагента.

В мощных промышленных холодильниках в качестве хладагента используется ядовитый, но эффективный аммиак, производительные турбокомпрессоры и иногда детандеры. В бытовых холодильниках и кондиционерах хладагентом обычно являются более безопасные фреоны, а вместо турбоагрегатов используются поршневые компрессоры и «капиллярные трубки» (дроссели).

В общем случае изменение агрегатного состояния хладагента необязательно - принцип будет рабочим и для постоянно газообразного хладагента, - однако большая теплота изменения агрегатного состояния многократно повышает эффективность рабочего цикла. Но вот если хладагент будет всё время находиться в жидком виде, эффекта не будет принципиально - ведь жидкость практически несжимаема, а потому ни повышение, ни снятие давления не изменят её температуру..

Дроссели и детандеры

Многократно употребляемые на этой странице термины «дроссель» и «детандер» обычно мало что говорят людям, далёким от холодильной техники. Поэтому следует сказать пару слов об этих устройствах и основном различии между ними.

Дросселем в технике называется устройство, предназначенное для нормирования потока за счёт его принудительного ограничения. В электротехнике это название закрепилось за катушками, призванными ограничить скорость нарастания тока и обычно применяемыми для защиты электросхем от импульсных помех. В гидравлике дросселями, как правило, называют ограничители потока, представляющие собой специально созданные сужения канала с точно рассчитанным (калиброванным) просветом, обеспечивающим нужный поток или необходимое сопротивление потоку. Классическим примером таких дросселей являются жиклёры, широко использовавшиеся в карбюраторных двигателях для обеспечения расчётного поступления бензина при подготовке топливной смеси. Дроссельная заслонка в тех же карбюраторах нормировала поток воздуха - второго необходимого ингредиента этой смеси.

В холодильной технике дроссель используется для ограничения потока хладагента в расширительную камеру и поддержания там условий, необходимых для эффективного испарения и адиабатического расширения. Слишком большой поток может вообще привести к заполнению расширительной камеры хладагентом (компрессор просто не успеет откачать его) или, по крайней мере, к потере там необходимого разрежения. А ведь именно испарение жидкого хладагента и адиабатическое расширение его паров обеспечивает необходимое для работы холодильника падение температуры хладагента ниже температуры окружающей среды.

Принципы работы дросселя (слева), поршневого детандера (в центре) и турбодетандера (слева).

В детандере расширительная камера несколько модернизирована. В ней испаряющийся и расширяющийся хладагент дополнительно совершает механическую работу, перемещая находящийся там поршень или вращая турбину. При этом ограничение потока хладагента может осуществляться за счёт сопротивления поршня или колеса турбины, хотя на деле это обычно требует очень тщательного подбора и согласования всех параметров системы. Поэтому и при использовании детандеров основное нормирование потока может осуществляться дросселем (калиброванным сужением канала подачи жидкого хладагента).

Турбодетандер эффективен лишь при больших потоках рабочего тела, при малом потоке его эффективность близка к обычному дросселированию. Поршневой детандер может эффективно работать с гораздо меньшим расходом рабочего тела, однако конструкция его на порядок сложнее турбины: помимо самого поршня со всеми необходимыми направляющими, уплотнениями и системой возврата, требуются впускные и выпускные клапаны с соответствующим управлением ими.

Преимуществом детандера перед дросселем является более эффективное охлаждение за счёт того, что часть тепловой энергии хладагента превращается в механическую работу и в такой форме отводится из теплового цикла. Более того, эта работа затем может быть использована с пользой для дела, скажем, для привода насосов и компрессоров, как это сделано в «холодильнике Зысина». Зато простой дроссель имеет абсолютно примитивную конструкцию и не содержит ни одной движущейся детали, а потому по надёжности, долговечности, а также простоте и себестоимости изготовления оставляет детандер далеко позади. Именно эти причины обычно ограничивают область применения детандеров мощной криогенной техникой, а в бытовых холодильниках используются менее эффективные, зато практически вечные дроссели, называемые там «капиллярными трубками» и представляющие собой простую медную трубку достаточно большой длины с просветом малого диаметра (обычно от 0.6 до 2 мм), которая обеспечивает необходимое гидравлическое сопротивление для расчётного потока хладагента.

Достоинства компрессионных тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов - их высокая эффективность, самая высокая среди современных тепловых насосов. Соотношение подведённой извне и перекачанной энергии у них может достигать 1:3 - то есть на каждый джоуль подведённой энергии из зоны охлаждения будет откачано 3 Дж тепла - сравните с 0.5 Дж у элементов Пельте! При этом компрессор может стоять отдельно, и выработанное им тепло (1 Дж) необязательно отводить во внешнюю среду в том же месте, где отдаются 3 Дж тепла, откачанные из зоны охлаждения.

Кстати, существует отличающаяся от общепринятой, но весьма любопытная и убедительная теория термодинамических явлений. Так вот, один из её выводов заключается в том, что работа по сжатию газа в принципе может составлять лишь порядка 30% от его общей энергии. А это означает, что соотношение подведённой и перекачанной энергии 1:3 соответствует теоретическому пределу и при термодинамических методах перекачки тепла не может быть улучшено в принципе. Впрочем, некоторые производители уже заявляют о достижении соотношения 1:5 и даже 1:6, и это соответствует действительности - ведь в реальных холодильных циклах используется не просто сжатие газообразного хладагента, но и изменение его агрегатного состояния, и именно последний процесс является главным...

Недостатки компрессионных тепловых насосов

К недостаткам этих тепловых насосов можно отнести, во-первых, само наличие компрессора, неизбежно создающего шум и подверженного износу, а во-вторых, необходимость использования специального хладагента и соблюдение абсолютной герметичности на всём его рабочем пути. Впрочем, бытовые компрессионные холодильники, непрерывно работающие по 20 лет и более без какого-либо ремонта, - совсем не редкость. Ещё одна особенность - довольно высокая чувствительность к положению в пространстве. На боку или вверх ногами вряд ли заработает и холодильник, и кондиционер. Но это связано с особенностями конкретных конструкций, а не с общим принципом работы.

Как правило, компрессионные тепловые насосы и холодильные установки проектируются в расчёте на то, что на входе компрессора весь хладагент находится в парообразном состоянии. Поэтому попадание на вход компрессора большого количества неиспарившегося жидкого хладагента может вызвать в нём гидравлический удар и, как результат, серьёзную поломку агрегата. Причиной такой ситуации может быть как износ аппаратуры, так и слишком низкая температура конденсатора - поступающий в испаритель хладагент слишком холодный и испаряется слишком вяло. Для обычного холодильника такая ситуация может возникнуть, если пытаться его включить в очень холодном помещении (например, при температуре около 0°С и ниже) либо если он только что внесён в нормальное помещение с мороза. Для работающего на обогрев компрессионного теплового насоса это может случится, если пытаться отогреть им промороженное помещение при том, что на улице тоже холодно. Не очень сложные технические решения устраняют эту опасность, но они удорожают конструкцию, а при штатной эксплуатации массовой бытовой техники в них нет нужды - такие ситуации не возникают.

Использование компрессионных тепловых насосов

В силу своей высокой эффективности именно этот тип тепловых насосов получил практически повсеместное распространение, вытеснив все остальные в различные экзотические области применения. И даже относительная сложность конструкции и её чувствительность к повреждениям не могут ограничить их широкое использование - почти на каждой кухне стоит компрессионный холодильник или морозильник, а то и не один!

Испарительные абсорбционные (диффузионные) тепловые насосы

Рабочий цикл испарительных абсорбционных тепловых насосов весьма схож с рабочим циклом испарительных компрессионных установок, рассмотренных чуть выше. Главное различие заключается в том, что если в предыдущем случае разрежение, необходимое для испарения хладагента, создаётся при механическом отсосе паров компрессором, то в абсорбционных агрегатах испарившийся хладагент поступает из испарителя в блок абсорбера, где поглощается (абсорбируется) другим веществом - абсорбентом. Тем самым пар удаляется из объёма испарителя и там восстанавливается разрежение, обеспечивающее испарение новых порций хладагента. Необходимым условием является такое «сродство» хладагента и абсорбента, чтобы силы их связывания при поглощении смогли создать существенное разрежение в объёме испарителя. Исторически первой и до сих широко используемой парой веществ является аммиак NH3 (хладагент) и вода (абсорбент). При поглощении пары аммиака растворяются в воде, проникая (диффундируя) в её толщу. От этого процесса произошли альтернативные названия таких тепловых насосов - диффузионные или абсорбционно-диффузионные.
Для того чтобы вновь разделить хладагент (аммиак) и абсорбент (воду), отработавшую и богатую аммиаком водо-аммиачную смесь нагревают в десорбере внешним источником тепловой энергии вплоть до кипения, затем несколько охлаждают. Первой конденсируется вода, но при высокой температуре сразу после конденсации она способна удержать очень мало аммиака, поэтому основная часть аммиака остаётся в виде пара. Здесь находящиеся под давлением жидкую фракцию (воду) и газообразную (аммиак) разделяют и по отдельности охлаждают до температуры окружающей среды. Остывшая вода с малым содержанием аммиака направляется в абсорбер, а аммиак при охлаждении в конденсаторе становится жидким и поступает в испаритель. Там давление падает, и аммиак испаряется, снова охлаждая испаритель и забирая извне тепло. Затем вновь соединяют пары аммиака с водой, удаляя из испарителя излишки аммиачных паров и поддерживая там низкое давление. Обогащённый аммиаком раствор опять направляется в десорбер на разделение. В принципе, для десорбции аммиака кипятить раствор не обязательно, достаточно просто нагреть его близко к температуре кипения, и «лишний» аммиак улетучится из воды. Но кипячение позволяет провести разделение наиболее быстро и эффективно. Качество такого разделения является главным условием, определяющим разрежение в испарителе, а стало быть, эффективность работы абсорбционного агрегата, и многие ухищрения в конструкции направлены именно на это. В результате, по организации и количеству стадий рабочего цикла абсорбционно-диффузионные тепловые насосы, пожалуй, являются наиболее сложными из всех распространённых типов подобного оборудования.

«Изюминкой» принципа работы является то, что для выработки холода здесь используется нагрев рабочего тела (вплоть до его кипения). При этом вид источника нагрева непринципиален, - это может быть даже открытый огонь (пламя горелки), поэтому использование электричества необязательно. Для создания необходимой разности давлений, обуславливающей движение рабочего тела, иногда могут использоваться механические насосы (обычно в мощных установках при больших объёмах рабочего тела), а иногда, в частности в бытовых холодильниках, - элементы без подвижных частей (термосифоны).

Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат (АДХА) холодильника «Морозко-ЗМ».1 - теплообменник;2 - сборник раствора;3 - аккумулятор водорода;4 - абсорбер;5 - регенеративный газовый теплообменник;6 - дефлегматор («обезжиживатель»); 7 - конденсатор;8 - испаритель; 9 - генератор;10 - термосифон; 11 - регенератор;12 - трубки слабого раствора; 13 - пароотводящая трубка;14 - электронагреватель; 15 - термоизоляция.

Первые абсорбционные холодильные машины (АБХМ) на аммиачно-водяной смеси появились во второй половине XIX века. В быту из-за ядовитости аммиака они тогда большого распространения не получили, но весьма широко использовались в промышленности, обеспечивая охлаждение вплоть до –45°С. В одноступенчатых АБХМ теоретически максимальная холодопроизводительность равна количеству затраченного на нагрев тепла (реально, конечно, заметно меньше). Именно этот факт подкреплял уверенность защитников той самой формулировки второго начала термодинамики, о которой говорилось в начале этой страницы. Однако сейчас и абсорбционные тепловые насосы преодолели это ограничение. В 1950-х годах появились более эффективные двухступенчатые (два конденсатора или два абсорбера) бромистолитиевые АБХМ (хладагент - вода, абсорбент - бромид лития LiBr). Трёхступенчатые варианты АБХМ запатентованы в 1985-1993 годах. Их образцы-прототипы по эффективности превосходят двухступенчатые на 30–50% и приближаются к массовым моделям компрессионных установок.

Достоинства абсорбционных тепловых насосов

Главное достоинство абсорбционных тепловых насосов - это возможность использовать для своей работы не только дорогое электричество, но и любой источник тепла достаточной температуры и мощности - перегретый или отработанный пар, пламя газовых, бензиновых и любых других горелок - вплоть до выхлопных газов и даровой солнечной энергии.

Второе достоинство этих агрегатов, особенно ценное в бытовых применениях, - это возможность создания конструкций, не содержащих движущихся деталей, а потому практически бесшумных (в советских моделях этого типа иногда можно было услышать тихое бульканье или лёгкое шипение, но, конечно, это не идёт ни в какое сравнение с шумом работающего компрессора).

Наконец, в бытовых моделях рабочее тело (обычно это водо-аммиачная смесь с добавлением водорода или гелия) в используемых там объёмах не представляет большой опасности для окружающих даже в случае аварийной разгерметизации рабочей части (это сопровождается весьма неприятной вонью, так что не заметить сильную утечку невозможно, и помещение с аварийным агрегатом придётся покинуть и проветрить «автоматически»; сверхмалые же концентрации аммиака естественны и абсолютно безвредны). В промышленных установках объёмы аммиака велики и концентрация аммиака при утечках может быть смертельной, но в любом случае аммиак числится экологически безопасным, - считается, что в отличии от фреонов он не разрушает озоновый слой и не вызывает парниковый эффект.

Недостатки абсорбционных тепловых насосов

Главный недостаток этого типа тепловых насосов - более низкая эффективность по сравнению с компрессионными.

Второй недостаток - сложность конструкции самого агрегата и довольно высокая коррозионная нагрузка от рабочего тела, либо требующая использования дорогих и труднообрабатываемых коррозионно-стойких материалов, либо сокращающая срок службы агрегата до 5..7 лет. В результате стоимость «железа» получается заметно выше, чем у компрессионных установок той же производительности (прежде всего это касается мощных промышленных агрегатов).

В-третьих, многие конструкции весьма критичны к размещению при установке - в частности, некоторые модели бытовых холодильников требовали установки строго горизонтально, и уже при отклонении на несколько градусов отказывались работать. Использование принудительного перемещения рабочего тела с помощью помп в значительной степени снимает остроту этой проблемы, но подъём бесшумным термосифоном и слив самотёком требуют очень тщательного выравнивания агрегата.

В отличии от компрессионных машин абсорбционные не так боятся слишком низких температур - просто их эффективность снижается. Но я недаром поместил этот абзац в раздел недостатков, потому что это не значит, что они могут работать в лютую стужу - на морозе водный раствор аммиака банально замёрзнет в отличие от используемых в компрессионных машинах фреонов, температура замерзания которых обычно ниже –100°C. Правда, если лёд ничего не порвёт, то после оттаивания абсорбционный агрегат продолжит работу, даже если его всё это время не отключали из сети, - ведь механических насосов и компрессоров в нём нет, а мощность подогрева в бытовых моделях достаточно мала, чтобы кипение в районе нагревателя не стало слишком интенсивным. Впрочем, всё это уже зависит от особенностей конкретной конструкции...

Использование абсорбционных тепловых насосов

Несмотря на несколько меньшую эффективность и относительно более высокую стоимость по сравнению с компрессионными установками, применение абсорбционных тепловых машин абсолютно оправдано там, где нет электричества или где есть большие объёма бросового тепла (отработанный пар, горячие выхлопные или дымовые газы и т.п. - вплоть досолнечного нагрева). В частности, выпускаются специальные модели холодильников, работающие от газовых горелок, предназначенные для путешественников-автомобилистов и яхтсменов.

В настоящее время в Европе газовые котлы иногда заменяют абсорбционными тепловыми насосами с нагревом от газовой горелки или от солярки - они позволяют не только утилизировать теплоту сгорания топлива, но и «подкачивать» дополнительное тепло с улицы или из глубины земли!

Как показывает опыт, в быту вполне конкурентоспособны и варианты с электронагревом, прежде всего в диапазоне малых мощностей - где-то от 20 и до 100 Вт. Меньшие мощности - вотчина термоэлектрических элементов, а при бóльших пока безусловны преимущества компрессионных систем. В частности, среди советских и пост-советских марок холодильников этого типа были популярны «Морозко», «Север», «Кристалл», «Киев» с типичным объёмом холодильной камеры от 30 до 140 литров, хотя существуют и модели на 260 литров («Кристалл-12»). Кстати, оценивая потребление энергии, стоит учитывать тот факт, что компрессионные холодильники почти всегда работают в коротко-периодическом режиме, а абсорбционные обычно включаются на гораздо более длительный срок или вообще работают непрерывно. Поэтому, даже если номинальная мощность нагревателя будет гораздо меньше мощности компрессора, соотношение среднесуточного потребления энергии может быть совсем другим.

Вихревые тепловые насосы

Вихревые тепловые насосы используют для разделения теплого и холодного воздухаэффект Ранка. Суть эффекта заключается в том, что газ, тангенциально подаваемый в трубу на высокой скорости, внутри этой трубы закручивается и разделяется: из центра трубы можно отбирать охлаждённый газ, а с периферии - нагретый. Этот же эффект, хотя и в гораздо меньшей степени, действует и для жидкостей.

Достоинства вихревых тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов - простота конструкции и большая производительность. Вихревая труба не содержит движущихся деталей, и это обеспечивает ей высокую надёжность и долгий срок службы. Вибрация и положение в пространстве практически не оказывают влияния на её работу.

Мощный поток воздуха хорошо предотвращает обмерзание, а эффективность вихревых труб слабо зависит от температуры входного потока. Очень важно и практическое отсутствие принципиальных температурных ограничений, связанных с переохлаждением, перегревом или замерзанием рабочего тела.

В некоторых случаях играет свою роль возможность достижения рекордно высокого температурного разделения на одной ступени: в литературе приводятся цифры охлаждения на 200° и более. Обычно одна ступень охлаждает воздух на 50..80°С.

Недостатки вихревых тепловых насосов

К сожалению, эффективность этих устройств в настоящее время заметно уступает эффективности испарительных компрессионных установок. Кроме того, для эффективной работы они требуют высокой скорости подачи рабочего тела. Максимальная эффективность отмечается при скорости входного потока, равной 40..50% от скорости звука - такой поток сам по себе создаёт немало шума, а кроме того, требует наличия производительного и мощного компрессора - устройства тоже отнюдь не тихого и довольно капризного.

Отсутствие общепризнанной теории этого явления, пригодной для практического инженерного использования, делает конструирование таких агрегатов занятием во многом эмпирическим, где результат сильно зависит от удачи: «угадал - не угадал». Более-менее надёжный результат даёт только воспроизведение уже созданных удачных образцов, а результаты попыток существенного изменения тех или иных параметров не всегда предсказуемы и иногда выглядят парадоксальными.

Использование вихревых тепловых насосов

Тем не менее, в настоящее время использование таких устройств расширяется. Они оправданы в первую очередь там, где уже есть газ под давлением, а также на различных пожаро- и взрывоопасных производствах - ведь подать в опасную зону поток воздуха под давлением зачастую гораздо безопаснее и дешевле, чем тянуть туда защищённую электропроводку и ставить электродвигатели в специальном исполнении.

Пределы эффективности тепловых насосов

Почему же тепловые насосы до сих пор не получили широкого распространения для обогрева (пожалуй, единственный относительно распространённый класс таких устройств - это кондиционеры с инвертором)? Причин этому несколько, и помимо субъективных, связанных с отсутствием традиций обогрева с помощью этой техники, есть и объективные, главные среди которых - обмерзание теплоотборника и относительно узкий диапазон температур для эффективной работы.

В вихревых (прежде всего газовых) установках проблем переохлаждения и обмерзания обычно нет. Они не используют изменение агрегатного состояния рабочего тела, а мощный поток воздуха выполняет функции системы «No Frost». Однако эффективность их намного меньше, чем у испарительных тепловых насосов.

Переохлаждение

В испарительных тепловых насосах высокая эффективность обеспечивается за счёт изменения агрегатного состояния рабочего тела - перехода из жидкости в газ и обратно. Соответственно, этот процесс возможен в относительно узком интервале температур. При слишком высоких температурах рабочее тело всегда останется газообразным, а при слишком низких - будет испаряться с большим трудом или вообще замёрзнет. В результате при выходе температуры за рамки оптимального диапазона наиболее энергоэффективный фазовый переход становится затруднённым или вовсе исключается из рабочего цикла, и КПД компрессионной установки существенно падает, а если хладагент останется постоянно жидким, то она вообще работать не будет.

Обмерзание

Отбор тепла из воздуха

Даже если температуры всех блоков теплового насоса остаются в нужных рамках, во время работы блок для отбора тепла - испаритель - всегда покрывается каплями влаги, конденсирующимися из окружающего воздуха. Но жидкая вода стекает с него сама по себе, не особо препятствуя теплообмену. Когда же температура испарителя становится слишком низкой, капли конденсата замерзают, а вновь конденсирующаяся влага сразу превращается в иней, который так и остаётся на испарителе, постепенно образуя толстую снеговую «шубу» - именно это происходит в морозилке обычного холодильника. В результате эффективность теплообмена существенно снижается, и тогда приходится останавливать работу и оттаивать испаритель. Как правило, в испарителе холодильника температура понижается на 25..50°С, а в кондиционерах в связи с их спецификой температурный перепад поменьше - 10..15°С.Зная это, становится понятно, почему большинство кондиционеров не удастся настроить на температуру ниже +13..+17°С - этот порог установлен их конструкторами во избежание обледенения испарителя, ведь режим его оттаивания обычно не предусматривается. Это же является одной из причин, по которой практически все кондиционеры с инверторным режимом не работают даже при не очень больших отрицательных температурах - лишь в самое последнее время стали появляться модели, рассчитанные на работу при морозах до–25°C. В большинстве случаев уже при –5..–10°C затраты энергии на оттаивание становятся сравнимы с количеством закачанной с улицы теплоты, и перекачка тепла с улицы оказывается неэффективной, особенно если влажность наружного воздуха близка к 100%, - тогда внешний теплоотборник покрывается льдом особенно быстро.

Отбор тепла из грунта и воды

В связи с этим в качестве незамерзающего источника «холодного тепла» для тепловых насосов в последнее время всё шире рассматривается тепло из земных глубин. При этом имеются в виду отнюдь не разогретые слои земной коры, находящиеся на многокилометровой глубине, и даже не геотермальные водные источники (хотя, если повезёт и они окажутся рядом, было бы глупо пренебречь таким подарком судьбы). Имеется в виду «обычное» тепло слоёв грунта, расположенных на глубине от 5 до 50 метров. Как известно, в средней полосе грунт на таких глубинах имеет температуру порядка +5°С, которая очень мало меняется в течении всего года. В более южных районах эта температура может достигать +10°С и выше. Таким образом, перепад температур между комфортной +25°С и грунтом вокруг теплоотборника весьма стабилен и не превышает 20°С независимо от мороза за окном (следует отметить, что обычно температура на выходе теплового насоса составляет +50..+60°С, но и перепад температур в 50°С вполне по силам для тепловых насосов, включая современные бытовые холодильники, спокойно обеспечивающие в морозилке –18°С при температуре в комнате выше +30°С).

Тем не менее, если закопать один компактный, но мощный теплообменник, вряд ли удастся достичь желаемого эффекта. По сути теплоотборник в этом случае выступает в роли испарителя морозильной камеры, и если в месте, где он размещён, нет мощного притока тепла (геотермального источника или подземной реки), он быстро заморозит окружающий грунт, на чём вся откачка тепла и закончится. Решением может быть отбор тепла не из одной точки, а равномерно с большого подземного объёма, однако стоимость строительства теплоотборника, охватывающего на немалой глубине тысячи кубометров грунта, скорее всего сделает это решение абсолютно невыгодным экономически. Менее затратный вариант - бурение нескольких скважин с интервалом в несколько метров друг от друга, как это было сделано в экспериментальном подмосковном «активном доме», но и это недёшево - каждый, кто делал у себя скважину для воды, может самостоятельно прикинуть затраты на создание геотермального поля хотя бы из десятка 30-метровых скважин. Кроме того, постоянный отбор тепла, хоть и менее сильный, чем в случае компактного теплообменника, всё равно снизит температуру грунта вокруг теплоотборников по сравнению с исходной. Это приведёт к уменьшению эффективности работы теплового насоса при его длительной эксплуатации, причём период стабилизации температуры на новом уровне может занять несколько лет, в течение которых условия извлечения тепла будут ухудшаться. Впрочем, можно попытаться частично компенсировать зимние потери тепла его усиленной закачкой на глубину в летнюю жару. Но даже не учитывая дополнительные затраты энергии на эту процедуру, польза от неё будет не слишком большой - теплоёмкость грунтового теплоаккумулятора разумных размеров достаточно ограничена, и на всю русскую зиму её явно не хватит, хотя такой запас тепла всё же лучше, чем ничего. Кроме того, здесь очень большое значение имеет уровень, объём и скорость течения грунтовых вод - обильно увлажнённый грунт с достаточно высокой скоростью течения воды не позволит сделать «запасы на зиму» - протекающая вода унесёт закачанное тепло с собой (даже мизерное перемещение грунтовых вод на 1 метр в сутки всего за неделю снесёт запасённое тепло в сторону на 7 метров, и оно окажется вне рабочей зоны теплообменника). Правда, то же течение грунтовых вод будет снижать степень остывания грунта зимой - новые порции воды принесут новое тепло, полученное ими вдали от теплообменника. Поэтому, если рядом есть глубокое озеро, большой пруд или река, никогда не промерзающие до дна, то лучше не копать грунт, а поместить относительно компактный теплообменник в водоём - в отличие от неподвижного грунта даже в непроточном пруду или озере конвекция свободной воды способна обеспечить гораздо более эффективный подвод тепла к теплоотборнику со значительного объёма водоёма. Но здесь необходимо убедиться, что теплообменник ни при каких условиях не переохладится до точки замерзания воды и не начнёт намораживать лёд, поскольку разница между конвекционным теплообменом в воде и теплопередачей ледяной шубы огромна (в то же время теплопроводность замёрзшего и незамёрзшего грунта часто отличается не так уж сильно, и попытка использовать огромную теплоту кристаллизации воды в грунтовом теплоотборе при определённых условиях может себя оправдать).

Принцип действия геотермального теплового насоса основан на сборе тепла из почвы или воды, и передаче в систему отопления здания. Для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве или водоеме возле здания, к тепловому насосу. Тепловой насос, подобно холодильнику, охлаждает жидкость (отбирает тепло), при этом жидкость охлаждается приблизительно на 5 °С. Жидкость снова течет по трубе в наружном грунте или воде, восстанавливает свою температуру, и снова поступает к тепловому насосу. Отобранное тепловым насосом тепло передается системе отопления и/или на подогрев горячей воды.

Возможно отбирать тепло у подземной воды - подземная вода с температурой около 10 °С подается из скважины к тепловому насосу, который охлаждает воду до +1...+2°С, и возвращает воду под землю. Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия - так называемый "абсолютный ноль".

То есть тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета - земли, водоема, льда, скалы и т.д. Если же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный процесс - тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что тепловой насос может греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы, греть бассейн, охлаждать, например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда...
Одно оборудование может выполнить все функции по тепло-холодоснабжению здания.

Тепловой насос (ТН) – это устройство, которое осуществляет перенос, трансформацию и преобразование тепловой энергии. По принципу работы он схож с известными всем приборами и оборудованием, такими как холодильник или кондиционер. В основе функционирования любого ТН лежит обратный цикл Карно, названного в честь известнейшего французского физика и математика Сиди Карно.

Принцип работы теплового насоса

Изучим более подробно физику процессов работы данного оборудования. Тепловой насос состоит из четырех основных элементов:

Компрессор
Теплообменник (конденсатор)
Теплообменник (испаритель)
Соединительная арматура и элементы автоматики.

Компрессор необходим для сжатия и перемещения хладагента по системе. При сжимании фреона его температура и давление резко повышается (развивается давление до 40 бар, температура до 140 С), и в форме газа с высокой степенью сжатия он поступает в конденсатор (адиабатический процесс, т.е. процесс в котором система не взаимодействует с внешним пространством), где передает энергию потребителю. Потребителем может выступать как непосредственно среда, которую необходимо обогреть (например, воздух в помещении), так и теплоноситель (вода, антифриз и т.д.), который далее распределяет энергию по системе отопления (радиаторы, теплые полы, обогреваемые плинтуса, конвекторы, фанкойлы и прочее). Температура газа при этом, естественно понижается, и он меняет свое агрегатное состояние с газообразного на жидкостное (изотермический процесс, т.е. процесс, протекающий при постоянной температуре).

Далее хладагент в жидком состоянии поступает в испаритель , проходя через терморегулирующий вентиль (ТРВ), необходимый для уменьшения давления и дозирования поступления фреона в испарительный теплообменник. В следствии снижения давления при прохождении каналов испарителя осуществляется фазовый переход, и агрегатное состояние хладагента снова меняется на газообразное. При этом энтропия газа снижается (исходя из теплофизических свойств фреонов), что приводит к резкому падению температуры, и происходит «отъем» тепла у внешнего источника. В качестве внешнего источника может выступать уличный воздух, недра земли, реки, озера. Далее охлажденный газообразный фреон возвращается в компрессор, и цикл повторяется снова.

Фактически получается, что тепловая машина сама не производит выработку тепла, а является устройством по перемещению, модифицированию и видоизменению энергии от окружающей среды в помещение. Однако для этого процесса необходима электроэнергия, основным потребителем которой выступает компрессорный агрегат. Соотношение полученной тепловой мощности к затраченной электрической называется коэффициентом преобразования (СОР). Он меняется в зависимости от типа ТН, его производителя, прочих факторов и варьируется в пределах от 2 до 6.

В настоящее время в качестве хладагента используются озонобезопасные фреоны различного типа (R410A, R407C), которые наносят минимальный ущерб окружающей среде.

В современных тепловых машинах используются компрессоры спирального типа, которые не требуют обслуживания, в них практически отсутствует трение, и они могут безостановочно проработать 30-40 лет. Это обеспечивает долгий срок службы всего агрегата. Так, например, у немецкой фирмы Stiebel Eltron есть ТН, проработавшие без капитального ремонта с начала 70-х годов прошлого века.

Типы тепловых насосов

В зависимости от сред используемых для отбора и перераспределения энергии, а так же конструктивных особенностей и способах применения, различают четыре основных типа ТН:

Тепловой насос «воздух - воздух»

В качестве низкопотенциального источника энергии, данный тип оборудования использует уличный воздух. Внешне он не отличается от обычной сплит - системы кондиционирования, однако имеет ряд функциональных особенностей, позволяющих ему работать при низких температурах (до -30 С) и «изымать» энергию из окружающей среды. Обогрев дома осуществляется непосредственно теплым воздухом, нагреваемом в конденсаторе теплонасоса.

Достоинства ТН «воздух - воздух»:

Невысокая стоимость
Малое время монтажных работ и сравнительная простота установки
Отсутствие возможности утечки теплоносителя

Недостатки:

Устойчивая работоспособность до -20 С
Необходимость установки внутреннего блока в каждую комнату или организацию системы воздуховодов для подачи нагретого воздуха во все помещения.
Невозможность получения горячей воды (ГВС)

На практике, такие системы применяются для сезонного жилья и не могут выступать в качестве основного источника обогрева.

Тепловой насос «воздух - вода»

По своему принципу действия схожи с предыдущим типом, однако они нагревают не напрямую воздух внутри помещения, а теплоноситель, который в свою очередь используется для отопления дома и приготовления ГВС.

Достоинства ТН «Воздух – вода»:

не требует организация «внешнего контура» (бурения)
надежность и долговечность
высокие показатели эффективности (СОР) в осенний и весенний периоды

Недостатки ТН:

Значительное снижение СОР при низких температурах (до 1,2)
Необходимость оттаивания внешнего блока (реверсивный режим)
Невозможность эксплуатации при температуре ниже -25 С - -30 С

Такие насосы в нашем климате все же не могут выступать единственным источником отопления. Поэтому они зачастую устанавливаются (по бивалентной схеме) в связке с дополнительным отопительным оборудованием (электрический, пеллетный, твердотопливный, дизельный котел, камин с водяной рубашкой). Также они подходят для реконструкции и автоматизации старых котельных, использующие традиционные виды топлива. Это позволяет большую часть года эксплуатировать систему в автоматическом режиме (нет необходимости загружать твердое топливо или заправлять дизельное топливо), используя только мощность ТН.

Тепловой насос «рассол – вода»

Один из самых распространенных на территории Республики Беларусь. Используя статистику нашей организации 90% установленных теплонасосов, являются геотермальными. В данном случае в качестве «внешнего контура» используется недра земли. За счет этого, данные ТН обладают самым главным преимуществом перед остальным типами теплонасосов – стабильный показатель эффективности работы (СОР) вне зависимости от времени года.

По устоявшейся терминологии, внешний контур называется геотермальным.

Существуют две основные разновидности геотермального контура:

Горизонтальный
Вертикальный

Остановимся на каждом из них подробнее.

Горизонтальный контур

Горизонтальный контур представляет собой систему полиэтиленовых труб, уложенных под верхним слоем грунта на глубине около 1,5 – 2 м, ниже уровня промерзания. Температура в этой зоне остается положительной (от +3 до +15 С) в течение всего календарного года, достигает максимума в октябре, а минимума в мае. Площадь, занимаемая коллектором зависит площади строения, степени его утепления, размеров остекления. Так, например, для двухэтажного жилого дома площадью 200 м2, имеющего неплохое утепление, отвечающее современным нормам, под геотермальное поле придется выделить порядка четырех соток земли (400 м2). Безусловно для более точной оценки диаметра используемым труб и занимаемой площади, необходим подробный теплотехнический расчет.

Вот как выглядит монтаж горизонтального коллектора на одном из наших объектов в г. Дзержинск (Республика Беларусь):

Достоинства горизонтального коллектора:

Более низкая стоимость по сравнению с геотермальными скважинами
Возможность проведения работ по его устройству совместно с прокладкой других коммуникаций (водопровод, канализация)

Недостатки горизонтального коллектора:

Большая занимаемая площадь (не ней запрещается возводить капитальные строения, асфальтировать, укладывать тротуарную плитку, необходимо обеспечить естественный доступ света и осадков)
Отсутствие возможности обустройства при готовом ландшафтном дизайне участка
Меньшая стабильность по сравнению с вертикальным коллектором.

Обустройство такого типа коллектора обычно осуществляется двумя способами. В первом случае на всей площади укладки снимается верхний слой грунта, толщиной 1,5-2м , выполняется раскладка труб теплообменника с заданным шагом (от 0,6 до 1,5м) и производиться обратная засыпка. Для выполнения таких работ подходит мощная техника, такая как фронтальный погрузчик, бульдозер, экскаваторы с большим вылетом стрелы и объемом ковша.

Во втором случае укладка петель грунтового контура производиться поэтапно в подготовленные траншеи, шириной от 0,6м до 1 м . Для этого подходят небольшие экскаваторы и экскаваторы - погрузчики.

Вертикальный контур

Вертикальный коллектор представляет собой скважины глубиной от 50 до 200 м и более, в которые опущены специальные устройства – геотермальные зонды . Температура в этой зоне в течение многих лет и десятилетий остается постоянной и растет с увеличением глубины. Повышение происходит в среднем на 2-5 С на каждые 100 м. Величина это характеризующая называется температурным градиентом.

Процесс монтажа вертикального коллектора на нашем объекте в п. Крыжовка, под Минском:

Изучая карты распределения температур на различных глубинах на территории РБ и города Минска в частности, можно заметить, что температура меняется от области к области, и может существенно отличаться в зависимости от местоположения. Так, например, на глубине 100 м в районе г. Светлогорск она может достигать +13 С, а в некоторых районах Витебской области на той же самой глубине не превышает +8,5 С.

Безусловно при расчете глубины бурения и проектирования размера, диаметра и прочих характеристик геотермальных зондов, необходимо учитывать этот фактор. Помимо этого, необходимо учитывать геологический состав проходимых пород. Только опираясь на эти данные можно правильно запроектировать геотермальный контур.

Как показывает практика и статистика нашей организации 99% проблем при эксплуатации ТН связано с функционированием внешнего контура, при чем эта проблема проявляется не сразу после ввода в эксплуатацию оборудования. И этому есть объяснение, так при неправильном расчете геоконтура (например, на территории Витебской области, где как мы помним геотермальный градиент является одним из самых низких в Республике) , его первоначальная работа не вызывает нареканий, однако с течением времени толща земли «выхолаживается», нарушается термодинамический баланс и начинаются неприятности, при чем проблема может возникнуть только на второй - третий отопительный сезон. Менее проблемно выглядит переразмеренный контур, но заказчик вынужден оплачивать не нужные метры бурения из-за некомпетентности подрядчика, что неумолимо ведет к удорожанию всего проекта.

Особенно критичным к изучению недр земли нужно относиться при строительстве больших коммерческих объектов, где количество скважин исчисляется десятками, и сэкономленные (либо растраченные) средства на их устройство, могут быть очень значительными.

Тепловой насос «вода - вода»

Одной из разновидностей геотермального источника тепла могут быть подземные воды. Они имеют постоянную температуру (от +7 С и выше), и в значительном количестве залегают на различных глубинах на территории РБ. По технологии, подземные воды поднимаются центробежным насосом из скважины и поступают на станцию тепломассообмена, где передают энергию антифризу нижнего контура теплового насоса. Эффективность работы данной системы зависит от уровня залегания грунтовых вод (в зависимости от глубины подъема, требуется определенная мощность помпы), расстояния от заборной скважины до станции обмена. Эта технология имеет один из самых высоких показателей COP, однако имеет ряд особенностей, ограничивающих ее применение.

Среди них:

Отсутствие подземных вод, либо низкий уровень их залегания;
Отсутствие постоянного дебета скважины, понижение статического и динамического уровней;
Необходимость учитывать солевой состав и загрязненность (при не надлежащем качестве воды, происходит засорение теплообменника, снижаются показатели производительности)
Необходимость устройства дренажного колодца для сброса значительных объемов отработавшей воды (от 2200 л/ч и более)

Как показывает практика, установка таких систем целесообразна, если в непосредственной близости имеется водоем или река. Отработавшую воду, также можно использовать в хозяйственных и промышленных целях, например, для полива, или организации искусственных водоемов.

Что качается качества заборной воды то, например, немецкий производитель альтернативных отопительных систем Stiebel Eltron рекомендует следующие параметры: общая доля железа и магния не более 0,5 мг/л, содержание хлоридов менее 300 мг/л, отсутствие осаждаемых веществ . При превышении этих параметров необходимо установка дополнительной системы очистки - станции подготовки и обессоливания, что повышает материалоемкость проекта.

Буровые работы для теплового насоса.

Исходя из опыта монтажа и эксплуатации геотермальных агрегатов, мы рекомендуем бурить скважины не менее 100м. Практика показывает, что лучшие показатели эффективности и стабильности тепловой машины, будет наблюдаться, например, для двух скважин по 150 м, чем для трех по 100м . Безусловно, для обустройства таких шахт требуется специальная техника и роторный метод производства бурения. Малогабаритные шнековые установки не способны обеспечить нужной длины скважин.

Так как, геотермальный контур является важнейшей составляющей, и правильность его обустройства является залогом успешного функционирования всей системы, то подрядчик, осуществляющих бурение должен соответствовать ряду критериев:

обязательно иметь опыт производства подобного вида услуг;
иметь специальный инструмент для погружения зондов;
давать гарантию погружения зонда на проектную глубину и гарантировать его целостность и герметичность в процессе производства работ;
после погружения проводить мероприятия по тампонированию скважины для увеличения ее теплообмена и производительности, зачеканить ствол шахты до обратной засыпки.

В целом, при правильном проектировании и квалифицированном монтаже, геотермальные зонды очень надежны, и способны Вам прослужить до 100 лет.

Процесс опускания геотермального зонда в пробуренную скважину:

Геотермальный зонд на станине, перед проведением проверки на герметичность («опрессовки» давлением):

Выводы

Исходя из нашего опыта в устройстве систем альтернативной энергетики, мы можем выделить основные факты, которые являются основополагающими при выборе нашими Заказчиками тепловых насосов:

полная безопасность и экологичность (отсутствую процессы горения и движущие части)
возможность «сегодня» заказать систему и через три недели наслаждаться ее использованием без каких-либо согласований с контролирующими и разрешительными органами .
Полная автономность и минимальное техническое обслуживание (нет необходимости состоять в газовом кооперативе, зависеть от него; не надо подбрасывать дрова или проводить ежемесячную чистку воздуховодов, организовывать подъезд топливозаправщика и прочее)
Стоимость участка для строительства индивидуального дома без подведенного газа значительно ниже и срок сдачи жилья не зависит от газовых служб
Возможность удаленного управления через интернет
Передовое и инновационное оборудование стильного исполнения, которое не стыдно показать друзьям и знакомым, что безусловно подчеркивает статус домовладельца.

Если в данной статье мы не затронули какие-то вопросы и вы хотите задать их лично – вы можете приехать к нам в офис по адресу: г. Минск, ул. Одоевского, 117, компания ООО «Нова Грос» и проконсультироваться у наших инженеров.

Так же, у нас есть возможность организовать бесплатное посещение уже реализованных функционирующих объектов.

Контактные телефон для связи: 044 765 29 58; 017 399 70 51