Тепловой насос для отопления дома - что такое, принцип работы, виды

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

В условиях ухудшения экологической обстановки в мире и (что более актуально для рядового потребителя) стремительного роста тарифов на газ и электричество все больше европейцев старается внедрить в свою повседневную жизнь системы, использующие альтернативные источники энергии. Один из вариантов подобных систем – так называемый тепловой насос, посредством которого можно отапливать свое жилище в зимний период и нагревать воду для бытовых нужд, расходуя на это минимум электроэнергии.

В домах наших соотечественников в последние годы тоже все чаще можно встретить это чудо инженерной мысли. Конечно, для россиян проблема высоких цен на традиционные энергоносители пока стоит не так остро, как в Европе, но, во-первых, это лишь до поры до времени, а во-вторых, не хочется отставать от цивилизованного мира…

Итак, тепловой насос… Что это такое? На чем основан принцип его действия? Откуда, куда и как он перекачивает тепло? Давайте разбираться.

Принцип работы теплового насоса

Принцип действия тепловых насосов основан на способности вещества (хладагента) поглощать или отдавать тепло при изменении агрегатного состояния. По своей сути такие насосы мало чем отличаются от холодильных установок. (Это странное, на первый взгляд, утверждение нисколько вас не удивит, если вы хоть раз дотрагивались до горячей задней стенки обычного бытового холодильника.)

Схематично тепловой насос может быть представлен в виде системы, состоящей из трех контуров. В первом находится теплоноситель, переносящий энергию от источника низкопотенциального тепла. Во втором контуре циркулирует хладагент (фреон), который периодически то испаряется, отбирая тепло у первого контура, то вновь конденсируется, отдавая его третьему контуру. И, наконец, по третьему контуру «бегает» теплоприемник, в нашем случае – вода, переносящая тепло по системе отопления.

Рабочий цикл теплонасоса в общих словах может быть описан следующим образом. Жидкий хладагент поступает в испаритель, где переходит в газообразное состояние. Необходимая для протекания этого процесса энергия отбирается у теплоносителя, циркулирующего в первом контуре. Далее подогретый на несколько градусов газообразный хладагент всасывается в компрессор, главное назначение которого – сжатие газа (на совершение этой работы, разумеется, расходуется электроэнергия).

Давление газа возрастает в несколько раз, при этом он существенно разогревается: если на входе в компрессор температура хладагента составляет 6-10°C, то на выходе уже около 60°C. На следующей стадии разогретый газ направляется в конденсатор, где отдает полученное тепло системе отопления, сам же при этом конденсируется, т.е. переходит в жидкое состояние. Затем избыточное давление сбрасывается с помощью дроссельного клапана, и цикл начинается заново.

Как видите, устройство теплового насоса не отличается принципиально от устройства холодильной машины. Просто основным назначением холодильных установок является генерирование холода, поэтому там отбор теплоты производится испарителем, а конденсатор лишь сбрасывает эту теплоту в окружающее пространство. В тепловом же насосе картина обратная: конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, отдающий теплоту потребителю, а испаритель – это теплообменник, утилизирующий низкопотенциальную теплоту вторичных энергоресурсов.

Другими словами тепловой насос – это «холодильник наоборот». При этом «наоборот» не только устройство, но и результат. Если в случае холодильника тепло, отнимаемое у хранящихся внутри продуктов, выбрасывается впустую, то энергия, вырабатываемая тепловым насосом, приносит реальную пользу – тратится на целенаправленный обогрев дома.

Разновидности тепловых насосов и систем

Тепловая энергия, расходуемая на отопление здания и систему горячего водоснабжения, является результатом преобразования энергии окружающей среды, осуществляемого с помощью теплового насоса. Насос концентрирует эту низкопотенциальную (низкотемпературную) энергию и передает ее системе отопления.

Осталось разобраться, что в данном случае подразумевается под энергией окружающей среды. Большинство тепловых насосов бытового назначения позволяют использовать тепло Солнца и внутреннее тепло Земли, накапливаемые верхними слоями земной коры и водой в течение всего года.

По типу конструкции первого контура теплообменника все тепловые насосы делятся на грунтовые, водяные и воздушные.

Грунтовые тепловые насосы

Грунтовые тепловые насосы получают тепло, необходимое для подогрева хладагента в испарителе, от грунта. Температура последнего на глубине нескольких метров практически не подвержена сезонным колебаниям. По замкнутой системе труб, размещенных в грунте, циркулирует «рассол». Слово «рассол» мы не случайно взяли в кавычки: соли, как этого можно было бы ожидать исходя из названия, он не содержит.

На самом деле это антифриз на основе этиленгликоля или пропиленгликоля, реже водного этанола. Трубы теплообменника могут быть уложены в грунте как горизонтальным (горизонтальный коллектор), так и вертикальным (геотермальный зонд) способом.

Трубы горизонтального коллектора укладываются в землю на глубине ниже уровня промерзания грунта в данном регионе (обычно 1.5-2 м). Теплообменная система этого вида занимает достаточно большую площадь. Например, для обеспечения теплом сравнительно небольшого дома площадью 100 м 2 потребуется выделить 2-3 сотки земли. Следует принять во внимание, что на территории, занятой коллектором, можно сажать лишь те деревья и кустарники, корни которых не уходят в почву слишком глубоко, а располагать здесь какие-либо постройки и вовсе нельзя.

Геотермальный зонд – это теплообменник, трубы которого располагаются вертикально и погружены в грунт на глубину до 100-200 м. Количество устанавливаемых зондов зависит от требуемой мощности установки. Для обогрева дома, уже рассматриваемого нами выше в качестве примера, достаточно будет двух зондов длиной около 80 м, расположенных на расстоянии 5 м друг от друга.

Как видите, для размещения этой системы не требуется больших площадей, вы можете пробурить скважины в любой части вашего участка – там, где вам это удобно. Главный недостаток грунтовых тепловых насосов с геотермальными зондами – высокая стоимость работ по бурению скважин. Однако, невзирая на это, большинство пользователей отдает предпочтение именно этим системам, ведь геотермальные зонды обладают большей эффективностью, чем горизонтальные коллекторы, и имеют при этом меньше ограничений.

Бурение скважины для геотермального зонда.

Водяные тепловые насосы

Водяной тепловой насос «черпает» энергию грунтовых вод, которые прокачивает через свой испаритель. Подобная система отличается повышенной эффективностью и неплохой стабильностью: первая характеристика является результатом высокой теплоотдачи воды, вторая обусловлена постоянством температуры грунтовых вод.

Воздушные тепловые насосы

С точки зрения простоты монтажа воздушные тепловые насосы обладают огромным преимуществом перед своими «собратьями». Для использования окружающего воздуха в качестве источника тепла вам не придется бурить скважины или проводить какие-то другие крупномасштабные грунтовые работы. В результате, если заложить в смету стоимость работ по установке оборудования, воздушный насос обойдется вам значительно дешевле, чем водяной или грунтовый.

Несмотря на столь весомое достоинство, идеальным этот вид климатического оборудования не назовешь, поскольку есть у него и существенный недостаток. Такой насос эффективно работает лишь при температуре окружающего воздуха выше –15°C…–20°C. Падение температуры ниже этой границы, что в зимний период не является редкостью в большинстве регионов нашей страны, ведет к существенному уменьшению коэффициента эффективности воздушного теплонасоса.

Коэффициент эффективности тепловых насосов

Чуть выше мы использовали новый термин – «коэффициент эффективности». Было бы неправильно не пояснить, что это такое, тем более что это важная характеристика тепловых насосов, позволяющая сравнивать насосы разных типов между собой.

Коэффициент эффективности (называемый также коэффициентом трансформации) – это отношение выработанной насосом тепловой энергии к потребленной им электрической. По сути это КПД теплового насоса. В случае водяных теплонасосов этот коэффициент равен 5 вне зависимости от времени года. Это означает, что при потреблении 1 кВт*ч электроэнергии установка вырабатывает 5 кВт*ч тепловой энергии.

У грунтовых насосов величина коэффициента эффективности чуть ниже – от 4 до 4.5. И, наконец, самым маленьким коэффициентом характеризуются воздушные тепловые насосы, при этом их эффективность сильно зависит от температуры окружающего воздуха: при 0°C величина коэффициента равна

3.5, а при –20°C он уже не превышает 1.5 (при такой низкой эффективности насос попросту не окупится, и имеет смысл подумать о приобретении более дешевого климатического оборудования, например электрического котла).

Некоторые менеджеры, рекламируя реализуемые ими тепловые насосы, уверяют потенциальных клиентов в том, что данное оборудование имеет КПД 400-500%. Разумеется, ни о каком нарушении законов термодинамики речи не идет. Просто в данном случае расчеты намеренно делаются неправильно: не учитываются источники энергии, отличные от потребляемого электричества, – воздух, вода или грунт, нагретые Солнцем и геотермальными процессами. Когда при расчете КПД учитывают только электроэнергию и забывают про источник низкопотенциального тепла, как раз и получается величина больше 100%.

Применение тепловых насосов в условиях российского климата

Познакомившись с приведенными выше описаниями различных типов тепловых насосов, вы без труда сами сможете ответить на вопрос, какой насос больше всего подходит для эксплуатации в условиях российского климата.

Воздушные тепловые насосы пригодны для применения лишь в ограниченном числе регионов нашей страны – там, где температура воздуха зимой почти не опускается ниже нулевой отметки. Разумеется, жителям Сибири, Дальнего Востока, севера европейской части России о воздушных тепловых насосах не стоит и размышлять.

Для применения водяных тепловых насосов есть много ограничений. О некоторых из них мы уже рассказывали, осталось упомянуть еще об одном. Более половины территории нашей страны находится в зоне вечной мерзлоты. Если даже какому-нибудь жителю Восточной Сибири или севера Дальнего Востока «повезло», и на его участке есть грунтовые воды, залегающие не слишком глубоко, то все равно эти грунтовые воды находятся в виде льда, а значит, не пригодны для использования в системе отопления.

Таким образом, большинству наших соотечественников приходится рассчитывать на единственный, беспроигрышный, вариант – грунтовый тепловой насос. При этом в условиях российского климата больше подойдет насос не с горизонтальным коллектором, а с геотермальным зондом, позволяющим достигнуть глубины, где температура грунта более стабильна.

Применение теплового насоса для охлаждения

Огромным достоинством тепловых насосов является то, что они способны не только отапливать дом, но и при необходимости охлаждать его. Наше короткое российское лето порою бывает очень жарким, и, когда ваше жилище буквально раскаляется, предложение превратить обогреватель в кондиционер будет очень кстати.

Техническое решение этого вопроса может быть интегрировано в тепловой насос изначально, на стадии изготовления, и практически у всех производителей имеются линейки насосов, умеющих кондиционировать помещение (режим Natural Cooling). Если ваш тепловой насос не обладает такими способностями, не все еще потеряно – работать на охлаждение может и обычный насос. Необходимое для этого дополнительное оборудование в виде гидравлической развязки будет смонтировано вне насоса. Оба варианта не требуют больших капиталовложений.

Нести генерируемый тепловым насосом холод непосредственно в помещение можно разными способами. Эта функция может быть возложена на холодные панели на стенах или потолке, охлаждающий теплый пол, радиаторы отопления с хорошим обдувом или же фанкойл – устройство, в чей корпус встроен обдуваемый вентилятором пластинчатый теплообменник.

Применение теплового насоса для горячего водоснабжения

Любой тепловой насос способен не только обогревать ваше жилище, но и круглогодично снабжать вас горячей водой. Однако следует учитывать, что эта система является низкотемпературной, а значит, температура воды в бойлере не превысит 45-55°C. Из этого следует, что объем бойлера должен быть больше, чем при использовании стандартной системы отопления, в противном случае вам и вашим домочадцам придется жить в условиях жесткой экономии горячей воды.

Тепловые насосы со встроенным ТЭНом

Нередко производители встраивают в свои тепловые насосы дополнительные электрические нагреватели. Встроенный ТЭН позволяет в случае необходимости перейти на альтернативный с точки зрения теплового насоса источник энергии – электричество. Для чего это нужно? В каких случаях возникает потребность задействовать ТЭН?

Подбор теплового насоса для отопления дома осуществляется с учетом различных параметров, в том числе и климатических особенностей региона. При этом считается нецелесообразным устанавливать насос с избыточной мощностью. Дело в том, что экстремально холодные дни случаются не так уж и часто, по крайней мере, в центрально-европейской части России. Практика показывает, что более экономичным вариантом будет «добрать» в эти морозные периоды необходимую мощность электричеством, чем изначально устанавливать более мощный насос. Наличие ТЭНа исключает необходимость делать систему более мощной, чем это требуется большую часть отопительного сезона.

Для владельцев водяных и грунтовых тепловых насосов встроенный ТЭН – скорее излишество, чем необходимость. Совсем иначе выглядит ситуация с воздушными теплонасосами. При температуре воздуха –20°C и ниже такой насос, если и не отключится, будет малоэффективен. И пусть холодных дней и ночей в году не очень много, совсем не хочется в один прекрасный момент остаться в стремительно вымерзающем доме. Наличие дублирующего теплогенератора в данном случае никак не назовешь роскошью.

Воздушный тепловой насос.

Советы и рекомендации

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

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

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

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

Принцип работы теплового насоса для обогрева дома

Тепловой насос — это устройство, которое считается хорошей альтернативой стандартному отоплению дома. Прибор неплохо зарекомендовал себя и широко применяется во многих европейских странах. Такое устройство может установить каждый желающий, но для этого нужно знать принципы работы теплового насоса. С его помощью не только уменьшаются затраты на обогрев помещения, но и снижается негативное влияние на окружающую среду.

Описание теплового насоса

Перед началом монтажа необходимо изучить устройство, его преимущества и недостатки. Тепловой насос для отопления дома работает как холодильник или кондиционер. Единственным отличием будет вырабатывание тепла, а не холода. Установка очень экономична и работает при минимальном количестве потерь энергии.

Принцип работы теплового насоса схож с работой холодильника, кондиционера

Существует несколько разновидностей таких тепловых приборов. Все они немного отличаются друг от друга, но имеют и много общего. Разные виды подобных приборов состоят из 3 основных компонентов:

тепловой насос с компрессором;
накапливающий энергию зонд;
система отопления помещения с теплообменной камерой.

Последние две составляющие представляют собой набор радиаторов и труб. Зонд имеет форму, напоминающую змеевик.

Все особенности устройства заключаются в насосе. Он состоит из нескольких основных частей:

компрессор;
капилляр;
испаритель;
хладагент;
терморегулятор;
конденсатор.

Принцип работы насоса заключается в получении энергии от природных источников, её преобразование в тепло и подачи в систему, установленную в помещении.

Об устройстве и принципе работы теплового насоса вам расскажут в данном видео:

Разновидности установок

В зависимости от первичного источника тепла выделяется несколько видов устройств. Все они используют для передачи энергии различные стихии, такие как вода, воздух или земля.

В зависимости от источника тепла выделяется несколько видов устройств

По этому признаку их подразделяют на три вида:

Геотермальные. В качестве источника применяется грунт. Наиболее часто используемый вариант, который позволяет применять тепло, накопленное за летние месяцы. Существует два способа сбора энергии: горизонтальный и вертикальный. Первый представляет собой трубу с постоянно циркулирующим в ней теплоносителем, а второй — целую систему, погружённую на глубину до 150 метров. Достоинствами геотермальных установок считаются стабильная температура на протяжении всего периода обогрева и относительно невысокая цена.
Гидротермальные. В качестве теплового источника применяется вода любого незамерзающего водоёма, канализационная или грунтовая. Первый вариант считается самым эффективным и экономичным. Это достигается благодаря высокой температуре теплоносителя, который постоянно циркулирует в трубах, помещённых на дне ставка или озера. Аналогично можно использовать и канализационные стоки. Для грунтовой гидротермальной установки применяется вода из скважин или колодцев.
Аэротермические. Это самая простая и доступная система отопления. Она не требует дополнительного дорогостоящего оборудования и может быть обустроена практически в любом доме. Принцип действия такого насоса заключается в поступлении воздуха из окружающей среды к испарителю. Там его тепло преобразуется и передаётся хладагенту, который отправляет горячую жидкость во внутреннюю систему помещения. Способ отличается высокой производительностью и экономичностью.

Достоинства и недостатки

Каждый вид насоса имеет свои преимущества и недостатки. У одних они очевидны и не вызывают сомнений, у других — менее заметны.

Подобные установки являются универсальными и занимают мало места

К достоинствам теплового насоса следует отнести такие:

Экономичность. Из-за высокого КПД требуется минимальное количество затрачиваемой энергии. В среднем для получения 5 кВт тепла нужно потратить не более 1 кВт электричества. Такие показатели гораздо выше, чем у любых других тепловых установок.
Универсальность. В одном приборе есть возможность сочетать не только отопление дома или квартиры, но и охлаждение, а также нагрев воды.
Автономность. Система способна работать без постоянной подачи какого-либо топлива.
Высокий уровень безопасности. Тепловой насос устроен так, что все его составные части не нагреваются до потенциально опасных температур. Кроме этого, установка не выделяет вредный для человека угарный газ.
Надёжность. Весь процесс управления осуществляется за счет работы автоматики, вероятность возникновения каких-либо ошибок или нестандартных ситуаций сведена к минимуму.
Долговечность. При правильной эксплуатации прибор способен эффективно работать на протяжении 30−50 лет. Этот показатель намного выше, чем у других систем отопления.
Минимальное количество необходимого свободного места. Все основные составляющие устройства находятся под землёй, что позволяет сэкономить пространство.
Комфорт. Во время работы теплового насоса не наблюдаются резкие перепады температуры или влажности, что положительно сказывается на самочувствии жильцов дома. Кроме этого, прибор выполняет поставленные задачи практически бесшумно.
Экологичность. Это одно из главных преимуществ устройства. Благодаря ему можно не только свести к минимуму выбросы вредных веществ в атмосферу, но и сохранить окружающую природу.
Отсутствие необходимости получать разрешения. При установке теплового насоса не нужно согласовывать свои действия с какой-либо инстанцией.

Несмотря на большое количество преимуществ, существуют и некоторые недостатки. Как правило, они связаны с повышенными затратами на оборудование или особыми условиями окружающей среды.

К отрицательным моментам относятся такие:

Неэффективность в регионах, где температура редко превышает 0°С.
Плохо работает в местах, где часто стоит безветренная погода.
Сложность монтажа. В некоторых случаях выполнить установку практически невозможно.
Высокая стоимость устройства.

Принцип работы устройства

Принцип работы теплового насоса для отопления дома довольно прост, и в нём может разобраться даже человек, никогда не занимавшийся подобными вопросами.

Принцип работы теплового насоса довольно простой и не требует особых знаний

Весь процесс протекает в несколько этапов:

Специальная незамерзающая смесь (соединение обыкновенной воды и гликоля) подаётся в коллектор.
Там тепловая энергия поглощается и переносится к насосу.
В испарителе она передаётся фреону, благодаря которому нагревается до +8°С.
Затем смесь постепенно закипает и превращается в горячий пар, температура которого может колебаться от 60° до 70°С.
Установленная в помещении система отопления получает тепло через конденсатор.
Там фреон очень быстро охлаждается и снова становится жидкостью. При этом вся выделяемая энергия поступает в квартиру или дом.
После этого жидкость возвращается в коллектор.
Цикл повторяется.

Лучше всего насос работает, если в доме есть тёплые полы. Так обогрев выполняется более равномерно, что позволяет избежать большой разницы температур. При этом варианте можно сэкономить до 20% энергии в год, что значительно снизит финансовые затраты на отопление.

Изготовление насоса своими руками

Если нет возможности купить дорогостоящее оборудование, то можно постараться сделать его своими руками. Самодельное устройство подходит только для небольших домов и помещений, так как способно обогреть ограниченную жилую площадь.

Изготовление теплового насоса своими руками – экономически выгодно, однако рассчитано на небольшую площадь

Чтобы сделать тепловой насос, необходимо выполнить несколько этапов работы:

Приобретённый компрессор надёжно закрепляется на стене. Идеальным вариантом будет прибор, предназначенный для кондиционера.
Затем изготавливается конденсатор. Для этого из отрезка медной трубы толщиной более 1 мм формируется змеевик.
Он фиксируется в пластиковом или металлическом корпусе.
После этого две половинки бака свариваются между собой. Обязательно нужно дополнительно укрепить изделие при помощи резьбового соединения.
На стене монтируется испаритель.
На следующем этапе работы производится окончательный монтаж устройства. Он предусматривает пайку медной трубы и закачку фреона. Все эти операции следует выполнять только при наличии опыта подобной работы. В противном случае необходимо обратиться к квалифицированному специалисту. Такие меры предосторожности помогут избежать поломки теплового насоса и снизят риск получения какой-либо травмы.
Готовая конструкция подключается к системе отопления, которая располагается внутри жилого помещения.
Затем монтируется наружный контур. Для каждого вида устройства соблюдается определённый порядок действий.
Прибор тестируется и подготавливается к работе.

После завершения монтажа теплового насоса, его обязательно тестируют, а уже потом вводят в эксплуатацию

Перед его пуском обязательно нужно проверить состояние проводки в доме или квартире. При обнаружении каких-либо проблем необходимо их устранить. Сделать это можно самостоятельно или с помощью опытного электрика.

Тепловой насос — это очень полезное устройство, которое позволяет не только сэкономить большое количество денежных средств, но и уберечь окружающую среду от негативного воздействия. При правильном подходе к делу и соблюдении всех рекомендаций профессионалов можно максимально быстро выполнить монтаж оборудования и начать пользоваться прибором.

Тепловой насос для отопления дома – принцип работы

Обновлено: 8 декабря 2020.

Многих интересует, как работает тепловой насос для отопления дома. В статье мы доступно опишем принцип работы теплонасоса для обогрева жилья, виды тепловых насосов, их особенности.

Свои вопросы и замечания вы можете оставить в комментариях. Мы постараемся отреагировать на них как можно быстрее.

Принцип работы теплового насоса для отопления дома

Тепловой насос (теплонасос, термопомпа, ТН) – оборудование для обогрева дома, коттеджа, дачи, апартаментов или квартиры. Он генерирует тепло из среды (воды, воздуха, земли) и переносит его в здание.

За счет того что ТН не производит тепло, а переносит его из одной среды в другую, его эффективность более 100% и может достигать 1000%. КПД теплового насоса – его отличие от систем получения тепла, таких как:

Котлы;
Бойлеры;
Конвекторы;
Электронагреватели;
Гелиоколлекторы.

Есть два типа тепловых насосов – компрессорные (компрессионные) и абсорбционные. Но последние используют в промышленности – они еще не распространились на частные домовладения. Поэтому рассмотрим только компрессорные (парокомпрессионные) тепловые насосы.

Простыми словами можно описать принцип действия теплового насоса для отопления дома так: «холодильник наоборот». Как функционирует последний, вы можете прочиталь в статье о принципе работы холодильника. Для переноса тепла в нем служит теплоноситель (хладагент, фреон).

Теплоноситель попадет в испаритель (радиатор, магистраль, поле, скважину), где нагревается от окружающей среды. Далее его сжимает компрессор, в котором повышается его давление и температура.

В случае с грунтовыми и водяными тепловыми насосами, теплоноситель получает тепловую энергию от рассола, который циркулирует в трубах, погруженных в воду, или уложенных в грунте.

После компрессора теплоноситель отдает тепло в воздух, воду или другой теплоноситель, которые используются для отопления здания. Охлажденный теплоноситель попадает в конденсатор, в котором он охлаждается.

Этот цикл повторяется снова и проходит в замкнутом виде. На приведенном ниже видео показан принцип работы теплового насоса:

Особенности разных видов теплонасосов

Воздушные – самые дешевые из тепловых насосов, имеют низкую производительности зимой и высокую летом. Это обусловлено тем, что температура воздуха сильно зависит от сезона. Они просты в монтаже и подключении, их чаще используют для обогрева весной или осенью или как дополнительный источник дешевого тепла.

Цены тепловых насосов, водяного и грунтового (геотермального) типов, мало отличаются. Но стоимость укладки магистрали в водоем ниже чем бурение скважин или укладка геотермального поля. Поэтому если рядом есть озеро, пруд или река, целесообразнее устанавливать водяной ТН.

Виды тепловых насосов для отопления дома

Тепловой насос может нагревать три среды – воду, воздух теплоноситель. Воздух используется для отопления дома через вентиляцию, фанкойлы или внутренние блоки. Вода и теплоноситель циркулируют в радиаторных системах, теплых полах и стенах.

Основное название теплового насоса зависит от среды, из которой он получает тепло. Водяной – из воды, воздушный – из воздуха, грунтовый или геотермальный – из грунта и грунтовых вод.

Точное название Теплового насоса указывает на среду, в которую он передает тепло. ТН грунт-вода получает энергию из земли и нагревает воду или теплоноситель, вода-воздух – получает тепло из воды и подогревает воздух.

Воздушные тепловые насосы

Термопомпы воздух-воздух похожи на кондиционер и состоят из наружного и внутреннего блоков, иногда изготовлены как моноблок с воздуховодами. Принцип работы теплового насоса воздух-воздух – в отборе тепла из воздуха снаружи здания и нагрева его внутри.

ТН воздух-вода состоит из наружного блока и бойлера (бака-накопителя), либо как моноблок в котором они объединены. Принцип работы теплового насоса воздух-вода – он охлаждает наружный воздух и нагревает воду или другой теплоноситель.

Наружный блок воздушного теплового насоса большой мощности.

Водяные тепловые насосы

Тепловой насос вода-вода состоит из блока с теплообменником или накопителем и состоящей из нескольких труб магистрали (поля), погруженной в водоем, по которой циркулирует теплоноситель. Принцип работы теплового насоса вода-вода – отбор тепла из водоема и нагрев воды или теплоносителя.

ТН вода-воздух – это магистраль и моноблок, в котором нагревается воздух для подачи на фанкойлы или вентиляцию. Иногда в таких тепловых насосах используют внутренние блоки по типу кондиционерных.

Укладка магистрали водяного теплового насоса в искусственный водоем

Грунтовые тепловые насосы

Такие тепловые насосы используют тепло земли, для чего либо бурят скважины, либо геотермальное поле, по которым циркулирует теплоноситель или рассол. В первом случае бурятся несколько скважин, отстоящих друг от друга на расстоянии более одного метра. Во втором — на глубине до 2 метров укладываюется горизонтальные трубы.

Грунтовые тепловые насосы косвенного теплообмена имеют два контура. В первом, уложенном в поле или скважине, циркулирует жидкость (рассол, растворы пропиленгликоля, этиленгликоля), которая передает тепло теплоносителю (фреону), который иркулирует по второму контуру. именно там происходят иклы конденсаии и испарения, передающие тепло.

Тепловые грунтовые насосы прямого теплообмена имеют один контур. В нем иркулирует фреон. За счет его большого количества стоимость монтажа такого типа ТН выше.

Тепловые насосы грунт-вода либо имеют встроенный бак-накопитель, либо небольшой бак-теплообменник. ТН типа грунт-воздух либо выполнены как моноблок с каналом подачи нагретого воздуха, либо нагревают его через внутренние блоки по типу кондиционерных.

Прокладка траншей под магистраль геотермального поля грунтового теплового насоса

Эффективность и целесообразность

КПД тепловых насосов зависит от их производительности и качества. Например, воздушные ТН в зависимости от модели и стоимости могут производить при +5 градусов от 2 до 5 кВт тепла на 1 кВт затраченной электроэнергии. У грунтовых и водяных термопомп все зависит от оборудования, некоторые имеют КПД до 1000%, но цена такого теплового насоса немаленькая.

В статье мы разобрали принцип работы теплового насоса для обогрева здания, а вопрос о выборе, покупке и установке каждый должен решать самостоятельно. В любом случае, тепловые насосы – достойная альтернатива другим источникам тепла. Особенно учитывая, что газ и твердое топливо постоянно дорожают. Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!

Отопление тепловым насосом загородного дома; принцип работы, проектирование теплового насоса

Тепловой насос принцип работы

Отопление дома тепловым насосом

Выпускаемый нами тепловой насос – это готовое изделие, предназначенное для отопления дома с постоянным, комфортным проживанием. Физический размер и параметры установки можно посмотреть здесь. Насос имеет электрический кабель, для подключения его к однофазной или трехфазной сети (индивидуально). На верхней крышке теплового насоса имеются четыре трубки с сантехнической резьбой – две для подключения холодного контура к ним присоединяется труба, уложенная в землю или водоем, другие такие же две трубки, для горячего контура (подключаются к гребенке отопления – теплые полы, батареи или фанкойлы). На передней панели блок автоматики с полупрозрачной крышкой (блок управления теплового насоса) , через которую видны цифры текущих температур в обоих контурах.

Тепловой насос – принцип работы

Система отопления на базе теплового насоса состоит из трех замкнутых контуров, по которым циркулирует незамерзающая жидкость. Внешний контур (собирает тепло окружающей среды), контур в самом тепловом насосе и внутренний контур (например, теплые полы). Незамерзайка течет по контуру, который уложен в грунт или водоем к тепловому насосу. Проходя через испаритель теплового насоса незамерзайка отдает 4-7 град. С хладагенту (отчего он вскипает и переходит в газообразное состояние) с низкой температурой кипения -10 град. С и охлажденная уходит опять в земляной контур. За час по коллектору протекает 2-3 куб.м незамерзающей жидкости, которые земля нагревает на 5-7 град. С.

Формулу для расчёта тепловой мощности в ГКал/час можно представить в виде:

Q = (T1 – T2) * расход теплоносителя (м3/час) / 1000, где T1 – Т2 – разность температур в градусах Цельсия.

Компрессор,сжимая пары фреона, увеличивает его температуру до 80-100 град.С и выталкивает их в конденсатор. В конденсаторе хладагент отдает тепло во внутренний отопительный контур и переходит из газообразного в жидкое состояние. И процесс повторяется снова.

Теперь рассмотрим принцип работы теплового насоса на конкретном примере. Допустим, что у нас есть участок 6-12 соток, (у кого-то гораздо больше), на котором стоит дом (100-250кв.метров). Газа на участке нет (и по всей вероятности не будет, если честно, я убежден – ОН НЕ НУЖЕН!), но зато есть электричество и, причем его немного (3-5 кВт). Могу ответственно заявить, что для полноценного (!) проживания в доме 100 кв. метров (если дом теплый 150кв. метров!), учитывая все электрические приборы, достаточно…. внимание… 2 (два кВт. ) Это совсем не означает, что он включится осенью, а выключится весной! Причем это не какой то компромисс с неудобствами, а очень комфортное , в смысле отопления, проживание. Мне, например, очень нравится, когда температура в доме зимой + 23 град.

Рассмотрим вариант, когда мы хотим взять тепло земли. Это самый эффективный и самый необременительный при длительной эксплуатации вариант. К его большим плюсам можно отнести возможность практически бесплатного охлаждения Вашего дома летом.

Допустим, что на участке у Вас еще ничего не посажено, поэтому Вы можете провести земляные работы. Так вот на Вашем участке мы закапываем трубу – обычную, полиэтиленовую тонкостенную трубу (диаметром 40мм). На каждый кв. метр нашего дома мы должны закопать трубу, длиной 5 погонных метров, т.е. при площади дома в 100кв. м длина трубы будет 500 метров. Вы подумали, что много?! Но на самом деле это легко выполнимая задача. Укладывать трубу земляного коллектора следует змейкой и не ближе 2.5 – 3 м от строений, в противном случае получим под ними «вечную мерзлоту». Контур укладываем на глубину 1.20-1.40м от поверхности земли. Расстояние по осям 0,9-1м.

Если змейку контуров будет пересекать, например, канализационная труба, ее можно уложить несколько глубже. Контур на нее глобального воздействия оказывать не будет. Температура земли на этой глубине в конце отопительного сезона может быть 0 или -1 максимум. Трубу укладываем бухтами по 100 – 200 метров, соединяя ее муфтами. Муфты закапываем после опрессовки всей трубы. И два конца этой самой трубы мы подключаем к холодной стороне теплового насоса. Теперь заполняем нашу трубу незамерзающей жидкостью (этиленгликолем) в народе – тосолом, антифризом. Для устройства земляного контура необходима «Гостовская труба» из ПНД (полиэтилен низкого давления) для холодной воды (продается в бухтах по 100-200 м, стоимость 35 руб. метр), толщина стенки 2.3 мм, на максимальное давление 6 атм. Все, теперь переходим в дом!

Отапливая дом тепловым насосом лучше всего внутри дома устроить теплые полы. Можно конечно использовать традиционные батареи, но тогда размер их должен быть в три раза больше, чем обычно (согласитесь не очень удобно). Можно использовать и комбинированную схему. Например, теплые полы + если есть эркер или большое остекление – батареи.
Теплый пол удобен еще тем, что средняя температура пола составляет плюс 27 градусов, что очень комфортно для ног. Для устройства теплого пола используется пластиковая труба из «сшивного» полиэтилена диаметром 16- 20 мм (цена 45-55 руб., за метр), которая укладывается для каждого помещения отдельно. Затем все начала, и концы этих трубок соединяются вместе через коллектор и у нас опять на выходе два конца, которые мы подключаем уже к горячей стороне теплового насоса. И снова все трубки, теперь уже теплого пола, заполняем тем же этиленгликолем!

Теперь идем к нашему тепловому насосу и включаем его. Что же происходит?

При включении теплонасос тестирует питающую его сеть 380 В или 220 В. Затем включается циркуляционный насос холодного контура и тестируется температура в нем. Если температура не ниже -15 град., разрешается включение горячего циркуляционного насоса. Если температура уходящего носителя не высока (т.е. в помещении прохладно) происходит пуск компрессора через 5 минут после команды контроллера. Точность поддержания 1 град. При нагреве помещений до заданной температуры, холодный контур “останавливается”, а горячий циркуляционный насос работает постоянно, что позволяет считывать температуру носителя.

В течение всего лета Ваш участок прогревал термоядерный реактор в отличном состоянии (работает миллиарды лет и еще столько же проработает – это Солнце ) и температура на глубине закопанной нами трубы к концу лета составляет 12-16 градусов. Земля набрала тепло от солнца. За зиму земля остывает ступенчато и к началу весны температура земли уже составляет +1 -1 градус.

По трубе в земле в сезон отопления циркулирует этиленгликоль (при помощи маломощного циркуляционного насоса). Тепловой насос, прогоняя по контуру, уложенному в землю теплоноситель, пытается охладить землю, но делает это крайне медленно. Например, в конце зимы он отправляет в земляной контур -5, а оттуда, пройдя полкилометра, возвращается 0, мы опять туда -5, и снова 0 обратно. А труба-то диаметром 40мм! и проток большой, так что получается, что земля это большое количество жидкости нагревает на 5 градусов. Вот это-то тепло тепловой насос переносит в положительный вектор температур и преобразует в температуру 50-70 градусов (для горячего водоснабжения) и до 40 градусов (для теплых полов). Оптимально в теплые полы отправляем 35 градусов, а возвращается, при этом нагревая наш дом, 27 градусов. Мы туда опять 35, а обратно опять 27.

Вот и весь принцип работы теплового насоса!

Ну а если у Вас нет возможности закапывать контур или большой дом на маленьком участке, то возможно другое, достойное внимания, решение. Вы бурите на участке две скважины, не ближе 15 метров друг от друга (для водоснабжения Вам все равно одна потребуется). Тепловой насос отбирает 4-5 градусов у поднимаемой из скважины воды, температура её всегда стабильна (7-8 градусов) и не меняется. Охлаждает и затем сбрасывает ее в другой колодец или в ливневую канализацию или водоем или…. Коэффициент при этом способе остается высоким, даже учитывая дополнительное потребление электричества погруженным насосом. Есть еще и другие способы, используемые при отоплении дома тепловым насосом, но все они очень индивидуальны для конкретного дома.

Если Вы еще не поставили себе в дом тепловой насос, не теряйте время, делайте заявку заранее! Посмотрите наши объекты, где уже установлены тепловые насосы Henk различной мощности, в зависимости от размеров и типов загородных домов. Отопление дома тепловым насосом позволяет легко подобрать оптимальное решение именно для Вашего дома.

Принцип работы теплового насоса для отопления дома

В условиях растущих цен на топливо многие задумываются о снижении расходов. Учёные ломают голову над получением дешёвой энергии и максимальном использовании сил природы. Именно на простых законах физики и использовании природных стихий построен принцип действия теплового насоса.

Понятие теплового насоса и принцип его работы

Если сильно упростить структуру насоса, производящего тепло, то получится работа холодильника или кондиционера, но в более глобальном масштабе. Такая тепловая установка не требует топливного котла. Её нужно правильно смонтировать и подключить к источнику электропитания. Это вовсе не обозначает, что насос отапливает дом электричеством — киловатты тратятся на функционирование системы.

Устройство насоса

Принцип действия теплового насоса не особо отличается от выбранного вида — тепло забирается во внешней среде и передаётся в дом. Такие установки имеют всего три главных компонента:

Зонд, собирающий тепло.
Сам тепловой насос, включая компрессор.
Система отопления здания с теплообменной камерой.

капилляр;
хладагент;
компрессор;
испаритель;
конденсатор;
терморегулятор.

Принцип работы теплового насоса

Разновидности тепловых насосов

Общий принцип теплонасосных установок заключается в обмене температур между носителями. Тепло первичного источника передаётся системе отопления без использования топлива. Эти источники можно поделить на 3 группы:

геотермальные;
аэротермические;
гидротермальные.

Открытого типа.
Закрытых разновидностей.

Контур геотермального теплового насоса

Достоинства и недостатки насосов разных видов

Наиболее простой и быстромонтируемый вид теплоустановки — это аэротермический. Теплообмен происходит с воздухом, не требуя монтажа большого количества оборудования. Плюсами являются:

лёгкость установки без труб и радиаторов;
безопасность и экологичность эксплуатации;
возможность использования в летнее время для охлаждения.

Насос вода-вода требует более сложного монтажа и соблюдения обязательного условия — на участке должен быть водоём, непромерзающий зимой до самого дна. Это является недостатком такой установки, в ряде случаев её просто невозможно смонтировать. Преимуществами этой системы являются высокая эффективность, возможность эксплуатации в морозы и более низкая стоимость установки относительно геотермальной.

Схема теплового насоса вода-вода

Список плюсов значительно шире:

длительный срок работы при разовых вложениях;
максимальная эффективность при любой погоде;
эксплуатация и на охлаждение, и на обогрев здания;
возможность использования в регионах с сильными морозами.

Особенности монтажа теплового насоса

Почти все теплонасосные установки допускают возможность самостоятельного монтажа. Возможность самому установить насос при вертикальном расположении зонда исключена — требуется бурение скважины на глубину не менее 100 метров. Во всех остальных случаях достаточно соблюсти простые требования.

Монтаж теплового насоса – это трудозатратное дело

Минимальные требования

Система вода-вода не может функционировать без поверхностного водоёма в шаговой доступности при самостоятельной установке. Возможен монтаж силами профессионалов вертикальной системы, если есть источник подземных вод.

Горизонтальный грунтовой насос требует наличия свободного участка земли, незанятой под огород, сад и не имеющей тяжёлых строений. При этом его площадь должна в 2─4 раза превышать размер земли, занятой отапливаемым строением. Система вода-воздух или воздух-воздух требует хотя бы минимальной ветрености и должна быть установлена не более, чем в 20 метрах от здания.

Устройство теплового насоса требует наличия обязательного источника электропитания. При невозможности подключения насоса к стационарному электроснабжению допускается использование бензинового или дизельного генератора.

Монтаж воздушного теплового насоса

По сути, эта система представляет собой большой кондиционер в случае принципа воздух-воздух. В этом случае процесс монтажа прост — необходимо выбрать правильное месторасположение и обеспечить вход воздуховода в здание с обязательной установкой фильтров.

При выборе места установки воздухозаборников нужно учесть шум, производимый ими в работе. А также требуется обеспечить возможный отход конденсата для предотвращения обледенения. Воздушный теплонасос наиболее простой в монтаже.
Вернуться к содержанию

Установка водяного горизонтального насоса

Сначала необходимо собрать геоконтур из обычных полимерных труб необходимо при помощи грузил опустить на дно водоёма вместе с испарителем. Допустима установка в водоёмах со сточными или промышленными водами, не повреждающими полимер.

Теплообменник водяного горизонтального теплового насоса

Монтаж горизонтального насоса грунт-вода

Эта система наиболее популярна в частном секторе. Она понятна для самостоятельного монтажа, но требует большого объёма земляных работ. Возможно простое «U-образное» расположение труб под землёй на большое расстояние или же монтаж змеевидной системы на ограниченном участке.

Необходимо учесть, что для получения 1 кВт тепловой энергии требуется 50 кв. м. коллекторов. При змеевидном расположении труб они должны быть удалены друг от друга на расстояние в 0,7─1 м. КПД горизонтальной системы при правильном монтаже достигает 3─5 кВт тепловой энергии на один потраченный киловатт электричества.
Вернуться к содержанию

Вертикальные насосные установки

Самостоятельно смонтировать вертикальный насос невозможно — требуется бурение на глубину не менее 100 м. Для начала необходимо оплатить и получить разрешение на скважину. Такие теплонасосные установки наиболее дорогие, но максимально эффективные.

Нюансы расчётов при установке теплового насоса

Поняв, как работает тепловой насос, необходимо правильно рассчитать его мощность. Расчёт теплового насоса кажется простым только на первый взгляд. Лучше всего доверить эту работу специалистам, особенно если здание находиться в регионе с холодным климатом.

Грунтовый теплообменник вертикального теплового насоса

R — теплопотери здания;
V — объёмы дома в м³;
T — максимальный перепад температур дом-улица;
k — коэффициент теплопроводности здания (СНиП).

Сама формула выглядит так: R=k*V*T. Единицей измерения результата умножения являются ккал. Для перевода их в кВт необходимо произвести деление на 860. Полученный результат покажет максимально необходимую мощность насоса.
Вернуться к содержанию

Случаи низкой рентабельности насоса

Неправильные расчёты могут привести к недостаточной мощности. В тёплых областях это приведёт к монтажу излишне мощной системы, но в морозных регионах не позволит качественно отапливать здание.

Выше сказано, что воздушный насос неэффективен при морозах в минус 20 С. На самом деле сейчас уже существуют модели, способные функционировать при температуре в минус 32 С, оставаясь рентабельными. Пока такие системы реализуются по очень высокой стоимости и их эксплуатация обоснована только при невозможности выбора другого вида отопления.

А также необоснованные затраты будут при монтаже вертикальных систем в тёплых регионах. Их применение будет обоснованным только в очень жарком климате в случае эксплуатации с целью охлаждения при выборе реверсивных моделей насосов. Монтаж вертикальных систем в тёплых регионах для отопления нерентабелен — окупаемость установки с 5─7 возрастёт до 15─20 лет.

Если теплонасосная установка уже запланирована на этапе строительства дома, то стоит заранее рассчитать монтаж системы тёплых полов. Это наиболее выгодная система отопления с использованием тепловых насосов. Подключение к действующей радиаторной системе также эффективно, но менее рентабельно.
Вернуться к содержанию

Тепловой насос для отопления дома, принцип работы и виды

Тепловой насос — это альтернативный источник создания тепла для обогрева дома. Данное устройство преобразует низкопотенциальную тепловую энергию источника (земли, воды, воздуха) в высокотемпературное тепло. Тепловые насосы, преобразующие энергию земли являются наиболее распространенными.

Теорию теплового насоса разработал в 1852 году лорд Кельвин. В 1866 на основе данных изысканий Иоахимстале Петер фон Риттингер создал устройство, и использовал его для повышения эффективности выпаривания соли. В современной форме тепловой насос создал американец Роберт Уэббер в середине ХХ века. Он начал использовать тепловую энергию земли для отопления дома. Для этого под грунтом укладывались медные трубы, где циркулировал забирающий при испарении земное тепло фреон. Тепло это газ отдавал в доме, и, конденсируясь, опять шел на циркуляцию в землю.

В данном обзоре рассмотрены основные виды систем с использованием теплового насоса и принцип их работы.

Принцип действия теплового насоса

Принцип действия тепловых насосов схож с работой холодильных машин, где производиться получение холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду. В тепловом насосе же процессы происходят в обратном порядке — в этом и заключается основное различие.

Устройство теплового насоса:

Тепловой насос состоит из двух теплообменников — испарителя и конденсатора. В испарителе с помощью испаряющегося хладагента поддерживается температура ниже температуры того тела (грунт, вода или атмосферный воздух), от которого требуется отобрать тепло. В конденсаторе поддерживается температура выше температуры другого тела (система отопления дома), которому тепло передается.

Разные уровни температур в первом и втором теплообменниках обеспечиваются с помощью циркулирующего между ними хладагента, способного изменяться от жидкого к газообразному состоянию и обратно при различных температурах.

Тепловым насосам для работы требуется электроэнергия. Ориентировочно, затратив 1 кВт электроэнергии на работу компрессора и насосов, можно получить 3 — 5 кВт тепловой энергии. В летний период, при наличии реверсивного режима работы, тепловой насос может охлаждать воздух в помещении.

Эффективность тепловых насосов зависит от способа обогревания и качества утепления дома. Наиболее рациональным является применение низкотемпературных систем отопления (один из примеров — система теплый пол). Связано это с низкотемпературным режимом нагревания воды тепловым насосом. И, если бы в данном случае использовались традиционные радиаторы, то они должны быть увеличенных размеров.

Преимущества тепловых насосов

У тепловых насосов есть ряд существенных преимуществ:

В первую очередь стоит отметить долговечность таких систем. Тепловые насосы могут работать 20-25 лет, после чего компрессор насоса может быть заменен и система продолжит свою работу.
Кроме того, системы тепловых насосов безопасны, поскольку отсутствуют топливо, открытый огонь и опасные газы.
Следующий положительный фак — экологическая чистота системы, которая в процессе функционирования не образует вредные окислы, а применяемые в них фреоны не содержат хлороуглеродов.

Основным недостатком системы является высокая стоимость. В связи с этим, выбирая тепловой насос, не стоит заказывать оборудование максимальной мощности. Это неоправданно дорого и не имеет смысла, так как фактическое количество холодных дней обычно не превышает двух-трех недель за год. Оптимальный тепловой насос должен иметь мощность, равную 60 — 80% от максимальной. А для покрытия пиковых нагрузок можно установить резервный котел с традиционным видом топлива либо использовать встроенные в тепловые насосы ТЭНы.

Виды тепловых насосов

Естественным источником энергии для теплового насоса может быть:

Тепло земли (тепло грунта).
Подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные).
Наружный воздух.

Искусственные источники низкопотенциального тепла:

Удаляемый вентиляционный воздух.
Канализационные стоки (сточные воды).
Промышленные сбросы.
Тепло технологических процессов.
Бытовые тепловыделения

И в зависимости от источников энергии тепловые насосы подразделяются на следующие типы:

Вода — вода.
Вода — воздух.
Грунт — вода.
Грунт — воздух.
Воздух — вода.
Воздух — воздух.

Тепловые насосы типа «грунт – вода», «грунт – воздух»

На глубине ниже 10 м температура грунта практически постоянна в течение всего года. Насосы типа «грунт – вода» используют тепловую энергию земли и передают ее для обогрева дома через систему водяного отопления. В тепловых насосах, работающих по принципу «грунт – воздух», тепловая энергия также отбирается у грунта и через компрессор напрямую передается воздуху, который используется для отопления зданий.

Механизм теплообмена следующий:

Энергия, отобранная от земли, аккумулируется носителем, в качестве которого чаще всего используется незамерзающая жидкость — антифриз («рассол»).
Опускаясь вниз по теплообменнику, «рассол» отбирает у грунта тепло (примерно 3 — 4 °С) и передает его фреону, циркулирующему во внутреннем контуре теплового насоса.
Фреон, проходя через каналы испарителя, закипает и испаряется.
Образовавшийся при этом пар поступает в компрессор, сжимается там (при этом температура его повышается), после чего горячий и сжатый пар направляется в теплообменник конденсатора, где охлаждается, передавая тепло воде.
Вода используется в системе отопления и горячего водоснабжения, а жидкий фреон стекает на дно конденсатора, откуда, за счет перепада давлений, через дроссель возвращается в испаритель.
Данный порядок цикличен — повторяется снова и снова.

Теплообменник в тепловых насосах типа «грунт – вода» бывает двух видов:

Горизонтальный коллектор.
Вертикальный коллектор.

Горизонтальный коллектор

При данной реализации отбирается тепло, накопленное в верхних слоях почвы в результате солнечного излучения, и коллектор представляет собой несколько контуров пластиковых труб, уложенных под слоем грунта.

Для эффективной работы системы, исходя из особенностей грунта, его теплопроводности и геометрии участка, выбирается определенная схема укладки труб – петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм. Также, эффективность теплообмена увеличивается на влажных грунтах и уменьшается на сухих песчаных участках.

Для отопления дома площадью 70 — 100 м² достаточно уложить приблизительно 200 — 320 м трубопровода несколькими петлями-контурами. Для этого нужен участок площадью примерно 150 — 200 м², то есть в 1,5 — 2 раза больше, чем отапливаемая площадь дома. Дальнейшее использование такого участка над коллектором возможно только в качестве лужайки или цветника.

Главное преимущество использования горизонтального коллектора в связке с тепловым насосом — простота монтажа и то, что при прочих равных условиях работы по монтажу оборудования обойдутся немного дешевле, чем бурение скважин.

Вертикальный коллектор

Грунтовые зонды вертикального коллектора представляют собой систему длинных труб, опускаемых в скважины глубиной 50-200 м.

Пространство в скважине вокруг зонда заполняется буровым раствором или цементно-бетонной смесью для защиты труб от повреждений и улучшения теплопередачи. Для дома площадью 70 — 100 м² понадобится 2 — 3 скважины глубиной около 50 м. Располагать скважины следует не ближе 2 м от стены дома, чтобы не повредить фундамент. Также скважины не должны находиться на одной линии течения подземных вод — иначе эффективность теплового насоса уменьшится.

Для вертикального коллектора не требуется большой участок, а на глубинах от 50 м температура грунта выше, потому эффективность теплообмена при использовании данной системы выше на 15 — 20%, чем у горизонтального коллектора.

Тепловые насосы типа «воздух – вода», «воздух – воздух»

Тепловой насос типа «воздух – воздух» и «воздух – вода» схожи по принципу работы с кондиционерами. Они стоят дешевле, но проигрывают другим видам насосов по универсальности, применяясь преимущественно для нагревания горячей воды.

Такие устройства имеют два варианта исполнения:

Сплит система состоит из двух блоков, соединенных инженерными коммуникациями. В состав наружного входят мощный вентилятор и испаритель, а внутренний содержит конденсатор и автоматику. При этом компрессор может располагаться как во внутреннем блоке, так и в наружном, чтобы избежать шума в помещении.
В моно системе все элементы собираются в одном корпусе и монтируются либо в доме, соединяясь с улицей гибким воздуховодом, либо снаружи.

Тепловые насосы типа «вода – вода»

При соседстве с домом реки или пруда можно использовать тепловой насос, работающий по схеме «вода – вода». Для этого из водоема отбирается мощным насосом вода, которая прокачивается через первичный теплообменник теплового насоса, отдавая свою тепловую энергию фреону, и сбрасывается обратно в водоем.

Тепловой насос типа вода — вода наиболее экономичный. Однако, из-за загрязненности используемой воды необходимо предпринимать дополнительные меры для ее предварительной очистки перед подачей в тепловой насос.

Пример схемы обвязки теплового насоса вода — вода:

Теплообменник для пассивного охлаждения
Расширительный бак внешнего контура теплового насоса
Коллектор потолочного охлаждения
Расширительный бак системы отопления
Группа безопасности котла (теплового насоса)
Расширительный бак для ГВС
Резервный котел (высокотемпературный) с насосом и группой безопасности
Узел подмеса системы отопления
Термостатический клапан радиатора отопления
Буфер (тепловой аккумулятор)
Основной насос системы отопления
Тепловой насос вода-вода со встроенными циркуляционными насосами
Бойлер косвенного нагрева для ГВС
Насос рециркуляции ГВС
Коллектор водоснабжения
Коллектор теплых полов
Коллектор радиаторов

Подведем итог. Первоначальные затраты на систему отопления с тепловым насосом и ее обустройство достаточно высоки. Но, с учетом низких расходов на отопление, со временем можно покрыть первоначальные вложения и продолжить использование альтернативных источников для обогрева дома.

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы и примеры расчета

Давно и весьма успешно тепловые насосы используются в бытовых и промышленных холодильниках и кондиционерах.

Сегодня эти устройства стали применять и для выполнения функции противоположного характера – обогрева жилища в период холодов.

Давайте же посмотрим, как используются тепловые насосы для отопления частных домов и что нужно знать, чтобы правильно рассчитать все его компоненты.

Тепловой насос. Конструкция обогрева дома

Разница состоит только в том, что котел сжигает топливо, а ТН «выкачивает» тепловую энергию из источников, которые, на первый взгляд, совсем ею не богаты.

Грунт и речная вода с температурой 5 – 7 градусов, или даже морозный зимний воздух, температура которого вообще оказалась ниже нуля.

Такие источники называются низкопотенциальными, и хотя с понятием тепла они никак не ассоциируются, ТН умудряется «выжать» из них внушительный объем живительной энергии. К этому следует добавить тепло, выделяемое электродвигателем компрессора ТН: здесь, в отличие от холодильника и кондиционера, оно не пропадает даром.

В остальном система отопления на базе ТН ничем не отличается от обычной: используется теплоноситель – вода или воздух, который нагревается, протекая через теплообменник, а затем разносит тепло по всему дому. Циркуляцию обеспечивает насос (для водяного отопления) или вентилятор (для воздушного). Точно также, как и традиционный теплогенератор, ТН можно одновременно подключить к контуру горячего водоснабжения (ГВС) как с накопительной емкостью (бойлером), так и без нее.

Знаете ли вы, что можно обогревать жилище практически бесплатно? Геотермальное отопление: принцип работы, достоинства и недостатки технологии, читайте внимательно.

О том, как самостоятельно установить двухконтурный газовый котел для отопления частного дома, читайте тут.

В России паровое отопление появилось раньше водяного, однако сейчас такая система используется редко. Здесь https://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/montazh-sistem-otopleniya/parovoe-otoplenie-v-chastnom-dome-sxema.html вы найдете обзор основных видов котлов и способов парового отопления.

Принцип работы тепловых насосов

В любом ТН имеется рабочая среда, именуемая хладагентом. Обычно в этом качестве выступает фреон, реже – аммиак. Само устройство состоит всего из трех компонентов:

испаритель;
компрессор;
конденсатор.

Испаритель и конденсатор – это два резервуара, имеющие вид длинных изогнутых трубок – змеевиков. Конденсатор одним концом присоединяется к выходному патрубку компрессора, а испаритель – ко входному. Концы змеевиков стыкуются и в месте соединения между ними устанавливается редукционный клапан. Испаритель контактирует – непосредственно или косвенно – со средой-источником, а конденсатор – с системой отопления или ГВС.

Принцип работы теплового насоса

Работа ТН основана на взаимозависимости объема, давления и температуры газа. Вот что происходит внутри агрегата:

Аммиак, фреон или другой хладагент, двигаясь по испарителю, нагревается от среды-источника, допустим, до температуры +5 градусов.
Пройдя испаритель, газ достигает компрессора, который перекачивает его в конденсатор.
Нагнетаемый компрессором хладагент удерживается в конденсаторе редукционным клапаном, поэтому его давление здесь выше, чем в испарителе. Как известно, с ростом давления температура любого газа увеличивается. Именно это происходит с хладагентом – он разогревается до 60 – 70 градусов. Поскольку конденсатор омывается циркулирующим в системе отопления теплоносителем, последний также нагревается.
Через редукционный клапан хладагент небольшими порциями сбрасывается в испаритель, где его давление снова падает. Газ расширяется и остывает, а поскольку часть внутренней энергии была потеряна им в результате теплообмена на предыдущем этапе, его температура опускается ниже изначальных +5 градусов. Следуя по испарителю, он снова нагревается, далее закачивается в конденсатор компрессором – и так по кругу. По-научному этот процесс называется циклом Карно.

Но ТН все-равно остается очень выгодным: за каждый потраченный кВт*ч электроэнергии удается получить от 3 до 5 кВт*ч тепла.

Виды конструкций тепловых насосов

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

Существуют следующие разновидности:

ТН «воздух – воздух»;
ТН «воздух – вода»;
ТН «грунт – вода»;
ТН «вода – вода».

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

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

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

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

Принципиальная схема работы теплового насоса

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

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

Работа теплового насоса при работе по схеме «грунт-вода»

Укладку коллектора в грунт можно произвести тремя способами.

Горизонтальный вариант

Трубы укладываются в траншеи «змейкой» на глубину, превышающую глубину промерзания грунта (в среднем – от 1 до 1,5 м).

Для такого коллектора потребуется участок земли достаточно большой площади, но зато его может построить любой домовладелец – никаких навыков, кроме умения работать лопатой, не понадобится.

Следует, правда, учесть, что сооружение теплообменника ручным способом – довольно трудоемкий процесс.

Вертикальный вариант

Трубы коллектора в виде петель, имеющих форму литеры «U», погружаются в скважины глубиной от 20 до 100 м. При необходимости можно построить несколько таких скважин. После установки труб скважины заливают цементным раствором.

Достоинство вертикального коллектора состоит в том, что для его строительства нужен совсем небольшой участок. Однако, пробурить скважины глубиной более 20 м самостоятельно нет никакой возможности – придется нанимать бригаду бурильщиков.

Комбинированный вариант

Этот коллектор можно считать разновидностью горизонтального, но для его строительства потребуется гораздо меньше места.

На участке выкапывается круглый колодец глубиной от 2-х м.

Трубы теплообменника укладываются спиралью, так что контур представляет собой как бы вертикально установленную пружину.

По завершении монтажных работ колодец засыпают. Как и в случае с горизонтальным теплообменником, весь необходимый объем работ можно произвести своими руками.

Коллектор заполняется антифризом – тосолом или раствором этиленгликоля. Для обеспечения его циркуляции в контур врезается специальный насос. Вобрав в себя тепло грунта, антифриз поступает к испарителю, где происходит теплообмен между ним и хладагентом.

Следует учесть, что неограниченный отбор тепла из грунта, особенно при вертикальном расположении коллектора, может привести к нежелательным последствиям для геологии и экологии участка. Поэтому в летний период ТН типа «грунт – вода» весьма желательно эксплуатировать в реверсивном режиме – кондиционирование.

Газовая система отопления имеет массу преимуществ и одно из главных – низкая стоимость газа. Как обустроить обогрев жилища газом, вам подскажет схема отопления частного дома с газовым котлом. Рассмотрим проект отопительной системы и требования к замещению.

Об особенностях выбора солнечных батарей для отопления дома читайте в этой теме.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Эффективность горизонтального коллектора зависит от температуры среды, в которую он погружен, ее теплопроводности, а также площади контакта с поверхностью трубы. Методика расчета достаточно сложна, поэтому в большинстве случаев пользуются усредненными данными.

Считается, что каждый метр теплообменника обеспечивает ТН следующую тепловую мощность:

10 Вт – при заглублении в сухой песчаный или каменистый грунт;
20 Вт – в сухом глинистом грунте;
25 Вт – во влажном глинистом грунте;
35 Вт – в очень сыром глинистом грунте.

Таким образом, для расчета длины коллектора (L) следует потребную тепловую мощность (Q) разделить на теплотворную способность грунта (p):

L = Q / p.

Приведенные значения можно считать действительными только при соблюдении следующих условий:

Участок земли над коллектором не застроен, не затенен и не засажен деревьями или кустами.
Расстояние между соседними витками спирали или участками «змейки» составляет не менее 0,7 м.

Пример расчета теплового насоса

Подберем ТН для системы отопления одноэтажного дома общей площадью 70 кв. м со стандартной высотой потолка (2,5 м), рациональной архитектурой и теплоизоляцией ограждающих конструкций, соответствующей требованиям современных строительных норм. На обогрев 1-го кв. м такого объекта по общепринятым нормам приходится тратить 100 Вт тепла. Таким образом, для отопления всего дома понадобится:

Q = 70 х 100 = 7000 Вт = 7 кВт тепловой энергии.

Выбираем тепловой насос марки «ТеплоДаром» (модель L-024-WLC) с тепловой мощностью W = 7,7 кВт. Компрессор агрегата потребляет N = 2,5 кВт электроэнергии.

Расчет коллектора

Грунт на отведенном под строительство коллектора участке – глинистый, уровень грунтовых вод высокий (принимаем теплотворную способность p = 35 Вт/м).

Мощность коллектора определяем по формуле:

Qk = W – N = 7,7 – 2,5 = 5,2 кВт.

L = 5200 / 35 = 148.5 м (приблизительно).

Исходя из того факта, что укладывать контур длиной более 100 м нерационально из-за чрезмерно высокого гидравлического сопротивления, принимаем следующее: коллектор теплового насоса будет состоять из двух контуров – длиной 100 м и 50 м.

Площадь участка, который необходимо будет отвести под коллектор, определим по формуле:

S = L x A,

Где А – шаг между соседними участками контура. Принимаем: А = 0,8 м.

Тогда S = 150 x 0.8 = 120 кв. м.

Расчет вертикального коллектора

На глубине свыше 15 м температура грунта стабильно держится на отметке +10 градусов круглый год. Поэтому эффективность вертикального коллектора является более высокой – в среднем с метрового участка удается снимать до 50 Вт тепла. Для расчета длины теплообменника также необходимо учитывать тип среды. Так, с 1-го метра трубы удается получить такую тепловую мощность:

20 Вт – при погружении в осадочный грунт (сухой);
50 Вт – в каменистом либо влажном осадочном грунте;
70 Вт – твердые породы (камень);
80 Вт – подземные воды.

Применение вертикального зонда для теплового насоса

При строительстве скважин следует соблюдать условие: расстояние между ними должно составлять не менее 5 м.

Для работы теплового насоса из вышеприведенного примера понадобится коллектор длиной L = 5200 / 50 = 140 м.

Следовательно, для обустройства коллектора потребуется пробурить две скважины глубиной 70 м. В каждой из них нужно будет установить по две U-образные петли, для чего необходимо будет закупить 4х140 = 560 м труб.