Принцип действия, виды и эффективность тепловых насосов

Известными примерами тепловых насосов являются холодильники и кондиционеры. Тепловые насосы могут использоваться как для нагревания, так и для охлаждения. Когда тепловой насос используется для нагревания, он реализует тот же тип термодинамического цикла, что и холодильник, но в противоположном направлении, высвобождая тепло в нагреваемом помещении и забирая тепло из более холодного окружающего воздуха[3].

Принцип работы теплового насоса для отопления дома

Тепловым насосом называют не отдельно взятый прибор, а установку, состоящую из следующих компонентов:

  • Циркуляционного насоса;
  • Испарителя;
  • Компрессора;
  • Конденсатора;
  • Других коммуникаций в зависимости от типа установки.

Все элементы соединены в цепь при помощи трубопровода. Задачами системы являются сбор энергии, выделение тепла и перенос его к месту потребления. Примерами работы простейшего теплового насоса являются холодильник, кондиционер или сплит-система. Испаритель и конденсатор выполняют роль теплообменников.

Разобравшись в принципе работы теплонасоса, не составит труда сделать такое устройство самостоятельно

Теплонасосные установки можно классифицировать по источнику и носителю тепла.

Виды устройств различают по двум признакам. Первый из них – среда, которая является источником энергии, второй – носитель, которому энергия передаётся, и который непосредственно обеспечивает обогрев жилища. Выделяют следующие типы систем:

  • Воздух – воздух;
  • Воздух – вода;
  • Вода – вода;
  • Земля – вода;
  • Земля – воздух.

Насос приводится в действие электрическим током, дизельным генератором или работает от солнечной батареи. Теплоноситель (вода или воздух) циркулирует по трубкам, проходит через испаритель и отдаёт тепло хладагенту. Происходит переход хладагента из жидкого в газообразное состояние. Компрессор сжимает газ с повышением температуры. В конденсаторе происходит выделение энергии и нагревание теплоносителя. Далее вещество, нагретое до высокой температуры, поступает в систему отопления дома. Выходит теплоноситель уже охлаждённым, цикл повторяется. Таким образом, затраты электроэнергии (либо другого источника энергии) идут только на работу циркуляционного насоса и теплового прибора. Обогрев дома происходит не электричеством, а теплом природного накопителя энергии.

А как быть в -300С?

Тут нужно рассказать о концепции такой системы… Средняя температура отопительного периода в Екатеринбурге -5,60С и это вполне нормальный режим для ТН. Даже в январе температура в среднем -12,60С. С такой погоды можно «отбирать» тепло. Концепция системы отопления подразумевает, что вы покрываете 90% потребностей в тепле и ГВС с помощью ТН, а пиковые нагрузки в сильные морозы компенсируются электрическим отоплением. Некоторые тепловые насосы имеют встроенный ТЭН и переходят в режим электрокотла при необходимости. Кроме этого, мы всегда рекомендуем ставить резервный теплогенератор, поэтому нормальный путь — дополнить систему отопления отдельным электрокотлом. Вопрос от 10 000 до 50 000 руб (в зависимости от производителя). С газовым котлом такой резерв тоже настоятельно рекомендуется, поэтому это не удорожание системы. В общем, холода у нас длятся не долго, особенно последние года. Глобальное потепление или временные причины — мы не знаем, но это факт. С приходом весны эффективность ТН возрастает, COP воздушного ТН поднимается, растет и ваша экономия. Средний COP немецкого воздушного теплового насоса 3,5 по году. Грунтовый обычно показывает значения на 10-15% выше и мало зависит от погоды на улице, ведь она не влияет на температуру грунта под землей глубже 2м. Но тем не менее, если забирать чрезмерное количество тепла из грунта, то его также можно выморозить. Обычно к концу зимы грунт уже достаточно проморожен, и COP насоса рассол/вода снижается. А воздух/вода напротив растет весной с первыми лучами солнца.

Насосы для отопления или тепловые насосы

У традиционных источников энергии есть один недостаток — большие финансовые затраты, кроме этого, они почти истощены. Человечеству ничего не остается, как заниматься поиском альтернативных источников энергии. Одними из таких источников на сегодняшний день являются насосы для отопления или тепловые насосы. Тепловой насос является экологически чистым и экономичным способом, обустроить отопление в доме.

Так как чистота окружающей среды в последнее время выходит на первый план ,тепловые насосы становятся все более популярными по всей планете. Приблизительные подсчеты показывают, что в мире существует 100 млн. насосов для отопления. Тепловыми насосами наиболее активно пользуются люди в таких странах как США, Япония и в европейских государствах.

Читайте также:  Применение солнечных батарей

Эти государства обладают даже специальными строительными нормами, по которым в новых домах тепловые насосы должны быть установлены в обязательном порядке.

Некоторые страны, к примеру, Швеция, могут похвастаться процентным соотношением тепловых насосов к другим отопительным системам 70 на 30. Все тепловые насосы делятся на такие подвиды:

Подключение теплового насоса

Технология подключения теплового насоса зависит от его разновидности. Так, для системы воздух-вода не нужно устанавливать зонды, а потому и монтаж осуществляется по-другому.

Особенности установки тепловых насосов:

  1. Воздух-вода – установить этот насос проще и быстрее всего, поскольку для этого не потребуется проводить землекопные или буровые работы. Как правило, геотермальную установку монтируют неподалеку от жилого дома на расстоянии от 2 м до 20 м. Насос лучше всего устанавливать на хорошо проветриваемом участке, чтобы обеспечить полноценный доступ свежего воздуха. Также не допускается расположение рядом источников открытого огня или другого тепла. Чтобы защитить тепловой насос от осадков и механических воздействий, над ним рекомендуется установить навес, но так, чтобы не создавать преград для качественного вентилирования. Место установки оборудования должно быть свободным и обеспечивать доступ к технике с любой стороны, чтобы при необходимости произвести техническое обслуживание или ремонт. Насос следует установить на металлическом каркасе-рамке, во избежание дополнительных шумов и вибрирования в процессе работы. Раму надо закрепить на основании, проложив между ней и насосом резиновые прокладки.
  2. Земля-вода – установка может быть вертикальной или горизонтальной. В первом случае вам потребуется использовать буровую установку, чтобы сделать скважину глубиной в 50-100 м. Диаметр скважины должен составлять 20 см. Затем внутрь надо опустить геотермальный зонд и подключить его к системе. Для одного насоса может потребоваться несколько скважин. Их количество и глубина определяются потребностью в энергии и геологическими характеристиками местности. Для горизонтальной установки насоса необходимо вырыть траншею недалеко от дома. Глубина траншеи должна составлять 1,5-2 м в зависимости от уровня промерзания грунта. Туда укладывают систему труб, которая соединяет теплоноситель с насосом через цокольную часть дома.
  3. Вода-вода –  чтобы собрать водный коллектор, используйте обычные ПНД-трубы, заполненные теплоносителем, то есть водой. После сборки конструкцию следует перенести на берег водоема, погрузить в воду и отбуксировать на середину пруда. Крайне важно при подключении насоса не осуществлять опрессовывание системы отопления вместе с теплогенератором, а производить проводку отдельно. Во внутреннем контуре обязательно надо установить расширительный бачок, чтобы уровень воды в нем бел выше на 50 см крайней верхней точки отопительного контура. Чтобы насос прослужил подольше, трубопровод к силовой установке лучше подключать гибкими резиновыми шлангами – они уменьшают вибрацию. Для контроля работоспособности системы предусмотрите монтаж манометров и датчиков температуры в местах входа и выхода жидкости. Также потребуется установить дренажное устройство в крайней нижней точке отопления для полного слива воды из системы.

Подытожит тему рентабельности и выгоды установки тепловых насосов видео ниже:

Устройство теплового насоса довольно простое, но его установка может вызывать затруднения у неопытных мастеров. Во избежание некорректной работы системы лучше доверить ее монтаж профессионалам.

Принцип функционирования теплового насоса

Основная идея, положенная в основу принципа работы установок рассматриваемого типа, состоит в передаче тепловой энергии от источника с низким потенциалом к рабочему веществу (теплоносителю). Таким источником может быть грунт, воздух и вода. Любой объект, нагреты до температуры выше абсолютного нуля, содержит запас тепловой энергии, количество которого определяется как произведение массы объекта и его удельной теплоемкости. В этом контексте землю, океаны и атмосферу можно рассматривать как огромнейшие запасы энергии для питания энергоэффективных систем отопления.

Геотермальная установка состоит из нескольких элементов:

  • Трубопровод, расположенный в грунте на определенной глубине. Содержащееся в нем рабочее вещество получает тепловую энергию, нагреваясь на несколько градусов.
  • Теплообменный узел – следующий элемент системы, в который подается нагретый теплоноситель.
  • Внутренний контур системы, который получает тепловую энергию от теплоносителя.
  • Внешний контур с хладагентом, способным переходить в газообразную фазу в результате прогрева в испарителе.
  • Сжимающий компрессор, уменьшающий объем хладагента, тем самым увеличивая его температуру.
  • Конденсатор, передающий в свою очередь тепловую энергию разогретого рабочего вещества на отопительные элементы внутренней системы. Отдавший тепловую энергию хладагент переходит в жидкую фазу, поступает в начальную точку системы для поглощения очередной новой порции тепловой энергии.
Принцип функционирования теплового насоса
Принцип функционирования теплового насоса

Отопительные системы на основе тепловых насосов характеризуются высоким КПД, способны поддерживать оптимальные температурные условия в помещениях круглый год.

Принцип функционирования теплового насоса

Тепловые насосы геотермального вида

Закрытые системы делятся на несколько видов:

  1. Геотермальные с горизонтальным расположением подразумевают укладку коллектора в траншее ниже глубины промерзания почвы. Это – примерно 1,5 метра. Коллектор укладывают кольцами с той целью, чтобы уменьшить площадь земляных работ до минимума и обеспечить на небольшой площади достаточный контур (прочитайте: «Геотермальные тепловые насосы для отопления: принцип устройства системы»). Данный метод подходит лишь в том случае, если имеется в распоряжении достаточно свободной площади участка.
  2. Геотермальные конструкции с вертикальным расположением предусматривают размещение коллектора в скважине глубиной до 200 метра. Такой метод применяется при отсутствии возможности расположить теплообменник на большой площади, что необходимо для горизонтальной скважины. Также геотермальные системы с вертикальными скважинами делают в случае неровного ландшафта участка.
  3. Геотермальные водные подразумевают помещение коллектора в водоем на глубину ниже уровня промерзания. Укладка выполняется кольцами. Такие системы не могут использоваться, если водоем имеет небольшие размеры или недостаточную глубину. Необходимо учитывать, что в случае промерзания водоема на том уровне, где находится коллектор, насос работать не сможет.

Тепловой насос воздух вода — особенности, детали на видео:

Читайте также:  Как поставить счетчик на отопление в квартире

Принцип работы устройства

Тем, кто соприкасался с вопросами экономически выгодного отопления, название “тепловой насос” хорошо знакомо. Особенно в сочетании с терминами типа “земля-вода”, “вода-вода”, “вода-воздух” и т.п. Такой тепловой насос с устройством Френетта не имеет практически ничего общего, кроме разве что названия и конечного результата в виде тепловой энергии, которую в итоге используют для обогрева.

Тепловые насосы, работающие на принципе Карно, очень популярны и как экономически выгодный способ организации отопления, и как экологически безопасная система. Работа такого комплекса устройств связана с накоплением низкопотенциальной энергии, содержащейся в природных ресурсах (земле, воде, воздухе), и преобразованием ее в тепловую энергию с высоким потенциалом. Изобретение Евгения Френетта устроено и работает совершенно иначе.

Галерея изображений

Генерирующую тепло систему, разработанную Е. Френеттом, нельзя безоговорочно отнести к классу тепловых насосов. По конструктивным и технологическим признакам это обогреватель Агрегат не использует гео- или гелио-источники энергии в своей работе. Находящийся внутри него масляный теплоноситель разогревается от силы трения, создаваемой вращающимися металлическими дисками Рабочий орган насоса — маслонаполненный цилиндр, внутри которого расположена ось вращения. Это стальной стержень, оснащенный установленными примерно через 6 см параллельными дисками Центробежная сила выталкивает разогретый теплоноситель в присоединенный к прибору змеевик. Нагретое масло выходит из прибора в верхней точке соединения. Остывший теплоноситель возвращается обратно снизу

Внешний вид теплового насоса Френетта

Разогрев прибора во время работы

Основные конструктивные составляющие

Реальные размеры одной из моделей

Принцип действия этого прибора основан на использовании тепловой энергии, которая выделяется при трении. В основе конструкции — металлические поверхности, расположенные не вплотную друг к другу, а на некотором расстоянии. Пространство между ними заполняют жидкостью. Части устройства вращаются относительно друг друга с помощью электромотора, жидкость, находящаяся внутри корпуса и контактирующая с вращающимися элементами, разогревается.

Полученное тепло можно использовать для нагрева теплоносителя. Некоторые источники рекомендуют использовать эту жидкость непосредственно для отопительной системы. Чаще всего к самодельному насосу Френетта присоединяют обычный радиатор. В качестве жидкости для нагрева специалисты настоятельно рекомендуют использовать масло, а не воду.

В процессе работы насоса этот теплоноситель имеет свойство разогреваться очень сильно. Вода в таких условиях может просто закипеть. Горячий пар в замкнутом пространстве создает избыточное давление, а это обычно приводит к разрыву труб или корпуса. Использовать масло в такой ситуации намного безопаснее, поскольку его температура кипения значительно выше.

Для изготовления теплового насоса Френетта потребуется двигатель, радиатор, несколько труб, стальной дисковый затвор, стальные диски, металлический или пластиковый стержень, металлический цилиндр и гаечный набор (+)

Бытует мнение, что КПД такого теплогенератора превышает 100% и даже может составлять 1000%. С точки зрения физики и математики это не совсем корректное утверждение. КПД отражает потери энергии, затраченные не на обогрев, а собственно на работу прибора. Скорее феноменальные утверждения о невероятно высоком КПД насоса Френетта отражают его эффективность, которая действительно впечатляет.

Затраты электроэнергии на работу прибора ничтожны, а вот количество полученного в результате тепла весьма ощутимы. Нагрев теплоносителя до таких же температур с помощью ТЭНа, например, потребовал бы значительно большего количества электроэнергии, возможно, в десятки раз больше. Бытовой обогреватель при таком расходе электричества даже не нагрелся бы.

Почему же такими приборами не оборудованы все подряд жилые и промышленные помещения? Причины могут быть разными. Все же вода — более простой и удобный теплоноситель, чем масло. Она не нагревается до таких высоких температур, и устранить последствия протечек воды проще, чем убрать разлитое масло.

Еще одна причина может быть в том, что к моменту изобретения насоса Френетта централизованная система отопления уже существовала и успешно функционировала. Ее демонтаж для замены на теплогенераторы обошелся бы слишком дорого и доставил бы массу неудобств, поэтому такой вариант никто всерьез даже не рассматривал. Как говорится, лучшее — враг хорошего.

Читайте также:  Как выбрать оптимальную схему разводки отопления дома

Что следует учитывать при покупке

Основная задача продавца продать тепловой насос. Поэтому вот что важно помнить при выборе насоса:

Что следует учитывать при покупке
  • Не верьте в постоянный КПД воздушного теплового насоса. При низких температурах (0˚С и ниже) эффективность насоса падает. СОР = 1:1. Да, он выдает нужную температуру, но потребляет очень много электроэнергии.
  • Тепловой насос не экономичнее газа (если рассматривать его как альтернативу газовому котлу). При высоких тарифах на электроэнергию отопление тепловым насосом обойдется дороже. А срок окупаемости может быть более 10 лет.
  • Ваша система отопления должна быть рассчитана под низкотемпературное отопление. Если у вас стоят чугунные радиаторы, то тепловой насос будет с низкой эффективностью.

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%.

Электрокотел, газ или тепловой насос?

Считаем затраты на отопление дома газовым котлом, электрокотлом и тепловым насосом за отопительный сезон.

Допустим, расчетная тепловая нагрузка на отопление частного дома составляет 12 кВт (хорошо утепленный дом площадью 180−240 «квадратов» при условии поддержания в доме температуры +20°С при минимальной температуре наружного воздуха -24°С). Для большей прозрачности расчетов расход тепла на горячее водоснабжение в нашем примере учитывать не будем. Поэтому на один отопительный сезон продолжительностью 6,5 месяца нашему дому потребуется 27 тысяч кВт тепла на отопление (23,3 Гкал в сезон).

Рассмотрим вариант с установленным газовым котлом. На производство такого количества тепла придется сжечь не менее 2,7 тысяч м3 природного газа. С новым тарифом в 0,1143 рублей/м3 хозяину дома в этом случае придется заплатить около 310 рублей за сезон, то есть почти 50 рублей в месяц. Приемлемая сумма, но стоит учитывать и то, что во второй половине 2019 года тариф на газ подрастет до 0,1190 рублей/м3, а в летний период использовать газ на бытовые нужды будет традиционно в 3,5 раза дороже — 0,4114 рублей/м3.

Предположим, что в качестве источника тепла в доме используется электрокотел. Его КПД составляет не менее 98%. Это означает, что на производство 27 тысяч кВт тепла для отопления нашего дома электрическому котлу потребуется «сжечь» примерно столько же киловатт электрической энергии. Соответственно, с новым низким тарифом в 0,0335 рублей/кВт·ч владельцам электрокотла придется заплатить более 900 рублей за сезон, или около 140 рублей в месяц.

Электрокотел, газ или тепловой насос?

Как видим, даже с применением специального субсидируемого тарифа отапливать дом электричеством будет в 3 раза дороже, чем использовать природный газ. Электрический же котел будет выгоднее в эксплуатации, чем газовый, только при нагреве воды в бойлере летом.

С установкой теплового насоса ситуация складывается следующим образом. При среднем коэффициенте преобразования теплового насоса COP = 4 на производство все тех же 27 тысяч кВт тепла на обогрев дома тепловому насосу потребуется затратить всего 6,75 тысяч кВт·ч электрической энергии. Умножаем на тариф в 0,0335 рублей/кВт·ч и получаем, что за отопительный сезон в этом случае придется заплатить лишь 226 рублей, то есть 35 рублей в месяц. А это уже дешевле газа.

Средний срок эксплуатации тепловых насосов — 20 лет, электрических котлов — 7−8 лет, газовых — 7−15 лет в зависимости от производителя и условий эксплуатации.