Тепловой насос для отопления дома: принцип работы и виды

Принцип работы теплового насоса аналогичен работе холодильника. В то время как холодильник отводит тепловую энергию из камеры с продуктами и направляет ее на заднюю “решетку”, тепловой насос делает наоборот: он забирает тепловую энергию из окружающей среды (скважин, грунтовых вод или воздуха) за пределами здания и преобразует ее в полезное тепло для отопления.

Конструкция

Конструкция любого теплового теплонасоса предусматривает 2 части: наружная (поглощает тепло из внешних источников) и внутренняя (передает изъятое тепло непосредственно в систему отопления помещения). Внешними возобновляемыми источниками тепловой энергии являются, например, тепло земли, воздуха или грунтовых вод. Такая конструкция позволяет существенно снизить затраты на теплоэнергию или охлаждение для частного дома, ведь примерно 75% энергии вырабатывается, благодаря бесплатным источникам.

Схема работы

В состав отопительной установки входят: испаритель; конденсатор; разряжающий вентиль, который понижает давление в системе; компрессор, повышающий давление. Каждый из этих узлов связан друг с другом замкнутой цепью трубопровода, внутри которого находится хладагент. Хладагент в первых циклах находится в жидком состоянии, в следующих – в газообразном. Это вещество обладает низкой температурой кипения поэтому при варианте земляного типа оборудования, способен преобразоваться в газ, достигнув уровня температуры грунта.

Далее газ поступает в компрессор, где происходит сильное сжатие, которое приводит к быстрому нагреву. После горячий пар поступает во внутреннюю часть теплонасоса, и уже здесь используется непосредственно для отопления помещений или для нагрева воды. Затем хладагент охлаждается, конденсируется и снова переходит в жидкое состояние. Через расширительный клапан жидкое вещество перетекает в подземную часть, чтобы повторить цикл нагрева.

Принцип охлаждения такой установки аналогичен принципу отопления, но используются не радиаторы, а фанкойлы. Компрессор в этом случае не функционирует. Холодный воздух из скважины напрямую поступает в кондиционирующую систему.

Виды теплонасосов

Какие бывают типы тепловых насосов? Различают оборудование по внешнему источнику теплоэнергии, который используется в системе. Среди бытовых вариантов выделяют 3 типа.

Грунтовый или земляной («грунт-воздух», «грунт-вода»)

Применение земляного теплонасоса в качестве источника теплоэнергии обеспечит эко-чистоту и безопасность. Стоимость такого оборудования высока, но функционал его огромен. Не требуется частого сервисного обслуживания, и обеспечен долгий срок эксплуатации.

Грунтовые теплонасосы могут быть двух видов: с вертикальной или с горизонтальной установкой трубопроводов. Вертикальный метод укладки более дорогостоящий, так как требуется глубокое бурение скважин в диапазоне 50-200 метров. При горизонтальном расположении трубы закладываются на глубину около метра. Для того, чтобы обеспечить сбор необходимого количества теплоэнергии, совокупная площадь трубопроводов должна превышать в 1,5-2 раза площадь отапливаемых помещений.

Водный насос («вода-воздух», «вода-вода»)

Для южных регионов с теплым климатом подойдут водяные установки. В прогретых на солнце водоемах температура воды на определенной глубине относительно устойчива. Предпочтительно прокладывать шланги в самом грунте дна, где температура выше. Для фиксации подводных трубопроводов используется груз.

Воздушный («воздух-вода», воздух-воздух»)

В установке воздушного типа источником энергии является воздух из внешней среды, который поступает на теплообменник испарителя, в где расположен жидкий хладогент. Температура хладогента всегда ниже, чем температура поступающего в систему воздуха, поэтому вещество моментально закипает и становится горячим паром.

Помимо классических моделей, востребованы комбинированные варианты установок. Такие теплонасосы дополнены газовым или же электрическим нагревателем. При плохих климатических условиях, производительность отопительного устройства уменьшается, и аппарат переключается на альтернативный вариант обогрева. Особенно актуально такое дополнение для оборудования типа «воздух-вода» или «воздух-воздух», так как именно этим видам свойственно понижение эффективности.

Для регионов с долгими холодными зимами надежнее всего использовать геотермальные (грунтовые) тепловые насосы. Воздушные теплонасосы подойдут для территорий с мягким южным климатом. Также при установке оборудования, использующего энергию земли, следует учитывать особенности грунта. Продуктивность теплонасоса будет гораздо выше в глинистом грунте, нежели в песчаном. Помимо этого, имеет значение глубина расположения трубопроводов, трубы необходимо укладывать глубже уровня промерзания земли в холодные периоды.

Коэффициент преобразования теплоты

Коэффициент преобразования теплоты (COP, КПТ) – цифра, выражающая соотношение между тепловой и потребляемой мощностью ТН. По этому параметру оценивается производительность тепловой машины.

КПТ показывает, сколько тепловой энергии перемещает устройство, затрачивая 1 кВт электроэнергии. Чем больше COP, тем эффективнее работает тепловой насос. Современные модели вырабатывают 4-5 кВт и более тепла на 1 кВт электричества (COP – 4-5).

Важно: на COP влияет температура окружающей среды и температура теплоносителя при выходе из ТН (температура подачи). С увеличением разницы между ними уменьшается коэффициент преобразования

Поэтому для более точной характеристики тепловой машины производители указывают КПТ для конкретных температур.

Не путайте КПТ и КПД (коэффициент полезного действия). В отличие от COP, КПД всегда меньше 1.

Назначение

Отопление – основная функция тепловых насосов. При этом не каждая модель способна дать необходимую тепловую мощность для полноценного отопления.

Охлаждение – предусмотрено в большинстве воздушных моделей. А вот многие грунтовые устройства не способны работать на охлаждение без дополнительной техники, которая приобретается отдельно. Вертикальные ТН обеспечивают лучшее охлаждение, чем горизонтальные тепловые машины.

Горячее водоснабжение (ГВС) – реализовано за счет встроенного водонагревателя или возможности подсоединения к внешнему бойлеру. Подобные насосы относятся к воздушному типу и встречаются редко.

Отопление и ГВС – сочетание двух режимов. Универсальный вариант.

Тепловой насос своими руками. Сборка и установка

Конечно, первичные вложения на организацию отопления дома согласно этой технологии весьма высоки. Поэтому у многих обывателей, заинтересовавшихся этой сверхэконмичной системой, возникает желание хоть немного сэкономить, соорудив ее самостоятельно.

Для этого нужно:

• Приобрести компрессор. Подойдет любой работоспособный агрегат от бытовой сплит-системы кондиционирования.
• Соорудить конденсатор. В самом простом случае в качестве оного может выступать обычный бак из нержавейки, объем которого составляет 100 литров. Он разрезается напополам, внутри его монтируется змеевик из медной трубы малого диаметра. Толщина стенки змеевика должна быть не ниже одного миллиметра. После раскрепления змеевика необходимо обратно сварить бак в целостную конструкцию, соблюдая условия герметичности.
• Собрать испаритель. Это может быть и пластиковая 60–80-литровая емкость с вмонтированной в нее трубой на ¾ дюйма.
• Для организации внешнего контура, расположенного в грунте, лучше использовать современные металлопластиковые трубы – они намного более долговечные, нежели классические металлические и монтаж их гораздо надежнее и быстрее.

На этом монтаж теплогенерирующей установки заканчивается. Можно пользоваться всеми ее преимуществами, главным из которых является низкое потребление энергоресурса – электроэнергии при значительной мощности теплогенерации.

Заключение

Теперь вы полностью знакомы с тем, что такое и каким может быть тепловой насос (принцип работы). Своими руками подобный агрегат сделать можно, а в некоторых случаях даже нужно. В этом случае вы можете сэкономить порядка 30% средств на покупку оборудования. Но опять же монтажными работами желательно должен заниматься специалист, это же касается и проводимых расчетов.

Как ни крути, сегодня это еще достаточно дорогостоящий вид отопления с большим сроком окупаемости. В большинстве случаев куда проще провести газ или топить углем или дровами. Тем не менее для больших загородных домов это очень перспективный вид отопления. Его говорить об экономичности оборудования, то получается что на 1 кВт потраченной энергии мы получаем порядка 5-7 кВт тепловой. По охлаждению это 2-2,5 кВт на выходе, что тоже очень даже неплохо. Стоит отметить еще и бесшумность работы насоса.