Все правда про теплові насоси. Тепловий насос: принцип роботи для опалення будинку Для чого потрібні теплові насоси

До кінця XIX століття з'явилися потужні холодильні установки, які могли перекачати тепла щонайменше вдвічі більше, ніж витрачалося енергії на приведення в дію. То був шок, адже формально виходило, що тепловий вічний двигун можливий! Однак при уважному розгляді з'ясувалося, що до вічного двигуна, як і раніше, далеко, а низькопотенційне тепло, здобуте за допомогою теплового насоса, і високопотенційне тепло, яке отримується, наприклад, при спалюванні палива, - це дві великі різниці. Щоправда, відповідне формулювання другого початку було дещо видозмінене. То що таке теплові насоси? У двох словах, тепловий насос - це сучасний та високотехнологічний прилад для опалення та кондиціювання повітря. Тепловий насосзбирає тепло з вулиці або із землі та направляє до будинку.

Принцип роботи теплового насосу

Принцип роботи теплового насосуНайпростіший: рахунок механічної роботи чи інших видів енергії він забезпечує концентрацію тепла, раніше рівномірно розподіленого за певним обсягом, у частині цього объема. В іншій частині відповідно утворюється дефіцит тепла, тобто холод.

Історично теплові насоси вперше почали широко застосовуватися як холодильники - по суті, будь-який холодильник є тепловим насосом, що перекачує тепло з холодильної камери назовні (у кімнату або на вулицю). Жодної альтернативи цим пристроям досі немає, і при всьому різноманітті сучасної холодильної техніки базовий принцип залишається тим самим: відкачування тепла з холодильної камери за рахунок додаткової зовнішньої енергії.

Природно, практично відразу звернули увагу на те, що помітне нагрівання теплообмінника конденсатора (у побутового холодильника він зазвичай виконаний у вигляді чорної панелі або решітки на задній стінці шафи) можна було б використовувати і для обігріву. Це вже була ідея обігрівача на основі теплового насоса в її сучасному вигляді - холодильник навпаки, коли тепло закачується в замкнутий об'єм (приміщення) з зовнішнього об'єму (з вулиці). Однак у цій галузі конкурентів у теплового насоса повно – починаючи з традиційних дров'яних печей та камінів та закінчуючи всілякими сучасними опалювальними системами. Тому багато років, поки паливо було відносно дешевим, ця ідея розглядалася як не більше ніж курйоз, - в більшості випадків вона була абсолютно невигідна економічно, і лише вкрай рідко таке використання було виправдане - зазвичай для утилізації тепла, що відкачується потужними холодильними установками в країнах з не надто холодним кліматом. І тільки зі стрімким зростанням цін на енергоносії, ускладненням та подорожчанням опалювального обладнання та відносним здешевленням на цьому тлі виробництва теплових насосів, така ідея стає економічно вигідною сама по собі, - адже заплативши один раз за досить складну та дорогу установку, потім можна буде постійно економити на скороченому витраті палива. Теплові насоси є основою ідей когенерації, що набирають популярність, - одночасного вироблення тепла і холоду - і тригенерації - вироблення відразу тепла, холоду та електрики.

Оскільки тепловий насос є суттю будь-якої холодильної установки, можна сказати, що поняття «холодильна машина» - його псевдонім. Правда, слід мати на увазі, що незважаючи на універсальність використовуваних принципів роботи, конструкції холодильних машин все-таки орієнтовані саме на вироблення холоду, а не тепла - наприклад, холод, що виробляється, концентрується в одному місці, а одержуване тепло може розсіюватися в декількох різних частинах установки , тому що в звичайному холодильнику стоїть завдання не утилізувати це тепло, а просто позбутися його.

Класи теплових насосів

В даний час найбільш широко застосовуються два класи теплових насосів. До одного класу можна віднести термоелектричні на ефект Пельтьє, а до іншого - випарні, які, у свою чергу поділяються на механічні компресорні (поршневі або турбінні) і абсорбційні (дифузійні). Крім того, поступово зростає інтерес до використання як теплові насоси вихрових труб, в яких працює ефект Ранка.

Теплові насоси на ефекті Пельтьє

Елемент Пельтьє

Ефект Пельтьє полягає в тому, що при подачі на дві сторони спеціально підготовленої напівпровідникової пластини невеликої постійної напруги одна сторона цієї пластини нагрівається, а інша - охолоджується. Ось загалом і готовий термоелектричний тепловий насос!

Фізична суть ефекту полягає у наступному. Пластина елемента Пельтьє (він же "термоелектричний елемент", англ. Thermoelectric Cooler, TEC), складається з двох шарів напівпровідника з різними рівнями енергії електронів у зоні провідності. При переході електрона під впливом зовнішньої напруги в більш високоенергетичну зону провідності іншого напівпровідника, він має придбати енергію. При отриманні цієї енергії відбувається охолодження місця контакту напівпровідників (при протіканні струму у зворотному напрямку відбувається зворотний ефект - місце контакту шарів нагрівається додатково до звичайного омічного нагрівання).

Переваги елементів Пельтьє

Перевагою елементів Пельтьє є максимальна простота їх конструкції (що може бути простіше пластини, до якої припаяні два проводки?) і повна відсутність будь-яких частин, що рухаються, а також внутрішніх потоків рідин або газів. Наслідком є ​​абсолютна безшумність роботи, компактність, повна байдужість до орієнтації в просторі (за умови забезпечення достатнього тепловідведення) і дуже висока стійкість до вібраційних і ударних навантажень. Та й робоча напруга становить лише кілька вольт, тому для роботи цілком достатньо кількох батарейок або автомобільного акумулятора.

Недоліки елементів Пельтьє

Головним недоліком термоелектричних елементів є їх відносно невисока ефективність - орієнтовно вважатимуться, що у одиницю перекачаного тепла їм потрібно вдвічі більше підведеної зовнішньої енергії. Тобто, підвівши 1 Дж електричної енергії, з області, що охолоджується, ми зможемо видалити лише 0.5 Дж тепла. Зрозуміло, що всі сумарні 1.5 Дж виділяться на «теплій» стороні елемента Пельтьє і їх треба буде відвести у зовнішнє середовище. Це набагато нижче ефективності компресійних випарних теплових насосів.

На тлі настільки низького ККД зазвичай вже не такі важливі інші недоліки, - а це невелика питома продуктивність у поєднанні з високою питомою вартістю.

Використання елементів Пельтьє

Відповідно до їх особливостей, основна сфера застосування елементів Пельтьє в даний час зазвичай обмежується випадками, коли потрібно не дуже сильно охолодити щось не надто потужне, особливо в умовах сильної тряски та вібрацій і при жорстких обмеженнях за масою та габаритами, - наприклад, різні вузли та деталі електронної апаратури, насамперед військової, авіаційної та космічної. Мабуть, найширше поширення у побуті елементи Пельтьє набули у малопотужних (5..30 Вт) переносних автомобільних холодильниках.

Випарні компресійні теплові насоси

Схема робочого циклу випарного компресійного теплового насоса

Принцип роботи цього класу теплових насосівполягає в наступному. Газоподібний (повністю або частково) холодоагент стискається компресором до тиску, при якому він може перетворитися на рідину. Звичайно, при цьому він нагрівається. Нагрітий стиснутий холодоагент подається в радіатор конденсатора, де охолоджується до температури навколишнього середовища, віддаючи їй зайве тепло. Це зона нагріву (задня стінка кухонного холодильника). Якщо на вході конденсатора значна частина стисненого гарячого холодоагенту залишалася у вигляді пари, то при зниженні температури в ході теплообміну вона також конденсується і переходить в рідкий стан. Відносно охолоджений рідкий холодоагент подається в розширювальну камеру, де, проходячи через дросель або детандер, втрачає тиск, розширюється і випаровується, принаймні частково переходячи в газоподібну форму, і, відповідно, охолоджується, - істотно нижче температури навколишнього середовища і навіть нижче температури в зоні охолодження теплового насоса Проходячи каналами панелі випарника, холодна суміш рідкого і пароподібного теплоносія відбирає тепло із зони охолодження. За рахунок цього тепла продовжує випаровуватися рідка частина холодоагенту, підтримуючи стабільно низьку температуру випарника і забезпечуючи ефективний відбір тепла. Після цього холодоагент у вигляді пари дістається входу компресора, який відкачує і знову стискає його. Потім все повторюється спочатку.

Таким чином, на «гарячій» ділянці компресор-конденсатор-дросель холодоагент знаходиться під високим тиском і переважно в рідкому стані, а на «холодному» ділянці дросель-випарник-компресор тиск низький, а холодоагент в основному знаходиться в пароподібному стані. І стиск, і розрідження створюються тим самим компресором. З протилежної від компресора боку тракту зони високого та низького тиску поділяє дросель, що обмежує потік холодоагенту.

У потужних промислових холодильниках як холодоагент використовується отруйний, але ефективний аміак, продуктивні турбокомпресори та іноді детандери. У побутових холодильниках і кондиціонерах холодоагентом зазвичай є безпечніші фреони, а замість турбоагрегатів використовуються поршневі компресори і «капілярні трубки» (дроселі).

У загальному випадку зміна агрегатного стану холодоагенту необов'язково - принцип буде робочим і для газоподібного постійного холодоагенту, - проте велика теплота зміни агрегатного стану багаторазово підвищує ефективність робочого циклу. Але якщо холодоагент буде весь час перебувати в рідкому вигляді, ефекту не буде принципово - адже рідина практично стислива, а тому ні підвищення, ні зняття тиску не змінять її температуру.

Дроселі та детандери

Терміни «дроссель» і «детандер», які часто вживаються на цій сторінці, зазвичай мало що говорять людям, далеким від холодильної техніки. Тому слід сказати пару слів про ці пристрої та основну різницю між ними.

Дросселем у техніці називається пристрій, призначений для нормування потоку рахунок його примусового обмеження. У електротехніці ця назва закріпилася за котушками, покликаними обмежити швидкість наростання струму і зазвичай застосовуються для захисту електросхем від імпульсних перешкод. У гідравліці дроселями, як правило, називають обмежувачі потоку, що являють собою спеціально створені звуження каналу з точно розрахованим (каліброваним) просвітом, що забезпечує потрібний потік або необхідний опір потоку. Класичним прикладом таких дроселів є жиклери, які широко використовувалися в карбюраторних двигунах для забезпечення розрахункового надходження бензину при підготовці паливної суміші. Дросельна заслінка в тих же карбюраторах унормувала потік повітря - другого необхідного інгредієнта цієї суміші.

У холодильній техніці дросель використовується для обмеження потоку холодоагенту в розширювальну камеру і підтримки умов, необхідних для ефективного випаровування і адіабатичного розширення. Занадто великий потік може взагалі призвести до заповнення розширювальної камери холодоагентом (компресор просто не встигне відкачати його) або принаймні до втрати там необхідного розрідження. Адже саме випаровування рідкого холодоагенту та адіабатичне розширення його пар забезпечує необхідне для роботи холодильника падіння температури холодоагенту нижче температури навколишнього середовища.

Принципи роботи дроселя (ліворуч), поршневого детандера (у центрі) та турбодетандера (ліворуч).

У детандері розширювальну камеру дещо модернізовано. У ній холодоагент, що випаровується і розширюється, додатково здійснює механічну роботу, переміщуючи поршень, що знаходиться там, або обертаючи турбіну. При цьому обмеження потоку холодоагенту може здійснюватися за рахунок опору поршня або колеса турбіни, хоча насправді це зазвичай вимагає ретельного підбору і узгодження всіх параметрів системи. Тому і при використанні детандерів основне нормування потоку може здійснюватися дроселем (каліброваним звуженням каналу подачі рідкого холодоагенту).

Турбодетандер ефективний лише при великих потоках робочого тіла, при малому потоці його ефективність близька до звичайного дроселювання. Поршневий детандер може ефективно працювати з набагато меншою витратою робочого тіла, проте конструкція його на порядок складніша за турбіну: крім самого поршня з усіма необхідними напрямними, ущільненнями та системою повернення, потрібні впускні та випускні клапани з відповідним керуванням ними.

Перевагою детандера перед дроселем є ефективніше охолодження за рахунок того, що частина теплової енергії холодоагенту перетворюється на механічну роботу і в такій формі відводиться з теплового циклу. Більше того, ця робота може бути використана з користю для справи, скажімо, для приводу насосів і компресорів, як це зроблено в «холодильнику Зисіна». Зате простий дросель має абсолютно примітивну конструкцію і не містить жодної деталі, що рухається, а тому по надійності, довговічності, а також простоті і собівартості виготовлення залишає детандер далеко позаду. Саме ці причини зазвичай обмежують область застосування детандерів потужною кріогенною технікою, а в побутових холодильниках використовуються менш ефективні, зате практично вічні дроселі, які називаються там «капілярними трубками» і є простою мідною трубкою досить великої довжини з просвітом малого діаметра (зазвичай від 0.6 до 2 мм), яка забезпечує необхідний гідравлічний опір для розрахункового потоку холодоагенту.

Переваги компресійних теплових насосів

Головна перевага цього типу теплових насосів - їхня висока ефективність, найвища серед сучасних теплових насосів. Співвідношення підведеної ззовні та перекачаної енергії у них може досягати 1:3 – тобто на кожен джоуль підведеної енергії із зони охолодження буде відкачано 3 Дж тепла – порівняйте з 0.5 Дж у елементів Пельте! При цьому компресор може стояти окремо, і вироблене ним тепло (1 Дж) необов'язково відводити у зовнішнє середовище у тому місці, де віддаються 3 Дж тепла, відкачаних із зони охолодження.

До речі, існує відмінна від загальноприйнятої, але дуже цікава і переконлива теорія термодинамічних явищ. Так ось, один із її висновків полягає в тому, що робота зі стиснення газу в принципі може становити лише близько 30% від його загальної енергії. А це означає, що співвідношення підведеної та перекачаної енергії 1:3 відповідає теоретичній межі та при термодинамічних методах перекачування тепла не може бути покращено в принципі. Втім, деякі виробники вже заявляють про досягнення співвідношення 1:5 і навіть 1:6, і це відповідає дійсності - адже в реальних холодильних циклах використовується не просто стиск газоподібного холодоагенту, а й зміна його агрегатного стану, і саме останній процес є головним. .

Недоліки компресійних теплових насосів

До недоліків цих теплових насосів можна віднести, по-перше, сама наявність компресора, що неминуче створює шум і схильності до зносу, а по-друге, необхідність використання спеціального холодоагенту і дотримання абсолютної герметичності на всьому його робочому шляху. Втім, побутові компресійні холодильники, які безперервно працюють по 20 років і більше без ремонту, - зовсім не рідкість. Ще одна особливість – досить висока чутливість до положення у просторі. На боці чи вгору ногами навряд чи запрацює і холодильник, і кондиціонер. Але це з особливостями конкретних конструкцій, а чи не із загальним принципом роботи.

Як правило, компресійні теплові насоси та холодильні установки проектуються з розрахунку на те, що на вході компресора весь холодоагент знаходиться в пароподібному стані. Тому попадання на вхід компресора великої кількості рідкого холодоагенту, що не випарувався, може викликати в ньому гідравлічний удар і, як результат, серйозну поломку агрегату. Причиною такої ситуації може бути як знос апаратури, так і занадто низька температура конденсатора - холодоагент, що надходить у випарник, занадто холодний і випаровується занадто мляво. Для звичайного холодильника така ситуація може виникнути, якщо намагатися включити його в дуже холодному приміщенні (наприклад, при температурі близько 0°С і нижче) або якщо він тільки що внесений в нормальне приміщення з морозу. Для компресійного теплового насоса, що працює на обігрів, це може статися, якщо намагатися відігріти їм проморожене приміщення при тому, що на вулиці теж холодно. Не дуже складні технічні рішення усувають цю небезпеку, але вони здорожчають конструкцію, а при штатній експлуатації масової побутової техніки в них немає потреби – такі ситуації не виникають.

Використання компресійних теплових насосів

Через свою високу ефективність саме цей тип теплових насосів набув практично повсюдного поширення, витіснивши всі інші в різні екзотичні області застосування. І навіть відносна складність конструкції та її чутливість до пошкоджень не можуть обмежити їхнє широке використання – майже на кожній кухні стоїть компресійний холодильник чи морозильник, а то й не один!

Випарувальні абсорбційні (дифузійні) теплові насоси

Робочий цикл випарних абсорбційних теплових насосівдуже схожий на робочий цикл випарних компресійних установок, розглянутих трохи вище. Головна відмінність полягає в тому, що якщо в попередньому випадку розрідження, необхідне для випаровування хладагента, створюється при механічному відсмоктуванні парів компресором, то в абсорбційних агрегатах хладагент, що випарувався, надходить з випарника в блок абсорбера, де поглинається (абсорбується) іншою речовиною - абсорбентом. Тим самим пара видаляється з обсягу випарника і там відновлюється розрідження, що забезпечує випаровування нових порцій холодоагенту. Необхідною умовою є така «спорідненість» холодоагенту та абсорбенту, щоб сили їхнього зв'язування при поглинанні змогли створити суттєве розрідження в обсязі випарника. Історично першою і до цих пір широко використовуваною парою речовин є аміак NH3 (холодоагент) і вода (абсорбент). При поглинанні пари аміаку розчиняються у воді, проникаючи (дифундуючи) у її товщу. Від цього процесу походять альтернативні назви таких теплових насосів - дифузійні або абсорбційно-дифузійні.
Для того щоб знову розділити холодоагент (аміак) і абсорбент (воду), відпрацьовану і багату на аміак водо-аміачну суміш нагрівають в десорбері зовнішнім джерелом теплової енергії аж до кипіння, потім дещо охолоджують. Першою конденсується вода, але при високій температурі відразу після конденсації вона здатна утримати дуже мало аміаку, тому основна частина аміаку залишається у вигляді пари. Тут рідку фракцію (воду) і газоподібну (аміак), що знаходяться під тиском, розділяють і окремо охолоджують до температури навколишнього середовища. Охолоджена вода з малим вмістом аміаку прямує в абсорбер, а аміак при охолодженні в конденсаторі стає рідким і надходить у випарник. Там тиск падає, і аміак випаровується, знову охолоджуючи випарник і забираючи тепло ззовні. Потім знову з'єднують пари аміаку з водою, видаляючи з випарника надлишки аміачної пари та підтримуючи там низький тиск. Збагачений аміаком розчин знову іде десорбер на поділ. В принципі, для десорбції аміаку кип'ятити розчин не обов'язково, досить просто нагріти його близько до температури кипіння, і «зайвий» аміак випарується з води. Але кип'ятіння дозволяє провести поділ найбільш швидко та ефективно. Якість такого поділу є головною умовою, що визначає розрідження у випарнику, а отже, ефективність роботи абсорбційного агрегату, і багато хитрощів у конструкції спрямовані саме на це. В результаті, щодо організації та кількості стадій робочого циклу абсорбційно-дифузійні теплові насоси, мабуть, є найскладнішими з усіх поширених типів такого обладнання.

"Родзинкою" принципу роботи є те, що для вироблення холоду тут використовується нагрівання робочого тіла (аж до його кипіння). При цьому вид джерела нагріву непринциповий, це може бути навіть відкритий вогонь (полум'я пальника), тому використання електрики необов'язкове. Для створення необхідної різниці тисків, що зумовлює рух робочого тіла, іноді можуть використовуватися механічні насоси (зазвичай у потужних установках при великих об'ємах робочого тіла), а іноді, зокрема, у побутових холодильниках, - елементи без рухомих частин (термосифони).

Абсорбційно-дифузійний холодильний агрегат (АДХА) холодильника "Морозко-ЗМ". 1 - теплообмінник; 2 - Збірник розчину; 3 - акумулятор водню; 4 - абсорбер; 5 - Регенеративний газовий теплообмінник; 6 - дефлегматор («знеріджувач»); 7 - конденсатор; 8 - Випарник; 9 - генератор; 10 - Термосифон; 11 - Регенератор; 12 - Трубки слабкого розчину; 13 - паровідвідна трубка; 14 - електронагрівач; 15 - Термоізоляція.

Перші абсорбційні холодильні машини (АБХМ) на аміачно-водяній суміші з'явилися у другій половині ХІХ століття. У побуті через отруйність аміаку вони тоді великого поширення не набули, але широко використовувалися в промисловості, забезпечуючи охолодження аж до –45°С. У одноступінчастих АБХМ теоретично максимальна холодопродуктивність дорівнює кількості витраченого на нагрівання тепла (реально, звичайно, помітно менше). Саме цей факт підкріплював впевненість захисників того самого формулювання другого початку термодинаміки, про яке йшлося на початку цієї сторінки. Однак зараз і абсорбційні теплові насоси подолали це обмеження. У 1950-х роках з'явилися більш ефективні двоступінчасті (два конденсатори або два абсорбери) бромистолітієві АБХМ (холодоагент - вода, абсорбент - бромід літію LiBr). Триступінчасті варіанти АБХМ запатентовані у 1985-1993 роках. Їх зразки-прототипи ефективності перевищують двоступінчасті на 30–50% і наближаються до масовим моделям компресійних установок.

Переваги абсорбційних теплових насосів

Головна перевага абсорбційних теплових насосів - це можливість використовувати для своєї роботи не тільки дорогу електрику, а й будь-яке джерело тепла достатньої температури та потужності - перегріту або відпрацьовану пару, полум'я газових, бензинових та будь-яких інших пальників - аж до вихлопних газів та дарової сонячної енергії.

Друга перевага цих агрегатів, особливо цінна в побутових застосуваннях, - це можливість створення конструкцій, що не містять рухомих деталей, а тому практично безшумних (у радянських моделях цього типу іноді можна було почути тихе булькання або легке шипіння, але, звичайно, це не йде ні яке порівняння з шумом працюючого компресора).

Нарешті, у побутових моделях робоче тіло (зазвичай це водо-аміачна суміш з додаванням водню або гелію) у об'ємах, що використовуються там, не становить великої небезпеки для оточуючих навіть у разі аварійної розгерметизації робочої частини (це супроводжується дуже неприємною смородом, так що не помітити сильний витік неможливо, і приміщення з аварійним агрегатом доведеться залишити і провітрити «автоматично» (надмалі концентрації аміаку природні і абсолютно нешкідливі). У промислових установках обсяги аміаку великі і концентрація аміаку при витоках може бути смертельною, але у будь-якому разі аміак вважається екологічно безпечним, - вважається, що на відміну від фреонів він не руйнує озоновий шар і не викликає парниковий ефект.

Недоліки абсорбційних теплових насосів

Головний недолік цього типу теплових насосів- Нижча ефективність порівняно з компресійними.

Другий недолік - складність конструкції самого агрегату і досить високе корозійне навантаження від робочого тіла, або вимагає використання дорогих і важкообробних корозійно-стійких матеріалів, або термін служби агрегату, що скорочує, до 5..7 років. В результаті вартість «заліза» виходить помітно вищою, ніж у компресійних установок тієї ж продуктивності (насамперед це стосується потужних промислових агрегатів).

По-третє, багато конструкцій дуже критичні до розміщення при встановленні - зокрема, деякі моделі побутових холодильників вимагали установки строго горизонтально, і вже при відхиленні на кілька градусів відмовлялися працювати. Використання примусового переміщення робочого тіла за допомогою помп значною мірою знімає гостроту цієї проблеми, але підйом безшумним термосифоном і злив самопливом вимагають ретельного вирівнювання агрегату.

На відміну від компресійних машин абсорбційні не так бояться надто низьких температур – просто їхня ефективність знижується. Але я недаремно помістив цей абзац у розділ недоліків, тому що це не означає, що вони можуть працювати в люту холоднечу - на морозі водний розчин аміаку банально замерзне на відміну від фреонів, що використовуються в компресійних машинах, температура замерзання яких зазвичай нижче -100°C. Щоправда, якщо лід нічого не порве, то після розморожування абсорбційний агрегат продовжить роботу, навіть якщо його весь цей час не відключали з мережі, - адже механічних насосів і компресорів у ньому немає, а потужність підігріву в побутових моделях досить мала, щоб кипіння в районі нагрівача не стало надто інтенсивним. Втім, все це вже залежить від особливостей конкретної конструкції.

Використання абсорбційних теплових насосів

Незважаючи на дещо меншу ефективність і відносно більш високу вартість порівняно з компресійними установками, застосування абсорбційних теплових машин абсолютно виправдане там, де немає електрики або є великі обсяги невигідного тепла (відпрацьована пара, гарячі вихлопні або димові гази тощо). соняшникового нагріву). Зокрема, випускаються спеціальні моделі холодильників, що працюють від газових пальників, призначені для мандрівників-автомобілістів та яхтсменів.

В даний час в Європі газові котли іноді замінюють абсорбційними тепловими насосами з нагріванням від газового пальника або від солярки - вони дозволяють не тільки утилізувати теплоту згоряння палива, а й підкачувати додаткове тепло з вулиці або з глибини землі!

Як показує досвід, у побуті цілком конкурентоспроможні й варіанти з електронагрівом, насамперед у діапазоні малих потужностей – десь від 20 до 100 Вт. Найменші потужності - вотчина термоелектричних елементів, а при більших поки що безумовні переваги компресійних систем. Зокрема, серед радянських та пострадянських марок холодильників цього типу були популярні «Морозко», «Північ», «Кристал», «Київ» із типовим об'ємом холодильної камери від 30 до 140 літрів, хоча існують і моделі на 260 літрів (« Кристал-12»). До речі, оцінюючи споживання енергії, варто враховувати той факт, що компресійні холодильники майже завжди працюють у коротко-періодичному режимі, а абсорбційні зазвичай включаються на більш тривалий термін або працюють безперервно. Тому навіть якщо номінальна потужність нагрівача буде набагато менше потужності компресора, співвідношення середньодобового споживання енергії може бути зовсім іншим.

Вихрові теплові насоси

Вихрові теплові насосивикористовують для поділу теплого та холодного повітряефект Ранку. Суть ефекту полягає в тому, що газ, що тангенціально подається в трубу на високій швидкості, всередині цієї труби закручується і поділяється: з центру труби можна відбирати охолоджений газ, а з периферії - нагрітий. Той самий ефект, хоча й значно меншою мірою, діє і рідин.

Переваги вихрових теплових насосів

Головна перевага цього типу теплових насосів - простота конструкції та більша продуктивність. Вихрова труба не містить деталей, що рухаються, і це забезпечує їй високу надійність і довгий термін служби. Вібрація і становище у просторі мало впливають її роботу.

Потужний потік повітря добре запобігає обмерзанню, а ефективність вихрових труб слабо залежить від температури вхідного потоку. Дуже важливою є і практична відсутність принципових температурних обмежень, пов'язаних з переохолодженням, перегріванням або замерзанням робочого тіла.

У деяких випадках відіграє свою роль можливість досягнення рекордно високого температурного поділу на одному ступені: у літературі наводяться цифри охолодження на 200° і більше. Зазвичай один ступінь охолоджує повітря на 50...80°С.

Недоліки вихрових теплових насосів

На жаль, ефективність цих пристроїв в даний час помітно поступається ефективності компресійних випарних установок. Крім того, для ефективної роботи вони потребують високої швидкості подачі робочого тіла. Максимальна ефективність відзначається при швидкості вхідного потоку, що дорівнює 40..50% швидкості звуку - такий потік сам по собі створює чимало шуму, а крім того, вимагає наявності продуктивного і потужного компресора - пристрої теж аж ніяк не тихого і досить примхливого.

Відсутність загальновизнаної теорії цього явища, придатної для практичного інженерного використання, робить конструювання таких агрегатів заняттям багато в чому емпіричним, де результат залежить від успіху: «вгадав - не вгадав». Більш-менш надійний результат дає лише відтворення вже створених вдалих зразків, а результати спроб суттєвої зміни тих чи інших параметрів не завжди передбачувані та іноді виглядають парадоксальними.

Використання вихрових теплових насосів

Тим не менш, на даний час використання таких пристроїв розширюється. Вони виправдані в першу чергу там, де вже є газ під тиском, а також на різних пожежо- та вибухонебезпечних виробництвах - адже подати в небезпечну зону потік повітря під тиском найчастіше набагато безпечніше та дешевше, ніж тягнути туди захищену електропроводку та ставити електродвигуни у спеціальному виконанні. .

Межі ефективності теплових насосів

Чому ж теплові насоси досі не набули широкого поширення для обігріву (мабуть, єдиний відносно поширений клас таких пристроїв – це кондиціонери з інвертором)? Причин цьому кілька, крім суб'єктивних, пов'язаних з відсутністю традицій обігріву за допомогою цієї техніки, є і об'єктивні, головні серед яких - обмерзання тепловідбірника і відносно вузький діапазон температур для ефективної роботи.

У вихрових (насамперед газових) установках проблем переохолодження та обмерзання зазвичай немає. Не використовують зміну агрегатного стану робочого тіла, а потужний потік повітря виконує функції системи «No Frost». Однак ефективність їх набагато менша, ніж у випарних теплових насосів.

Переохолодження

У випарних теплових насосах висока ефективність забезпечується рахунок зміни агрегатного стану робочого тіла - переходу з рідини на газ і назад. Відповідно, цей процес можливий щодо вузькому інтервалі температур. При занадто високих температурах робоче тіло завжди залишиться газоподібним, а при занадто низьких - випаровуватиметься насилу або взагалі замерзне. В результаті при виході температури за рамки оптимального діапазону найбільш енергоефективний фазовий перехід стає утрудненим або зовсім виключається з робочого циклу, і ККД компресійної установки істотно падає, а якщо холодоагент залишиться постійно рідким, вона взагалі працювати не буде.

Обмерзання

Відбір тепла з повітря

Навіть якщо температури всіх блоків теплового насоса залишаються в потрібних рамках, під час роботи блок для відбору тепла – випарник – завжди покривається краплями вологи, що конденсуються з навколишнього повітря. Але рідка вода стікає з нього сама по собі, не перешкоджаючи теплообміну. Коли ж температура випарника стає занадто низькою, краплі конденсату замерзають, а волога, що знову конденсується, відразу перетворюється в іній, який так і залишається на випарнику, поступово утворюючи товсту снігову «шубу» - саме це відбувається в морозилці звичайного холодильника. В результаті ефективність теплообміну суттєво знижується, і тоді доводиться зупиняти роботу та розморожувати випарник. Як правило, у випарнику холодильника температура знижується на 25..50°С, а в кондиціонерах у зв'язку з їхньою специфікою температурний перепад менше - 10..15°С. Знаючи це, стає зрозуміло, чому більшість кондиціонерів не вдасться налаштувати на температуру нижче +13..+17°С - цей поріг встановлений їх конструкторами, щоб уникнути зледеніння випарника, адже режим його відтавання зазвичай не передбачається. Це ж є однією з причин, через яку практично всі кондиціонери з інверторним режимом не працюють навіть при невеликих негативних температурах - лише останнім часом стали з'являтися моделі, розраховані на роботу при морозах до -25 ° C. У більшості випадків вже при -5..-10 ° C витрати енергії на відтавання стають порівнянними з кількістю закачаної з вулиці теплоти, і перекачування тепла з вулиці виявляється неефективною, особливо якщо вологість зовнішнього повітря близька до 100%, тоді зовнішній тепловідбірник покривається льодом. особливо швидко.

Відбір тепла з ґрунту та води

У зв'язку з цим як незамерзне джерело «холодного тепла» для теплових насосів останнім часом все ширше розглядається тепло із земних глибин. При цьому маються на увазі аж ніяк не розігріті шари земної кори, що знаходяться на багатокілометровій глибині, і навіть не геотермальні водні джерела (хоча, якщо пощастить і вони виявляться поруч, було б безглуздо знехтувати таким подарунком долі). Мається на увазі «звичайне» тепло шарів ґрунту, розташованих на глибині від 5 до 50 метрів. Як відомо, у середній смузі ґрунт на таких глибинах має температуру близько +5°С, яка дуже мало змінюється протягом усього року. У південних районах ця температура може досягати +10°З вище. Таким чином, перепад температур між комфортною +25°С та ґрунтом навколо тепловідбірника дуже стабільний і не перевищує 20°С незалежно від морозу за вікном (слід зазначити, що зазвичай температура на виході теплового насоса становить +50..+60°С, але і перепад температур 50°С цілком під силу для теплових насосів, включаючи сучасні побутові холодильники, що спокійно забезпечують у морозилці -18°С при температурі в кімнаті вище +30°С).

Проте, якщо закопати один компактний, але потужний теплообмінник, навряд чи вдасться досягти бажаного ефекту. По суті тепловідбірник у цьому випадку виступає в ролі випарника морозильної камери, і якщо в місці, де він розташований, немає потужного припливу тепла (геотермального джерела або підземної річки), він швидко заморозить навколишній ґрунт, на чому вся відкачування тепла закінчиться. Рішенням може бути відбір тепла не з однієї точки, а рівномірно з великого підземного об'єму, проте вартість будівництва тепловідбірника, що охоплює чималу глибину тисячі кубометрів ґрунту, швидше за все зробить це рішення абсолютно невигідним економічно. Менш витратний варіант – буріння кількох свердловин з інтервалом у кілька метрів один від одного, як це було зроблено в експериментальному підмосковному «активному будинку», але і це недешево – кожен, хто робив у себе свердловину для води, може самостійно прикинути витрати на створення геотермального. поля хоча б із десятка 30-метрових свердловин. Крім того, постійний відбір тепла, хоч і менш сильний, ніж у разі компактного теплообмінника, все одно зменшить температуру ґрунту навколо тепловідбірників порівняно з вихідною. Це призведе до зменшення ефективності роботи теплового насоса під час його тривалої експлуатації, причому період стабілізації температури на новому рівні може тривати кілька років, протягом яких умови вилучення тепла погіршуватимуться. Втім, можна спробувати частково компенсувати зимові втрати тепла його посиленим закачуванням на глибину в літню спеку. Але навіть не враховуючи додаткові витрати енергії на цю процедуру, користь від неї буде не дуже великою - теплоємність грунтового теплоакумулятора розумних розмірів досить обмежена, і на всю російську зиму її явно не вистачить, хоча такий запас тепла все ж таки краще, ніж нічого. Крім того, тут дуже велике значення має рівень, об'єм і швидкість течії ґрунтових вод - рясно зволожений ґрунт з досить високою швидкістю течії води не дозволить зробити «запаси на зиму» - вода, що протікає, віднесе закачане тепло з собою (навіть мізерне переміщення ґрунтових вод на 1 метр на добу всього за тиждень знесе запасене тепло на 7 метрів, і воно опиниться поза робочою зоною теплообмінника). Щоправда, те саме протягом грунтових вод знижуватиме ступінь охолодження грунту взимку - нові порції води принесуть нове тепло, отримане ними далеко від теплообмінника. Тому, якщо поряд є глибоке озеро, великий ставок або річка, що ніколи не промерзають до дна, то краще не копати ґрунт, а помістити відносно компактний теплообмінник у водоймище - на відміну від нерухомого ґрунту навіть у непроточному ставку чи озері конвекція вільної води здатна забезпечити набагато більш ефективне підведення тепла до тепловідбірника зі значного обсягу водоймища. Але тут необхідно переконатися, що теплообмінник ні за яких умов не переохолодиться до точки замерзання води і не почне наморожувати лід, оскільки різниця між конвекційним теплообміном у воді та теплопередачею крижаної шуби величезна (у той же час теплопровідність замерзлого і незамерзлого грунту часто відрізняється не так. сильно, і спроба використовувати величезну теплоту кристалізації води в ґрунтовому тепловідборі за певних умов може виправдати себе).

Принцип дії геотермального теплового насосузаснований на зборі тепла з ґрунту або води, та передачі в систему опалення будівлі. Для збору тепла незамерзаюча рідина тече по трубі, розташованій у ґрунті або водоймі біля будівлі, до теплового насосу. Тепловий насос, подібно до холодильника, охолоджує рідину (відбирає тепло), при цьому рідина охолоджується приблизно на 5 °С. Рідина знову тече трубою у зовнішньому грунті чи воді, відновлює свою температуру, і знову надходить до теплового насоса. Відібране тепловим насосом тепло передається системі опалення та/або на підігрів гарячої води.

Можливо відбирати тепло у підземної води - підземна вода з температурою близько 10 °С подається зі свердловини до теплового насоса, що охолоджує воду до +1...+2 °С, і повертає воду під землю. Теплова енергія є у будь-якого предмета з температурою вище мінус 273 градуси Цельсія - так званий "абсолютний нуль".

Тобто тепловий насос може відібрати тепло у будь-якого предмета – землі, водоймища, льоду, скелі тощо. Якщо ж будівлю, наприклад, влітку, потрібно охолоджувати (кондиціонувати), то відбувається зворотний процес - тепло забирається з будівлі і скидається в землю (водою). Той самий тепловий насос може працювати взимку на опалення, а влітку на охолодження будівлі. Очевидно, що тепловий насос може гріти воду для гарячого побутового водопостачання, кондиціонувати через фанкойли, гріти басейн, охолоджувати, наприклад, ковзанку, підігрівати дахи та доріжки від льоду.
Одне обладнання може виконати всі функції тепло-холодопостачання будівлі.

На читання 7 хв.

Під поняттям тепловий насос мається на увазі сукупність агрегатів, призначених для накопичення енергії тепла від різних джерел у навколишньому середовищі та передачі цієї енергії споживачам.

Наприклад, подібними джерелами можуть бути стояки каналізації, відходи різних великих виробництв, що виділяється під час роботи тепло від різних електростанцій і т.д. У результаті джерелом можуть виступати різні середовища та тіла, що мають температуру більше одного градуса.

Завдання теплового насоса - перетворити природну енергію води, землі чи повітря теплову енергію потреб споживача. Оскільки дані види енергії постійно самовідновлюються, можна вважати їх безмежним джерелом.

Тепловий насос для опалення будинку

Принцип роботи теплових насосів заснований на можливості тіл та середовищ віддавати свою теплову енергію іншим таким же тілам та середовищам. За цією особливістю розрізняють різні види теплових насосів, у яких обов'язково присутні постачальник енергії та її одержувач.

У назві насоса першому місці вказується джерело теплової енергії, але в другому тип носія, якому передається енергія.

У конструкції кожного теплового насоса опалення будинку виділяють 4 основні елементи:

1. Компресор, призначений збільшення тиску і температури пари, що виникає внаслідок кипіння фреону.
2. Випарник, що представляє собою бак, в якому фреон з рідкого стану переходить в газоподібний.
3. У конденсаторі холодоагент передає теплову енергію внутрішньому контуру.
4. За допомогою дросельного клапана регулюється кількість холодоагенту, що надходить у випарник.

Тип теплового насоса повітря повітря позначає, що теплова енергія братиметься із зовнішнього середовища (атмосфери) і передаватиметься носію, як і повітрі.

Тепловий насос повітря повітря: принцип роботи

Принцип впливу цієї системи заснований на наступному фізичному явищі: середовище в рідкому стані, випаровуючись, знижує температуру поверхні, звідки відбувається її розсіювання.

Для наочності коротко розглянемо схему роботи морозильної камери холодильника. Фреон, що циркулює трубками холодильника, забирає тепло з холодильника і сам при цьому нагрівається. Надалі зібране ним тепло передається у зовнішнє середовище (тобто приміщення в якому розташований холодильник). Потім холодоагент, стискаючись у компресорі, знову остигає і кругообіг продовжується. Повітряний тепловий насос працює за тим самим принципом - забирає тепло з вуличного повітря та обігріває будинок.

Конструкція агрегату складається з наступних частин:

• Зовнішній блок насоса представляють компресор, випарник з вентилятором та розширювальний клапан.
• Теплоізольовані мідні трубки служать для циркуляції фреону
• Конденсатор, з вентилятором, розташованим на ньому. Служить для розсіювання вже нагрітого повітря площею приміщень.

Під час роботи повітряного теплового насоса під час обігріву будинку в певному порядку відбуваються такі процеси:

• Через вентилятор повітря з вулиці втягується в пристрій і проходить через зовнішній випарник. Фреон, що здійснює кругообіг у системі, збирає всю енергію тепла з вуличного повітря. Внаслідок цього з рідкого стану він переходить у газоподібний.
• Надалі газоподібний фреон стискається у конденсаторі та переходить у внутрішній блок.
• Потім газ переходить у рідкий стан, при цьому віддаючи накопичене тепло повітрю кімнати. Цей процес відбувається в конденсаторі, розташованому в приміщенні.
• Надлишок тиску йде через розширювальний клапан, а фреон у рідкому стані йде на нове коло.

Фреон постійно забиратиме теплову енергію з вуличного повітря, оскільки його температура завжди буде меншою. Винятком є ​​той випадок, коли надворі сильні морози. У таких умовах ефективність теплового насоса зменшуватиметься.

Для підвищення потужності агрегату максимально збільшують поверхні конденсатора та випарника.

Як і у кожного складного приладу повітряний тепловий насос має свої плюси і мінуси. З плюсів варто виділити:

1. Залежно від потреби агрегат може збільшувати або знижувати температуру обігріву будинку.
2. Насос цього типу не засмічує довкілля шкідливими продуктами згоряння палива.
3. Пристрій легко встановлюється.
4. Повітряний насос є абсолютно безпечним у плані виникнення пожежі.
5. Коефіцієнт віддачі тепла насосом дуже високий у порівнянні з енерговитратами (на 1 кВт витраченої електроенергії припадає від 4 до 5 кВт тепла, що виділяється)
6. Відрізняються доступною ціною.
7. Пристрій зручний при використанні.
8. Система керується автоматично.

З мінусів повітряної системи варто згадати:

1. Невеликий шум, що створюється під час роботи пристрою.
2. Ефективність приладу залежить від температури навколишнього середовища.
3. За низьких вуличних температур зростає споживання електрики. (Нижче -10 градусів)
4. Система повністю залежить від наявності електрики. Проблему можна вирішити установкою автономного генератора.
5. Насосом повітря не можна нагріти воду.

Загалом прилади класу повітря-повітря ідеально підійдуть для обігріву дерев'яних будинків, у яких внаслідок особливості матеріалу знижено природні втрати тепла.

Перед вибором повітряного насоса слід з'ясувати такі ключові моменти:

• Показник теплоізоляції приміщень.
• Квадратуру всіх кімнат
• Число людей, які живуть у приватному будинку
• Умови клімату

Найчастіше на 10 кв. м. приміщення має припадати близько 0,7 кВт потужності пристрою.

Теплові насоси для опалення будинку вода вода.

При облаштуванні опалювальної системи у приватному будинку добре підійдуть системи класу водовода. Крім цього, вони зможуть забезпечити житло гарячою водою. Як джерела природного тепла підійдуть різні водоймища, підземні води і т.д.

В основу роботи насоса вода вода покладено закон про те, що зміна агрегатного стану (з рідини в газ і навпаки) речовини, під впливом різних факторів, тягне за собою вивільнення або поглинання енергії тепла.

Подібний тип насосів можна використовувати для опалення будинку навіть за низьких температур навколишнього середовища, так як у глибоких шарах землі все одно зберігається плюсова температура.

Принцип роботи теплового насосу вода вода наступна:

• Спеціальний насос жене воду мідними трубками системи із зовнішнього джерела в установку.
• У приладі вода з довкілля впливає на холодоагент (фреон), температура кипіння якого становить від +2 до +3 градусів. Частина енергії тепла води передається фреону.
• Компресор всмоктує газоподібний холодоагент та стискає його. Внаслідок цього процесу температура холодоагенту ще більше зростає.
• Потім фреон прямує в конденсатор, де нагріває воду до необхідної температури (40-80 градусів). Нагріта вода надходить у трубопровід опалювальної системи. Тут фреон повертається у рідкий стан і цикл починається заново.

Прилади водо-вода використовуються для опалення будинку площею 50-150 кв.м.

Тепловий насос вода вода: принцип роботи

При виборі цього класу варто звернути увагу на певні умови:

• Як джерело енергії перевагу слід віддати відкритим водойм (легше монтаж труб), на відстані не більше 100 м. До того ж глибина водойми для більш північних районів повинна бути не менше 3 метрів (на такій глибині вода зазвичай не промерзає). Труби, що підводяться до води, повинні бути утеплені.
• Жорсткість води сильно впливає роботу насоса. Не кожна модель здатна функціонувати за високих показників жорсткості. Внаслідок цього до придбання пристрою береться проба води і виходячи з отриманих результатів підбирається насос.
• За типом роботи агрегати діляться на моновалентні та бівалентні. Перші чудово впораються з роллю основного джерела тепла (внаслідок своєї великої потужності). Другі можуть бути додатковим джерелом обігріву.
• З потужністю насоса зростає його ккд, але в той же час збільшується споживання електрики.
• Додаткові можливості приладу. Наприклад: корпус з шумоізоляцією, функція нагрівання води для побутових потреб, автоматичне керування та ін.
• Для розрахунку необхідної потужності приладу необхідно загальну площу приміщень помножити на 0,07 кВт (показник енергії на 1 кв.м.). Ця формула дійсна для стандартних приміщень з висотою не більше 2,7 м.

Ситуація така, що найпопулярнішим на даний момент способом опалювати житло є використання опалювальних котлів - газових, твердопаливних, дизельних і набагато рідше - електричних. А ось такі прості і водночас високотехнологічні системи, як теплові насоси, не набули повсюдного поширення, і дуже дарма. Для тих, хто любить та вміє прораховувати все наперед, їх переваги очевидні. Теплові насоси для опалення не спалюють непоправних запасів природних ресурсів, що вкрай важливо не тільки з погляду охорони навколишнього середовища, але й дозволяє економити на енергоносіях, оскільки вони дорожчають з кожним роком. До того ж, за допомогою теплових насосів можна не лише опалювати приміщення, а й підігрівати гарячу воду для господарських потреб, та кондиціонувати приміщення у літню спеку.

Принцип дії теплового насосу

Зупинимося докладніше на принципі дії теплового насоса. Згадайте, як працює холодильник. Тепло поміщених у нього продуктів викачується та викидається на радіатор, розташований на задній стінці. У цьому легко переконатись, доторкнувшись до нього. Приблизно такий принцип у побутових кондиціонерів: вони викачують тепло з приміщення і викидають його на радіатор, розташований на зовнішній стіні будівлі.

В основу роботи теплового насоса, холодильника та кондиціонера покладено цикл Карно.

1. Теплоносій, рухаючись джерелом низькотемпературного тепла, наприклад, грунту, нагрівається на кілька градусів.
2. Потім він надходить у теплообмінник, званий випарник. У випарнику теплоносій віддає накопичене тепло холодоагенту. Холодоагент- це спеціальна рідина, яка перетворюється на пару за низької температури.
3. Прийнявши він температуру з теплоносія, нагрітий холодоагент перетворюється на пару і надходить компресор. У компресорі відбувається стиск холодоагенту, тобто. підвищення його тиску, за рахунок чого підвищується його температура.
4. Гарячий стиснутий холодоагент надходить до іншого теплообмінника, званого конденсатора. Тут холодоагент віддає своє тепло іншому теплоносія, який передбачений у системі опалення будинку (вода, антифриз, повітря). При цьому холодоагент охолоджується і знову перетворюється на рідину.
5. Далі холодоагент надходить у випарник, де нагрівається від нової порції нагрітого теплоносія, і цикл повторюється.

Для забезпечення роботи теплового насоса потрібна електрика. Але це все одно набагато вигідніше, ніж використовувати лише електрообігрівач. Так як електрокотел або електрообігрівач витрачає рівно стільки ж електроенергії, як і видає тепла. Наприклад, якщо на обігрівачі написана потужність 2 кВт, він витрачає 2 кВт на годину і видає 2 кВт тепла. А тепловий насос видає тепла у 3 – 7 разів більше, ніж витрачає електроенергії. Наприклад, використовується 5,5 кВт/год на роботу компресора та насоса, а тепла виходить 17 кВт/год. Саме такий високий ККД і є основною перевагою теплового насосу.

Переваги та недоліки системи опалення «тепловий насос»

Навколо теплових насосів ходить багато легенд і оман, незважаючи на те, що це не такий новаторський і високотехнологічний винахід. За допомогою теплових насосів опалюються всі "теплі" штати в США, практично вся Європа та Японія, де технологія відпрацьована практично до ідеалу і вже давно. До речі, не варто думати, що подібне обладнання є суто іноземною технологією і прийшло до нас нещодавно. Адже ще СРСР такі агрегати використовувалися на експериментальних об'єктах. Прикладом цього є санаторій «Дружба» у місті Ялта. Крім футуристичної архітектури, що нагадує «хатинку на курячих ніжках», цей санаторій відомий ще й тим, що ще з 80-х років 20 століття в ньому використовуються теплові насоси для промислового опалення. Джерелом тепла є навколишнє море, а сама насосна станція не тільки обігріває всі приміщення санаторію, але й забезпечує гарячою водою, гріє воду в басейні та охолоджує в спекотний період. Тож давайте спробуємо розвіяти міфи і визначити, чи має сенс опалювати житло в такий спосіб.

Переваги систем опалення з тепловим насосом:

• Економія на енергоносії.У зв'язку з зростаючими цінами на газ та дизпаливо дуже актуальна перевага. У графі «щомісячні витрати» буде значитися тільки електроенергія, якої, як ми вже писали, потрібно набагато менше, ніж реально виробляється тепла. При покупці агрегату необхідно звернути увагу на такий параметр, як коефіцієнт трансформації тепла "ϕ" (може називатися ще коефіцієнт перетворення тепла, коефіцієнт трансформації потужності або температур). Він показує відношення кількості тепла на виході до енергії, що витрачається. Наприклад, якщо ? = 4, то при витраті 1 кВт/год ми отримаємо 4 кВт/год теплової енергії.
• Економія на техобслуговуванні. Тепловий насос не вимагає до себе особливого відношення. Витрати його обслуговування мінімальні.
• Можна встановлювати у будь-якій місцевості. Джерелами низькотемпературного тепла для роботи теплового насоса можуть бути грунт, вода або повітря. Де б Ви не зводили будинок, навіть у скелястій місцевості, завжди знайдеться можливість знайти «їжу» для агрегату. У місцевості, віддаленій про газову магістраль, це одна з найоптимальніших систем опалення. І навіть у регіонах без ліній електропередач можна встановити бензиновий чи дизельний двигун для забезпечення роботи компресора.
• Немає необхідності стежити за роботою насоса, додавати паливо, як у випадку з твердопаливним або дизельним котлом. Вся система опалення із тепловим насосом автоматизована.
• Можна виїхати на тривалий терміні не боятися, що система замерзне. При цьому можна заощадити, встановивши насос на забезпечення у житловому приміщенні температури +10 °С.
• Безпека для довкілля.Для порівняння при використанні традиційних котлів, що спалюють паливо, завжди утворюються різні оксиди CO, СO2, NOх, SO2, PbO2, як наслідок навколо будинку на ґрунті осідають фосфорна, азотиста, сірчана кислоти та бензойні сполуки. Під час роботи теплового насоса нічого не викидається. А холодоагенти, що використовуються в системі, абсолютно безпечні.
• Сюди можна відзначити збереження непоправних природних ресурсів планети.
• Безпека для людини та майна. У тепловому насосі нічого не нагрівається до такої температури, щоб викликати перегрівання або вибух. До того ж, у ньому просто нема чого вибухати. Тому його можна віднести до повністю пожежобезпечних агрегатів.
• Теплові насоси успішно працюють навіть за температури навколишнього середовища -15 °С. Тож якщо комусь здається, що такою системою можна обігрівати будинок лише у регіонах із теплими зимами до +5 °С, то вони помиляються.
• Реверсивність теплового насосу. Безперечною перевагою є універсальність установки, за допомогою якої можна і опалювати взимку, і охолоджувати влітку. У спекотні дні тепловий насос забирає тепло з приміщення і спрямовує його в ґрунт на зберігання, звідки знову візьме взимку. Зверніть увагу, що реверсну здатність мають не всі теплові насоси, а лише деякі моделі.
• Довговічність. При належному догляді теплові насоси системи опалення живуть від 25 до 50 років без капітального ремонту, і лише раз на 15 - 20 років потрібно замінити компресор.

Недоліки систем опалення з тепловим насосом:

• Великі початкові капіталовкладення.Крім того, що на теплові насоси для опалення ціни досить високі (від 3000 до 10000 у.о.), ще додатково на облаштування геотермальної системи потрібно витратити не менше, ніж на сам насос. Винятком є ​​повітряний тепловий насос, що не потребує додаткових робіт. Окупиться тепловий насос не скоро (років через 5 – 10). Тож відповідь на запитання, чи використовувати або не використовувати тепловий насос для опалення, скоріше залежить від переваг господаря, його фінансових можливостей та умов будівництва. Наприклад, у регіоні, де підведення газової магістралі та підключення до неї коштує стільки ж, скільки і тепловий насос, має сенс віддати перевагу останньому.

• У регіонах, де температура взимку опускається нижче -15 °С, необхідно використовувати додаткове джерело тепла. Це називається бівалентна система опалення, В якій тепловий насос забезпечує тепло, поки на вулиці до -20 ° С, а коли він не справляється, підключається наприклад, електрообігрівач або газовий котел, або теплогенератор.

• Найбільш доцільно використовувати тепловий насос у системах із низькотемпературним теплоносієм, таких як система «тепла підлога»(+35 °С) та фанкойли(+35 - +45 ° С). Фанкойлиє вентиляторним конвектором, в якому відбувається передача тепла/холоду від води повітрю. Для облаштування такої системи в старому будинку знадобиться повне перепланування та перебудова, що спричинить додаткові витрати. Під час будівництва нового будинку це не є недоліком.
• Екологічність теплових насосів, що беруть тепло з води та ґрунту, дещо відносна.Справа в тому, що в процесі роботи простір навколо труб з теплоносієм охолоджується, а це порушує екосистему, що устала. Адже навіть у глибині ґрунту живуть анаеробні мікроорганізми, що забезпечують життєдіяльність складніших систем. З іншого боку - порівняно з видобутком газу чи нафти збитки від теплового насоса мінімальні.

Джерела тепла для роботи теплового насосу

Теплові насоси беруть тепло з природних джерел, які накопичують сонячну радіацію протягом теплого періоду. Залежно від джерела тепла різняться і теплові насоси.

Грунт

Ґрунт – найстабільніше джерело тепла, яке накопичується за сезон. На глибині 5 - 7 м температура ґрунту практично завжди постійна і дорівнює приблизно +5 - +8 °С, а на глибині 10 м - завжди постійна +10 °С. Способів збирання тепла з ґрунту два.

Горизонтальний ґрунтовий колекторявляє собою покладену горизонтально трубу, якою циркулює теплоносій. Глибина розташування горизонтального колектора обчислюється індивідуально залежно від умов, іноді це 1,5 - 1,7 м - глибина промерзання ґрунту, іноді нижче - 2 - 3 м для забезпечення більшої стабільності температури та меншої різниці, а іноді всього 1 - 1,2 м - тут ґрунт починає швидше прогріватися навесні. Трапляються випадки, коли облаштують двошаровий горизонтальний колектор.

Труби горизонтального колектора можуть мати різний діаметр 25 мм, 32 мм та 40 мм. Форма їхньої розкладки теж може бути різною - змійка, петля, зигзаг, різні спіралі. Відстань між трубами у змійці має бути не менше 0,6 м, і зазвичай становить 0,8 – 1 м.

Питоме теплозніманняз кожного погонного метра труби залежить від структури ґрунту:

• Пісок сухий – 10 Вт/м;
• Глина суха – 20 Вт/м;
• Глина більш волога – 25 Вт/м;
• Глина з великим вмістом води - 35 Вт/м.

Для опалення будинку площею 100 м2 за умови, що ґрунт являє собою вологу глину, знадобиться 400 м2 площі ділянки під колектор. Це досить багато – 4 – 5 соток. А з урахуванням того, що на даній ділянці не повинно бути жодних будівель і допускається тільки газон та клумби з однорічними квітами, то не кожен може дозволити собі облаштувати горизонтальний колектор.

Трубами колектора тече спеціальна рідина, її ще називають «розсіл»або антифризнаприклад, 30% розчин етиленгліколю або пропіленгліколю. «Розсіл» збирає на себе тепло ґрунту і прямує до теплового насоса, де передає його холодоагенту. Остиглий «розсіл» знову тече в ґрунтовий колектор.

Вертикальний ґрунтовий зондЦе система труб, заглиблених на 50 - 150 м. Це може бути всього одна U-подібна труба, опущена на велику глибину 80 - 100 м і залита бетонним розчином. А можливо система U-подібних труб, опущених на 20 м, щоб зібрати енергію з більшої площі. Виконання бурильних робіт на глибину 100 - 150 м не тільки дорого коштує, а й вимагає отримання спеціального дозволу, тому часто йдуть на хитрість і облаштують кілька зондів невеликої глибини. Відстань між такими зондами роблять 5-7 м.

Питоме теплозніманняз вертикального колектора також залежить від породи:

• Осадові породи сухі – 20 Вт/м;
• Осадові породи, насичені водою, та кам'янистий ґрунт – 50 Вт/м;
• Кам'янистий ґрунт із високим коефіцієнтом теплопровідності - 70 Вт/м;
• Підземні (грнутові) води – 80 Вт/м.

Площа під вертикальний колектор потрібна дуже невелика, але ціна їх облаштування вище, ніж у горизонтального колектора. Перевагою вертикального колектора є більш стабільна температура і більший теплознімання.

Вода

Використовувати воду як джерело тепла можна по-різному.

Колектор на дні відкритого незамерзаючого водоймища- річки, озера, моря - є труби з «розсолом», притоплені за допомогою вантажу. За рахунок високої температури теплоносія цей спосіб виходить найвигіднішим та економічним. Облаштувати водний колектор можуть тільки ті, від кого водоймище знаходиться не далі 50 м, інакше втрачається ефективність установки. Як Ви знаєте, такі умови є не у всіх. Але не використовувати теплові насоси мешканцям узбережжя просто недалекоглядно та безглуздо.

Колектор у каналізаційних стокахабо скидання після технічних установок можна використовувати для опалення будинків і навіть багатоповерхівок і промислових підприємств у межах міста, а також для приготування гарячої води. Що з успіхом робиться у деяких містах нашої Батьківщини.

Свердловину або ґрунтову водувикористовують рідше, ніж інші колектори. Така система має на увазі будівництво двох свердловин, з однієї забирається вода, яка передає своє тепло холодоагенту в тепловому насосі, а в другу скидається охолоджена вода. Замість свердловини може бути фільтраційний колодязь. У будь-якому випадку скидна свердловина повинна знаходитись на відстані 15 - 20 м від першої, та ще й нижче за течією (підземні води теж мають свою течію). Дана система досить складна в експлуатації, так як за якістю води необхідно стежити - фільтрувати її, і захищати деталі теплового насоса (випарник) від корозії та забруднення.

Повітря

Найпростішу конструкцію має система опалення з повітряним тепловим насосом. Жодного додаткового колектора не потрібно. Повітря з довкілля безпосередньо надходить до випарника, де передає своє тепло холодоагенту, а той у свою чергу передає тепло теплоносія всередині будинку. Це може бути повітря для фанкойлів або вода для теплої підлоги та радіатора.

Витрати на установку повітряного теплового насоса найменші, проте продуктивність установки дуже залежить від температури повітря. У регіонах із теплими зимами (до +5 - 0 °С) це одне з найбільш економічних джерел тепла. А от якщо температура повітря опускається нижче -15 °С продуктивність падає настільки, що не має сенсу використовувати насос, а вигідніше включити звичайний електрообігрівач або котел.

На повітряні теплові насоси для опалення відгуки дуже суперечливі. Все залежить від регіону їхнього використання. Їх вигідно використовувати в регіонах із теплими зимами, наприклад, у Сочі, де навіть не знадобиться дублююче джерело тепла на випадок сильних морозів. Також можна встановлювати повітряні теплові насоси у регіонах, де відносно сухе повітря та температура взимку до -15 °С. А ось у вологому та холодному кліматі такі установки страждають від зледеніння та обмерзання. Бурульки, що налипають на вентиляторі, не дають нормально працювати всій системі.

Опалення тепловим насосом: вартість системи та витрати на експлуатацію

Потужність теплового насоса підбирається в залежності від тих функцій, які на нього буде покладено. Якщо тільки опалення, то розрахунки можна зробити у спеціальному калькуляторі, що враховує теплові втрати будівлі. До речі, найкращі показники роботи теплового насоса за теплових втрат будівлі не більше 80 - 100 Вт/м2. Для простоти приймемо, що для опалення будинку в 100 м2 зі стелями заввишки 3 м і втратами 60 Вт/м2 необхідний насос потужністю 10 кВт. Для підігріву води доведеться взяти агрегат із запасом за потужністю – 12 або 16 кВт.

Вартість теплового насосузалежить не тільки від потужності, а й від надійності та запитів виробника. Наприклад, агрегат потужністю 16 кВт російського виробництва обійдеться в 7000 у.о., а іноземний насос RFM 17 потужністю 17 кВт коштує близько 13200 у.о. з усім супутнім обладнанням, окрім колектора.

Наступним рядком витрат буде облаштування колектора. Вона також залежить від потужності установки. Наприклад, для будинку 100 м2, в якому скрізь встановлені теплі підлоги (100 м2) або радіатори опалення 80 м2, а також для підігріву води до +40 ° С об'ємом 150 л/год потрібно буде виконати буріння свердловин під колектори. Такий вертикальний колектор коштуватиме 13000 у.о.

Колектор на дні водоймища обійдеться трохи дешевше. За таких самих умов він коштуватиме 11000 у.о. Але краще вартість монтажу геотермальної системи уточнювати в компаніях, що спеціалізуються, вона може дуже сильно відрізнятися. Наприклад, облаштування горизонтального колектора для насоса потужність 17 кВт обійдеться лише 2500 у.о. А для повітряного теплового насоса колектор не потрібний зовсім.

Отже, вартість теплового насоса 8000 у.о. в середньому облаштування колектора 6000 у.о. в середньому.

У щомісячну вартість опалення тепловим насосом входять лише витрати на електроенергію. Розрахувати їх можна так - на насосі повинна бути вказана потужність, що споживається. Наприклад, для вищезгаданого насоса потужністю 17 кВт споживана потужність становить 5,5 кВт/година. Усього опалювальна система працює 225 днів на рік, тобто. 5400 годин. З урахуванням того, що тепловий насос та компресор у ньому працюють циклічно, то витрата електроенергії необхідно зменшити вдвічі. За опалювальний сезон буде витрачено 5400*5,5 кВт/год/2=14850 кВт.

Помножуємо кількість витрачених кВт на вартість енергоносія у Вашому регіоні. Наприклад, 0,05 у.о. за 1 кВт/год. Разом за рік буде витрачено 742,5 у.о. За кожен місяць, у якому працював тепловий насос на опалення, припадає по 100 у. Витрат на електроенергію. Якщо ж поділити витрати на 12 місяців, то на місяць вийде 60 грн.

Зверніть увагу, що чим менша споживана потужність теплового насоса, тим менші щомісячні витрати. Наприклад, є насоси 17 кВт, які за рік споживають лише 10000 кВт (витрати 500 у.о.). Також важливо, що продуктивність теплового насоса тим більша, чим менше різниця температур між джерелом тепла та теплоносієм у системі опалення. Саме тому кажуть, що вигідніше встановлювати теплу підлогу та фанкойли. Хоча стандартні радіатори опалення з високотемпературним теплоносієм (+65 - +95 ° С) також можна встановлювати, але з додатковим акумулятором тепла, наприклад, бойлером непрямого нагріву. Для донагрівання води у ГВП також використовується бойлер.

Теплові насоси вигідні при використанні у бівалентних системах. На додаток до насоса можна встановити сонячний колектор, який зможе повністю забезпечувати насос електроенергією влітку, коли той працюватиме на охолодження. Для зимового підстрахування можна додати теплогенератор, який догріватиме воду для ГВП та високотемпературних радіаторів.

Світовий енергетичний комітет склав прогноз використання джерел тепла для обігріву будівель на 2020 рік. У ньому стверджується, що в розвинених країнах 75% будинків отримуватимуть гаряче водопостачання та опалюватимуться геотермальною енергією нашої планети.

На сьогоднішній день 40% усіх нових будинків Швейцарії обладнано тепловими насосами, а у Швеції цей показник доведено до 90%. Росія та країни СНД менше впроваджують тепловий насос для опалення будинку, хоча перші ентузіасти вже користуються цим методом, передаючи досвід послідовникам.

Принципи роботи

Для обігріву будівлі використовують перенос енергії джерела низького потенціалу (температури) теплоносієм до споживача. У технологічному процесі використовується закон термодинаміки, який би вирівнювання теплових енергій двох систем із різними температурами: передача потужності гарячого джерела холодному споживачеві.

При використанні тепла навколишнього середовища здійснюється підвищення його температурного потенціалу для обігріву та гарячого водопостачання.

Джерелом регенеративного тепла можуть бути:

• поверхню землі чи її об'єм;
• водне середовище (озеро, річка);
• повітряних мас.

Найбільш популярні моделі, що забирають енергію від землі, поверхня якої обігрівається сонячними променями та енергією зовнішнього та внутрішнього ядра планети. Вони відзначаються:

1. найкращим поєднанням споживчих якостей;
2. ефективністю;
3. ціною.

Схеми циркуляції теплоносіїв

Під час роботи теплового насоса (ТН) використовується три замкнутих контури, якими циркулюють різні рідини/гази - теплоносії. Кожен із них виконує свої функції.

Контур знімання потенціалу енергії джерела

При заборі тепла повітря використовується штучне обдування корпусу випарника повітряними потоками від вентиляторів.

Замкнений цикл рідкого теплоносія для передачі тепла водного середовища або землі здійснюється трубопроводами, які з'єднують змійовик випарника з колектором, потопленим на дно водойми або заглибленим у землю на відстань, що перевищує промерзання ґрунту в сильні холоди.

Як теплоносій застосовуються незамерзаючі рідини на основі розведених водних розчинів спирту. Їх прийнято називати "антифризи" або "розсоли". Вони під впливом вищої температури (≥+3ºС) піднімаються до випарника, передають йому тепло, а після охолодження (≈-3ºС) самопливом прямують назад до джерела енергії, забезпечуючи безперервну циркуляцію.

Внутрішній контур

По ньому циркулює холодоагент на основі фреону, піднімаючи тепло на більш високий рівень. Під дією температури він послідовно переходить у газоподібний та рідинний стан.

До складу внутрішнього контуру входять:

• випарник, що забирає енергію від розсолів та передає її фреону, який при цьому закипає і стає розрідженим газом;
• компресор, який стискає газ до високого тиску. При цьому різко підвищується температура фреону;
• конденсатор, у якому гарячий газ передає свою енергію теплоносія вихідного контуру, а сам остигає, переходячи в рідкий стан;
• дросель (розширювальний клапан), що редукує фреон за рахунок перепаду тиску до стану насиченої пари для надходження у випарник. При проходженні холодоагенту через вузький отвір тиск теплоносія знижується до початкового значення.

Вихідний контур

Тут циркулює вода. Вона обігрівається у змійовику конденсатора для використання у звичайній рідинній системі опалення. При цьому способі її температура досягає порядку 35ºС, що обумовлює її застосування в системі «Тепла підлога» з довгими магістралями, що дозволяють рівномірно передавати енергію, що генерується всьому об'єму приміщення.

Використання тільки радіаторів опалення, що створюють менші обсяги теплообміну з простором кімнат, не таке ефективне.

Конструктивне виконання

Промисловість випускає різні за експлуатаційними характеристиками моделі, але вони мають у своєму складі обладнання, що виконує типові завдання, описані вище.

Як варіант конструктивного виконання малюнку представлений тепловий насос для опалення будинку.

Тут вхідними трубопроводами приймається тепло від геотермальних джерел, а вихідними - передається в систему обігріву будинку.

Робота теплового насоса забезпечується:

• системою контролю параметрів схеми та управління, включаючи дистанційні способи через Інтернет;
• додатковим обладнанням (вузли промивання та заповнення, розширювальні баки, групи безпеки, насосні станції).

Ґрунтові конструкції

Вони використовують три схеми влаштування теплообмінників для забору енергії від джерела:

1. поверхневе розташування;
2. встановлення вертикальних ґрунтових зондів;
3. заглиблення горизонтальних конструкцій.

Перший метод найменш ефективний. Тому він рідко застосовується для опалення будинку.

Установка зондів у свердловинах

Цей спосіб найефективніший. Він передбачає створення свердловин на глибини близько 50-150 метрів і більше для розміщення U-подібного трубопроводу із пластикових матеріалів з діаметром від 25 до 40 мм.

Збільшення площі поперечного перерізу труби, як і поглиблення свердловини, створює покращений теплознімання, але здорожує конструкцію.

Горизонтальні колектори

Буріння свердловин для зондів коштує дорого. Тому часто вибирається цей спосіб як дешевший. Він дозволяє обійтися копанням траншей нижче глибини промерзання грунту.

У проекті горизонтального колектора слід враховувати:

1. теплопровідність ґрунту;
2. середню вологість ґрунту;
3. геометрію ділянки.

Вони впливають на габарити та конфігурацію колектора. Труби можуть укладатися:

• петлями;
• зигзагами;
• змійкою;
• плоскими геометричними фігурами;
• гвинтовими спіралями.

Важливо розуміти, що площа ділянки, що відводиться під такий колектор, перевищує габарити фундаменту будинку в 2÷3 рази. Це основний недолік такого методу.

Водні колектори

Це найбільш економічний спосіб, але він вимагає розташування біля будівлі глибокої водойми. На його дні розміщують та закріплюють вантажами зібрані трубопроводи. Для ефективної роботи теплового насоса потрібно прорахувати мінімальну глибину закладки колектора та об'єм водоймища, здатного забезпечити теплознімання.

Габарити такої конструкції визначаються проведенням теплових розрахунків та можуть досягати довжини понад 300 метрів.

Малюнок нижче демонструє підготовку магістралей для збирання на льоду весняного озера. Він дозволяє візуально оцінити масштаби майбутньої роботи.

Повітряний метод

Зовнішній або вбудований вентилятор нагнітає повітря з вулиці прямо на випарник із фреоном, як у кондиціонері. При цьому не потрібно створювати громіздкі конструкції з труб і поміщати їх у ґрунт чи водойму.

Тепловий насос для опалення будинку, який працює за таким принципом, коштує дешевше, але використовувати його рекомендується у відносно теплому кліматі: морозне повітря не дозволить працювати системі.

Подібні пристрої знайшли широке застосування для обігріву води в басейнах або приміщень, розташованих поряд з промисловими пристроями, що постійно беруть участь у технологічному процесі та потужними системами охолодження, що виділяють в атмосферу тепло. Як приклад можна навести силові автотрансформатори енергетики, дизельні станції, котельні.

Основні характеристики

При виборі моделі ТН слід враховувати:

• вихідну теплову потужність;
• коефіцієнт трансформації теплових насосів;
• умовний ккд;
• річну ефективність та витрати.

Вихідна потужність

При створенні нового проекту будинку враховують його потреби в теплі з урахуванням конструктивних особливостей матеріалів, що створюють тепловтрати через стіни, вікна, двері, стелю та підлогу приміщень різних габаритів. Розрахунок враховує створення комфорту при найнижчих морозах у конкретній місцевості.

Споживана теплова потужність будівлі виявляється у кВт. Вона повинна покриватися енергією теплового насоса, що виробляється. Однак часто при розрахунках роблять спрощення, що дозволяє економити: тривалість найхолодніших днів протягом року не перевищує кількох тижнів. На цей період підключається додаткове джерело тепла, наприклад ТЕНи, що підігрівають воду в котлі.
Вони працюють лише в критичних ситуаціях під час морозів, а в решту часу відключені. Це дозволяє використовувати ТН із меншими потужностями.

Можливості конструкцій

Для довідки.Моделі вихідної потужності 6÷11 кВт розсольно-водяних схем здатні нагрівати воду вбудованих баків у відносно невеликих спорудах. Потужність 17 кВт достатня для підтримки температури води 65ºС у котла з ємністю 230÷440 літрів.
Потреби в середніх теплі за величиною будівель покривають потужності 22÷60 кВт.

Коефіцієнт трансформації теплових насосів Ктр

Він визначає ефективність конструкції за безрозмірною формулою:

Kтр = (Твих-Твх) / Твих

Величина «Т» означає температуру теплоносіїв на виході та вході в конструкцію.

Коефіцієнт перетворення енергії (?)

Його розраховують визначення частки корисної потужності тепла стосовно прикладеної енергії на компресор.

Η=0,5Т/(Т-То)=0,5(ΔТ+То)/ΔТ

Для цієї формули температура споживача "Т" та джерела "То" визначається в градусах Кельвіна.

Величину Η можна визначити за кількістю витраченої енергії на роботу компресора «Рел» та отриманої корисної теплопродуктивності «Рн». У цьому випадку його називають «СМІТ» зі скорочення від англійського терміна «Coefficient of perfomance».

Коефіцієнт - змінна величина, залежна від перепаду температур між джерелом і споживачем. Він позначається цифрами від 1 до 7.

Умовний ККД

Це неправильне твердження: коефіцієнт корисної дії враховує втрати потужності під час роботи кінцевого пристрою.
Для визначення треба вихідну теплову потужність розділити на прикладену з урахуванням енергії геотермальних джерел. За такого розрахунку вічного двигуна не вийде.

Річна ефективність та витрати

Коефіцієнт СМР оцінює роботу теплового насоса у певний момент часу за конкретних умов експлуатації. Щоб проаналізувати роботу ТН, запроваджено показник ефективності системи за рік (β).

Тут символ Qwp позначає величину теплової енергії, виробленої протягом року, а Wel - значення спожитого електрики установкою той самий час.

Показник витрат Eq

Ця характеристика обернена до показника ефективності.

Для визначення характеристик ТН використовується спеціалізоване програмне забезпечення та заводські стенди.

Відмінні риси

Переваги

Опалення будинку тепловим насосом у порівнянні з іншими системами має:

1. добрими параметрами екологічності;
2. значним терміном служби устаткування без технічного обслуговування;
3. можливістю простого перемикання режиму обігріву взимку на кондиціювання влітку;
4. високою річною ефективністю.

Недоліки

На стадії проекту та при експлуатації доводиться враховувати:

1. складність виконання точних технічних розрахунків;
2. високу вартість обладнання та монтажних робіт;
3. можливості утворення "повітряних пробок" при порушеннях технології укладання трубопроводів;
4. обмежену температуру води на виході із системи (≤+65ºС);
5. строгу індивідуальність кожної конструкції для будь-якої будівлі;
6. потреба великих площ для колекторів крім будівництва об'єктів ними.

Короткий перелік виробників

Сучасний тепловий насос для опалення будинку випускають такі компанії, як:

• Bosch – Німеччина;
• Waterkotte – Німеччина;
• WTT Group OY – Фінляндія;
• ClimateMaster – США;
• ECONAR – США;
• Dimplex – Ірландія;
• FHP Manufacturing – США;
• Gustrowr – Німеччина;
• Heliotherm – Австрія;
• IVT – Швеція;
• LEBERG – Норвегія.

Спалювання класичного палива (газ, дрова, торф) одна із древніх способів отримання тепла. Проте виснаження традиційних джерел енергії спонукали людину шукати складніші, але з менш ефективні альтернативні варіанти. Одним з них став винахід теплового насоса, робота якого заснована на шкільних законах фізики.

Робота теплового насосу

Дуже складний на перший погляд принцип роботи теплових насосів базується на кількох простих законах термодинаміки та властивостях рідин та газів:

1. Коли газ переходить у рідкий стан (конденсація), виділяється тепло
2. Коли рідина переходить у газ (випар), поглинається тепло

Більшість рідин можуть закипати за досить високих температур, близьких до 100 градусів. Але зустрічаються речовини з досить низькими температурами кипіння. У фреона вона близько 3-4 градусів. Перетворюючись на газ, він легко стискається і всередині ємності починає зростати температура.

Теоретично фреон можна стискати до отримання будь-яких бажаних температур, але практично обмежуються 80-90 градусами, необхідні повноцінної роботи класичної системи опалення.

Кожен стикається з тепловим насосом не один раз на день, коли проходить повз холодильник. Однак у ньому він працює у зворотному напрямку, забираючи тепло продуктів та розсіюючи в атмосферу.

Відео про технологію роботи

Схема теплового насосу

Працездатність більшості теплових насосів базується на теплі ґрунту, в якому протягом року температура практично не коливається (в межах 7-10 градусів). Тепло переміщається між трьома контурами:

1. Контур опалення
2. Тепловий насос
3. Розсільний (він же земляний) контур

Класичний принцип роботи теплових насосів в опалювальній системі складається з наступних елементів:

1. Теплообмінник, що віддає внутрішньому контуру тепло, що забирається у землі
2. Стиснувальний пристрій
3. Другий теплообмінний пристрій, що передає опалювальній системі енергію, що отримується у внутрішньому контурі
4. Механізм, що знижує тиск у системі (дроселі)
5. Розсільний контур
6. Земляний зонд
7. Опалювальний контур

Труба, яка виконує роль первинного контуру, поміщається в колодязь або закопується безпосередньо в землю. Нею переміщається незамерзаючий рідкий теплоносій, температура якого підвищується до аналогічної характеристики землі (близько +8 градусів) і надходить у другий контур.

Вторинний контур забирає тепло у рідини. Циркулюючий усередині фреон починає закипати і перетворюватися на газ, який прямує в компресор. Поршень стискає його до 24-28 атм, завдяки чому відбувається підвищення температури до +70-80 градусів.

На цьому робочому етапі відбувається концентрування енергії в один невеликий потік. Завдяки цьому підвищується температура.

Розігрітий газ надходить до третього контуру, який представлений системами гарячого водопостачання або навіть опалення будинку. При передачі тепла можливі втрати до 10-15 градусів, але вони не суттєві.

Коли фреон остигає, відбувається зменшення тиску, і він знову перетворюється на рідкий стан. При температурі 2-3 градуси він надходить назад у другий контур. Цикл повторюється знову і знову.

Основні види

Влаштований принцип роботи теплових насосів так, щоб вони легко експлуатувалися без перебоїв у широкому діапазоні температур – від -30 до +40 градусів. Найбільшу популярність набули такі два види моделей:

• Абсорбційного типу
• Компресійного типу

Абсорбційний тип моделі мають досить складний пристрій. Вони передають отриману теплову енергію безпосередньо джерелом. Їх експлуатація значно знижує матеріальні витрати на електрику і паливо, що витрачаються. Компресійного типу моделі для перенесення тепла споживають енергію (механічну та електричну).

Залежно від теплового джерела, що застосовується, насоси поділяються на такі види:

1. Переробні вторинне тепло– найдорожчі моделі, що набули популярності для обігріву об'єктів у промисловості, в яких вторинне тепло, що виробляється іншими джерелами, витрачається в нікуди
2. Повітряні- забирають тепло з навколишнього повітря
3. Геотермальні– вибирають тепло із води чи землі

За видами вхідного/вихідного всі моделі можна класифікувати так – грунт, вода, повітря та їх різні поєднання.

Геотермальні теплові насоси

Популярними є геотермальні моделі насосів, які поділяються на два види: замкнутий або відкритий тип.

Простий пристрій відкритих систем дозволяє нагрівати воду, що проходить всередині, яка згодом знову надходить в землю. Ідеально вона працює за наявності необмеженого обсягу чистого рідкого теплоносія, який після споживання не шкодить середовищу.

Замкнуті системи геотермальних теплових насосів ділять на такі різновиди:

• Водний – розташовується у водоймищі на непромерзаній глибині
• З вертикальним розташуванням - колектор поміщається в свердловину на глибину до 200 м і застосовується в місцевостях з нерівним ландшафтом
• З горизонтальним розташуванням - колектор поміщається в землю на глибину 0.5-1 м, дуже важливо забезпечити на обмеженій площі великий контур

Насос типу повітря-вода

Одним із найбільш універсальних варіантів є модель «повітря-вода». У теплі періоди року вона дуже ефективна, але взимку продуктивність може значно падати.

Перевагою системи є простий монтаж. Підходяще обладнання може монтуватися в будь-якому зручному місці, наприклад, на даху. Тепло, яке у вигляді газу або диму видаляється з приміщення, може використовуватися повторно.

Тип вода-вода

Тепловий насос «вода-вода» один із найефективніших. Але його використання може бути обмежене наявністю поблизу водойми або недостатньою глибиною, на якій у зимовий період не спостерігається суттєвого падіння температури.

Низько потенційна енергія може вибиратися з таких джерел:

• Грунтова вода
• Водойми відкритого типу
• Стічні промислові води

Найбільш простий принцип роботи теплових насосів у моделей, що відбирають тепло у водоймі. Якщо прийнято рішення використовувати підземні води, може знадобитися буріння колодязя.

Тип ґрунт-вода

Тепло з ґрунту можна отримувати протягом усього року, тому що на глибинах від 1 м температура практично не змінюється. Як носій тепла використовують «розсіл» - незамерзаючу рідину, яка циркулює.

Один із недоліків системи «грунт-вода» — необхідність великої площі для досягнення бажаної ефективності. Нівелювати його намагаються укладанням труб кільцями.

Колектор можна розташовувати у вертикальному положенні, але знадобиться свердловина глибиною до 150 м. На дні монтуються парасольки, що відбирають тепло ґрунту.

Плюси та мінуси опалювальних систем з тепловим насосом

Теплові насоси знайшли широке застосування у системах опалення приватної житлової площі чи промислових площ. Вони поступово витісняють класичніші джерела енергії завдяки надійності та економічності.

Серед численних переваг, які надає експлуатація теплового насоса, виділяють:

• Економія матеріальних засобів на технічному обслуговуванні систем та теплоносія
• Насоси працюють повністю в автономному режимі
• У довкілля не виділяються шкідливі продукти горіння та інші токсичні речовини
• Пожежна безпека обладнання, що монтується
• Можливість легко реверсувати роботу системи

Незважаючи на безліч переваг, необхідно взяти до уваги і негативні сторони експлуатації теплового насоса:

• Великі початкові вкладення на облаштування опалювальної системи – від 3 до 10 тисяч доларів
• У холодні періоди, коли температура відпускається нижче -15 градусів, необхідно подумати про альтернативні варіанти опалення
• Опалення, засноване на роботі теплового насоса, найбільше ефективно тільки в системах низькотемпературним теплоносієм

Ще одне схематичне відео:

Підбиваємо підсумки

Дізнавшись та освоївши принцип роботи теплового насоса, можна подумати та прийняти рішення про доцільність його встановлення та використання. Початкові витрати, які можуть бути дуже масштабними, незабаром окупляться і почнуть приносити своєрідний прибуток у вигляді економії на класичному паливі.