Принцип действия тепловых насосов для отопления дома

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].

Как работает тепловой насос?

Принцип действия теплового насоса напоминает принцип работы холодильника, только наоборот. Если в холодильнике рабочее вещество испаряется, отдавая холод, то в тепловом насосе оно конденсируется, отдавая тепло. Полученное тепло накапливается, обогащается и отдается теплоносителю, который переносит его в отапливаемые помещения. Для выделения тепла в системе используется конденсатор, тогда как испаритель поглощает полученное низко потенциальное тепло.

Электроэнергия требуется системе для работы компрессора. В качестве показателя эффективности работы теплового насоса используется такое понятие, как преобразование тепла или трансформация – разница между величиной потребляемой электроэнергии и полученного в результате тепла. КПД системы зависит от разницы температур испарителя и конденсатора – чем она больше, тем ниже КПД. Для увеличения эффективности работы нужно обеспечить максимально большой по объему источник низко потенциального тепла, иначе в системе возможно переохлаждение.

Таким образом, масса источника низко потенциального тепла должна быть значительно больше массы, которая нагревается, что позволит сократить разницу температур холодного тела и источника тепла, а это, в свою очередь, сократит потребление электрической энергии. Единственный недостаток такого решения – значительные габариты теплового насоса, которые напрямую связаны еще и с его стоимостью. При обогреве такой системой районов и даже городов можно устанавливать дорогостоящее оборудование, которое занимает значительную площадь – это экономически оправдано, но вот относительно частных домов это далеко не всегда выгодно.

Тепловой насос для отопления дома, принцип действия

В основу работы теплового насоса, холодильника и кондиционера положен цикл Карно. Тепловой насос для отопления переносит тепло из зоны с более низкой температурой к потребителю, где значение этого параметра должно быть выше. В данном случае оно отбирается извне, там, где аккумулируется, и после некоторых преобразований переходит в дом. Именно природное тепло, а не энергия выделяющаяся при сгорании традиционного топлива, повышает температуру теплоносителя, проходящего по трубам системы отопления.

На самом деле, принцип действия насоса значительно сложнее. Поэтому устройства этого класса часто сравнивают с холодильными установками, только работающими наоборот. Но общий порядок функционирования идентичен, несмотря на то, что есть большая разница как в инженерном решении, так и в назначении основных частей приборов. От традиционной системы отопления схема, собранная на тепловом насосе, отличается количеством контуров и спецификой их работы.

   Принцип работы насоса

Контур внутренний (не путать с отопительным в доме) территориально расположен в самом агрегате. Охлажденный теплоноситель, циркулирующий во внешнем, частично повышает свою температуру за счет окружающей среды. Проходя через испаритель, передает отобранную энергию хладагенту, которым заполнен внутренний контур. Последний, благодаря своему специфическому свойству, закипает и переходит в газообразное состояние. Для этого достаточно низкого давления и температуры более -5°C. То есть жидкая среда превращается в газ.

Далее – в компрессор, где давление искусственно повышается, за счет чего и производится нагрев хладагента. Именно в этом конструктивном элементе, являющимся вторым по счету теплообменником, тепловая энергия передается жидкости (воде или антифризу), проходящей по обратке системы отопления дома. Довольно оригинальная, эффективная и рациональная схема обогрева.

Читайте также:  Как правильно выбрать электрический котел отопления с насосом?

Для обеспечения работы теплового насоса необходимо электричество. Но это все равно намного выгоднее, чем использовать только электрообогреватель. Так как электро-котел или электрообогреватель тратит ровно столько же электроэнергии, сколько и выдает тепла. Например, если на обогревателе написана мощность 2 кВт, то он тратит 2 кВт в час и выдает 2 кВт тепла. А тепловой насос выдает тепла в 3 – 7 раз больше, чем тратит электроэнергии. Например, используется 5,5 кВт/час на работу компрессора и насоса, а тепла получается 17 кВт/час. Именно такой высокий КПД и является основным достоинством теплового насоса.

Остается добавить, что во внешнем контуре циркулирует солевой раствор или этиленгликоль, во внутреннем, как правило, фреон. В состав такой схемы отопления включается и ряд дополнительных устройств. Основные из них – клапан-редуктор и сабкулер.

Принцип работы установки с тепловым насососом.

Термодинамический тепловой насос это устройство для переноса тепловой энергии посредством термодинамических процессов конденсации и испарения. Термодинамический тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная.

Рассмотрим подробнее на примере фреонового контура:

Компрессор сжимает газообразный фреон. При сжатии газообразный фреон нагревается. И далее подется в конденсатор (теплообменник). Поступая в конденсатор (теплообменник) под давлением горячий газобразный фреон отдает тепло окружающей среде. Остывая фреон под давлением конденсируется и переходит в жидкую фазу. И далее через клапан (3.) подаётся в испаритель (теплообменник).

В испарителе (теплообменник) происходит сброс давления и фреон из жидкой фазы испаряется. При этом процессе поглащается тепло из окружающей среды.

После чего газообразный фреон снова попадает в компрессор и сжимается.

В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты (англ. COP — сокр. от coefficient of performance) и служит показателем эффективности теплового насоса.

Коээфициент COP = 2 означает, что тепловой насос переносит полезного тепла в два раза больше, чем затрачивает на свою работу.

Пример: Тепловой насос потребляет 1 кВт электроэнергии, COP = 3.0 означает, что потребитель получает 3 кВт тепла.

То что кооэфициент COP выше единицы – делает целесообразным применение теплового насоса в вентиляционных установках.

В приточно-вытяжных установках применяется реверсивный тепловой насос. То есть зимой в приточной части установки находится конденсатор фреонового контура, который отдает тепло и тем самым подогревает приточный воздух. Тепло забирается из вытяжного воздуха, где зимой находится испаритель фреонового контура.

ЗИМА

За счет коээфициента COP, который больше 3 на 1 кВт затраченной электроэнергии получаем более 3 кВт тепла. Это гораздо эффективнее электрического нагревателя, где мы получаем тепла столько же, сколько расходуется электроэнергии.

Летом в приточной части находится испаритель. Он забирает тепло из приточного воздуха и тем самым охлаждает его. Конденсатор летом находится в вытяжной части установки и отобранное в приточной части  тепло сбрасывается в вытяжной воздух.

Охлаждать воздух летом до комфортной температуры необходимо на 10 – 15 градусов. Зимой же нужно нагревать порой до 45 градусов. Мощность теплового насоса расчитана как правило на дельту в температуре до 15 градусов. И для работы в зимнем режиме установки оборудуют дополнительным нагревом горячей водой или электричеством. Но даже при условии подогрева электричеством воздуха зимой установки с тепловым насосом в 2,5 раза экономичней, чем без него. Есть преимущество и перед охлаждением воздуха в помещениях обычными кондиционерами. Помимо комфортной температуры установка с тепловым насосом обеспечивает помещение свежим и очищенным воздухом, удаляет использованный, потребляет в 2 раза меньше электроэнергии у нее нет необходимости монтажа внешнего компресорно-коденсаторного блока.

Похожие записи:

  • Вентиляционная установка с кондиционером
  • Приточно-вытяжная вентиляция с рекуператором
Принцип работы установки с тепловым насососом.

Насосное оборудование

Бытовые насосы и их виды

Уже более двух тысяч лет человечество использует насосное оборудование. За это время оно постоянно усовершенствовалось и приобрело множество модификаций, из которых можно выделить две основные группы:

  • погружные;
  • поверхностные.
Читайте также:  Возобновляемая энергетика для отопления: тепловые насосы

Насосами откачивают воду из скважин, недр земли, колодцев, выгребных ям, увеличивают в гидравлических системах давление воды. Бытовые насосы могут быть с электрическим источником питания, с двигателем внутреннего сгорания или ручными.

Насосы в системах отопления

Самое главное достижение в использовании насосного оборудования – это возможность полностью исключить необходимость использования твёрдого топлива, газа и других покупаемых источников теплоты. В Европе владельцы своих домов стремятся к обустройству системы отопления, работающей за счёт природной энергии посредством тепловых насосов. Для отечественного рынка установка таких систем — новинка. Тепловые насосы могут быть частью интегрированных систем, обогревающих и охлаждающих помещения. Модифицируются ТН (тепловых насосов) в зависимости от источника энергии (вода, земля, воздух).

Устройство теплового насоса

Теплонасос – это холодильник, который переносит тепло изнутри наружу.

Такая система включает:

  • тепловой насос;
  • оборудование забора (геотермальные зонды, коллекторы);
  • систему распределения тепла (радиаторы, тёплый пол, стены).

Тепловой насос состоит из:

  • испарителя;
  • конденсатора;
  • расширительного клапана (расширительного вентиля, понижающего давление за счёт разжижения газа);
  • компрессора (который сжижает газ и повышает давление).

Принцип действия

Общая модель показывает принцип работы системы. Чтобы проще понять весь процесс, будем исходить от простого к сложному. Сначала представим замкнутый контур с газом, приводимым в движение компрессором. Добавив расширительный клапан, в системе будет образовано две области: с повышенным и пониженным давлением. Будучи сжимаемым, газ нагревается, а при снижении давления – охлаждается. Причём наиболее высокая температура газа отмечается сразу при выходе из компрессора, а самая низкая температура газа в системе – в точке выхода из расширительного клапана.

Добавив в систему два теплообменника, с одной стороны нагретый газ через теплообменник-конденсатор будет часть тепла отдавать потребителю, с другой – уже охлаждённый посредством теплообменника-испарителя будет поглощать тепло от внешнего источника. Эта модель обладает функциями теплового насоса.

Полноценный вид ТН представляет собой после подключения к источнику низкотемпературного тепла (геотермальным зондам) и системе отопления (радиаторам, тёплым полам и стенам).

В промежуточном контуре циркулирует охлаждающая жидкость (хладагент), температура кипения которого чуть выше -5 °С. В одной части цикла он представляет собой жидкость, а в другой – газ.

Обычно используется фреон. Первоначально он находится в жидком состоянии. По мере нагревания его температура поднимается. Нагреваясь, фреон превращается в газ с температурой около пяти градусов.

Далее по цепи газ поступает в компрессор, сжимающий его. В результате на выходе выделяется максимально возможное для установки количество тепла (от +35 до +60-65°С). После горячий газ поступает в конденсатор, где происходит передача тепла от теплоносителя контурам системы обогрева помещения.

Отдав большую часть тепловой энергии, газообразный фреон поступает в расширительный клапан. Проходя через этот вентиль, резко падает давление и температура, значения которых в точке выхода из клапана имеют наименьшие значения в цикле.

Затем движение повторяет круг.

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.

Достоинства тепловых насосов

Достоинство теплового насоса состоит еще и в том, что они имеют электронный блок управления, при помощи которого можно контролировать весь процесс. Кроме того, при помощи блока можно регулировать и степень нагрева. Специальные датчики, установленные в помещении, регулярно подают на блок управления информацию о температуре. Как только она достигнет определенного уровня – работа насоса автоматически прекращается. В момент, когда температура опустится до минимального показателя – насос автоматически включается.

Современные модели тепловых насосов отличаются значительной функциональностью. То есть, с его помощью можно не только обогревать дом, но и обеспечивать его горячим водоснабжением.

Кроме того, отопление загородного дома тепловым насосом может не только нагревать, но и охлаждать помещение. Для того чтобы отопительная система работала одновременно и как охлаждающая, на самом деле, нужно не так много. В частности, понадобится просто дополнить отопление загородного дома и тепловые насосы специальным реверсивным клапаном. Таким образом, установив тепловой насос, вы получите современную климатическую установку, которая поможет поддерживать комфортную температуру в доме в течение всего года.

Конечно, многие современные пользователи отмечают единственный недостаток теплового насоса, как показывают отзывы, – его достаточно высокую стоимость. Однако следует учитывать тот факт, то приобретя и установив тепловой насос, вы больше не будете тратить средства на что-либо. То есть, вам не нужно будет приобретать большое количество топлива – а это явная экономия.

Преимущества и недостатки

Устанавливая тепловой насос в загородном доме, вы получаете следующие преимущества:

  • значительную экономию электроэнергии;
  • комфорт, поскольку тепловой насос оснащен климат-контролем, с возможностью регулирования температуры, а также немаловажным фактором является то, что насос работает без постоянного участия человека;
  • экологичность. Во время работы теплового насоса не выделяются никакие вредные вещества;
  • безопасность. Все процессы, протекающие в цикле насоса, не являются пожаро- или взрывоопасными.

К недостаткам можно отнести:

  • высокую стоимость. Окупаемость среднестатистического теплового насоса происходит в течение 5-7 лет, поэтому он будет полезен, если вы рассчитываете на долгосрочную перспективу;
  • возможные ограничения по насаждениям и строительстве на участке;
  • тепловой насос требует тщательно утепленного дома.

Заключение

Если в результате анализа климата, доступных источников энергии, характера почв принято решение купить теплонасос для отопления — рекомендуется доверить проектирование системы профессионалам. Оптимальный выбор модели основывается не только на особенностях оборудования и механике его работы. Специалисты учтут теплоотдачу почв, выберут комбинированную схему с хорошей эффективностью, рассчитают лучший вариант проведения земельных работ. Поэтому разработанная профессионалами система отопления с тепловым насосом не заставит столкнуться с неожиданностями и пожалеть о своем выборе.

Гарантийное и сервисное обслуживание

Из-за того, что система очень сложная, проводить диагностические и ремонтные работы с агрегатами самому недопустимо. Для этих целей, при покупке насоса производитель обязан заключить с вами договор в котором указывается, в каких периодах времени будет совершаться проверка системы отопления специалистом.

Гарантийный талон

Гарантийное и сервисное обслуживание
  1. Гарантия подразумевает определённый срок бесплатного обслуживания, в которое входят ремонтные работы всех узлов и агрегатов.
  2. Сервисное обслуживание является неотъемлемым дополнением к самой системе. График, по которому делают осмотр может быть ежемесячным, ежеквартальным, полугодовым и годовым.