Как работает тепловой насос, что это такое – конструкция, основы монтажа, устройство.

Принцип работы теплового насоса известен уже более 150 лет. Проще всего его объяснить на примере таких бытовых приборов, как холодильник или кондиционер. Тепловой насос- это тот же холодильник, только вывернутый наружу.

В холодильнике тепло забирается у продуктов и воздуха в холодильной камере и выводится в помещение. А в тепловом насосе вместо внутренней камеры внешняя среда; атмосферный воздух, водоёмы, грунтовые воды или сам грунт. Энергия «выкачивается» из этих источников низкопотенциального тепла, а установка, осуществляющая этот процесс, и называется насосом. Запасы энергии естественных источников практически неисчерпаемы. Но обойтись лишь природной энергией невозможно, ведь для функционирования самого теплового насоса необходимо электропитание. Тем не менее отношение энергозатрат на работу теплового насоса к объёму энергии, забираемой буквально из воздуха, воды или земли, оказывается весьма выгодным: «бесплатно» удаётся получить до 75% тепла!

Сходный принцип действия у кондиционеров высокого класса с двумя режимами эксплуатации – охлаждение и нагрев. Автоматический климат-контроль в этом случае поддерживает в помещении заданную температуру даже без вмешательства человека. Тепловой насос также способен выкачивать тепло из наружного воздуха. Но эффективность схемы «воздух-воздух» или «воздух-вода» в наших широтах ограниченна, ведь для работы системы температура наружного воздуха не должна опускаться ниже -10 °С. Морозной зимой извлекать из него тепло уже становится нецелесообразно, придётся использовать традиционные отопительные приборы.

В отличие от кондиционера, тепловые насосы способны извлекать энергию не только из воздуха, но также из грунта или водных резервуаров, сохраняющих её в достаточном количестве даже в зимнее время.

Кроме того, в числе возможных источников тепла – подземные и сточные воды, вытяжной воздух системы вентиляции, тепло, выделяемое в результате какого-либо технологического процесса. Источники низкопотенциального тепла встречаются повсеместно, но для извлечения энергии требуется промежуточный усилительный контур теплового насоса .

Вся система состоит из трёх контуров. Первичный контур – это наружный коллектор тепла, например погружённые под землю или под воду трубы, в которых циркулирует теплоноситель, в просторечье – «рассол». В первичном контуре теплоноситель нагревается всего лишь на 4-5 °С. однако даже столь незначительного перепада температур вполне достаточно для работы системы. Затем «рассол» попадает в «тепловой трансформатор», где передает собранное тепло хладагенту тепловому насосу.

Хладагент – это специально подобранное вещество с низкой температурой кипения, в начале цикла оно имеет температуру -3. -5 °С при низком давлении. После теплообмена с «рассолом» хладагент переходит из жидкого в газообразное состояние. В компрессоре газ резко сжимается, одновременно согласно законам физики повышается его температура. Горячий газообразный хладагент поступает в конденсатор для теплообмена с теплоносителем внутреннего контура домашней системы отопления.


Наконец, теплоноситель (вода или антифриз) подаётся в радиаторы, обогревающие помещения.

Рисунок 1. Схема установки и работы теплового насоса (Buderus)

ЦИФРЫ НА ЗАМЕТКУ

Тепловой насос напоминает холодильник не только принципом работы, но и размерами. Он вполне поместится на кухне или в котельной, где займёт всего 2-3 м2 площади.

Шум, издаваемый устройством, невелик. Установка теплового насоса требует комплексного энергетического решения.

Дом должен быть теплоизолирован, а потери не превышать 80 Вт/мг.

Тепловой насос особенно выгодно подключать к низкотемпературной системе отопления, а для горячего водоснабжения (ГВС) использовать дополнительный нагреватель.

Поэтому обычно тепловые насосы устанавливают в бивалентной системе для напольного водяного и воздушного отопления, ведь максимальная температура теплоносителя без вторичного подогрева не поднимается выше 35 °С.

В бивалентной системе вместе с тепловым насосом работает вспомогательный нагреватель, обеспечивающий более высокую температуру нагрева воды для ГВС. Это может быть небольшой котёл, работающий на любом доступном виде топлива.

Использование дополнительного нагревателя оправдано и экономически. Номинальную мощность теплового насоса рассчитывают из максимальной потребности в тепле, которая должна удовлетворяться даже в самые лютые холода. Однако крайне морозных дней 8 году не так много. Инвестировать средства в создание сверхмощного контура для съёма тепла было бы нерационально. Вклад вторичного нагревателя в годичное производство энергии составит около 10%. Это позволит сбалансировать капитальные и текущие затраты и сократить срок окупаемости системы. В некоторых моделях тепловых насосов дополнительные нагреватели (ТЭНы) предусмотрены в конструкции.

Много недоразумений связано с расчётом эффективности ТН. Производители порой указывают невероятные значения КПД <больше 100%), на первый взгляд противоречащие законам физики. Дело в том, что на каждый киловатт электроэнергии, питающей систему, насос «выкачивает» из среды несколько киловатт природной энергии. Прибыль получается многократной, хотя и не фантастической.

Использование теплового насоса действительно означает экономию, но лишь через много лет, ведь первоначальные вложения в организацию наружного контура и оборудование весомы – около 40 тыс. руб. за 1 кВт.

Это значит, что по сравнению с дизельным котлом выгоду удастся почувствовать только через 3-7 лет, а по сравнению с газовым отоплением тепловой насос позволит сэкономить через 18-20 лет. Но не стоит с недоверием отмахиваться от отдалённой перспективы. Рачительные хозяева должны учитывать, что оборудование теплового насоса прослужит до 30 лет, а первичный контур – до 50 лет. За такое время нагреватели других типов выходят из строя. Инвестиция в тепловой насос – не спринт, а марафон, приносящий пользу нескольким поколениям семьи. Долгий срок эксплуатации наружного контура отчасти примиряет с высокими затратами на его организацию, доходящими до 70-150% стоимости оборудования.

Фото 2. Примерная гидравлическая схема интеграции теплового насоса Viessmann Vitocal 200-S типа «воздух-вода» в систему водоснабжения. Внутренний блок в виде компактного настенного служит для передачи тепла в систему отопления и приготовления горячего водоснабжения

Тепло из-под земли

Под землёй находится практически неисчерпаемый резервуар тепла. Суточные колебания температур проникают на глубину нескольких метров, сезонные – до 15-20 м. На глубине более 15 м сохраняется постоянная температура около 8 °С.

Температурный режим здесь определяется радиогенной тепловой энергией, поступающей из недр. Это идеально подходит для функционирования теплового насоса или организации пассивной системы охлаждения в летнее время. «Щупальца», с помощью которых грунтовой коллектор собирает тепло, – это пластиковый трубопровод, заполненный теплоносителем. Чем больше протяжённость труб, тем выше тепловая производительность системы.

Трубы изготавливают из сшитого полиэтилена (РЕ-ХАа), полиэтилена ПЭ 100. полипропилена или полибутана, а в качестветеплоносителя используют 30%-ный раствор пропиленгликоля. этиленгликоля либо этанола. Подземное тепло является самым распространенным источником энергии на территории нашей страны. Специалисты подскажут, какой теплосборник больше подходит для вашего участка: вертикальный геотермальный зонд или горизонтальный грунтовой коллектор.

В первом случае трубы коллектора закладывают в скважину, изолированную специальным бетоном повышенной теплопроводности. В качестве альтернативы глубинной закладке коллектора применяется бурение нескольких неглубоких скважин. Этот вариант предпочтителен, если более глубокие слои фунта не обеспечивают хорошего теплосъёме. Выполнение работ по бурению нескольких неглубоких скважин обойдётся в сумме дешевле. Средняя теплоотдача с метра трубы коллектора составляет 50-60 Вт. Для выработки 10 кВт с помощью вертикального грунтового зонда потребуется скважина глубиной 200 м, в которую погружают U-образный или коаксиальный теплообменник. Альтернативный вариант: пробурить десяток скважин по 20 м. В этом случае теплообменники соединяют последовательно.

Другой вариант грунтового коллектора – горизонтальный. Для его организации потребуется выделить участок площадью 4-6 соток, свободный от застройки и растительных насаждений с глубокой корневой системой. Плодородность верхних слоев почвы при этом совершенно не пострадает.

Трубы горизонтального коллектора зарывают в землю на 20 см ниже глубины промерзания. Если почва каменистая, сверху насыпают песчаную подушку и мягкий грунт, чтобы избежать повреждения трубопровода. Расстояние между петлями не должно быть меньше 60-100 см. Удельная теплоотдача грунта составляет 20-30 Вт/м2. Это значит, что для работы теплового насоса производительностью 10 кВт потребуется уложить в землю до 500 м коллектора.

Тепло из воды

Использование в качестве источника тепла грунтовых вод оказывается весьма привлекательным решением. Они обладают высоким коэффициентом теплоотдачи, а их температура круглый год составляет 5-8 °С.

Для успешного извлечения тепла из подземных вод грунт должен быть водопроницаемым, а вода – отличаться хорошим химическим составом, чтобы не возникало проблем из-за отложений и коррозии в трубах. В противном случае потребуется регулярная очистка и техническое обслуживание испарителя.

Открытая система сбора тепла представляет собой две скважины, пробурённые на расстоянии не менее 5 м друг от друга. Из скважины, расположенной выше по течению подземных вод. с помощью погружного насоса тёплая вода выкачивается и подаётся в тепловой насос. Дебит, то есть производительность скважины, на глубине 15 м (ниже уровня промерзания) должен обеспечивать бесперебойную работу системы. После прохождения через теплообменник охлаждённая вода сбрасывается во вторую скважину и затем уходит в грунт.

Извлекать тепло можно даже из приусадебного водоёма, но при соблюдении ряда условий. Водоём должен иметь достаточный объём воды, глубину не менее й м, чтобы исключить промерзание до дна. Вода должна быть проточной, не застаиваться. Трубопровод утапливают и отягощают грузом из расчёта 5 кг на метр, шаг укладки – не менее 1.5 м. Теплоотдача с метра трубы составляет 35 Вт. Для выработки 10 кВт тепла нужен трубопровод длиной 300 м.

Уход за тепловым насосом

Тепловые насосы неприхотливы и долговечны. Ежедневного внимания они к себе не требуют, служат дольше других отопительных устройств – до 30 лет. До начала отопительного сезона и по его окончании необходимо проверять давление «рассола» во внутреннем контуре. Слабое место любой современной системы отопления – зависимость от электроэнергии. При отключении электричества насос, как и котёл, автоматически выключается. На всякий случай рекомендуется иметь резервное оборудование, например бензиновый генератор или источник бесперебойного питания (UPS). При отключении электричества поможет накопитель энергии – бак-резервуар с тёплой водой, устанавливаемый на возвратной линии. Минимальный объём бака 10-20 л на 1 кВт мощности.

Выводы и наиболее важные моменты:

  • Идея теплового насоса была предложена знаменитым английским ученым лордом Кельвином ещё в 1852 г.
  • Тепловой насос работает почти по тому же принципу, что и холодильник. Они сравнимы по размерам и уровню шума
  • Источники низкопотенциального тепла: воздух, грунтовые воды, подземная энергия
  • Тепловой насос позволяет получить «бесплатно» до 75% энергии
  • Хотя затраты на наружный контур составляют до 70-150% стоимости теплового насоса, срок службы коллектора практически неограничен
  • Пропиленгликоль в качестве «рассола» безопасен, а с этиленгликолем и этанолом нужно обращаться осторожно: они токсичны
  • Варианты укладки труб коллектора: параллельно, последовательно, петлёй, вертикальной или горизонтальной спиралью
  • Глубина промерзания грунта зависит от региона, например, в Московском регионе – 1,4 м, в Уфе – 1,8 м, а в Крыму – 60 см

По материалам сайта: http://kak-svoimi-rukami.com