Что такое тепловой насос?

Тепловые насосы (ТН) - это оборудование, которое использует тепловую энергию окружающей среды для обогрева помещений. На первый взгляд, это противоречит законам физики, но логический казус решается циклическим изменением агрегатного состояния и других параметров хладагента. То есть система внешнего контура собирает тепло из таких источников, как грунт, воздух, водоемы, и передает накопленную энергию на нужды потребителя. Это может быть отопление дома, ГВС, нагрев воды для бассейна и прочее. В то же время, механизм работы теплового насоса широко используется в промышленности - технологические процессы, сельское хозяйство, строительство и тому подобное.
Факторы, по которым тепловые насосы существенно выгоднее альтернативой газовому и электрическому отоплению. Солнце, нагревает водоемы, глубинные слои почвы и атмосферу (воздух), работает в пользу человека. Такая тепловая энергия выгодно отличается 4-мя факторами:

• бесплатная;
• неисчерпаемая;
• возобновляемая;
• не наносит вред экологии.

Дополнительные полезные аспекты: тепловой насос - это универсальное и экономичное в потреблении оборудование. Механизм работы и строение теплового насоса таковы, что установку можно использовать для нагрева воды или воздуха, подключать к системе отопления дома и другим контурам. При этом коэффициент трансформации оборудования (COP) достигает значений от 2 до 7. То есть, за 1 кВт затраченной электроэнергии тепловой насос производит до 7 кВт тепла. Это значительно превосходит аналогичные показатели газовых и электрических систем отопления дома или нагрева воды и воздуха.

Принцип действия теплового насоса: как работает оборудование для бытовых потребителей?

Тепловой насос можно разделить на два контура с циркулирующим хладагентом. В первой системе происходит поглощение тепла за счет испарения рабочего вещества (обычно фреона). Во второй контур теплового насоса хладагент поступает уже в газообразном состоянии. Здесь фреон сначала сжимается в компрессоре, а затем конденсируется, отдавая тепло. Основу механизма работы тепловых насосов составляет обратный термодинамический цикл, который включает по две адиабаты и изотермы.

Поэтапная схема работы теплового насоса

Полный цикл теплового насоса состоит из четырех фаз, во время которых физическое состояние хладагента меняется дважды. Рассмотрим каждый этап подробнее:

1. Поглощение тепла из внешних источников. На этой стадии происходит закипание фреона. Хладагент в виде жидкости поступает в контур испарителя насоса, который непосредственно контактирует с теплоносителем. Согласно второму закону термодинамики, тепло от более нагретого вещества передается к фреону, имеющему более низкую температуру. Хладагент в контуре теплового насоса закипает и испаряется, превращаясь в газ.

2. Нагрев фреона. Хладагент в газообразном состоянии поступает в компрессор теплового насоса, где происходит его сжатие, что существенно повышает температуру вещества.

3. Передача тепла. Нагретый газ подается в конденсатор. Здесь хладагент имеет более высокую температуру, чем рабочая среда, поэтому тепло передается рабочей среде, а хладагент конденсируется в жидкость.

4. Возвращение в исходное состояние. Жидкость в конденсаторе все еще имеет относительно высокую температуру для повторения цикла. Хладагент продавливается через перепускной клапан, где на выходе жидкость расширяется, что приводит к падению давления и снижению температуры. Охлажденный фреон снова отбирает тепловую энергию в контуре испарителя, и цикл повторяется.

Что имеем на практике?

Основные цели использования тепловых насосов в бытовой сфере - отопление дома зимой, охлаждение воздуха летом и нагрев воды круглосуточно. То есть оборудование является универсальным и многофункциональным: один тепловой насос заменяет обогреватель или систему отопления, бойлер и воздушный кондиционер.

Тепловой насос очень энергосберегающий в процессе работы. Для производства 1 кВт тепла расходуется всего 0,2 - 0,35 кВт электроэнергии. Для сравнения, затраты на отопление дома с помощью газовых котлов в 2-3 раза выше при текущих тарифах. Если добавить еще и нагрев воды, то общая экономия может достигать 80%.Единственным существенным недостатком отопления дома тепловым насосом являются первоначальные затраты на установку оборудования. Но это относительно. Система теплового насоса окупится уже через 4-5 лет, тогда как эксплуатационный ресурс тепловых насосов значительно длиннее. Срок службы качественного оборудования от 20 лет.
 

Какие источники тепла использует тепловой насос?

Оборудование может поглощать и переносить энергию с любых объектов, которые нагреваются солнечными лучами. Наиболее востребованные источники:

• грунт - слои, расположенные ниже уровня промерзания на 0.5 - 1.2 метра;

• воздушные потоки внутри помещений;

• различные типы водяных резервуаров - обычно контур для отбора тепла прокладывают на дне;

• атмосферный воздух;

• грунтовые воды;

• горные и скальные породы (чаще всего используют в тепловых насосах для промышленности).

Интересный факт. Системы тепловых насосов способны поглощать тепло даже из атмосферного воздуха при температуре ниже 0°C. Молекулы продолжают движение до отметки в -273°C. Соответственно, тепловая энергия в воздухе вырабатывается при -10°C и более низких температурах, но в меньших объемах.

Типы эффективного энергосберегающего оборудования

Если классифицировать тепловые насосы для отопления дома по механизму работы, то можно выделить три вида - компрессионные, абсорбционные и полупроводниковые. На бытовом уровне используется только первый тип, поэтому на нем и сконцентрируем внимание. Относительно способа отбора энергии, тепловые насосы делят также на три категории:

• Геотермальное оборудование. Самая широкая группа тепловых насосов, имеющая внутреннюю классификацию.
• Воздушные (аэротермальные) устройства. Состоят из двух подгрупп. В первой источником тепловой энергии является атмосферный воздух. Во второй - это системы вентиляции.
• Тепловые насосы, функционирующие на вторичной, уже выработанной энергии. Наглядный пример - трубы центрального отопления.

Последний вариант чаще используется на предприятиях, одновременно решая проблему утилизации паразитной тепловой энергии. Поэтому подробнее рассмотрим лишь первые два типа оборудования.

Геотермальный тепловой насос: что это такое?

Оборудование работает благодаря энергии, присутствующей в нижних слоях грунта и подземных водах. В работе геотермального насоса используется такое явление, как тепловая инерция. Известно, что температура почвы, расположенной ниже уровня промерзания, равна среднегодовому аналогичному показателю для атмосферного воздуха этого региона. То есть это где-то 5-10°C.

Важным фактором является то, что температура почвы и подземных вод практически не меняется в течение года. То есть пользователь получает надежный и стабильный источник тепловой энергии.

По способу расположения коллектора различают четыре вида геотермальных насосов:

• горизонтальный - устанавливается на глубине 129 см ниже уровня промерзания и является самым выгодным с экономической точки зрения;
• вертикальный тепловой насос - используют скважины глубиной до 200 метров, рекомендуется для жилья с дефицитом земельных участков;
• спиральный - вариант, являющийся комбинацией первых двух видов;
• водяной - самый дешевый тип, но имеет ограничения по глубине и объему водоема.

Еще один тип геотермального теплового насоса - оборудование с непосредственной передачей энергии. В этом случае коллектор отсутствует. Отбор тепловой энергии осуществляется хладагентом, циркулирующим вдоль медной трубы. Геотермальный тип насоса является самым дорогим видом оборудования, поскольку требует предварительного изучения почвы. Также важным критерием является удельная мощность тепловой энергии. Этот показатель варьируется в интервале 8-32 Вт/кв.м, в соответствии с характеристиками почвы.
 

Гидротермальные тепловые насосы: что нужно знать?

Источником энергии для оборудования выступают грунтовые воды. Аналогично геотермальному насосу, температура среды, поставляющей тепло, остается неизменной в течение года и держится на уровне 10°C. Это также дорогой тип оборудования, но не в эксплуатации. Существенных затрат требуют исследования глубины водяного горизонта и монтаж тепловой системы. В процессе использования гидротермальный тепловой насос экономичен и окупается в течение первых четырех лет эксплуатации или быстрее, поскольку имеет коэффициент трансформации 5 и выше.

Тепловые насосы типа воздух-вода: важные факты
 

Отличаются от геотермального оборудования значительным снижением сметной стоимости. Также сокращается время, необходимое для монтажа. Установка аэротермальных (воздушных) тепловых насосов не требует предварительного анализа свойств грунта и сложных земляных работ: бурения скважин, рытья траншей и пр.

Однако воздушный тип оборудования очень чувствителен к климатическим условиям. Аэротермальный тепловой насос стабильно функционирует при температуре воздуха до -25°C. Второй важный критерий - средняя или низкая влажность. Иначе существует риск обмерзания оборудования, из-за чего может быть потрачено много времени на оттаивание.

Итак, для суровых зим аэротермальные насосы требуют бинарной схемы использования - необходимо иметь резервный источник тепла. В остальных аспектах это отличный вариант, который выделяется низкой ценой и высоким коэффициентом трансформации - 5 и более. Особой надежностью, длительным сроком службы и энергоэффективностью отличаются тепловые насосы типа воздух-вода компании Mycond.
 

Что такое тепловой насос воздух-воздух

Это агрегат, функционирующий по принципу работы кондиционера. Источником тепла для оборудования является наружный воздух или вентиляционные системы. Базовое назначение такого насоса - обогрев помещений. Некоторые модели этого оборудования имеют дополнительные средства для нагрева воды.
 

Преимущества тепловых насосов

В бытовой сфере основным преимуществом является независимость потребителя от повышения тарифов на отопление и газ. Другие причины для установки теплового насоса:

• Универсальность. Один насос можно использовать для различных целей - теплый пол, отопление дома, нагрев воды и тому подобное.
• Экономичность. Расходы на коммунальные услуги снижаются на 50-80%.
• Мощность. Насос обеспечивает достаточное количество тепла для выполнения всех функций, будь то отопление дома, нагрев воды или подключение к другим системам.
• Свойства источников энергии. Важно, чтобы хладагент насоса получал достаточно тепла извне.
• Климатические условия. Это имеет значение преимущественно для аэротермальных тепловых насосов. Если условия не оптимальны, нужно иметь резервное оборудование и правильно определить точку бивалентности для его запуска.
• Надежность. Срок эксплуатации тепловых насосов составляет 15-20 лет.
• Экологичность. Во время эксплуатации тепловых насосов отсутствует выброс CO₂ в атмосферу и другие вредные явления для окружающей среды.
• Автоматический контроль. Управление тепловым насосом не требует дополнительных навыков. Контроль осуществляется с помощью современных цифровых датчиков.
• Легкость установки. Установка тепловых насосов не требует согласований, надзора, поверки приборов и прочей бюрократии.
   

Итак, тепловые насосы - это экономичный и универсальный тип оборудования с высоким коэффициентом трансформации. Устройства выгодно отличаются широкими функциональными возможностями. Один агрегат может нагревать воду, отапливать помещение, поддерживать необходимую температуру в системе «теплый пол». Оборудование практически не нуждается в уходе и характеризуется высокой надежностью. Срок эксплуатации тепловых насосов достигает 15-20 лет. Единственное требование к потребителю - сделать правильный выбор. Лучше всего для этого обратиться к опытной команде специалистов.