Принцип действия тепловых насосов для отопления дома

Для поддержания оптимальной температуры воздуха внутри помещения независимо от температуры окружающей среды предназначена система отопления. Это комплекс элементов, которые получают, транспортируют и передают ко всем помещениям определённое количество тепла. Различают теплоносители:

• первичный – передаёт тепло от системы получения энергии к тепловому носителю;
• вторичный – передаёт теплоту помещению посредством отопительных приборов.

Система отопления дома – одно из важных и необходимых условий устройства зданий. Включает 3 элемента:

• источник тепловой энергии;
• коммуникации (теплопроводы);
• отопительные приборы (радиаторы).

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.

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.

Альтернативное топливо для тепловых насосов

В таком инженерном решении, как тепловой насос, представлена удивительная возможность получать тепло из неиссякаемых основных природных источников и быть независимым от покупаемых энергоносителей. Солнце нагревает воздух, воду, землю. В любое время года практически повсюду эти источники обладают низкопотенциальным теплом. Так тепловые насосы бывают следующих категорий:

• грунтовые (грунт-вода);
• водные (вода-вода);
• воздушные (воздух-вода).

Грунтовые насосы

Известно, что ниже точки замерзания, почва имеет стабильно положительную температуру (+4-6 ^° С). Здесь разработаны два принципа получения тепла для отопления посредством:

• горизонтального контура;
• вертикального коллектора.

Горизонтальный геотермальный контур

Требуется в зависимости от типа грунта:

• площадь от 200 м2 и более;
• котлован глубиной от 1,2 до 2 м.

Слишком глубоко земля не накапливает тепло, и нет необходимости копать траншеи глубже. Полиэтиленовые трубы укладываются в зависимости от участка горизонтальной змейкой (петлей, улиткой) в траншеи, заполняются антифризом (незамерзающей жидкостью), опрессовываются, закапываются. Общая длина контура ориентировочно рассчитывается как 5 м. п. трубы на 1 м2 площади отапливаемого дома. Возможно использование спиральной укладки, что немного экономит площадь. Недостатки:

• требует больших площадей;
• больших материальных затрат;
• нет функции пассивного охлаждения;
• снижение температуры к концу отопительного сезона;
• уменьшение теплоотдачи в зависимости от длины трубопровода;
• усадка грунта не менее одного года;
• запрещены посадки растений с развитой корневой системой;
• нежелательны постройки на занимаемой территории.

Плюсы.

Такой способ считается максимально эффективным. В среднем, отдача с 1 м2 варьируется от 30 до 65-75 Вт в любых условиях окружающей среды. При отсутствии возможности занимать довольно большую территорию под укладку труб, стоит рассмотреть вариант с использованием вертикальных контуров.

Вертикальные зонды

Данный способ предполагает бурение нескольких скважин глубиной от 20 метров. На таком расстоянии от поверхности земля начинает нагреваться и имеет температуру от 8-10° С и больше. Зависит глубина бурения от:

• месторасположения строения;
• типа грунта.

Такой вариант устройства системы теплового насоса для отопления сооружения характеризуется:

• значительными подготовительными и организационно-техническими работами;
• наибольшими капитальными вложениями;
• большой занимаемой площадью (при бурении нескольких скважин, минимальное расстояние между ними не должно превышать 8 метров);
• таким недостатком, как постепенное снижение теплоотдачи с течением времени при большой глубине скважин;
• погонной теплоотдачей 50-60 Вт.

Кластерное бурение

Существует технология бурения скважин, не требующая таких больших площадей. Это кластерное бурение. Здесь отличие в том, что под скважину отводится до 4 м2, размещена она может быть и под домом. Геотермальные тепловые насосы предусматривают использование труб:

• полимерных;
• коррозионно-стойких металлических.

Второй вариант более дорогой, но здесь выше показатели теплоотдачи с 1 м. п. за одинаковый отрезок времени, а также есть возможность уменьшить глубину скважин. Срок эксплуатации таких ТН (тепловых насосов) – 50-70 лет.

Насосы системы типа «вода-вода»

В холодное время года вода имеет вполне тёплую температуру +5-7° С. Работа таких ТН основана на использовании открытых скважин для забора и сброса грунтовых вод. На практике применяются два способа:

• полимерные трубы, утяжелённые грузом, укладываются на дно водоёма. Производительность примерно 30 Вт с 1 п.м. Такой способ относительно проще в выполнении, но требует большой длины контура;
• использование скважины-колодца, из которой энергия поступает в отопительную систему, и скважины для отвода остывшей воды.

Воздушные тепловые насосы

Системы воздушных ТН гораздо дешевле и проще, но менее эффективны. Различают два варианта таких насосов:

Сплит

Представлен наружным и внутренним боксами:

• первый включает вентилятор и испаритель;
• второй – конденсатор и систему автоматического управления. Расположение компрессора возможно в любом из боксов.

Моно

Составляющие комплектующие помещены в одном блоке. Монтируется система как внутри помещения, так и снаружи. Долговечность воздушных ТН около 20 лет.

Преимущества выбора системы отопления тепловым насосом

Установка таких систем для отопления дома отличается:

• низким энергопотреблением (характеризуется теплоотдачей 3-7 кВт на 1 кВт затраченного электричества);
• автономностью – нет необходимости подавать топливо и прокладывать тепловые коммуникации;
• универсальностью – сочетание функций отопления и охлаждения;
• безопасностью – не взрывоопасна, не выделяет СО2;
• надёжностью – управляется автоматикой и проста в обслуживании;
• долговечностью – срок службы прибора 20-70 лет;
• комфортностью – бесшумна, не бывает скачков температуры и влажности;
• экологичностью – выбросы не загрязняют природу.

Выбор в пользу установки теплового насоса при отсутствии рядом газопровода – это наиболее оптимальное решение. А грамотные предварительные расчёты по проектированию дома, предусматривающие устройство тёплых полов и стен, использованию теплоизоляционных материалов в строительстве ограждающих конструкций, по выбору типа теплового насоса в комплексе даст максимальный эффект от эксплуатации дома.