Тепловой насос: 6 этапов работы аппарата

Конструктивное исполнение

Промышленность выпускает различные по эксплуатационным характеристикам модели, но они имеют в своем составе оборудование, выполняющее типовые задачи, описанные выше.

Как вариант конструктивного исполнения на рисунке представлен тепловой насос для отопления дома.

Здесь по входным трубопроводам принимается тепло от геотермальных источников, а по выходным — передается в систему обогрева дома.

Работа теплового насоса обеспечивается:

• системой контроля параметров схемы и управления, включая дистанционные способы через интернет;
• дополнительным оборудованием (узлы промывки и заполнения, расширительные баки, группы безопасности, насосные станции).

Грунтовые конструкции

Они используют три схемы устройства теплообменников для забора энергии от источника:

1. поверхностное расположение;
2. установка вертикальных грунтовых зондов;
3. заглубление горизонтальных конструкций.

Первый метод наименее эффективен. Поэтому он редко применяется для отопления дома.

Установка зондов в скважинах

Этот способ наиболее эффективен. Он предусматривает создание скважин на глубины порядка 50÷150 метров и больше для размещения U-образного трубопровода из пластиковых материалов с диаметром от 25 до 40 мм.

Увеличение площади поперечного сечения трубы, как и углубление скважины, создает улучшенный теплосъем, но удорожает конструкцию.

Горизонтальные коллекторы

Бурение скважин для зондов стоит дорого. Поэтому часто выбирается этот способ, как более дешевый. Он позволяет обойтись рытьем траншей ниже глубины промерзания почвы.

В проекте горизонтального коллектора следует учитывать:

1. теплопроводность грунта;
2. среднюю влажность почвы;
3. геометрию участка.

Они влияют на габариты и конфигурацию коллектора. Трубы могут укладываться:

• петлями;
• зигзагами;
• змейкой;
• плоскими геометрическими фигурами;
• винтовыми спиралями.

Важно понимать, что площадь участка, отводимого под такой коллектор, обычно превышает габариты фундамента дома в 2÷3 раза. Это основной недостаток такого метода

Водные коллекторы

Это наиболее экономичный способ, но он требует расположения около здания глубокого водоема. На его дне размещают и закрепляют грузами собранные трубопроводы. Для эффективной работы теплового насоса требуется просчитать минимальную глубину закладки коллектора и объем водоема, способного обеспечить теплосъем.

Габариты такой конструкции определяются проведением тепловых расчетов и могут достигать протяженности более 300 метров.

Рисунок ниже демонстрирует подготовку магистралей для сборки на льду весеннего озера. Он позволяет визуально оценить масштабы предстоящей работы.

Воздушный метод

Внешний или встроенный вентилятор нагнетает воздух с улицы прямо на испаритель с фреоном, как в кондиционере. При этом не требуется создавать громоздкие конструкции из труб и помещать их в грунт или водоем.

Тепловой насос для отопления дома, работающий по такому принципу, стоит дешевле, но использовать его рекомендуется в относительно теплом климате: морозный воздух не позволит работать системе.

Подобные устройства нашли широкое применение для обогрева воды в бассейнах или помещений, расположенных рядом с промышленными устройствами, постоянно участвующими в технологическом процессе и выделяющими в атмосферу тепло мощными системами охлаждения. В качестве примера можно привести силовые автотрансформаторы энергетики, дизельные станции, котельные.

Преимущества тепловых насосов и целесообразность их установки

Как заявлено в рекламе, главное преимущество тепловых насосов — экономичность отопления. В какой-то мере все работает именно так. Если теплонасос имеет среду отбора энергии, обеспечивающую оптимальные показатели температуры, установка работает эффективно, расходы на отопление снижаются примерно на 70-80%. Однако всегда есть случаи, когда теплонасос может быть нерациональным вложением средств.

Эффективность работы теплового насоса обуславливается следующими технологическими характеристиками:

• параметр граничного предела снижения температуры рабочим телом;
• минимальная разница в температурах внешнего обменника и окружающей среды, при которой отбор тепла крайне мал;
• уровень потребления энергии и отдачи полезной тепловой мощности.

Целесообразность применения теплонасоса зависит от нескольких факторов.

1. Территории, где такое оборудование не показывает хороших результатов — регионы с морозными зимами и низкими среднесуточными температурами. В этом случае, теплонасос просто не способен отобрать достаточно тепла из окружающей среды, вплотную приближаясь к зоне нулевой эффективности. В первую очередь, это касается систем воздух-воздух.
2. При росте объемов отапливаемого пространства технологические параметры теплонасоса увеличиваются почти в геометрической прогрессии. Становятся габаритнее теплообменники, размер и количество зондов погружения в воду или землю увеличиваются. В определенной точке стоимость теплонасоса для отопления, необходимые траты на его монтаж и обслуживание, а также оплату потребленной мощности становятся просто нерациональными вложениями. Гораздо дешевле создать классическую газовую схему отопления с котлом.
3. Чем сложнее система, тем дороже и проблематичнее ее ремонт в случае поломки. Это негативное дополнение к размеру отапливаемой площади и характеристикам климатической зоны.

Совет! В целом, использование теплового насоса в качестве единственного источника тепла для дома может рассматриваться только в ограниченном числе ситуаций. Всегда разумно применять систему комплексного обеспечения. Здесь количество возможных комбинаций ограничено только доступными источниками энергии и финансовыми возможностями владельца.

Классика — это тепловой насос и газовый/твердотопливный котел, работающие в связке. Идея проста: продукты сгорания топлива выводятся по широкой трубе. В ней располагается обменник теплонасоса. В системе отопления и горячего водоснабжения устанавливаются накопительные емкости и бойлер косвенного нагрева. Оборудование (котел и насос) активируется одновременно при падении температуры жидкости в распределительной сети. Работая в паре, они практически полностью утилизируют энергию сгорающего топлива, показывая близкие к максимуму показатели эффективности.

Система с адаптацией к характеристикам окружающей среды построена на термонасосе, вентиляторном блоке, тепловой пушке любого класса. При достаточно высокой температуре воздуха на улице (до -5…-10 градусов Цельсия) теплонасос работает в штатном режиме, обеспечивая достаточную отдачу мощности для отопления. Особенность конструкции системы — расположение его внешнего теплообменника в отдельном вентиляционном канале. При падении температуры на улице ниже оптимальной отметки подаваемый воздух нагревается тепловой пушкой (дизельной, электрической или газовой).

Виды насосов

Выше мы уже рассказали, на какие категории можно разделить ТН в зависимости от того, какие типы источников тепла используются. Остановимся на них подробнее.

Геотермальные системы

В качестве источника тепла у ТН используется запасенная тепловая энергия земли. Такие насосы считаются самыми эффективными, потому что температура грунта остается постоянной в течение всего года.

Эти системы подразделяются на горизонтальные и вертикальные. Но для их применения требуется довольно большая площадь под горизонтальные трубы. Для вертикальных систем необходимо выполнить значительные земляные работы.

Геотермальные с открытым циклом

В качестве теплообменника у ТН используется вода из водоема. Она после использования в качестве теплообменной жидкости снова возвращается в водоем. Допускается при наличии достаточного объема чистой воды и разрешения экологического законодательства.

Насосы закрытого цикла с теплообменником

Установка теплового насоса является самым эффективным вариантом, но в то же время и самым затратным.

Замкнутый тип ТН делится дополнительно на:

1. Горизонтальные — самые эффективные при условии, что имеется доступ к большим по площади земельным участкам. Размещаются в траншеях, которые расположены ниже промерзания грунта.
2. Вертикальные — используются в тех случаях, когда нет достаточного по площади земельного участка. Используются скважины глубиной до 200 метров — в них монтируются теплообменники.

Системы воздух-воздух, вода-вода и воздух-вода

Тепловую энергию воздушный ТН берет из атмосферы. Для монтажа такая конструкция отличается простотой.

Положительные свойства:

• поставить оборудование так же легко, как подключить кондиционер или холодильник;
• для установки не нужен большой теплообменник;
• после подключения сразу готов к работе;
• установка требует минимального обслуживания;
• не нужно монтировать систему отопления;
• обладает низкой стоимостью;
• отсутствует бак-накопитель.

Но такой насос обладает и существенными отрицательными свойствами:

• большая зависимость степени потребления электроэнергии от температуры уличного воздуха;
• необходимость в резервном источнике тепла при сильных морозах;
• наружный блок в морозы может обмерзать.

Воздух-воздух

Воздушный насос по принципу работы напоминает тот, что применяется в кондиционере в режиме обогрева с единственным отличием: ТН настроен на отопление, а кондиционер — на снижение температуры в комнате.

Принцип действия установки воздух — воздух заключается в следующем. Воздух, даже при низких температурах, имеет некоторое количество энергии. Только при абсолютном нуле тепловая энергия отсутствует. Большинство ТН способны получать тепло при температуре -15 °С. В настоящее время некоторые производители выпускают станции, сохраняющие отбор тепла при -30 °С. Забор тепла происходит при помощи испарения фреона, который циркулирует по внутреннему контуру. Для этой цели используется испаритель, в котором хладагент преобразовывается из жидкого состояния в газообразное. При этом поглощается тепло.

Следующим блоком, который расположен в этой системе теплоснабжения, является компрессор, который фреон из газообразного состояния превращает в жидкое. При этом выделяется тепло. Эффективность установки воздух — воздух напрямую зависит от температуры окружающей среды. Чем она ниже, тем производительность станции уменьшается.

Вода-вода

При такой системе во внутреннем контуре циркулирует легко испаряющаяся жидкость, например, фреон. В качестве контура внутри помещения могут быть водяные трубы, регистры или батареи, заполненные водой.

В качестве внешнего контура может выступать любой водоем с достаточно большим количеством воды — река, озеро или пруд. В этом случае теплоноситель забирает тепло из внешнего контура и отдает его контуру внутри помещения.

Воздух-вода

ТН типа воздух — вода является наиболее универсальной моделью. Она весьма эффективна в теплое время года, но в холодное время производительность существенно падает.

Простой монтаж является преимуществом системы — подходящее оборудование монтируется в любом месте. Тепло, которое удаляется из помещения в виде газа либо дыма, может повторно использоваться.

Водяной ТН берет тепло из грунтовых вод, которые прокачиваются через испаритель. Подобный ТН отличается неплохой эффективностью и повышенной стабильностью: эффективность — это результат значительной теплоотдачи воды. Разумеется, для использования установки такого типа нужно, чтобы грунтовые воды на территории имелись в достаточном количестве. Желательно, чтобы вода находилась не глубже 30 метров.

Принцип действия тепловых насосов

Принцип работы устройства для обогрева дома основан на том, что вещество (холодильный агент) может отдавать тепловую энергию либо забирать ее в процессе смены состояния. Эта идея заложена в основу функционирования холодильника (из-за этого задняя стенка прибора горячая).

Термонасос для отопления функционирует следующим образом:

1. Поступающий агент охлаждается на 5 градусов в испарительном отделе на основании энергии от носителя тепла.
2. Охлажденный агент поступает в компрессор, который в результате работы сжимает и нагревает его.
3. Уже горячий газ попадает в отсек для теплообмена, в котором он отдает собственное тепло отопительной системе.
4. Сконденсированный хладагент возвращается к старту цикла.

Устройство

Тепловой насос для отопления дома состоит из нескольких основных контурных элементов:

• контур с теплоносителем, который перемещает энергию от теплоисточника;
• контур с фреоном, который периодически испаряется, забирая тепловую энергию с первого контура, и снова оседает конденсатом, передавая тепло третьему;
• контур, где циркулирует жидкость, являющаяся переносчиком тепла для отопления.

Эксплуатация термо насоса для отопления дома является выгодной с финансовой точки зрения. Причина этого в том, что устройство не требует высокой мощности (соответственно, расход электричества не больше, чем у стандартного бытового прибора), однако при этом производится в 4 раза больше тепла по сравнению с потребляемой электроэнергии.

Также не требуется создавать отдельную линию проводки для подключения насоса.  

Плюсы и минусы

Перед принятием решения, использовать тепловой насос или нет, следует ознакомиться с достоинствами и недостатками его работы. К главным плюсам теплового насоса относится:

• небольшой расход электричества на отопление дома;
• отсутствие необходимости регулярного осмотра и технического обслуживания, что делает затраты на эксплуатацию теплового насоса для отопления минимальными;
• допускается монтаж в любой местности. Насос может работать с такими источниками тепловой энергии, как воздух, почва и вода. Поэтому появляется возможность его установки практически в любое место, где планируется строительство дома. А в условиях отдаленности от газовой магистрали, устройство является самым подходящим методом обогрева. Даже если отсутствует электричество, функционирование компрессора можно обеспечить при помощи привода на основе бензина или дизеля;
• отопление дома осуществляется в автоматическом режиме. Не требуется добавлять топливо или проводить иные манипуляции, как, например, в случае с котельным оборудованием;
• отсутствие загрязнения окружающей среды вредными газами и веществами. Все применяемые холодильные агенты полностью безопасны и экологически пригодны;
• пожаробезопасность. Жителям дома никогда не будет угрожать взрыв или повреждение вследствие перегрева теплового насоса;
• возможность эксплуатации даже при условиях холодной зимы (до -15 градусов);
• качественный тепловой насос для отопления дома может служить до 50 лет. Замена компрессора требуется лишь раз в 20 лет.

Тепловой Насос ВЫГОДЕН или НЕТ?.. Кому не Стоит Покупать Тепловой Насос? (РАЗБОР)

Плюсы и минусы

Как и любое устройство, тепловые насосы имеют определенные недостатки:

1. Если температура окружающей среды опускается ниже 15 градусов, то насос работать не сможет. В таком случае потребуется монтаж второго теплоисточника. При очень низких температурных значениях включается котел, генератор или электрический обогреватель;
2. Высокая стоимость оборудования. Оно будет стоить примерно 350 000-700 000 рублей, еще такую же сумму придется потратить на создание геотермальной станции и установку устройства. Дополнительные монтажные работы не требуются только для теплового насоса, использующего воздух в качестве теплового источника;
3. Лучше всего устанавливать тепловой насос в сочетании с теплым полом или вентиляторными конвекторами, однако в старых зданиях потребуется перепланировка и возможно даже капитальный ремонт, что повлечет дополнительные затраты времени и средств. Если частный дом строится с нуля, такая проблема отсутствует;
4. При работе теплового насоса температура грунта, расположенного вокруг трубопровода с теплоносителем, снижается. Это становится причиной гибели некоторых микроорганизмов, участвующих в функционировании окружающей среды. Таким образом, некоторый ущерб экологии все же наносится, однако он существенно меньше урона от газо- или нефтедобычи.

Алгоритм изготовления своими руками

Правила изготовления агрегата:

• Определитесь с источником, от которого будет работать контур отопления. В областях с суровым климатом советуют использовать источники, расположенные под землей, в регионах с теплым климатом энергию можно получать из воздуха.
• Выполните расчет мощности агрегата. Она зависит от качества утепления дома. Если здание не обшито утеплителем, то рекомендуемая мощность прибора — 70 Вт/м 2 . Только такой агрегат создаст комфортный микроклимат внутри здания. Для домов, утепленных современным материалом, подойдет мощность в 45 Вт/м 2 . В здании, утепленном по специальной технологии, не используется мощный агрегат. Рекомендуют брать мощность в 25 Вт/м 2 . Если мощность увеличить, то внутри помещения будет слишком высокая температура.
• Подготовьте основное и дополнительное оборудование.
• Выполните монтаж узлов и сборку системы. После этого подключите ее к источнику.

В ремонте тоже пригодится:

• Дома сферы из пенопласта
• Телевизор самсунг не включается индикатор горит красным
• Устройство регулятора холостого хода

Основные разновидности, их принципы работы

Все тепловые насосы отличаются друг от друга по источнику энергии. Основные классы устройств: грунт-вода, вода-вода, воздух-вода и воздух-воздух.

Первое слово указывает на источник тепла, а второе — означает то, во что оно превращается в устройстве.

Например, в случае прибора грунт-вода тепло извлекается из земли, а потом оно преобразуется в горячую воду, которая используется как нагреватель в системе отопления. Ниже мы рассмотрим разновидности тепловых насосов для отопления более подробно.

Грунт-вода

Установки типа грунт-вода добывают тепло прямо из земли с помощью специальных турбин или коллекторов. В качестве источника в данном случае используется земля, которая нагревает фреон. Он нагревает воду, которая находится в баке-конденсаторе. При этом фреон охлаждается и поступает обратно на вход насоса, а разогретая вода используется в качестве теплоносителя в основной системе отопления.

Цикл нагрева жидкости продолжается до тех пор, пока насос получает электричество из сети. Самым затратным, с экономической точки зрения, является метод грунт-вода поскольку для монтажа турбин и коллекторов придётся бурить глубокие скважины или менять расположение грунта на большом участке земли.

Вода-вода

По своим техническим характеристикам насосы типа вода-вода очень похожи на устройства класса грунт-вода с тем лишь отличием, что в качестве первичного источника тепла в данном случае используется не земля, а вода. В качестве источника могут использоваться как подземные воды, так и из различных водоёмов.

Фото 2. Монтаж конструкции для теплового насоса типа вода-вода: в водоём погружаются специальные трубы.

Устройства класса вода-вода значительно дешевле насосов типа грунт-вода, поскольку для их установки не нужно бурить глубокие скважины.

Справка. Для работы водяного насоса достаточно погрузить несколько труб в ближайший водоём, поэтому для его работы не нужно бурить скважины.

Воздух-вода

Установки класса воздух-вода получают тепло прямо из окружающей среды. Такие приборы не нуждаются в крупном внешнем коллекторе для сбора тепла, а для нагрева фреона используется обыкновенный уличный воздух. После нагревания фреон отдаёт тепло воде, после чего горячая вода поступает в отопительную систему через трубы. Устройства данного типа довольно дешёвые, поскольку для работы насоса не нужен дорогостоящий коллектор.

Воздушный

Установка класса воздух-воздух тоже получает тепло прямо из окружающей среды, а для её работы также не требуется внешний коллектор. После контакта тёплого воздуха происходит нагрев фреона, затем фреон нагревает воздух в насосе. Потом этот воздух выбрасывается в помещение, что приводит к локальному повышению температуры. Устройства данного типа также являются довольно дешёвыми, поскольку для их работы не требуется установка дорогостоящего коллектора.

Фото 3. Принцип работы теплового насоса воздух-воздух. В отопительные радиаторы поступает теплоноситель с температурой 35 градусов.

Тепловой насос. Конструкция обогрева дома

В системе отопления дома тепловой насос (ТН) играет ту же роль, что и котел, то есть является теплогенератором.

Разница состоит только в том, что котел сжигает топливо, а ТН «выкачивает» тепловую энергию из источников, которые, на первый взгляд, совсем ею не богаты.

Грунт и речная вода с температурой 5 – 7 градусов, или даже морозный зимний воздух, температура которого вообще оказалась ниже нуля.

Такие источники называются низкопотенциальными, и хотя с понятием тепла они никак не ассоциируются, ТН умудряется «выжать» из них внушительный объем живительной энергии. К этому следует добавить тепло, выделяемое электродвигателем компрессора ТН: здесь, в отличие от холодильника и кондиционера, оно не пропадает даром.

В остальном система отопления на базе ТН ничем не отличается от обычной: используется теплоноситель – вода или воздух, который нагревается, протекая через теплообменник, а затем разносит тепло по всему дому. Циркуляцию обеспечивает насос (для водяного отопления) или вентилятор (для воздушного). Точно также, как и традиционный теплогенератор, ТН можно одновременно подключить к контуру горячего водоснабжения (ГВС) как с накопительной емкостью (бойлером), так и без нее.

Как сделать агрегат своими руками?

Независимо от того, какой вариант ресурса (земля, вода или воздух) выбран для отопления, для корректного функционирования системы понадобится насос.

Это устройство состоит из таких элементов, как:

• компрессорный узел (промежуточный элемент комплекса);
• испаритель, передающий низкопотенциальную энергию теплоносителю;
• дроссельный клапан, через который хладагент находит обратную дорогу в испаритель;
• конденсатор, где фреон отдает тепловую энергию и охлаждается до изначальной температуры.

Можно приобрести целостную систему у производителя, но это обойдется в приличную сумму. Когда свободных денег под рукой нет, стоит сделать теплонасос своими руками из имеющихся в распоряжении деталей и в случае надобности докупить недостающие запчасти.

Планируя установку в частном доме геотермальной отопительной системы, в первую очередь нужно позаботиться о снижении уровня теплопотери. Для этого стены необходимо утеплить специальным материалом, двери и оконные рамы снабдить поролоновыми прокладками, а пол и потолок защитить пенопластовыми панелями. Тогда выделенное насосом тепло в максимально объеме останется внутри помещения

Когда решение о собственноручном изготовлении теплового насоса принято, нужно обязательно проверить состояние имеющихся в доме электрической проводки и электросчетчика.

Если эти элементы изношенные и старые, необходимо просмотреть все участки, обнаружить возможные неисправности и устранить их еще до начала работ. Тогда система сразу после запуска будет безупречно работать и не побеспокоит хозяев короткими замыканиями, возгоранием проводки и выбиванием пробок.

Способ #1. Сборка из холодильника

Для сборки теплонасоса своими руками со старого холодильника снимают размещенный сзади змеевик. Эту деталь используют как конденсатор и помещают в высокопрочную емкость, устойчивую к агрессивным температурам. На нее крепят исправно работающий компрессор, а в качестве испарителя используют простую пластиковую бочку.

Если для создания насоса используется очень старый холодильник, лучше заменить в нем фреон на новый. Самостоятельно это сделать не получится, поэтому придется пригласить мастера со специальным оборудованием. Он быстро заменит рабочую жидкость, и система заработает в нужном режиме

Подготовленные элементы соединяют между собой, а потом созданный агрегат посредством полимерных труб подключают к отопительной системе и приступают к эксплуатации оборудования.

Способ #2. Теплонасос из кондиционера

Для того чтобы сделать теплонасос, кондиционер модифицируют и проводят перепланировку некоторых основных узлов. Сначала наружный и внутренний блоки меняют местами.

Испаритель, отвечающий за передачу низкопотенциального тепла, дополнительно не ставят, так как он имеется во внутреннем блоке агрегата, а передающий тепловую энергию конденсатор стоит во внешнем блоке. В качестве теплоносителя подходят как воздух, так и вода.

Если этот вариант монтажа не удобен, конденсатор устанавливают в отдельный резервуар, предназначенный для корректного теплообмена между греющим ресурсом и теплоносителем.

Саму систему снабжают четырехходовым клапаном. Для этой работы обычно приглашают специалиста, имеющего профессиональные навыки и опыт проведения мероприятий такого рода.

Современные сплит системы малоэффективны при низких температурах, поэтому профессионалы не рекомендуют использовать их для самостоятельного изготовления теплонасосов

В третьем варианте кондиционер полностью разбирают на составные детали, а потом из них комплектуют насос по традиционной общепринятой схеме: испаритель, компрессор, конденсатор. Готовый прибор присоединяют к обогревающему дом оборудованию и приступают к использованию.

На сайте есть серия статей по изготовлению тепловых насосов своими руками, советуем ознакомиться:

1. Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы сборки
2. Как сделать тепловой насос воздух-вода: схемы устройства и самостоятельная сборка