Тепловой насос: принцип действия и применение

Тепловой насос: принцип действия и применение

Тепловой насос — это устройство, которое может переносить тепловую энергию от источника к потребителю. Фактически, насос просто выкачивает тепло из одного нагретого тела и отдает его другому, менее нагретому. Этот принцип основан на том, что любое тело, которое обладает температурой выше абсолютного нуля (−273,15 °C), также обладает некоторым запасом тепловой энергии, которую, в теории, можно у него забрать.

На планете нет объектов, которые имеют температуру ниже абсолютного нуля и даже близкую к этому значению, поэтому выкачивать тепло можно откуда угодно. Это может быть как атмосферный воздух, так и озера, реки, моря, океаны, подземные источники, грунт и даже скальные породы, которые накопили огромное количество энергии за теплое время года.

Очевидно, что такие запасы можно использовать в полезном ключе — например, для отопления домов. Причем без ущерба для природы, так как в процессе теплового переноса происходит лишь перераспределение энергии. Это никак не влияет на окружающую экологию, в отличие от других способов отопления — например, с помощью газовых или твердотопливных котлов, которые не только генерируют избыток тепловой энергии, создавая парниковый эффект, но и, ко всему прочему, производят вредные выбросы в атмосферу.

Тепловой насос можно использовать не только для отопления, но и для охлаждения — в таком случае тепло забирается не из атмосферы, а из комнатного воздуха, и передается на улицу. По этому принципу работают кондиционеры.

Тепловым насосом называют готовую систему, которая состоит из двух контуров — внешнего и внутреннего. Внешний контур — это теплоноситель (раствор этиленгликоля или этиловый спирт), который проходит через трубки, уложенные в землю или водоем, и передает собранное тепло на внутренний контур. Внутренний контур состоит из двух радиаторов (испаритель и конденсатор), а также расширительного клапана, хладагента и, самое главное, компрессора, который занимается передачей тепловой энергии.

Связанные вопросы и ответы:

Что такое тепловой насос

Вы когда-нибудь задумывались, как работает Ваш холодильник?

Система забирает большую часть тепла изнутри холодильника и отдает его внутрь комнаты, оставляя внутри лишь холод. По такому же принципу работает и тепловой насос. Только он в свою очередь забирает тепло, а холод отдает обратно (в землю или в на улицу).

Для работы, тепловому насосу требуется электричество. Но расходуется оно только на работу холодильного компрессора и циркуляционного насоса, а не на обогрев теплоносителя. Поэтому из 1 кВт электроэнергии Мы получаем до 5 кВт тепла, что в 5 раз дешевле системы отопления, в которой основным источник тепла - электричество. Затраты на коммунальные платежи снижаются до 80% .

Такая система была изобретена еще в 19-м веке ученым Кельвином и получила название умножитель тепла. А в 1980-е годы в Нью-Йорке тепловым насосом было оборудовано первое масштабное сооружение - небоскреб Empire State Building. Последние 20 лет данная технология активно внедряется и в России.

Принцип работы теплового насоса можно разделить на 3 этапа:

1. Получение тепловой энергии из источника тепла. Что произойдет с металлической палочкой, если ее опустить, например, в теплую воду? Она станет теплее, то есть заберет часть тепловой энергии от воды. В земле и воздухе есть тепло, которое более холодное тело может забрать себе и передать его дальше. Об этом далее.

Увеличить полученную температуру в несколько раз. Законы физики так устроены, что при изменении физического состояния из жидкого в газообразное, газ поглощает тепло. Именно поэтому испарение из горлышка вскипевшего чайника обжигает руку. В тепловом насосе данный процесс происходит в испарителе (см. рисунок ниже). А при сжатии газа в компрессоре, газ конденсируется и выделяет много тепловой энергии. Для большего эффекта используется вещество – хладаген, который при сжатии способен дать тепла в 10 раз больше изначальной температуры.

Передать теплоносителю. В конденсаторе теплоноситель (вода или воздух) нагревается и передает тепло по трубам внутрь помещений или используется для горячего водоснабжения (ГВС).

Как работает тепловой насос

Принцип работы теплового насоса

Простейший тепловой насос был спроектирован еще в 1852 году и получил название «умножитель тепла». Лорд Кельвин открыл основополагающие принципы действия, которые легли в основу всего современного отопительного оборудования.

Согласно законам физики, тепло передается от нагретого тела к тому, что имеет меньшую температуру. Но, возможен обратный процесс, при условии использования для этого дополнительной энергии.

Немного позже был открыт принцип обратного цикла Карно. Вещество, при испарении, поглощает тепло, а после конденсации на поверхности, отдает его. Именно этот закон лежит в основе холодильников и кондиционеров. Низкотемпературный воздушный теплонасос работает как эти бытовые приборы, только в «обратную сторону».

Основной принцип теплового насоса заключается в аккумулировании низкотемпературного тепла при испарении и дальнейшей отдачи энергии при последующей конденсации. Этот процесс происходит без изменения температуры, если только рабочее тело не будет сжато механически, что приведет к повышению температуры.

Теплонасос функционирует как холодильник, только наоборот: холодильник переносит тепло изнутри во вне, в то время как тепловой насос переносит тепло из окружающей среды вовнутрь. Природное тепло теплоносителя (в роли которого выступает вода или рассол) передается к испарителю . Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом (рабочее вещество: фреон, аммиак, метан, пропан и др.), который, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор , где он сжимается до высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает в конденсатор , где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый конденсатор передает тепло в систему отопления.

Первичный контур теплового насоса состоит из элементов, участвующих в получении тепла из внешнего источника – например теплообменника, циркуляционного насоса рассола или воздушного вентилятора, а у водо-водяного теплового насоса еще и промежуточного теплообменника. Вторичный контур включает в себя компоненты, необходимые для преобразования энергии и передачи ее потребителю.

Низкотемпературные воздушные тепловые насосы для отопления дома работают, используя тот же физический принцип, но с большей эффективностью. Как отопление осуществляется на практике?

• Любое, даже охлажденное тело, имеет потенциальную тепловую энергию. Даже при отрицательной температуре в воздухе содержится определенное количество тепла. При -15°С больше, чем при -25°С. При -5°С еще больше тепла находится в воздухе. Принцип работы воздушного теплового насоса позволяет извлечь то небольшое количество тепловой энергии, которое есть и в зимнее время года в воздухе, и передать его в помещение.
• В наружном блоке, установленном на улице, расположен змеевик с испарителем. Внутри контура циркулирует фреон – жидкость, которая свободно переходит в газообразное состояние и обратно. Фреон испаряют, при этом поглощается то тепло, которое есть в наружном воздухе даже при отрицательных температурах.
• Испарившийся газ поступает в компрессор, где создается высокое давление и где фреона нагревается.  Под давлением фреон разогревается и поступает в конденсатор, где он преобразуется в жидкость. При этом выделяется тепло, которое фреон получил при испарении во внешнем блоке от наружного воздуха.
• Фреон, по замкнутому контуру, обратно возвращается в испаритель, и цикл повторяется.

В каких случаях применяется тепловой насос

Классификация тепловых насосов производится по источнику тепловой энергии. Принцип работы у всех типов похож, они отбирают тепло от низкопотенциального источника и преобразуют его и отдают потребителю.

Воздушные тепловые насосы

Воздушные агрегаты обычно подразделяют на 2 типа:

• Воздух-вода — отбор энергии происходит из воздуха снаружи помещения. Тепло от него передается рабочему телу (хладагенту), в котором кипит фреон, далее пар хладагента попадает в компрессор, где повышается давление и температура. После фреон конденсирует и отдает тепло в систему отопления.
• Воздух-воздух — в этом случае устройство работает по принципу кондиционера, только наоборот. Оно забирает воздух снаружи и подает его уже теплым в помещение. Равномерное распределение тепла по дому обеспечивают направляющие каналы в комплексе с вентиляционной установкой.

Примечательно, что забор тепла у воздушных теплонасосов возможен даже при уличной температуре до -25 ºС. То есть, агрегат способен самостоятельно полноценно обогревать помещение в зимний период, пока столбик термометра не опустится ниже данной отметки. При более низких температурах его эффективность существенно снижается, поэтому в северных регионах, где зимы особенно суровые, рекомендуется использовать другие виды тепловых насосов, либо дополнительный источник энергии.

Геотермальные насосы

Самым эффективным тепловым насосом является тот, который отбирает энергию от грунта. Он позволяет полностью отказаться от использования стандартных источников энергии — газа и угля. Его функционал даже в сильные холода может обеспечить качественное отопление и горячее водоснабжение. Также к геотермальным относятся тепловые насосы, где низкопотенциальным источником энергии являются подземные воды, они описана в разделе водяных тепловых насосов.

Геотермальное оборудование берет тепло из земли. Грунт ниже уровня промерзания имеет постоянную температуру круглый год, поэтому является универсальным источником тепла. Собранная энергия аккумулируется и передается испарителю. В испарителе нагревается незамерзающая жидкость – хладагент.

Коллекторы по типу установки делят на:

• Горизонтальные — прокладываемые под слоем грунта, обычно ниже глубины промерзания.
• Вертикальные — погружаемые в специально пробуренную скважину.

Выбор коллектора обусловлен особенностями земельного участка. Дешевле устанавливать горизонтальные системы, но они требуют большой площади. Вертикальные же можно расположить на небольшом участке, но для их монтажа нужны дорогостоящие буровые работы.

Водяные тепловые насосы типа вода-вода

Теплонасосы «вода-вода» используют тепло грунтовых вод или открытых водоемов. Их эффективность обусловлена относительно постоянной среднегодовой температурой грунтовых вод 12-17 ºС. Однако, чтобы извлечь из них энергию нужно пробурить две скважины для забора и слива воды, максимальная глубина которых может достигать более сотни метров. Это влечет за собой немалые затраты.

Дешевле установить коллектор на дне открытого водоема, если такой находится в непосредственной близости от дома и имеет необходимую глубину. Это важно для того, чтобы нижние слои воды не промерзали в холодный период года. Для северных регионов она должна быть не меньше 3 метров, а сам водоем стабильным — с неизменным уровнем.

Таковы основные виды тепловых насосов, их выбор совершают исходя из:

• географического расположения жилища;
• климата в регионе;
• наличия вблизи водоемов, свободных участков земли;
• степени «капитальности» строения и его площади;
• собственных финансовых возможностей.

Анализ данных факторов позволяет подобрать максимально продуктивный отопительный агрегат, который окупит себя в долгосрочной перспективе, прослужит долго и надежно.

Какие типы тепловых насосов существуют

Еще одна классификация делит тепловые насосы в зависимости от того, из какого источника они получают тепло, и куда передают. В качестве изначального источника может использоваться грунт, вода, поток воздуха. Передовыми технологиями считаются системы так называемого повторного тепла. Его получают из стоков отработанной воды, загрязненного воздуха или канализации.

По технологии передачи сегодня применяют шесть типов тепловых насосов.

• Система air-to-air – нагрев воздуха в помещении теплом, полученным от воздушных потоков вне дома. Принцип довольно прост: воздух охлаждается, а тепловая энергия, которая при этом высвобождается, передается в систему воздушного отопления. Комната прогревается быстро, но требуется ее увлажнение.
• Насосы water-to-water. Здесь энергия получается из воды и передается водному же теплоносителю классических водяных систем обогрева. Чтобы все работало, нужна глубинная скважина.
• Система water-to-air использует в качестве источника тепла воду из скважины, а энергию передает в воздушную сеть теплоснабжения. Достаточно дорогостоящее решение, так как требует бурения скважины и использования зондов.
• Тепловые насосы air-to-water охлаждают воздух в окружающей атмосфере, чтобы нагреть воду в радиаторах. Чем ниже температура в регионе, тем ниже их эффективность.
• Система soil-water работает с землей и водой. Земля охлаждается, а тепло передается в водяную систему обогрева через водопроводы, уложенные в грунт.
• Тепловые насосы ice-water – один из самых эффективных вариантов климатического экооборудования. В основе их работы – вода-источник, охлажденная до состояния льда, в результате чего высвобождается много тепловой энергии, передаваемой воде в радиаторах частного дома. Для нагрева небольшого помещения достаточно превратить в лед всего 200 литров воды-источника. Правда, займет процесс до 1 часа.

Каковы основные характеристики теплового насоса

Безусловно, тепловые насосы набирают все большую популярность, и связано это с целым рядом преимуществ использования таких агрегатов.

Высокая энергоэффективность

Пожалуй, главным преимуществом теплового насоса является его энергоэффективность. Из затраченных 1 киловатта электроэнергии получается 5 кВт тепловой энергии. Такими показателями не может похвастаться больше ни одна отопительная система. Если использовать тепловой насос, то ежемесячные затраты на оплату коммунальных услуг существенно сокращаются. При этом необходимо учитывать, что газ, электричество и даже твердое топливо постоянно дорожают, а используемая ТН тепловая энергия остается бесплатной, так как она берется из окружающей среды.

В Украине срок окупаемости теплового насоса составляет 8-10 лет, однако многое зависит от площади дома, выбранного типа теплового насоса, правильности подключения оборудования и прочих факторов.

Универсальность и функциональность

Если рассматривать все достоинства и недостатки тепловых насосов, то их важным плюсом является то, что их можно использовать не только для отопления дома. Летом тепловые насосы могут использоваться для кондиционирования помещений. Также с их помощью можно круглогодично нагревать горячую воду. Таким образом, установкой одного теплового насоса можно решить сразу три актуальных для любого частного дома вопроса: отопление, кондиционирование и горячая вода.

Безопасность, надежность и длительный срок службы

В ТН не используется никакое топливо, поэтому такое оборудование обладает высокой степенью электро- и пожаробезопасности. Если работа теплового насоса по каким-либо причинам останавливается, то это не приводит к замерзанию жидкостей или поломкам. При всем этом агрегат не выделяет никаких вредных компонентов, поэтому такой способ отопления является на 100% экологичным.

Если говорить о надежности оборудования, то корпус теплового насоса полностью герметичен, а выполнен он из качественных и прочных материалов. Агрегат не подвержен воздействию низких или высоких температур, не боится влаги. Благодаря этому ТН ломаются крайне редко, и в большинстве случаев это происходит по причине их неправильного подключения или по вине самого пользователя. При должном уходе и обслуживании тепловой насос прослужит десятки лет.

Какова экономичность теплового насоса

Ключевое преимущество ТН в том, что их коэффициент полезного действия в разы выше, чем у обычного электрического оборудования для отопления или кондиционирования. К примеру, даже у современных, экономичных электрических обогревателей объёмы произведенного тепла примерно равны затраченной энергии.

Тепловые насосы в этой сфере вне конкуренции – они производят тепловой энергии в 3-7 раз больше (СОР), чем используют электроэнергии. COP- это единица, которая измеряет эффективность работы теплового насоса.

К другим достоинствам установки теплового насоса можно отнести:

• Длительный рабочий ресурс. Если соблюдать правила эксплуатации и своевременно проводить техническое обслуживание, то насосы могут работать без поломок и ремонта десятилетиями (до 30 лет и более). Единственное «слабое звено» в таких системах – это компрессор, который может потребовать замены один раз в 15-20 лет;
• Значительная экономия на топливе. В России цены на энергоносители всегда только растут, и в долгосрочной перспективе ТН позволяет экономить на них большие суммы;
• Универсальность использования. У большинства моделей тепловых насосов есть одно замечательное свойство – реверсивность: в летнюю жару они охлаждают дом, а в холодное время года обеспечивают отопление;
• Полная автоматизация. Правильная настройка работы ТН обеспечивает полную автоматизацию: пользователю остаётся только выставлять температуру нагрева помещений зимой и охлаждения – летом;
• Широкая география использования. Разнообразие видов ТН позволяет эксплуатировать их в самых разных регионах, с разным климатом: в случае с тепловыми насосами источниками тепла может выступать грунт, воздух или вода;
• Перспективы полной автономности. Если в качестве источника электроэнергии использовать солнечные панели, то можно построить в любой, даже самой отдаленной местности полностью автономный дом, который сам себя будет обеспечивать теплом, водой и электричеством;
• Минимальное техническое обслуживание. Надежность и долговечность оборудования делает его малозатратным в эксплуатации;
• Полностью бесплатный источник тепла. Мы пока не платим за воздух, которым дышим, воду в водоёмах и грунт под ногами: с помощью ТН они становятся бесконечным ресурсом для получения тепловой энергии.

Каковы преимущества и недостатки теплового насоса

Выбор теплового насоса для дома требует учета множества факторов, чтобы обеспечить максимальную эффективность и экономичность системы. Рассмотрим основные критерии, которые помогут сделать осознанный выбор.

Критерии выбора теплового насоса

1. Тип источника тепла :
   • Воздух-вода : Подходит для регионов с умеренным климатом, где температура воздуха редко опускается ниже -15°C.
   • Грунт-вода : Идеален для регионов с суровыми зимами, так как грунт сохраняет стабильную температуру круглый год.
   • Вода-вода : Требует наличия водоема или подземных вод, подходит для участков с достаточным водоснабжением.
2. Мощность теплового насоса :
   • Мощность теплового насоса должна соответствовать теплопотерям вашего дома. Рассчитать необходимую мощность можно с помощью специализированных калькуляторов или обратившись к специалистам.
   • Учитывайте площадь отапливаемого помещения, количество этажей и качество утепления дома.
3. Энергоэффективность (COP) : Коэффициент преобразования тепловой энергии (COP) показывает, сколько тепла вырабатывает насос на каждый потребленный киловатт электроэнергии. Чем выше COP, тем эффективнее работает насос.
4. Стоимость и бюджет : Учитывайте не только стоимость самого насоса, но и расходы на установку и обслуживание. Геотермальные и водяные системы требуют больших первоначальных затрат, но могут быть более экономичными в долгосрочной перспективе.
5. Функциональность и дополнительные возможности : Некоторые тепловые насосы могут не только обогревать, но и охлаждать дом летом. Также возможно использование системы для подогрева воды.

Как выбрать подходящий тепловой насос

Сервисное обслуживание геотермального отпления необходимо проводить с периодичностью 1 раз в год и только с целью проверки протечек в узлах соединения и проверки автоматики, в остальном тепловой насос для геотермального отопления работает бесперебойно очень долго.

Внимание! Наш сервис обслуживает только тепловые насосы, установленные в компании АльтерТепло.

Что делать, если у вас тепловой насос устанавливала другая компания и отказывается его обслуживать?

Звоните нам по тел.: +7 926 520-8947 или оставьте заявку и мы найдем выход!

Виды сервисного обслуживания

Единственный вариант гарантированной бесперебойной работы оборудования и всего контура геотермального отопления – это проведение своевременного обслуживания. Компания АльтерТепло представляет своим клиентам три вида обслуживания:

• Плановое
• Внеплановое
• Гарантийное

Плановые работы по сервисному обслуживанию техники проводятся, как правило, перед отопительным сезоном. Во время сервиса выездные инженеры сервисного отдела тщательно проверяют элементы оборудования, теплотрасс. При помощи контрольно-измерительного оборудования проверяют показания работы блоков. В случае нахождения неисправностей, специалисты их устраняют.
Внеплановое обслуживание тепловых насосов проводится в случае возникновения поломок или сбоев работы. Мастер на месте проводит замеры и выявляет проблемы в работе. По возможности на месте проводится мелкий ремонт или замена блоков оборудования. Для каждого случая внепланового сервисного обслуживания список работ будет индивидуальным.
Услуга гарантийного обслуживания предоставляется клиентам заказывавшим установку оборудования у компании АльтерТепло.

Заявка на сервис и обслуживание оборудования геотермального отопления

преимущества сервисного обслуживания компанией альтертепло

компания alterteplo более 5 лет занимаемся установкой и обслуживанием тепловых насосов. мы установили насосы на более чем 400 объектов. наличие собственных сервисных бригад и большого опыта работы позволяет быстро решать вопросы с обслуживанием и ремонтом оборудования.