Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, разновидности и использование

Отопление

Ни для кого не секрет, насколько остро стала проблема экологии в последние годы. Именно поэтому геотермальные тепловые насосы пользуются все большей популярностью у людей неравнодушных, желающих пользоваться альтернативными энергоносителями. Благодаря этой разработке ученым удалось найти способ отапливать жилище в холодные месяцы и нагревать воду круглый год. Причем электроэнергии, газа, угля и дров затрачивать не нужно. А значит, вредных выбросов нет никаких.

Что это и принцип работы геотермального насоса

Тепловой насос – это устройство, преобразующее теплоту Земли в энергию. Данный способ организации отопления частного дома позволяет отказаться от дорогостоящих энергоносителей. Экономия со временем полностью окупает затраты на установку уже в первые сезоны использования. Европа уже давно ищет и внедряет альтернативные методы энергосбережения, чем проявляет заботу об окружающей среде. И нет ни одного повода действовать иначе, тем более, сейчас на рынке нашей страны есть все необходимое.

Применяемых хладогент обладает исключительным свойством, которое заключается в поглощении и отдаче тепла при переходе из одного агрегатного состояния в другое. Если говорить утрировано, принцип работы теплового насоса идентичен холодильной установки. Только главным элементом является теплообменник, который в последнем случае устанавливается на задней стенке.

Схематично геотермальное устройство состоит из трех контуров:

  1. Принимающий низкопотенциальное тепло от источника.
  2. Для циркуляции фреона, меняющего агрегатное состояние.
  3. Водяной, передающий тепло от установки к радиаторам.

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, разновидности и использование

Именно фреон в процессе работы принимает тепловую энергию от источника, когда испаряется. И наоборот он отдает ее при конденсации. Если рассматривать работу теплонасоса по циклам, суть принципа действия заключается в следующем:

  1. Хладогент, находящийся в системе в виде жидкости, в испарителе испаряется. Тепло от источника поглощается в результате этого процесса.
  2. Компрессор нагнетает фреон, который сжимаясь, снова переходит в жидкое состояние. При этом накопленная энергия передается теплообменнику.
  3. Вода в отопительном контуре, проходя через теплообменник, нагревается и циркулирует по системе. Доходя до батарей, она отдает тепло в комнату.

При этом достигается большой перепад температуры. Такая схема теплового насоса предполагает, что хладогент охлаждается до 6-10 градусов Цельсия, а к теплообменнику подается уже при +60. Но это находясь под давлением. После отдачи тепла оно сбрасывается (стабилизируется) при помощи дроссельного клапана, и циклы повторяются. Кто знаком с работой холодильной установки заметил, что принцип передачи энергии в данном случае идентичен, хотя цели абсолютно противоположные.

Если в холодильнике решается задача понижения температуры в камерах, где хранятся продукты, то отопление тепловым насосом – это возможность поднять температуру в помещении без сжигания электричества или твердых энергоносителей, газа и т.д.

Разновидности тепловых насосов и систем

Инженерам-разработчикам удалось найти способ «перехвата» энергии природы для последующего преобразования в ту, что способна отопить дом и нагреть воду в системе водоснабжения. Причем источник – низкотемпературный (низкопотенциальный), что в корне отличает идею от классической, где сжигается уголь, газ, дрова, жидкое топливо или расходуется электроэнергия. Сейчас есть несколько источников, от которых можно получить достаточно энергии, чтобы обогреть частный дом.

В первую очередь это Солнце. Лучи, достигая поверхности Земли, емли нагревают элементы, которые поглощают энергию. А установка перерабатывает ее, усиливает, и передает на теплообменник для разогрева теплоносителя в отопительном контуре. Второй источник – сама Земля, а точнее тепло ее ядра, передаваемого через мантию верхним слоям земной коры. При этом инженерам удалось разработать три различных схемы, определяющих тип устройства: грунтовые, водяные, воздушные. Каждый вид отличается, что позволяет выбрать наиболее эффективный способ для отдельно взятого случая.

Грунтовые тепловые насосы

Количества тепловой энергии, получаемой от грунта, достаточно для разогрева хладогента до уровня, где тот меняет агрегатное состояние, превращаясь в пар. Удобно то, что на глубине уже в несколько метров сезонные температурные колебания не наблюдаются. Это позволяет пользоваться прибором круглый год, и в доме всегда будет горячая вода.

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, разновидности и использование

Для приема тепла земли используется раствор этиленгликоля или пропиленгликоля. Водный эталон применяется, но реже. Система труб, по которым циркулирует энергопоглощающая жидкость, герметична.

Есть два способ размещения трубопровода в грунте:

  1. Горизонтальный коллектор – это система горизонтально лежащего контура.
  2. Геотермальный зонд – приемники расположены вертикально и связаны между собой.

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, разновидности и использование

Геотермальные насосы с горизонтальным коллектором предполагают заглубление на полтора-два метра. Главное пройти отметку уровня промерзания грунта. Для каждого региона она своя. В среднем это 1,2 метра. Если требуется отопить здание, площадью до 100 кв. м., придется выкопать котлован или вырыть сеть траншей, площадью в 2-3 сотки. Это не обязательно делать под самим сооружением. Главное не садить на задействованном участке растения, имеющие корни, уходящие глубоко в землю.

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, разновидности и использование

Эту проблему полностью решает геотермальный зонд. Трубы устанавливаются в скважины. Бурить придется на 100-200 метров. Но их достаточно двух, если требуется обогреть здание в сто квадратов.

Между скважинами должно быть расстояние не менее пяти метров. Поэтому если участок мал, застроен или засажен, скажем, садом, это лучший способ установки теплового насоса с зондом, когда задействована минимальная площадь надела. С другой стороны цепь горизонтальных приемников тепла можно построить самостоятельно без применения бурового оборудования.

Водяные тепловые насосы

Для использования такого теплового насоса, принцип действия взят тот же. Но отличается тип источника. В данном случае это грунтовые воды. Естественно, глубина их залегания должна быть доступна в регионе. Но если такая возможность есть, система отличается тепловой стабильностью, так как подземные воды имеют постоянную температуру круглый год. Это делает устройство пригодным для применения в течение всех четырех сезонов. Перед монтажом проводят геологическую разведку, чтобы убедиться, что вода течет на глубине 30-40 метров.

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, разновидности и использование

Однако требуется и химический анализ. Если в составе мало солей железа и ряда других примесей, можно ставить геотермальный зонд. В противном случае это нецелесообразно ввиду наличия риска преждевременного выхода из строя и низкой производительности. В данном случае применяют грунтовый тепловой насос или воздушный. Именно это требование является причиной того, что среди всей массы рабочих ныне установок тепловые насосы водяного типа используются реже – порядка 5% случаев.

Воздушные тепловые насосы

Главное преимущество этого способа организации отопления и подачи горячей воды – отсутствие необходимости вести полномасштабное строительство. Не нужно бурить скважины для геотермальных зондов. Нет необходимости рыть траншеи, как в случае с грунтовым тепловым насосом. Все узлы размещаются на поверхности. В итоге сметная стоимость значительно ниже. Времени на установку и обустройство затрачивается меньше. Но при всем кажущемся комфорте это устройство далеко не идеально.

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, разновидности и использование

Главный минус – высокий КПД будет только если воздух на улице не охлажден до -15…-20 градусов по Цельсию. Если ударят морозы еще сильнее, система будет работать с меньшей эффективостью, что приводит к выходу из строя. А если теплоноситель в трубах и радиаторах замерзнет, произойдет разгерметизация, а по весне дом будет затоплен. Придется тратить деньги на ремонт. Однако в районах, где подобного не случается, люди пользуются таким методом организации отопления.

Коэффициент эффективности

Именно этот параметр позволяет сопоставить эффективность установок различного типа, чтобы определить оптимальный вариант. Данный термин является тем самым КПД. Рассчитывается эффективность как отношение вырабатываемого количества энергии и потребляемому. Под потреблением стоит понимать электроэнергию, затраченную на запуск системы и расходуемую в процессе ее работы. Независимо от времени года для водяных модификаций коэффициент эффективности равен 5.

Другими словами, если устройство потребляет, скажем 2 кВт в час, то установка выдает до 10 кВт час, но уже в виде тепла. Геотермальное отопление частного дома менее эффективно, так как коэффициент равен 4,0-4,5. В случае с воздушным типом определяющим фактором является температура окружающей среды. Так при нуле он равен 3,5. Если же она снизится до -20 град. то эффективность будет равна 1,5. Именно нестабильность в последнем случае является фактором низкого спроса на устройства воздушного типа. А все больше людей отдают предпочтение «золотой» середине – геотермальным агрегатам.

Часто поставщики оборудования указывают в техническом описании КПД в процентах. Этот маркетинговых ход не должен ввести вас в заблуждение. Если, например, имеет место характеристика эффективности в 400%, то это означает, что коэффициент равен 4. Иными словами при потреблении 1 кВт*ч электроэнергии отопительная система способна вырабатывать до4 кВт*ч. То есть величину, указанную в процентах необходимо разделить на 100. Это и будет отношение потребления к «выработке».

Применение геотермальных насосов в условиях российского климата

Теперь вы знаете, чем отличаются типы тепловых установок, и сможете правильно определить, какой именно необходим в вашем случае. Воздушный тип пригоден для регионов, где температура не опускается ниже нуля. Это отличный способ организовать отопление дачи тепловым насосом, если собственник проводит там досуг с семьей с весны по осень. На зиму систему консервируют. В Сибири, Северных регионах, и даже в Европейской части России об отоплении зимой воздушными агрегатами не стоит и помышлять.

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, разновидности и использование

Водяные также не подойдут людям, живущим в условиях вечной мерзлоты. Здесь вода в грунте есть, но она находится в виде льда, а значит, не может служить источником тепла. На юге Российской Федерации, где глубина промерзания грунта невелика, а подземные реки и озера залегают неглубоко, такие устройства вполне жизнеспособны и достаточно эффективны. А вот геотермальные – универсальный вариант, и поэтому является самым востребованным на всей территории РФ, несмотря на трудоемкость организации зонда или коллектора.

Применение геотермального насоса для охлаждения

Некоторым производителям удалось интегрировать функцию кондиционирования. Такие модели стоят дороже, но нет необходимости нести дополнительные затраты, ведь нужно покупать кондиционеры для всех комнат. Если же такой опции изначально не предусмотрено, делают гидравлическую развязку, что также требует капиталовложений.

Охлаждение происходит благодаря холодным панелям на стенах и потолке, охлаждающему «теплому пол», через радиаторы отопления с хорошим обдувом или же с помощью фанкойла. В последнем случае речь идет о пластинчатом теплообменнике, вмонтированном в кожух с вентилятором и направляющими жалюзями.

Применение геотермального насоса для горячего водоснабжения

Каждая из описанных выше схем позволяет не только обогревать жилище, но и снабжать людей горячей водой, причем независимо от времени года. Даже при отключенном отоплении в трубах будет вода с температурой от +45 до +60 град. Используется специальная емкость с теплообменником – бойлер. Проточные модификации не нашли применения ввиду слабой эффективности и отсутствия возможности иметь запас. Недостаток – необходимость обустройства отдельного помещения под котельную.

Обычный водонагреватель не подойдет. Покупают специализированное оборудование, предназначенное для подключения к теплонасосной установке. Такой бак обойдется дороже, ведь для эффективного разогрева объема воды потребуется развитая сеть теплообменных элементов, что влечет за собой удорожание. Материалов расходуется больше, а устройство сложнее в исполнении. Однако экономия перекроет затраты уже в первые год-два в зависимости от частоты использования и количества жильцов.

Геотермальные насосы со встроенным тэном

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, разновидности и использование

Это способ решить массу возможных проблем. Даже если морозы превысят отметку в -20 градусов, электроника включит дополнительный нагревательный элемент, и температура в комнатах будет всегда комфортной. Если на зиму дом оставлен без присмотра, такая система не будет заморожена, так как ТЭН поддерживает положительную температуру в системе. Любая поломка не является проблемой, и пока не будут предприняты меры по ее устранению, агрегат работает как обычный электрический котел. Правда придется заплатить чуть больше.

Советы и рекомендации

Выбирая оборудование, оценивайте имеющиеся возможности, но не экономьте. Рассчитывая требуемую производительность, закладывайте запас мощности в 10%. Это необходимо на случай запредельных морозов. Оснащение, работающее на пределе, прослужит меньше, тогда как насос, эксплуатируемый в нормальном диапазоне нагрузки, отработает дольше. Разработку проекта и монтаж доверьте профессионалам. Изучите инструкцию, и не отступайте от требований производителя. Без согласования не вносите в конструкцию изменений.

Пётр Андреевич
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Vodatyt.ru
Добавить комментарий