Оглавление:
- Что такое тепловой насос?
- Разновидности систем
- Принцип работы теплового насоса
- Откуда берется тепло
- Виды тепловых насосов и особенности их функционирования
→Аэротермальные
→Акватермальные
→Геотермальные
- Может ли тепловой насос охлаждать
- Эффективность теплового насоса: как рассчитать и повысить
→Формула расчета
→Пример расчета степени эффективности насоса
- Сферы применения оборудования
- На что обращать внимание при выборе теплового насоса
→Назначение помещения
→Наличие или отсутствие центральной системы отопления и ГВС
→Регион применения
→Площадь дома
→Кондиционирование
→Вентиляционная система
→Стоимость оборудования
- Преимущества и недостатки
- Заключение
В поисках путей наиболее рационального использования природных энергоресурсов специалисты разных стран предлагают нестандартные решения, основанные в том числе на применении возобновляемых источников энергии. Все более широкую популярность набирают сегодня технологии, связанные с использованием тепловых насосов. В чем принцип работы теплового насоса, какие виды устройства доступны широкому кругу пользователей? Где применяется аппарат и как выбрать тепловой насос для отопления дома?
Что такое тепловой насос?
Если на российском рынке тепловые насосы появились относительно недавно, то в Европе и Америке технология активно применяется для обогрева зданий и сооружений уже более 25 лет. В отличие от других источников тепла, тепловой насос использует энергию окружающей среды: воздуха, земли, грунтовых вод. Устройство позволяет получать дешевое тепло без ущерба для окружающей среды. Работа оборудования происходит без прямого нагрева теплоносителя: энергия затрачивается лишь на перенос тепла из окружающей среды в отопительный контур. Потребляя 1 кВт электроэнергии, необходимой для работы компрессора, система вырабатывает 3–5 кВт тепловой энергии.
Разновидности систем
В зависимости от способа получения энергии из внешней среды, тепловые насосы делятся на несколько типов:
- «воздух–воздух»;
- «воздух–вода»;
- «вода–вода»;
- «грунт–вода».
Водяные тепловые насосы подразделяются на насосы с открытым и закрытым первичным контуром для отбора тепла. Существует также оборудование, которое прокачивает воду через себя, но при этом забирает из нее часть тепла. Также бывают водяные тепловые насосы, которые извлекают тепло из верхних слоев почвы через закрытый геотермальный контур (примерно, как в системах теплого пола).
Воздушные тепловые насосы, способные передавать тепло непосредственно потребителю, как это делают кондиционеры, называют «воздух–воздух». Они также могут нагревать жидкий теплоноситель, например, воду в системах обогрева. В этом случае система называется «воздух–вода», которая является наиболее распространенной.
Принцип работы теплового насоса
Работа теплового насоса основана на перемещении тепла из одного места в другое: от менее нагретого тела к более нагретому, с увеличением температуры последнего. При разработке технологии учитывался тот факт, что определенный запас тепловой энергии имеется у любого тела с температурой выше абсолютного нуля. В процессе работы тепловой насос собирает низкопотенциальное тепло из окружающей среды, повышает собственную температуру, передает тепло в систему отопления или горячего водоснабжения.
Перенос тепла от источника к потребителю происходит в данном случае за счет поглощения и выделения тепла при фазовых переходах хладагента (фреона) из жидкого состояния в газообразное и обратно. Процесс сжатия хладагента в компрессоре насоса сопровождается резким повышением его температуры до значений +70…+120 ˚С. Каждый фреон имеет свою температуру кипения и конденсации (эти данные можно узнать из специальных таблиц), но рабочий диапазон температур хладагента, используемого в системе, зависит от типа конкретного теплового насоса.

Откуда берется тепло
Этот вопрос неизбежно возникает у потенциальных пользователей тепловых насосов. Как возникает тепловая энергия при отрицательных температурах воздуха, например, -25 °С? Если обратиться к школьному курсу физики, можно узнать, что понятия «холод» как такового не существует. Есть только тепло, присутствующее везде до недоступного 0 К (приблизительно -273 °С). Но главный секрет теплового насоса – в его коэффициенте полезного действия (КПД или COP), который всегда превышает 1. КПД теплового насоса – это не то же самое, что физический КПД, который всегда меньше 1. Он показывает эффективность преобразования потребляемой электрической энергии в тепло. Современные тепловые насосы имеют КПД в диапазоне 3–5. Например, при COP, равном 3, насос потребляет 1 кВт электричества для передачи 3 кВт тепла.
Виды тепловых насосов и особенности их функционирования
Аэротермальные
В испарителе воздушного теплового насоса происходит циркуляция хладагента (фреона). Это вещество, которое не замерзает, легко испаряется и начинает кипеть при низких температурах. Его температура всегда ниже температуры окружающего воздуха, под воздействием которого фреон испаряется и превращается в газ. Такой процесс называют теплообменом в температурном дифференциале.
Газообразный фреон попадает в компрессор, где его давление увеличивается. Одновременно растет температура хладагента, достигая 128 °C. Эта тепловая энергия передается в конденсатор, где пары фреона отдают тепло системам отопления и ГВС. В процессе отдачи тепла пар конденсируется и возвращается в жидкое состояние, сохраняя при этом высокое давление. Температура хладагента на данном этапе все еще недостаточна для начала нового цикла поглощения тепла из окружающей среды. Поэтому перед тем, как попасть во внешний контур, фреон проходит через дроссельный вентиль, где его давление и температура снижаются. После этого цикл повторяется.
Акватермальные
Внешний контур акватермального теплового насоса может размещаться, например, на дне водоема. Такой контур представляет собой трубопровод, по которому циркулирует теплоноситель, собирающий тепло из водного источника и передающий его во внутренний контур через теплообменник. Внутренний контур тепловых насосов типа «вода–вода» содержит незамерзающую жидкость (хладагент), которая, находясь в жидком виде, испаряется и поступает в компрессор. При этом происходит сжатие хладагента, в результате чего температура пара значительно увеличивается. В таком состоянии энергия передается от водяного теплового насоса непосредственно в систему отопления или ГВС.
Геотермальные
Особенность данной системы состоит в том, что геотермальный теплообменник, погруженный в землю, собирает природное тепло и передает его в тепловой насос. С помощью оборудования низкопотенциальное тепло преобразуется в высокопотенциальное, используемое затем в системах отопления и горячего водоснабжения. Применение геотермального отопления позволяет сократить расходы на обогрев помещений на 85 % по сравнению с классическими источниками тепла. Потребляя 1 кВт электроэнергии, тепловой насос способен извлечь до 7 кВт тепловой энергии из земли для отопления помещения. Геотермальные системы могут использоваться не только для обогрева зданий и обеспечения их горячей водой, но и, например, для кондиционирования воздуха. Каждая такая система состоит из следующих компонентов:
- тепловой насос, установленный внутри здания;
- геотермальный теплообменник (горизонтальный или вертикальный) с полиэтиленовыми трубами, через которые циркулирует теплоноситель;
- циркуляционные насосы;
- средства автоматики;
- контрольно-измерительное оборудование.
Может ли тепловой насос охлаждать
Тепловой насос может использоваться не только для обогрева помещений зимой, но и для охлаждения воздуха в здании летом. При этом охлаждение может быть:
- активным. Когда в системе включается реверс и тепло из помещения подается во внешний контур. Активный отбор и преобразование тепла происходят с помощью компрессора;
- пассивным. Этот вид охлаждения возможен лишь в случае, когда установлен геотермальный тепловой насос. Система отопления при этом имеет прямое сообщение с внешним контуром (в обход компрессора).
Эффективность теплового насоса: как рассчитать и повысить
Формула расчета
Оценить эффективность теплового насоса помогает такой показатель, как СОР (coefficient of performance). Он определяется как отношение объема полученного тепла к затраченной энергии.
Формула расчета: СОР = Q1/A = Q2*k/A, где
- Q1 – количество получаемого тепла;
- Q2 – количество тепла, забираемого из внешних источников;
- A – работа, совершаемая компрессором;
- k – КПД теплового насоса.
Пример расчета степени эффективности насоса
Если в тепловой насос подается фреон 407с под давлением 4 атм (при t˚ = 5 ˚C), то для получения на выходе температуры +35 ˚С хладагент нужно сжать до 12 атм. Для этого компрессор должен потребить определенное количество электроэнергии. Очевидно, что если начальная температура фреона будет ниже (например, +2 ˚С), а на выходе нужно получить более высокую температуру (+60 ˚С или больше), компрессор израсходует гораздо больше электроэнергии. Это означает, что тепловой насос будет менее эффективным и значение СОР будет ниже. Поэтому по возможности лучше настраивать систему так, чтобы на выходе была не очень высокая температура. Так, 35 ˚С вполне достаточно для теплых полов. Если в контуре имеются радиаторы отопления, потребуется более высокая температура, т. е. наиболее высокую эффективность тепловые насосы демонстрируют в составе низкотемпературных систем. Помимо теплых полов, это могут быть, например, фанкойлы (вентиляторные теплообменники). Чтобы насос стал еще более эффективным, можно перевести его на ночной режим работы (если есть такая возможность), когда тарифы на электроэнергию ниже.
Сферы применения оборудования
Тепловые насосы устанавливаются прежде всего на объектах, где использование других отопительных систем нецелесообразно или невозможно. С помощью оборудования такого типа можно создать комфортные условия пребывания как в небольшом офисе, так и в торговом зале или производственном цехе. Тепловой насос для обогрева жилого дома поможет сэкономить на отоплении и получить надежный и эффективный источник тепла, который прослужит долгие годы.
Оборудование может быть лучшим решением для отопления склада, АЗС, теплицы, фермерского хозяйства, подогрева бассейна или аквапарка. К примеру, при установке насоса на животноводческой ферме или птицефабрике для работы систем отопления и горячего водоснабжения может использоваться тепло навозных стоков. Побочный эффект такого решения – уменьшение количества выбросов в атмосферу аммиака, метана, закиси азота благодаря снижению температуры стоков.
Продовольственные магазины, мясокомбинаты и предприятия молочной продукции оснащаются профессиональным холодильным оборудованием. В таких установках тепловой насос уже есть. Остается только дополнить его теплообменником и направить утилизированное тепло в отопительный контур или систему ГВС.
На что обращать внимание при выборе теплового насоса
Назначение помещения
Эффективность тепловых насосов может быть разной, поэтому выбор оборудования во многом зависит от специфики объекта. Если речь идет о большом жилом доме, где постоянно находятся люди, тепловой насос должен гарантировать стабильное отопление и подачу горячей воды на протяжении всего года. В таких случаях подойдут насосы типа «воздух–вода» или геотермальные системы (при возможности их установки). Если тепловой насос необходим лишь для периодического обогрева, оптимальным выбором станет высокоэффективный насос «воздух–воздух».
Наличие или отсутствие центральной системы отопления и ГВС
Если в здании уже имеются центральное отопление и ГВС, а насос используется как вспомогательное устройство, важно учитывать эффективность взаимодействия систем: чем меньше температурные различия между ними, тем выше эффективность. Например, совместное использование теплового насоса с теплыми полами будет более рациональным, чем с традиционными радиаторами (температура теплоносителя в полах ниже).
Регион применения
Необходимо учитывать климатические условия, такие как среднегодовые температуры, свойства почвы и наличие водоемов. Например, в регионах с низкими температурами насосы типа «воздух–воздух» могут оказаться неэффективными. Если бурение для установки насосов типа «грунт–вода» не представляется возможным, стоит рассмотреть насос типа «воздух–вода». Вблизи водоемов можно использовать насос типа «вода–вода».
Площадь дома
Если площадь отапливаемых помещений больше 250 м² и можно выполнить бурение, оптимальным будет насос типа «грунт–вода». Для площадей меньше 200 м² лучше использовать модели «воздух–вода». Лучшим решением для небольших помещений будут насосы типа «воздух–воздух».
Кондиционирование
Тепловые насосы «вода–вода» и «грунт–вода» можно эксплуатировать в режиме пассивного охлаждения (без компрессора). Насосы других типов будут охлаждать воздух в активном режиме, что увеличит расходы в теплый период.
Вентиляционная система
Интеграция теплового насоса в вентиляционную систему поможет эффективно организовать воздушное отопление. Такой вариант хорошо подходит для административных, офисных зданий, а также для спортивных комплексов, где обязательна приточно-вытяжная вентиляция.
Стоимость оборудования
Цена теплового насоса для отопления частного дома или общественного здания зависит от типа агрегата, бренда, страны-производителя и других факторов.
Преимущества и недостатки
Главные плюсы теплового насоса для отопления загородного дома или другого объекта:
- высокая эффективность отопительных систем. Это происходит за счет использования современных энергосберегающих технологий. При правильном монтаже и должной эксплуатации СОР аппарата может достигать 7–8 единиц;
- экологичность. Для работы аппарата не нужно сжигать топливо. Атмосфера не загрязняется продуктами горения, а в воздухе и на почве не скапливаются вещества, вредные для окружающей среды и здоровья человека;
- универсальность использования. Тепловые насосы возможно устанавливать в регионах с любым климатом. Источниками тепла служат воздух, вода или грунт, которые присутствуют повсеместно;
- многофункциональность. Возможности тепловых насосов не ограничиваются обогревом помещений. С помощью аппарата можно создать систему горячего водоснабжения или обеспечить охлаждение воздуха в доме, офисе, магазине, мастерской в летнюю жару;
- безопасность. При работе теплонасоса для отопления нет открытого огня, а элементы оборудования нагреваются, как правило, максимум до 65 ˚С, что исключает вероятность получения ожога.
К недостаткам тепловых насосов относят достаточно большие расходы на обустройство системы и не очень высокие температуры, до которых можно нагреть теплоноситель.
Заключение
Имея представление о том, что такое тепловой насос, как он работает, какие существуют виды устройства, вы сможете оценить, насколько целесообразным будет использование данной технологии при создании систем отопления и горячего водоснабжения загородного дома, административного здания, торгового или производственного помещения. Выбрать подходящее климатическое оборудование для частного дома, магазина, мастерской вам помогут специалисты компании «Империя Климата».