Тепловой насос – что это такое, устройство, принцип работы, для чего нужен, плюсы и минусы
Одним из экологически чистых альтернативных источников энергии является тепловой насос. Устройство способно как нагревать воздух в помещении или воду в радиаторах и системе водоснабжения, так и охлаждать дом в зависимости от потребностей владельца и конструкции.
Что такое тепловой насос?
В некоторых, особенно европейских странах, США и Японии проблема заботы об окружающей среде и высокие цены на природное топливо привели к повсеместному распространению альтернативных устройств для обогрева жилищ и обеспечения домов и квартир горячей водой. К ним относится и тепловой насос – это система, способная переносить тепло от менее нагретого тела к более нагретому, функционирующая по принципу цикла Карно.
Устройство теплового насоса
Схематически можно следующим образом представить устройство теплового насоса для частного дома:
- Вся система состоит из трех контуров.
- В первом функционирует теплоноситель, который переносит энергию от источника низкопотенциального тепла (то есть с низкой температурой).
- Во втором происходит циркуляция хладагенты, которым часто выступает фреон. Газ, испаряясь, забирает тепло у предшественника, а конденсируясь – отдает его следующему.
- В третье функционирует теплоприемник (вода или воздух), который, двигаясь по системе индивидуального отопления, обогревает дом или квартиру.
Основными компонентами такого прибора являются:
- Компрессор, подключаемый к сети электропитания.
- Испаритель, превращающий хладагент в газообразное состояние.
- Конденсатор, в котором происходит обратный переход в жидкое состояние рабочего тела.
- Редукционный клапан.
- Магистрали, выполненные из медных труб.
- Средства управления и автоматика.
Принцип работы теплового насоса
Выше уже упоминалось о том, что работа прибора основывается на цикле Карно, описанного еще в конце XIX столетия. По этому же принципу работают все современные холодильники и кондиционеры, только их работа направлена на охлаждение, а у теплового насоса наоборот, на нагрев. Суть процесса состоит в том, что от среды с более низкой температурой, которой может быть грунт, вода или воздух, тепло переносится к среде с более высокой, еще сильнее нагревая ее до +55℃.
Принцип работы того, как работает тепловой насос, можно сформулировать так:
- В испаритель хладагент поступает в сжиженном состоянии, но из-за резкого перепада давления закипает и испаряется. В это время происходит отбор тепла у стенок испарителя.
- Хладагент с накопленной тепловой энергией поступает в компрессор, сжимается и выталкивается в конденсатор.
- В конденсаторе газ отдает тепловую энергию носителю и конденсируется. Цикл повторяется вновь.
- Электроэнергия в таком процессе затрачивается только на работу компрессора.
Для чего нужен тепловой насос?
Отличием теплового насоса для отопления дома является тот факт, что он не использует источники энергии, а лишь «отнимает» накопленное за весенне-летний период тепло у грунта и скальных пород, водоемов и окружающего воздуха как на улице, так и в соседнем помещении. Тепловые насосы зимой в условиях умеренного климата можно использовать:
- Для организации системы отопления дома, подключая к устройству привычные батареи, в которых функционирует горячая вода.
- Создания общей системы горячего водоснабжения или локальный подогрев, например, бассейна.
- В летний период устройство можно использовать как прибор для кондиционирования, то есть охлаждения, воздуха.
Плюсы и минусы теплового насоса
Разобравшись с тем, что это такое тепловой насос, по какому принципу он работает и для чего применяется, следует выделить все преимущества и недостатки устройства. К плюсам можно отнести:
- Экологичность. При работе устройства не происходит сгорания топлива.
- Экономичность. Электрическая энергия тратится только на поддержание работы компрессора, а объем выделяемой тепловой энергии в несколько раз превышает уровень потребления электричества.
- Высокий уровень пожаробезопасности. Система представляет собой замкнутый контур, ей не нужна система вентиляции и постоянное заполнение энергоносителями.
- Универсальность. Тепловой насос можно использовать для отопления помещения зимой и охлаждения летом.
У прибора есть и ряд минусов:
- Высокая стоимость самого прибора и существенные затраты на проведение монтажа.
- Срок эксплуатации устройства составляет около 20-ти лет, после чего потребуется капремонт системы.
- Тепловой воздушный насос эффективно работает на обогрев только при температурах воздуха на улице не ниже -15℃, что неприемлемо для многих регионов умеренного климата.
Виды тепловых насосов
Для того чтобы полностью понимать, что это такое тепловой насос, можно ознакомиться с видами таких установок. По виду передачи энергии все устройства разделяются на две большие группы:
- Компрессионные, стандартные установки с неизменным набором оборудования.
- Абсорбционные. Устройства нового поколения, в которых рабочим телом является пара абсорбент-хладон.
Многие потребители знают градацию устройств по источнику тепла. Они бывают:
- Геотермальные, к которым относится водяной и грунтовый насос.
- Воздушные, добывающие тепло из атмосферы.
- Работающие от вторичных источников тепла на основе канализационных стоков, воздуха или воды.
Воздушный тепловой насос
Самой простой в монтаже разновидностью является воздушный тепловой насос для отопления дома. Стоимость установки такой системы значительно ниже, чем водяного и грунтового аналога. Система «выкачивает» тепло из атмосферы, поэтому эффективно отапливает дом в холодные месяцы и способна охлаждать его в жару. Самым большим недостатком разновидности является стабильная работа только при температурах воздуха не ниже -20℃. Падение столбика термометра ниже указанных показателей приведет к неполадкам в работе и выходу оборудования из строя.
Водяной тепловой насос
Сравнительно редко используется водяной тепловой насос для дома. Он использует тепло от грунтовых вод или близко расположенного водоема. Система обладает высокой эффективностью и стабильностью, ведь у воды высокая теплоотдача и незначительные колебания температуры в течение года. Однако, для установки системы такого типа необходимо соблюдение следующих условий:
- Наличие на участке достаточного объема грунтовых вод, глубина залегания которых не превышает 30-40 м и расположения вблизи водоема.
- Приемлемое качество воды с низким содержанием железа и других примесей, чтобы оборудование быстро не вышло из строя.
Грунтовой тепловой насос
Для подогрева хладагента в испарителе геотермальный тепловой насос получает тепло из грунта. Температура земли ниже уровня промерзания грунта практически неизменна круглый год, поэтому работа прибора не зависит от внешних погодных условий. В такой системе трубы со специальным антифризом располагаются в грунте вблизи отапливаемого объекта. Существует две схемы размещения труб:
- Горизонтальный коллектор. При таком способе трубы закапываются ниже уровня промерзания грунта горизонтально на большой площади.
- Геотермальный зонд. При такой схеме трубы устанавливаются вертикально, погружаясь в землю на 100-200 м. Способ затратен на этапе бурения скважин.
Режимы работы теплового насоса
Теплонасосная система отопления может работать в одном из двух режимов:
- Моновалентный, то есть устройство обеспечивает всю тепловую нагрузку на здание. Такой режим хорошо сочетается с тепловыми насосами для отопления частного дома, работающими с низкопотенциальными источниками со стабильной температурой (грунт, вода, канализация) и системами отопления теплые полы. Недостатком являются существенные затраты на этапе установки.
- Тепловые насосы, применение которых планируется в комбинации с другим нагревательным прибором, работают в бивалентном режиме. Точкой бивалентности считается самая низкая температура в пятидневку самого холодного месяца. При ее достижении насос отключается или начинает работать в паре с другим источником тепла.
Как выбрать тепловой насос?
При проведении таких затратных и трудоемких работ, как установка теплового насоса, важно на начальном этапе правильно определиться с оптимальной моделью. Во время подбора разновидности стоит:
- Определить оптимальный источник энергии, подходящий для конкретного региона и даже участка. Это могут быть грунтовые воды или близлежащий водоем, атмосферное тепло или температура грунта.
- Тепловой насос на отопление подбирается нужной мощности, исходя из площади и величины теплопотерь здания, нужного объема воды для ГВС. Эти расчеты лучше доверить квалифицированным персоналам сертифицированных центров продаж оборудования.
- Учитывать финансовые возможности как на покупку оборудования, так и проведение монтажных работ.
- Понимать, что система будет выгодна только при постоянном использовании в течение длительного периода. То есть в загородном доме с тепловым насосом стоит проживать постоянно.
Рейтинг тепловых насосов
При покупке дорогостоящего оборудования можно изучить отзывы о его работе как от профессионалов, так и обычных пользователей, успевших оценить все преимущества и недостатки прибора. В рейтинг самых популярных моделей тепловых насосов неизменно входят:
- NIBE F1245-12 R – грунтовой насос, нагревающий воду в батареях и для эпизодического использования. Подойдет в качестве основного источника тепла для коттеджей и офисов. Стоимость порядка $10,5 тыс., которая окупается примерно за 10 лет.
- Danfoss DHP-L Opti Pro+13 – оборудование класса «вода-вода», используемое для горячего водоснабжения и отопления. Снабжен гибким автоматическим управлением. Стоимость – $8,8 тыс.
- Hitachi Yutaki S Combi RWD-2. Тепловые насосы Hitachi можно эксплуатировать круглогодично. Система подходит для радиаторов и теплых полов. Модель снабжена инверторной системой управления и антибактериальной опцией. Стоимость – $12 тыс.
- Fairland AHP13AS – прибор, функционирующий вместе с современными системами отопления и работающий только на нагрев. Оснащен инверторным управлением Стоимость – $3,1 тыс.
- Lessar LSM-H120HFA2 – многофункциональный насос небольшого веса с низким уровнем шума. Стоимость – $2,3 тыс.
Тепловой насос своими руками
Обладая определенными знаниями в области холодильных установок, тепловой насос можно сконструировать самостоятельно. Грунтовые установки требуют большого количества финансовых и временных затрат. Народные умельцы чаще изготавливают тепловой насос из кондиционера. Для этого нужно:
- Приобрести рабочий оконный охладитель, способный работать и на отопление дома.
- Снять верхний кожух.
- Отсоединить теплообменник.
- Снять наружную крыльчатку с общего вала.
- Изготовить металлический бак со штуцерами для подачи воды в боковой стенке, длина которого равна длине теплообменника, а ширина больше на 12-15 см.
- Добавить к радиатору дополнительные пластины из меди или алюминия.
- Погрузить радиатор в бак.
- Загерметизировать крышку и вводы контура.
- Подсоединить к штуцерам шланги и циркуляционные насосы.
- Проверить герметичность и исправность работы прибора.
Правила монтажа теплового насоса
Весь процесс монтажа теплового насоса для отопления профессионалы делят на следующие этапы:
- Составление проекта, в которой работа внешней части устройства будет полностью согласована с внутренней.
- Сборка непосредственно тепловой насос, полностью следуя всем правилам, указанным в инструкции производителем.
- Проведение монтажа коллекторных коммуникаций, которые имеют разные правила прокладки и организации в зависимости от типа оборудования.
- Подведение внешнего контура к дому и соединение его с оборудованием.
- Сборка внутреннего контура.
- Проверка функционирования системы.