Тепловые насосы для отопления — принцип действия новаторских систем

Апрель 13, 2016, Energylogia Автор , Категория Отопление, Просмотров: 4 711 Нет комментариев

Тепловые насосы для отопления представляют собой устройства, принцип действия которых — перенос тепловой энергии от её источника(окружающей среды) к потребителю посредством теплоносителя. Оба основных звена в этой цепи отличаются по температурным показателям — источник обладает более низким потенциалом температур, а у теплоносителя они заметно выше.

По аналогичному принципу функционируют всем известные холодильные установки или кондиционеры. Только в случае с тепловым насосом он не отбирает тепло, а, наоборот, передаёт его теплоносителю.

Виды тепловых насосов

Насосы делятся на виды в зависимости от типа используемого источника для получения тепловой энергии.

Воздушные агрегаты, которые осуществляют забор тепла из окружающего устройство воздуха. Устанавливаются на улице, позволяя отапливать небольшие жилые помещения в осенний и весенний период.

Геотермальные

Данные тепловые насосы используют природное тепло воды расположенной над или под землей или тепло самой земли.

  • Использующие воду устройства — коллекторы таких насосов помещаются в близлежащий водоём ниже точки его промерзания. Применение этого устройства в частном доме является одним из самых доступных способов получения тепловой энергии.
  • Использующие тепло грунта — коллекторы устройств располагаются в горизонтальной плоскости. Такое размещение проще в техническом выполнении (коллектор заглубляется всего на 1,2 метра).
  • Использующие тепло горных недр — устройства, рассчитанные на работу с горными породами и подземными водами.

Устройства позволяют сэкономить полезную площадь участка, но заглубление скважин в некоторых случаях достигает 200 метров.

Помимо этого существует деление на системы замкнутого и открытого типа:

  • открытый тип — использует воду из водоема в качестве теплообменника. Вода циркулирует по открытому типу, то есть после ее использования как теплообменной жидкости она возвращается в водоем. Допустимо при наличии большого объема воды, ее чистоты и разрешения экологического законодательства.
  • замкнутый тип — делиться дополнительно на:
    • горизонтальные — самые эффективные в условиях доступа к большим по площади земельных ресурсов (использующие тепло грунта). Размещаются в траншеях ниже уровня промерзания грунта (глубина залегания зависит от местности и ее принадлежности к тому или иному климатическому поясу).
    • вертикальные — используются в случае ограниченного доступа к земельным ресурсам. Используются скважины до 200 метров в которые и монтируются теплообменники.

Принцип действия тепловых насосов

Систему отопления, включающую тепловой насос, можно считать классическим «умножителем тепла», который изучается в школьном курсе физики. Насос играет роль устройства, перекачивающего тепловую энергию из одного места (источника) в другое — отопление дома при этом происходит за счёт разницы температур.

 

ξ = Т2 / Т1 – Т2

где:

  • ξ — холодильный коэффициент;
  • Т1 — температура среды, получающей тепло, по шкале Кельвина;
  • Т2 — температура охлаждаемой среды по шкале Кельвина.
Система может «отобрать» тепло у любого источника, температура которого выше абсолютного нуля (минус 273 градуса по Цельсию) — у земных недр, подземных источников, воздуха и даже у льда.

Принцип действия системы прост:

  1. Незамерзающая жидкость (теплообменник) циркулирует в коллекторах, размещённых вблизи источника тепла или непосредственно в нём (например, в воде).
  2. Насос системы регулярно забирает тепло, остужая незамерзающую жидкость примерно на 5 градусов.
  3. После чего отобранное тепло используется для подогрева теплоносителя отопительной системы.
  4. А незамерзающая жидкость в коллекторах восстанавливает прежнюю температуру, протекая через трубы, размещённые вне дома (в воде, в грунте, на воздухе).
  5. Затем она снова попадает в насос и отбор тепла повторяется.

Вся работа насоса зависит от компрессора. Именно он сжимает рассеянную тепловую энергию в носителе, придавая ему большую концентрацию (компактный объём) и температуру.

Помимо компрессора система теплового насоса состоит:

  • из испарителя;
  • капилляра;
  • конденсатора;
  • терморегулятора;
  • и хладагента (газа, циркулирующего в насосной системе).

принцип действия тепловых насосов

Воздушный насос

Насосы такого типа способны получить тепло с низким потенциалом (рассеянного типа) даже в морозы. В качестве хладагента в них используется фреон, обладающий низкими температурами кипения и испарения.

Наружный воздух нагнетается в камеру испарителя посредством насоса. Фреон нагревается и переходит в газообразное состояние. Затем газ попадает в компрессор, где сжимается — его температура растёт. После чего газ проникает в конденсатор, охлаждается и вновь становится жидким, перетекая в испаритель.

Обязательное условие для обеспечения эффективной работы — установка клапана дроссельного типа. Этот узел монтируется между конденсатором и испарителем. Дополнительно устанавливается автоматика, контролирующая весь процесс работы устройства.

Достоинства:

  • универсальность — летом устройство заменяет кондиционер, а в холодное время года является прекрасным дополнением к основной отопительной системе;
  • простота установки — не требуется бурить скважины или копать траншеи для коллектора;
  • не нужно дополнительно устанавливать радиаторы – тепло в дом поступает через воздух;
  • устройство безопасно (не разрушает микроклимат помещения).

Недостатки:

  • эффективность снижается при низких температурах (уже при нуле градусов увеличивается расход электроэнергии, необходимой для питания прибора — на каждый киловатт потреблённого электричества выработается 2-2,5 киловатта тепловой энергии; а при -20 на каждый киловатт электричества выработается такой же объём тепла, то есть, использовать прибор в таких условиях становится невыгодно экономически);
  • в дом проникает уличная пыль (в случае если вы не позаботились о фильтре).

Водный насос

Агрегаты гидротермального типа отбирают тепло у воды, поступающей из водоёма. При этом как сам испаритель, так и трубы с теплоносителем (соляным раствором) погружаются в воду. Прогрев хладагент в испарителе, вода выливается обратно в водоём.

Циркуляция воды продолжается до тех пор, пока не будет достигнута необходимая температура в системе отопления — затем автоматика останавливает работу компрессора. Принцип работы такого насоса аналогичен принципу действия агрегатов для получения тепла из воздуха.

Эффективность напрямую зависит от выбора «правильного» водоёма. Вода в нём не должна промерзать до самого дна даже в зимние морозы. Мелкий бассейн или пруд для такой системы не подойдёт.

Достоинства:

  • простота установки — первичный контур, выполненный из полимера и заполненный соляным раствором, топят в водоёме, прикрепив к нему грузила;
  • возможность получения тепла в морозы — вода на глубине 1,5-2 метра не замерзает;
  • эффективность (из каждых 10 градусов температуры воды фреоновый контур отбирает примерно 4 градуса тепла).

Недостатки:

  • сложность при достаточном удалении от источника — требуются дополнительные финансовые расходы на монтаж, теряется эффективность (максимальное расстояние 100 метров!);
  • площадь водоёма должна быть не меньше 200 кв. метров;
  • нельзя использовать без водоёма.

Грунтовой насос

Горизонтальный

Коллектор системы располагается в горизонтальной на глубине от 1,5 до 2 метров или вертикальной плоскости на глубине до 200 метров. Устройство и принцип действия у такой системы классические. Насос включает компрессор, конденсатор и испаритель. В качестве хладагента используется фреон, а теплоносителем выступает солевой раствор.

Система будет эффективной только при заглублении на достаточную глубину промерзания, и использовании достаточной площади (чтобы получить один киловатт тепловой энергии, необходимо иметь коллекторы площадью в 50 кв. метров).

Достоинства:

  • возможность самостоятельной установки;
  • эффективность (на каждый киловатт электричества вырабатывается в среднем 3-5 киловатт тепловой энергии);
  • универсальность — в летний период система охлаждает помещения.

Недостатки:

  • площадь коллектора должна превышать площадь дома минимум в два-три раза;
  • используемый участок не подойдёт для сельскохозяйственной деятельности — система будет вредить корням растений.

Вертикальный

Первичный контур геотермальных устройств размещается вертикально. Незамерзающая жидкость, попадая в испаритель, вызывает расширение фреона. Газ поступает в компрессор, сжимается и выталкивается в конденсатор, где отдаёт тепло отопительной системе. В охлаждённом сжиженном виде газ поступает назад в испаритель.

Для эффективной работы системы испаритель и коллектор должен быть опущен в грунт на глубину не менее пяти-шести метров. Именно на этой глубине температура грунта не будет ниже 8-10 градусов.

Различают два основных вида насосов такого типа:

  1. С открытым циклом — подземные воды свободно протекают внутрь системы, передают тепло испарителю и стекают в грунт (так функционируют системы, подключённые к плывунам, грунтовым водам или подземным водоёмам).
  2. С закрытым циклом — теплообменник системы заполнен специальной жидкостью, которая никак не контактирует с окружающей средой.
    Агрегаты с закрытым циклом циркуляции теплоносителя имеют основной контур, погружённый вертикально на глубину в 50-100 метров. Часто такую систему называют зондом. Устройства с открытым циклом циркуляции могут использоваться на грунтовых водах или в подземных водоёмах. Но чаще они встречаются в системах «вода-вода», то есть, монтируются в поверхностные водоёмы.

Достоинства:

  • высокая эффективность (температура грунта на глубине не опускается ниже +10-12 градусов, а, значит, система отопления имеет возможность прогреться до 60 градусов — на каждый киловатт потреблённого электричества производится 4-5 киловатт тепла);
  • системы с открытым циклом также могут использоваться для водоснабжения частного дома;
  • универсальность — устройства подходят как для обогрева, так и для охлаждения жилых помещений.

Недостатки:

  • высокий КПД системы сохраняется лишь при условии достаточного утепления дома;
  • для монтажа требуется прибегать к помощи специалистов (необходимо бурение скважины);
  • в системе используется этилкарбитол (этот теплоноситель необходимо приобретать отдельно);
  • для получения 9 киловатт тепловой энергии необходимо углубиться в грунт на глубину не меньше 150-200 метров.

 

Насос, основанный на получении тепла из вторичных источников

Тепловые насосы, позволяющие использовать вторичное тепло, чаще всего монтируются на промышленных предприятиях.

Такие устройства позволяют избежать потерь тепла, используя тепло центрального трубопровода отопительной системы. Либо могут отбирать тепло из вентиляционных систем и при этом прогревать поступающий воздух (системы с рекуператорами). Также применяется утилизация вторичного тепла, поступающего от холодильных установок, или вырабатывающегося при технологическом охлаждении воды.

Достоинства:

  • высокая эффективность (КПТ достигает 4-8 единиц, при этом вода или воздух прогреваются до 40-80 градусов);
  • экономное перераспределение тепла (оно может вторично использоваться в технологических процессах либо идти на обогревание муниципальных тепловых сетей);
  • экономия на энергоносителях до 85% (срок окупаемости при этом до одного года!).

Недостатков кроме высокой стоимости такой модернизации для предприятий нет.

КПТ и КПД — что это значит

тепловой насос для отопления частного домаКоэффициент преобразования теплоты (КПТ) — важнейший технический параметр любого теплового насоса.

Он указывает на соотношение одного потреблённого компрессором ватта электрической энергии к количеству выработанного тепла. При соотношении один к одному использование оборудования становится нецелесообразным.

Значение КПТ колеблется от 2,5 до 7 единиц для разных систем. А уровень снабжения теплом равен 35-60 градусам по Цельсию. При этом экономия более дорогих энергетических ресурсов достигает 75%.

То есть, при значении КПТ 2,5 единицы — на 1 Ватт потребленной электрической энергии вы получите 2,5 Ватта тепловой энергии. При значении КПТ 7 единиц — из 1 Ватта электроэнергии получите 7 Ватт тепла.

Расчёт КПД использует условные значения, так как достаточно сложно определить расход энергии с низким потенциалом, поступающей от альтернативного источника тепла.

Например, если учесть, что потребитель получил 6 киловатт тепловой энергии в час, для определения КПД необходимо потреблённое электричество сложить с энергетическим потенциалом источника (допустим, к 1 кВт прибавить 5 кВт). Затем 6 кВт разделить на полученную сумму — это и будет искомый условный КПД.

Статьи на эту же тематику, которые будут вам интересны:

 Достоинства и недостатки тепловых насосов

Плюсы

Устанавливая в доме систему отопления, оснащённую тепловым насосом, необходимо понимать, что это:

  • способ существенно сэкономить на традиционных энергетических носителях и значительно сократить траты на отопление (средний КПТ 3,5-4,5 единицы);
  • экологически безопасная система, позволяющая сберечь не возобновляемые энергетические ресурсы планеты;
  • фактически автономная система отопления (фактически, потому что требуется подключение к источнику электроэнергии);
  • универсальная климатическая система – и отопление, и кондиционирование будет производиться одним и тем же устройством.

Все перечисленные достоинства делают такую систему лучшей среди других отопительных систем.

Минусы

К недостаткам относится:

  • высокая стоимость оборудования, окупаемость которого зависит от интенсивности использования;
  • сложность монтажа. Невозможно самостоятельно смонтировать геотермальный насос с вертикальным размещением контура без специальной подготовки и бурильного оборудования.

Ещё следует учитывать, что такая система будет максимально эффективной только в домах с правильным утеплением. Поэтому экономически выгодно подключить тепловой насос к системе «тёплый пол» или «тёплые стены» — здесь рабочая температура не превышает 40 градусов.

Внимательность хозяев к таким техническим нюансам, их желание полностью разобраться во всех деталях позволит сделать дом действительно тёплым и комфортным для проживания.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *