Принцип работы теплового насоса для отопления дома

Для трансформации, переноса и преобразования энергии тепла применяется специальное устройство, напоминающее кондиционер или холодильник. Тепловой насос не используется для обогрева – он только транспортирует больше тепла, чем получает от сети. При помощи прибора можно перекачивать энергию грунта, воздуха или воды в отопительные коммуникации.

Принцип работы и конструкция

Теплонасос состоит из фреонового контура с компрессором, расширительным клапаном, теплообменников (конденсатор, испаритель) и трубопровода из меди. Узлы связываются воедино при помощи соединительной арматуры и автоматических деталей.

Принцип действия агрегата основывается на отборе низкопотенциального тепла:

• воды (от +2 до +7 градусов);
• воздуха (от -25 до +35 градусов);
• почвы (от -5 до +5 градусов).

В процессе забора тепловых ресурсов исходная среда охлаждается, а хладагент внутреннего контура начинает кипеть и трансформируется в пар. Газ сжимается компрессором и резко теряет объем, одновременно нагнетая температуру и давление. Действие разогретого фреона заключается в передаче тепловых ресурсов в отопительную магистраль.  Тепловые насосы работают по замкнутому принципу, используя только энергию без прямого нагрева теплоносителя.

Агрегат позволяет получить из 1 кВт использованных энергоресурсов 3-5 кВт тепла.

Разновидности тепловых насосов

Тепловые насосы для отопления частного дома классифицируются по нескольким признакам. В зависимости от типа передачи энергии:

• Компрессионные – состоят из компрессора, конденсатора, испарителя и расширителя. Оборудование работает по принципу цикла сжатия и расширения теплоносителя с дальнейшим обогревом.
• Абсорбционные – функционируют на основе абсорбента и хладона. Абсорбционный прибор отличается эффективностью и является насосом нового поколения.

По тепловому источнику можно подобрать аппарат:

• воздушный – извлекает тепловые ресурсы из атмосферы;
• геотермальный – забирает энергию из воды или почвы;
• вторичный – работает со вторичным теплом воды или воздуха.

Устройства вторичного тепла могут забирать энергию канализационных стоков.

Теплонасосный аппарат также различается по среде забора и трансформации энергии, особенностям и способам эксплуатации.

Система «грунт-вода»

Устройства позволяют получать тепло из недр земли круглогодично. По типу геотермального контура можно подобрать следующие модификации:

• Горизонтальный – система в виде труб, расположенных ниже промерзания почвы, на глубине 1,5-2 м. Температурный режим на протяжении года достигает +3…+15 градусов, поэтому тепло можно получить в любой момент.
• Вертикальный – коллектор имеет вид скважины 50-200 м в глубину. Внутри находятся специальные зонды, которые забирают тепло у постоянного температурного градиента.

При обустройстве вертикального контура нужно учитывать геологический состав почвы. На участке, где находится горизонтальный контур, нельзя строить дома, укладывать плитку.

Система «вода-вода»

Чтобы обогреть помещение, понадобится использовать энергию подземных вод с постоянной температурой +7 и выше градусов. Технология предусматривает подачу воды центробежным насосом на специальную станцию. Тепловая энергия передается на антифриз нижним контуром прибора. Этот вариант допускается на участках:

• без подземных вод или с минимальным уровнем их залегания;
• со скважинами, в которых не понижается отметка воды;
• с минимальным солевым составом и загрязненности;
• оснащенных дренажным колодцем, способным принимать от 2200 л стоков в час.

Оптимальный вариант для оборудования «вода-вода» – местность рядом с рекой или другим водоемом.

Система «вода-воздух»

Тепловые насосы греют не воздух внутри комнат, а сам теплоноситель. Его можно применять для обогрева, приготовления ГВС. Система отличается рядом преимуществ:

• устанавливается без бурения внешнего контура;
• отличается надежностью и долговечностью;
• эффективна осенью и весной.

К минусам насосов относятся:

• понижение СОР при достижении температуры до +1,2 градусов;
• использование реверса для оттайки наружного блока.

Станции не являются единственным средством получения тепла. Они функционируют совместно с котлом отопления.

Система «воздух-воздух»

Устройства, работающие по типу «воздух-воздух», получают тепловую энергию из уличных воздушных масс. Внешне они напоминают кондиционеры, но могут работать при низкой температуре. Нагрев холодного воздуха производится в конденсаторе. К преимуществам ТН относятся:

• стоимость, сравнимая с ценой кондиционера;
• быстрый монтаж;
• отсутствие рисков утечки носителей тепла.

В числе недостатков систем:

• возможность эксплуатации только при температуре до -20 градусов;
• необходимость монтажа специального блока внутри каждой комнаты;
• отсутствие условий для получения горячей воды.

Тепловое оборудование «воздух-воздух» можно использовать, чтобы дополнительно обогревать дачу или загородный дом.

Критерии выбора системы

Перед покупкой теплового насоса требуется учитывать:

• Расходы на обустройство системы. Для подключения ТН в Москве понадобится уложить горизонтальный контур. Выкапывается котлован (10 тыс. руб./смена за аренду экскаватора), затем производится подготовка к работе (5 тыс. руб.). Скважина стоит 1000 руб./мп с учетом монтажа и обвязки зонда. Чтобы система могла нормально работать, понадобится 350 м контура или 350 тыс. руб.
• Энергопотребление. ТН мощностью 9 кВт потребляет 2,7 кВт/ч электричества, что дешевле аналогичного электрокотла.
• Окупаемость. Альтернативное отопление с учетом затрат на монтаж и расхода электричества оправдает себя через 3 года.
• Климатические условия региона проживания. ТН неэффективны в областях с морозными зимами. Они не смогут забрать из грунта, воздуха или воды нужное количество тепла.
• Мощность устройства. Владелец одноэтажного дома 10х10 квадратов должен сделать подсчеты на основании: максимальной отрицательной температуры (-20 градусов); разницы температуры на улице и в комнате (20 – -20=40); теплопотерь стен (кирпич – 13,5 кВт). К последнему показателю минимальной мощности нужно добавить около 50 %.
• Емкость накопительного резервуара. При 3-х запусках насоса нужно 30 л воды, при 5 запусках – 20 л.

При подборе оборудования принимаются во внимание состояние дома и особенности местности, где он расположен.

Преимущества и недостатки

Отопительные коммуникации с теплонасосом обладают рядом достоинств:

• экономия энергоносителя: при расходе 1 кВт/ч получается 4 кВт/ч тепла;
• сокращение затрат на ремонт системы;
• универсальность – подходит для монтажа в регионах без газовых магистралей, ЛЭП, т.к. будет работать от воздуха, грунта или воды;
• полная автоматизация системы – при длительном отсутствии собственник может выставить постоянный температурный режим +10 градусов;
• экологическая безопасность – не вырабатывает окислов, кислот и бензойных соединений;
• отсутствие аварийных ситуаций – теплоноситель и узлы системы не нагреваются до критических температур;
• возможность эксплуатации при температуре до -15 градусов;
• реверсивность – установки охлаждают дом в летнее время, отводя тепло из комнат и направляя в резервную среду;
• длительное использование: без капитального ремонта насос применяется 25-50 лет, компрессорная запчасть выходит из строя раз в 15-20 лет.

К минусам применения тепловых насосов относятся:

• финансовые затраты для организации геотермальной системы;
• длительная (5-10 лет) окупаемость системы;
• необходимость применения дополнительного обогрева в холодных регионах.

В системах теплый пол допускается использовать фанкойлы, передающие тепло или холод воздуху от воды. Если у вас старое жилье, понадобится перепланировка отопления.

Популярные производители тепловых насосов

Тепловые насосы в основном выпускают компании из Азии. Первыми на европейский рынок начали поставлять продукцию Daikin, Mitsubishi Electric и Hitach. Оборудование также выпускают производители из Южной Кореи (LG и Samsung), Китая (Midea и Gree).

У европейских брендов Dimplex, Nibe, Alpha-Inno Tec, AJ Tech, CIAT, Technibel, Atlantic, Airwell, Buderus также имеются модификации ATW.

Тепловой насос своими руками

Изготовить тепловой насос самостоятельно возможно только для отопления небольшого дома.

1. Приобрести старый холодильник и разобрать его, удалив автоматику.
2. Сделать конденсатор из стального бака на 100 л, разрезанного пополам. В баке ставится медный змеевик со стенками 1 мм в толщину.
3. Изготовить змеевик, намотав медную трубку на газовый или кислородный баллон с соблюдением одинакового расстояния между витками.
4. Зафиксировать витки, продев проволоку в отверстия алюминиевых уголков.
5. Сварить части бака.
6. Сделать испаритель из пластиковой емкости на 60-80 л. В нем устанавливается змеевик и резьба для сливных и подающих патрубков.
7. Установить технику в помещении и подвести к ней 2 воздуховода, врезанных в переднюю створку.
8. Выполнить спайку медных труб, закачать фреон.
9. Сделать стартовый запуск и подключить конструкцию к отоплению.

Воздух будет подаваться по верхнему каналу в морозильную камеру, остывать и подаваться в корпус. После прогрева теплообменником на задней стенке воздушные массы поступят в помещение.

По итогу работы получается система с контуром замкнутого типа. В ней циркулирует хладагент, забирая и транспортируя энергию с испарителя на конденсатор. У полученной тепловой энергии – маленькая мощностью, поэтому требуется дополнительно подключать теплый пол или радиаторы низкоинерционного типа.

Температура воды на выходе будет не более 50-60 градусов.

Схема

Сэкономить на самостоятельном изготовлении устройства и его монтажа поможет бивалентная схема отопительной системы. Она подразумевает расчет мощности ТН на основании минимальной температуры. На протяжении года установка будет работать не на полную мощность.

Нанос в данном случае – пассивный агрегат, к которому подключается котел газового ли твердотопливного типа. К последнему подключается байпас.

Тепловые модификации насосов относятся к эффективному, но дорогостоящему оборудованию. При длительном сроке окупаемости они будут единственной альтернативой в местностях без газоснабжения.