Что такое тепловой насос и как он работает

Отопление с помощью газа, электричества или дров не всегда доступно. Альтернативой традиционной системе выступают необычные способы передачи тепла, например, тепловой насос.

Описание и назначение тепловых насосов

Под тепловым насосом подразумевают конструкцию, способную поглотить рассеянное тепло из грунта, воды и воздуха и перенести его в отопительный контур здания. Принципиальное отличие от других вариантов – возможность тепловой машины переносить тепло от низкотемпературного источника к высокотемпературной системе.

Земля постоянно получает солнечное тепло. Часть его поглощает воздух, но большая доля приходится на воду и грунт. В результате даже в самые жестокие морозы температура на глубине водоемов остается в пределах +4–+6°С, а на глубине ниже уровня замерзания грунта – + 8°С. Это низкопотенциальное тепло насос и переносит в тепловой контур, где нагревает теплоноситель до необходимых +35–+80°С.

Конструкция и принцип работы

Работа теплового насоса в какой-то мере сходна с работой холодильника. Передача тепла становится возможной благодаря использованию фреонов – веществ, которые при испарении отбирают тепло у охлаждаемого объекта, а при конденсации отдают его воде или воздуху. Хладагенты закипают при низкой температуре, что и делает возможным столь необычный на первый взгляд процесс.

Конструкция термонасоса включает 4 основных элемента:

• Компрессор – здесь хладагент сжимается, что приводит к повышению давления и температуры.
• Расширительный клапан – вентиль терморегуляции, который быстро снижает давление.
• Испаритель – теплообменник. Здесь фреон поглощает тепло, отнимая его от окружающей среды.
• Конденсатор – второй теплообменник, в котором хладагент конденсируется и сжимается, отдавая тепло рабочей среде отопительного контура.

Основой работы любого устройства теплоснабжения выступает обратный цикл Карно. Происходит передача тепла в несколько этапов.

В испаритель поступает фреон в жидком состоянии, то есть под низким давлением. Согласно второму закону термодинамики тепло передается от предмета с высокой температурой объекту с низкой температурой. В случае теплового насоса, объектом с низкой температурой оказывается фреон, а объектом с высокой – рассол, теплая жидкость, которая поднимается из скважин. Так как ниже уровня замерзания в грунте сохраняется температура выше +8°С, теплоноситель в скважинах, вернее, вертикальных зондах, нагревается. А когда встречается с холодным хладагентом – отдает тепло.

Из-за нагревания хладагент переходит из жидкого в газообразное состояние. В таком виде он попадает в компрессор, где происходит сжатие газа. При этом фреон сильно нагревается. Сжатый, но не сжиженный газ подается в испаритель, где отдает тепло второму теплообменнику. Сам фреон, отдавая тепло, вновь переходит в жидкую фазу.

Затем хладагент проходит сквозь терморегулирующий клапан, буквально «продавливается» через дроссель. После этого жидкость расширяется, а ее давление и температура снижаются. Фреон снова подают в испаритель и цикл повторяется.

Все контуры в тепловом насосе замкнуты: контур с хладагентом, контур с вертикальными зондами в земле и собственно отопительная линия. Перемещение жидкостей обеспечивает циркуляционный насос.

Сфера применения

Теплоустановки могут использоваться для обогрева частных строений и офисных зданий. В Европе такой практике следуют более 30 лет. На сегодня лидерами использования ТНУ выступает Швеция и США.

В России применение тепловых насосов ограничено следующим.

• Высокие первичные вложения – на рынке наличествует только импортное оборудование, обычно германское. Для укладки теплообменников требуется выполнять буровые работы на глубине на 50–100 м, что недешево. Как показала практика, использование горизонтальных коллекторов нерационально, так как площадь над трубами выпадает из хозяйственного оборота. Монтаж вертикальных зондов дороже.
• Неоднородность теплового потенциала – в южных регионах он намного выше, чем в северных, поэтому ТНУ эффективней в южной и средней полосе. В северных районах систему отопления загородного дома дополняют традиционными источниками.
• Ограничения по температуре на выходе – ТНУ выдает воду температурой в +60–+65°С. Чтобы такой контур был эффективным, его площадь должна быть заметно больше, чем площадь отопителей, работающих с водой при температуре +70–+95°С.
• К концу отопительного сезона выкачивание тепла из грунта приводит к понижению температуры почвы. В северных районах за лето ее тепловой потенциал восстановиться не успевает.

Монтаж ТНУ по расчетам обходится дороже установки газового или электрического котла в 2,4–2,8 раз.

Разновидности тепловых насосов

Отъем тепла можно производить от грунта, воды и воздуха. По этому признаку тепловые наносы и классифицируют.

Грунтовые

Главное преимущество такого типа – хорошая аккумуляция тепла и высокая стабильность. Температура грунта ниже уровня промерзания поддерживается постоянная круглый год. Поэтому производительность грунтовых насосов не зависит от времени года: летом их можно использовать для получения горячей воды.

Грунтовой коллектор – система горизонтальных труб, уложенных ниже уровня промерзания грунта. Теплоноситель – обычно, антифриз. Здесь скважины копать не нужно, только траншеи не более 1 м. Однако над уложенными в почву трубами нельзя сажать кусты, деревья, строить постройки.

Грунтовой зонд – система вертикальных труб, заглубленных на 50–150 м. Зонд занимает очень мало места, так что участок можно использовать. Но монтаж намного дороже, так как включает бурильные работы.

Водяные

Разновидность геотермального. Гидронасос работает за счет тепла грунтовых вод. Он более эффективен. Для монтажа нужно пробить 2 скважины для сбора и сброса воды, что недешево.

Воздушные

Технология аналогична принципу работы кондиционера. Монтаж воздушного насоса намного проще, сама установка дешевле, совмещается с любыми системами отопления. Однако производительность ее резко падает при снижении температуры воздуха до -15°С.

Воздушные насосы рекомендуют применять как дополнение к газовому или электрокотлу.

Рекомендации по установке и эксплуатации

Установка теплового насоса производится специальными бригадами. Владельцу участка нужно выполнить некоторые рекомендации.

• Наружный блок воздушного насоса нужно ставить на металлическую подставку возле стены, а не крепить на кронштейны.
• Размещают установку под козырьком или навесом, чтобы предупредить налипание снега на блок, перекрытие, замерзание дренажных отверстий.
• При монтаже устройства нужно проследить за тем, чтобы дренажное отверстие не оказалось перекрыто.
• Запрещается устанавливать внешние блоки один над другим, так как при включении режима оттайки нижние модули будут залиты водой.
• Если предназначен тепловой насос для отопления, межблочные трубы нужно теплоизолировать. Толщина теплоизоляции не менее 9 мм.
• Если ТНУ используют для нагрева воды, нужно выбирать бойлер с косвенным нагревателем.

Оборудование необходимо заземлить.

Обзор производителей

На российском рынке тепловые насосы представлены не слишком широко. Однако выбор есть.

• Daikin Altherma (EHYHBH05AV32/EHYKOMB33AA3/EVLQ05CV3). Гибридная модель со встроенным газовым котлом. Оснащается коаксиальным дымоходом. В режиме работы ТНУ внешний блок собирает тепло от воздуха. При переключении на газовое отопление, котел работает от центрального газопровода. Аппарат очень компактный и как другие модели от Daikin может работать в 3 режимах.
• Viessmann Vitocal (200-S). Отличается высокой энергоэффективностью, работает очень тихо. Управляется аппарат вручную и через мобильное приложение на телефоне. Оборудован баком косвенного нагрева, используется для отопления и получения горячей воды.
• Mitsubishi Electric (PUHZ-SHW230YKAR1) – японский тепловой насос. Генерирует тепло при температурах до -28°С, причем его эффективность не падает после достижения температуры в -15°С. Очень компактный вариант, простой в монтаже
• Panasonic (WH-UD16HE5/WH-SDC16H6E5) – обеспечивает максимальную мощность до температуры -20°С. Максимальная температура воды на выходе – +55°С. Аппарат очень экономичен, с прекрасными характеристиками. Интегрируется в любую систему отопления.
• LG (HU163.U33 + HN1639 NK3) – южнокорейская модель, работающая по принципу инверторного кондиционера. Совместима с радиаторной системой отопления и системой «теплый пол». Может использоваться для получения горячей воды и для охлаждения воздуха. Минимальная температура внешнего воздуха -20°С. В линейке есть модели, которые подключаются не только к однофазной, но и к трехфазной сети.