В условиях постоянного роста тарифов на электричество и газ, ухудшения экологической обстановки все чаще применяются альтернативные источники энергии. Тепловой насос (ТН) — один из вариантов таких систем, с помощью которого можно отопить частный дом зимой, кондиционировать помещения летом, нагревать воду для бытовых нужд. Устройства позволяют экономить на энергоносителях, не используют невозобновляемых природных ресурсов, что важно с точки зрения охраны окружающей среды. Рассмотрим виды тепловых насосов, их преимущества и недостатки, особенности эксплуатации.
Устройство и принцип работы
Содержание статьи
Теплонасос в общем виде состоит из:
- компрессорной установки;
- конденсаторного теплообменника;
- испарительного теплообменника;
- средств автоматики и присоединительной арматуры.
Компрессор требуется для сжатия и передачи по трубопроводам хладагента, в качестве которого в современных ТН применяются фреоны R410A и R407C, безопасные для озонового слоя.
При сжатии температура фреона стремительно повышается, под давлением до 40 бар он перемещается в конденсатор и передает тепловую энергию потребителю (адиабатический процесс). Потребителем может быть воздух или теплоноситель, который затем отдает энергию отопительной системе. Температура фреона понижается, он возвращается из газообразного состояния в жидкое (изотермический процесс).
Затем жидкий хладагент через вентиль-терморегулятор, применяемый для дозировки и снижения давления, поступает в теплообменник-испаритель. Вследствие падения давления при передаче по каналам испарителя фреон вновь превращается в газ. Температура снижается, осуществляется его нагрев от источника — воды, воздуха, земных недр. Затем уже холодный фреон перемещается в компрессор и рабочий цикл вновь повторяется.
Принцип работы теплового насоса
Таким образом, теплонасос сам не вырабатывает тепло, а лишь перемещает его в дом. Для работы требуется электроэнергия, которая расходуется в основном на компрессор. Для определения эффективности ТН используется показатель преобразования (СОР) — отношение полученной тепловой энергии к потребленной электрической. Параметр зависит от производителя и типа теплонасоса и находится в интервале от 2 до 6.
Виды тепловых насосов
В зависимости от технологии, применяемой для забора и распределения энергии, конструкции оборудования и способов использования, различают следующие виды теплонасосов:
- «воздух-воздух»;
- «воздух-вода»;
- «грунт-вода» (геотермальные);
- «вода-вода».
«Воздух-воздух»
Источник энергии для такого типа устройств — атмосферный воздух. По внешнему виду теплонасос не отличим от сплит-систем, способен нормально функционировать при температуре до -30°С, получая энергию из окружающей среды. Дом отапливается нагретым в конденсаторе воздухом.
Теплонасос «воздух — воздух»
Преимущества:
- низкая стоимость;
- удобство и скорость монтажа;
- отсутствие утечек теплоносителя.
Недостатки:
- невозможность организации горячего водоснабжения;
- снижение показателя СОР при отрицательных температурах;
- необходимость в монтаже внутренних блоков в комнатах, устройстве воздуховодов.
Тепловые установки «воздух-воздух» применяются преимущественно в домах с сезонным проживанием и не могут рассматриваться как основное средство отопления.
«Воздух-вода»
Принцип действия системы идентичен предыдущему типу. Отличие заключается в нагреве не воздуха в комнатах, а теплоносителя, используемого в контуре ГВС и для отопления дома.
Если помещения обогреваются с помощью обычных батарей, работа насоса менее эффективна. ТН «воздух-вода» следует использовать с конвекторами и радиаторами большой площади, а также низкотемпературными системами «теплые стены» и «теплый пол» с водяным теплоносителем.
Схема организации отопления и ГВС с помощью теплонасоса «воздух-вода»
Достоинства:
- возможность организации горячего водоснабжения;
- срок службы, надежность;
- бурение скважин не требуется;
- максимальная эффективность весной и осенью.
Недостатки:
- невозможность использования при температурах ниже -20°С;
- необходимость в размораживании наружного блока;
- значительное снижение коэффициента СОР при отрицательных температурах (до 1,2).
Насосы «воздух-вода» в качестве единственного средства отопления могут устанавливаться лишь в теплых регионах. В средней полосе они зачастую монтируются вместе с иным отопительным оборудованием (пеллетными, твердотопливными, электрокотлами, каминами с водным контуром).
«Грунт-вода»
В качестве внешнего (геотермального) контура задействованы недра земли. Поэтому теплонасосы «грунт-вода» обладают важным преимуществом перед другими типами ТН — стабильностью параметра СОР независимо от поры года и температуры воздуха.
Существует три способа сооружения геотермального контура:
- горизонтальный;
- вертикальный;
- наклонный.
Горизонтальный контур
Для использования тепловой энергии земли требуется обустройство коллектора, занимающего значительную площадь. Система трубопровода располагается близко к поверхности, из-за чего производительность оборудования относительно невелика — 30-40 Вт на погонный метр контура.
Глубина заложения полиэтиленовых труб принимается ниже линии промерзания грунта на 0,3-0,5 м и составляет порядка 1,3-2 м. В этой зоне температура остается положительной (от +3 до +15°С) на протяжении всего календарного года.
Площадь, отводимая под коллектор, зависит от площади дома, процента остекления, степени утепления. Для определения требуемого участка и диаметра труб требуется выполнение подробных теплотехнических расчетов.
Схема размещения ТН «грунт-вода» с горизонтальным контуром
Для обустройства горизонтального коллектора используется два способа:
- Грунт срезается на всей площадке, производится укладка труб теплообменника с интервалом 0,6-1,5 м. По завершении раскладки котлован обратно засыпается грунтом. Для производства работ используется тяжелая землеройная техника — бульдозеры, фронтальные погрузчики, экскаваторы прямая или обратная лопата.
- Укладка труб коллектора осуществляется за несколько этапов в канавы шириной 0,6-1,0 м. Для производства земляных работ используются мини-экскаваторы либо экскаваторы-погрузчики.
Преимущества горизонтального контура:
- меньшая стоимость по сравнению с вертикальной укладкой;
- возможность выполнения работ во время прокладки других инженерных сетей (канализации, водопровода);
- стабильность работы системы независимо от поры года.
Недостатки:
- невозможность выполнения при завершенном ландшафтном оформлении участка;
- значительная занимаемая площадь, на которой запрещена посадка деревьев и другие работы по благоустройству;
- необходимость обеспечения естественного попадания осадков и солнечного света.
Вертикальный контур
Система представляет собой куст скважин глубиной 30-200 м с опущенными на дно специальным оборудованием — геотермальными зондами. В этой зоне на протяжении многих десятилетий температура остается неизменной и возрастает примерно на 2-5°С через каждые 70-100 м.
Схема размещения теплового насоса «грунт-вода» с вертикальным контуром
Преимущества
- значительно сокращается необходимая для обустройства площадь в сравнении с горизонтальным контуром;
- стабильность показателя СОР;
- возможность установки теплового насоса в жилых домах, предприятиях промышленности.
Недостатки:
- необходимость проведения предварительных инженерно-геологических изысканий;
- задействование буровых установок и специального оборудования;
- стабилизация теплоотдачи на 2-3 сезон эксплуатации.
Наклонный контур
Для установки теплового насоса с наклонным контуром требуется участок площадью всего 4 м2. Бурение скважин возможно даже в подвале дома.
В заранее обустроенной шахте глубиной 4 м в разные стороны под углом бурятся скважины. В них укладываются трубы, соединенные с расположенным в доме теплоприемником.
Во избежание промерзания грунта от наклонного контура пространство между землей и трубами заполняется строительным раствором с низкой теплопроводностью.
Размещение теплового насоса «грунт-вода» с наклонным контуром
«Вода-вода»
Для получения тепла используются грунтовые воды. Они имеют постоянную температуру (более +7°С) и расположены на различной глубине.
Подземные воды из скважины поднимаются посредством центробежного насоса и поступают на станцию тепломассообмена, где происходит передача энергии антифризу нижнего контура ТН. Эффективность работы теплонасоса зависит от глубины грунтовых вод и удаленности скважины от станции.
Организация отопления и горячего водоснабжения по принципу «вода-вода» имеет ряд ограничений по использованию:
- необходимость обустройства дренажного колодца для отработанных вод;
- отсутствие или значительная глубина залегания грунтовых вод;
- нестабильность дебета скважины;
- необходимость учета загрязненности и солевого состава воды во избежание засорения теплообменника.
Заборная вода должна отвечать следующим параметрам: содержание магния и железа — менее 0,5 мг/л, общая доля хлоридов — не выше 300 мг/л. Выпадающие в осадок вещества должны полностью отсутствовать. При превышении допустимых концентраций требуется монтаж станций обессоливания и водоподготовки.
Монтаж систем «вода-вода» рационален, если в непосредственной близости расположена река либо иной водоем. Устройство отопления возможно только с закольцованным контуром, а в качестве теплоносителя должна применяться только вода.
Тепловой насос «вода — вода»
Преимущества и недостатки тепловых насосов
Популярность тепловых насосов, используемых как для бытовых, так и для производственных нужд, обусловлена такими преимуществами:
- Экономичность и эффективность. Для подачи в систему отопления 1 кВт•ч тепловой энергии расходуется всего 0,2-0,3 1 кВт•ч электроэнергии.
- Возможность использования во всех регионах.
- Экологичность. При работе теплонасоса не выделяются продукты горения, потребление электроэнергии крайне низкое. Используемый хладагент безопасен для окружающей среды, не содержит хлоруглеродов.
- Многофункциональность. Тепло, взятое у природы, можно направлять на обогрев дома зимой или охлаждение его летом, для организации ГВС, подогрева воды в бассейне.
- Безопасность. Отсутствие строгих требований к системам вентиляции помещений, высокий уровень пожарной безопасности.
- Бесшумность работы, компактность.
- Возможность автоматического управления работой системы, в том числе удаленного — через интернет.
К недостаткам относятся:
- высокая стоимость оборудования и работ по его монтажу;
- необходимость в качественном утеплении дома.
Главным недостатком теплонасосов любого типа является недостаточный нагрев воды. Как правило, температура ее редко превышает 50-60°С.
Использование тепловых насосов — экономичное решение для эффективного обогрева и снабжения горячей водой частного дома. Оборудование абсолютно безопасно как для человека, так и для окружающей среды.
Предлагаем видео о ТН (виды, цены, эффективность):
