Как устроен и как работает тепловой насос

Тепловой насос это один из способов обогрева жилых домов. Он является альтернативой (или дополнением) традиционному газовому отоплению. Кроме функции обогрева он также работает и на пассивное охлаждение здания, тем самым совмещая в себе две функции: обогрев зимой и охлаждение летом.

Характеристики дома, отапливаемого тепловым насосом

Этот дом отапливается двумя тепловыми насосами: воздушным и геотермальным. Он имеет три этажа, общая площадь составляет 220 квадратных метров. Основание из кирпича (полтора кирпича 40 см), сделано утепление по стенам в 200 мм и кровля 300 мм. То есть сделано хорошее утепление, и теплопотери минимальные. И, нужно заметить, что утеплению нужно уделить максимум внимания, так как минимальные теплопотери позволяют добиться хорошего COP (коэффициента преобразования энергии). С чем это связано? С тем, что при маленьких теплопотерях нам не нужно поддерживать высокую температуру в отопительной системе. Так как, чем выше температура в отопительной системе, тем ниже COP.

Принцип действия

Теплонасос представляет собой комплект оборудования, задачей которого является сбор тепловой энергии и ее доставка к потребителю. Источником теплоэнергии может быть любая среда либо тело с температурой выше 1 градуса. Чтобы глубже разобраться с принципом работы этих устройств, следует познакомиться с их функциональными особенностями:

  • Агрегат не производит теплоэнергию самостоятельно.
  • Для работы теплонасоса необходима электроэнергия.
  • В основе принципа работы аппарата лежит цикл Карно, используемый во всех холодильных установках.
Принцип действия

За последнее время технология изготовления тепловых насосов значительно улучшилась. Современные агрегаты способны забирать тепловую энергию из воздуха с температурой до -30 градусов, а также воды и почвы – до 2 градусов. В цикле Карно рабочим телом является фреон. Это газообразное вещество начинает кипеть при минусовой температуре. Хладагент последовательно испаряется и конденсируется в двух теплообменных камерах, поглощая при этом энергию из окружающей среды. Затем он транспортирует ее к потребителю.

Схема теплового насоса аналогична принципу действия кондиционера, работающего на обогрев:

  • Пока фреон находится в жидком состоянии, хладагент циркулирует по трубам теплообменника. Забирая теплоэнергию из окружающей среды, фреон закипает и начинает испаряться.
  • Затем газ попадает в компрессор, который повышает давление до нужного значения. В результате точка кипения хладагента повышается, и вещество конденсируется при более высокой температуре.
  • Проходя через внутреннюю теплообменную камеру, фреон отдает накопленную энергию теплоносителю и снова переходит в жидкое состояние.
  • После этого газ поступает в ресивер и дроссель. Когда давление вещества снижается, рабочий цикл повторяется.
Принцип действия

Чтобы понять принцип действия агрегата и узнать, как устроен тепловой насос, должна быть изучена схема.

Как работает тепловой насос

Конструкцию «умножителя тепла» предложил еще в 1852 году лорд Кельвин. В его работе использовался основной принцип теплового насоса – постепенный отбор низкотемпературного тепла, его накопление и отдача в виде энергии с высокой температурой. Данный процесс был описан «циклом Карно» в далеком 1824 году.

С тех пор прошло немало лет, а с тепловым насосом сейчас знаком каждый ребенок и стоит он на любой кухне. Вы не ослышались, ведь ваш холодильник – это тот же тепловой насос, только работающий в других целях. Вы ведь замечали, как нагревается задняя стенка холодильника? А задумывались ли вы о том, что его повышенная температура – не что иное, как тепло, отобранное агрегатом у продуктов, которые вы загрузили в него после похода в супермаркет.

Как работает тепловой насос

Принцип действия теплового насоса

Похожим образом функционирует и тепловой насос. Основным его элементом является мощный компрессор, позволяющий создавать высокое давление. К нему присоединен испаритель – радиатор из тонких трубок с высокой теплопроводностью. При работе компрессор нагнетает теплоноситель, в роли которого выступает хладагент. Это вещество способно кипеть и испаряться при низкой температуре. Компрессор создает давление в десятки атмосфер, поэтому хладагент испаряется даже при отрицательных температурах. На входе в испаритель сечение трубопровода уменьшается до диаметра в десятые доли миллиметра, происходит распыление хладагента и он переходит из жидкой фазы в газообразное состояние, при этом поглощая тепло.

Читайте также:  Gsm модуль для котлов отопления: как управлять котлом на расстоянии

Далее на пути теплоносителя установлен конденсатор, в котором хладагент отдаёт тепло радиатору, охлаждается и снова превращается в жидкость, а затем возвращается в компрессор. Такой цикл повторяется многократно. При этом доля энергии, которую потребляет компрессор теплового агрегата, составляет около 20% от производимого им количества теплоты. Остальные 80% он «заимствует» у окружающей среды. Так как тепловой энергией обладает любой предмет, имеющий температуру выше абсолютного нуля, отобрать эту энергию можно при условии, что температура рабочего тела будет еще ниже. С этой ролью отлично справляются современные хладагенты.

Тепловую энергию насос может брать как из геотермальных источников, так и из атмосферы. Важной особенностью современных агрегатов является возможность работы не только на обогрев, но и на кондиционирование помещения в тёплое время года.

Как работает тепловой насос

Современные тепловые насосы – высокотехнологичные агрегаты

Принцип работы тепловых насосов

Принцип работы современного теплового насоса разработан инженером Карно. Обогрев жилья выполняется по определенному циклу. Прежде всего, используется специальный хладагент – газ, подобный фреону. Через тончайшие капилляры он под очень высоким давлением попадает в специальную камеру. Там давление значительно меньше, чем то, которое воздействовало на газ – и благодаря этому происходит довольно быстрое испарение.

Испаряясь, газ забирает тепло у стенок испарительной камеры. В последней из камер происходит активный отбор тепла у используемого контура (водного, земляного, воздушного). После этого хладагент, который находится в парообразном состоянии, сжимается посредством применения специального компрессора. Именно в этот момент и наблюдается значительное повышение температуры газа – а сам он перемещается в специальный отсек – конденсатор. Примерная температура газа в конденсаторе – 85-125 градусов.

Рекомендуем к прочтению:Насос для котла отопления

Принцип работы тепловых насосов

Принцип работы тепловых насосов

Именно от этого тепла и происходит прогрев теплоносителя – это делается в специальном теплообменнике. А горячий теплоноситель легко перемещается по отопительной системе при помощи циркуляционного насоса. В том же конденсаторе происходит и охлаждение хладагента. А он, остывая, вновь возвращается к капиллярам. Именно таким образом цикл Карно постоянно повторяется.

Расчет отопления дома с тепловым насосом

Для нормальной работы теплоперекачивающей установки необходима качественная теплоизоляция здания. Поэтому перед покупкой теплового насоса необходимо утеплить стены, пол и потолки, после чего выполнить расчет тепловых потерь (Q).

Упрощенная формула подсчета количества тепла (Вт), уходящего из дома через ограждающие конструкции (стены, окна, пол, потолок) выглядит так:

Q = S х (разница температур воздуха в помещении и на улице)/ Rт.

S –площадь ограждающей конструкции в м2;

Rт – тепловое сопротивление материала ограждающей конструкции (берут из таблиц СНиП по строительной теплотехнике).

Поочередно подсчитав теплопотери стен, окон, пола и потолка их суммируют и получают количество киловатт, теряемых домом за 1 час в самый холодный период года. Мощность теплонасоса должна быть не меньше суммарной величины теплопотерь. Если кроме отопления установка будет греть воду для бытовых нужд, то ее мощность увеличивают на 20%.

Выбирая теплонасос «воздух-воздух» или «воздух-вода» следует ориентироваться на тепловую мощность, которую он развивает в области низких температур, поскольку она значительно ниже мощности при работе в теплый период года.

В качестве примера приведем параметры воздушно-водяной установки NIBE FIGHER F2300-14. Работая в температурном диапазоне от +7 до + 45С, она выдает около 18 кВт, а при температуре воздуха -15С всего 10,7 кВт.

Общий принцип работы

Технологически тепловой насос работает по знакомому всем циклу Карно, серии преобразований состояний вещества. Такие слова могут быть совершенно чужими большинству пользователей. Однако практически каждый из них имеет дома минимум одно устройство, основанное на данном физическом процессе.

Говоря простыми словами, тепловой насос представляет собой холодильник. Любая бытовая модель, где горожане привыкли хранить мясо и напитки — это нагреватель с КПД более 100%. Работает все следующим образом:

  • холодильник отнимает тепло от помещенных в него продуктов и передает его на решетку радиатора, а, следовательно — в пространство помещения;
  • одновременно идет нагрев воздуха компрессором.

В итоге, затрачивая какое-то количество электроэнергии, пользователь получает два источника тепла, один из которых (отнятая у продуктов энергия) полностью бесплатен.

Читайте также:  Двухконтурный электрический котел – нужен ли он?

Именно таков принцип работы теплового насоса. Устройство имеет обратную функциональную схему в сравнении с холодильником — в нем полезным и отвечающим за конечную эффективность узлом является теплообменник, решетка радиатора. Работает все следующим образом:

  • контур отбора тепла находится снаружи помещения, в окружении среды стабильной температуры;
  • во время работы теплового насоса температура рабочего тела принудительно снижается естественными физическими процессами ниже показателей окружающей среды;
  • происходит отбор тепла рабочим телом, интенсивность которого зависит от образованной разницы температур;
  • рабочее тело поступает в контур преобразования состояния и теплообменник помещения;
  • происходит отдача энергии воздуху или другой среде;
  • рабочее тело в исходном состоянии подается в начало цикла (контур отбора тепла).

Такая схема отопления имеет ряд достоинств и недостатков. Однако в оптимальных условиях тепловой насос показывает значительную экономию. Для обогрева дома потребуется на 70-80% меньше затрат в сравнении с классическими системами газовых и твердотельных котлов.

Конечная эффективность теплового насоса зависит от множества факторов. Некоторые технологические решения способны решать только ограниченный ряд задач. Другие предполагают сложный монтаж теплового насоса.

Сегодня существует ряд бытовых приборов, владельцы которых и не подозревают, что в них применяются инновационные, революционные идеи отбора тепла окружающей среды. Причем это может происходить даже при отрицательной температуре воздуха за окном. Это кондиционеры с функцией отопления, которая, собственно, и построена на механике теплового насоса. Принципы работы таких устройств класса воздух-воздух будут рассмотрены позже.

Выводы

Тепловой насос это один из альтернативных способов отопления частного дома. Он извлекает тепло из окружающей среды и посредством электроэнергии преобразовывает его в тепловую энергию.

В каких случаях имеет смысл отапливаться тепловым насосом:

  • Если к месту строительства не подведен газ или стоимость подключения очень высока, то имеет смысл использовать тепловой насос.
  • Как дополнение к основному источнику большей энергонезависимости, экономии газа и страховки на случай длительных и сильных холодов. В этом случае лучше всего использовать воздушный тепловой насос, так как он имеет наименьшие начальные затраты.

В остальных случаях использование теплового насоса неоправданно. Применять насос ради экономии газа не всегда целесообразно. Существует масса других простых и недорогих способов сократить затраты на газ, а также и другие альтернативные источники энергии — например, камины с водяной рубашкой.

Если в вашем регионе преобладают в основном низкие температуры (ниже нуля), то воздушный тепловой насос будет работать с низким КПД – 1:1. А это будет дороже, чем газовое отопление.

Кроме того, каждый тепловой насос имеет свои особенности монтажа и эксплуатации, которые важно учитывать при выборе насоса.

Рекомендуем к прочтению

  1. Где ваш дом теряет тепло? 15 скрытых «утечек тепла» в частном доме о которых вы не догадывались
  2. Двухтарифный счетчик электроэнергии: как платить за электричество в два раза меньше
  3. Зеленый тариф в Украине. Как продавать электроэнергию государству? 

Что такое тепловые насосы и для чего они применяются

Тепловой насос «Вода-вода»: принцип работы

Также не стоит сразу отбрасывать возможность использования кинетической энергии воды. Дело в том, что на большой глубине температура остается достаточно высокой и изменяется в небольших диапазонах, если это вообще происходит. Вы можете пойти несколькими путями и использовать:

  • Открытые водоемы, такие как реки и озера.
  • Грунтовые воды (скважина, колодец).
  • Сточные воды (обратное водоснабжение).

С экономической и технической точки зрения проще всего наладить работу геотермального насоса в открытом водоеме. При этом существенных конструктивных отличий между насосами «грунт-вода» и «вода-вода» нет. В последнем случае погружаемые в открытый водоем трубы снабжаются грузом. Что касается использования грунтовых вод, то конструкция и монтаж более сложные. Необходимо выделить отдельную скважину для сброса воды.

Расчет рабочего давления в контуре

Видео

Производя выбор циркуляционного насоса для системы отопления расчет необходимо произвести и по такому показателю как давление внутри трубопровода. Для этого можно воспользоваться соотношением:

Читайте также:  Как и из чего делаются самоделки для отопления дома?

P = (R x L + Z) / p x q, где:

P – величина давления;

R – сопротивление потоку для прямых участков трубопровода;

L – общая длина

Z – величина сопротивления потоку, обусловленная применяемыми в системе фитингами, кранами и прочей арматурой;

р – величина плотности теплоносителя при рабочей температуре;

q – значение ускорения свободного падения.

При недостатке данных для расчета по приведенной формуле, можно воспользоваться упрощенным соотношением:

P = R x L x ZF, где

R – величина сопротивления потоку в прямом участке трубы, составляющая приблизительно 100 – 150 паскалей на 1 метр, выраженное в удобной для расчета форме оно составит 0,01 – 0,015 метра на метровый участок трубы;

L – общая протяженность трубопровода, на двухтрубной схеме отопления учитываются как прямой, так и обратный контур;

ZF – коэффициент увеличения, зависящий от следующих показателей:

  • для системы с шаровыми кранами, для которых несвойственно уменьшение просвета трубопровода, и с правильно подобранными фитингами он принимается равным 1,3;
  • при использовании дроссельных или терморегулирующих устройств его значение составит 1,7.

Видео

Производя выбор циркулярного насоса для системы отопления, расчет его характеристик представляется как необходимая процедура.

Важно! Расчетную величину для любого показателя необходимо увеличить на 15 – 20 %, чтобы не эксплуатировать аппарат на максимальных режимах. Это защитит его от перегрузок и преждевременного выхода из строя.

Практика применения циркуляционных насосов дает возможность их подбора без вычислений необходимых параметров. Рекомендуемые параметры приведены в таблице.

Таблица для эмпирического подбора насоса

Таблица 1.

Отапливаемая площадь (м2) Производительность (м3/час) Марки
80 – 240 От 0,5 до 2,5 25 – 40
100 – 265 Та же 32 – 40
140 – 270 От 0,5 до 2,7 25 – 60
165 – 310 Та же 32 – 60

Примечание: в третьей колонке первая цифра – диаметр патрубков, вторая – высота подъема.

Видео

Воспользовавшись приведенными данными, можно без особых хлопот подобрать нужное устройство для устойчивой и длительной работы.

Основные элементы конструкции тепловых насосов

Для того чтобы установка получения энергии работала согласно принципам работы теплового насоса, в его конструкции должны присутствовать 4 основных агрегата, это:

  • Компрессор.
  • Испаритель.
  • Конденсатор.
  • Дроссельный клапан.

Важным элементом конструкции теплового насоса является компрессор. Его основная функция – повышение давления и температуры паров, образующихся в результате кипения хладагента. Для климатической техники и тепловых насосов в частности применяются современные спиральные компрессоры.

Такие компрессоры рассчитаны на эксплуатацию при минусовых температурах. В отличие от других разновидностей спиральные компрессоры производят мало шума и работают, как при низких температурах кипения газа, так и при высоких температурах конденсации. Несомненным преимуществом считаются их компактные размеры и небольшой удельный вес.

Испаритель как конструктивный элемент представляет собой емкость, в которой происходит превращение в пар жидкого хладагента. Хладагент, циркулируя по замкнутому контуру, проходит через испаритель. В нем хладагент разогревается и превращается в пар. Образующийся пар под низким давлением направляется в сторону компрессора.

В компрессоре пары хладагента подвергаются действию давления и их температура возрастает. Компрессор перекачивает под большим давлением разогретый пар в сторону конденсатора.

Следующий конструктивный элемент системы – конденсатор. Его функция сводится к отдаче тепловой энергии внутреннему контуру отопительной системы.

Серийные образцы, изготавливаемые промышленными предприятиями, оснащаются пластинчатыми теплообменниками. Основным материалом для таких конденсаторов служит легированная сталь или медь.

Терморегулирующий, или иначе дроссельный, клапан устанавливается в начале той части гидравлического контура, где циркулирующая среда высокого давления преобразуется в среду с низким давлением. Точнее дроссель в паре с компрессором делят контур теплового насоса на две части: одну с высокими параметрами давления, другую – с низкими.

При прохождении через расширительный дроссельный вентиль циркулирующая по замкнутому контуру жидкость частично испаряется, вследствие чего давление вместе с температурой падают. Затем поступает в теплообменник, сообщающийся с окружающей средой. Там захватывает энергию среды и переносит ее обратно в систему.

С помощью дроссельного клапана происходит регулирование потока хладагента в сторону испарителя. При выборе клапана нужно учитывать параметры системы. Клапан должен соответствовать этим параметрам.