Тепловой насос для отопления дома: принцип действия устройства, преимущества, виды и монтаж

Принцип работы теплового насоса

Согласитесь: все вышеупомянутые достоинства теплового насоса выглядят несколько фантастично. Особенно КПД на уровне 300-500 процентов. Однако, все достоинства тепловых агрегатов – это не вымысел, а угрожающая энергетическим компаниям реальность.

Секрет подобной эффективности кроется в оригинальном принципе работы насоса, который, в кратком изложении, заключается в следующем: циркулирующая по трубам среда отбирает тепло у источника с низким потенциалом (воздух, грунт, скальные породы, вода) и сбрасывает его в выбранной потребителем точке.

То есть, перед нами «вывернутый» холодильник: отбирающий тепло у потенциальных источников с помощью испарителя и отдающий энергию потребителю посредством конденсатора.

Подробная схема работы

В итоге, при более детальном рассмотрении схема работы тепловых агрегатов выглядит следующим образом:

Схема теплового насоса

На глубине 5-6 метров в грунте монтируют циклический трубопровод с теплоносителем, в который встроен особый радиатор – испаритель. Причем эта глубина выбрана не случайно – на такой отметке температура держится выше нуля в любое время года.
К испарителю подводят второй трубопровод с залитым хладагентом. Под высоким давлением хладагент вскипает даже при одном градусе Цельсия. Причем процесс испарения, как известно из школьного курса физики, сопровождается поглощением энергии, отбираемой у циркулирующего в грунте теплоносителя.
Пары хладагента выкачиваются из трубопровода компрессором, который не только транспортирует эту среду по арматуре, но и генерирует еще большее давление, провоцирующее дополнительный разогрев хладагента.
Далее перегретые пары хладагента закачиваются (тем же компрессором) в конденсатор, где происходит трансформация агрегатного состояния вещества (пар превращается в жидкость). А все те же основы термодинамики утверждают, что при конденсации газообразной среды происходит выделение энергии.
Выделенное тепло, генерируемое в конденсаторе, поглощает уже третий трубопровод – система теплоснабжения жилища. То есть конденсатор выступает в роли газового или электрического котла. Ну а вернувшийся в жидкое состояние хладагент возвращается к испарителю, проходя сквозь регулирующий дроссель.

Нюансы планового обслуживания воздушных тепловых насосов

Для того чтобы тепловой насос отслужил весь положенный ему срок, необходимо время от времени выполнять несложные манипуляции по его обслуживанию. В план таких мероприятий входит:

Своевременная чистка наружного блока насоса. Главным образом это касается основания вентилятора и теплообменника.
Плановая проверка герметичности системы циркуляции хладагента.
Замена масла в компрессорной установке и смазка подвижных частей вентилятора.
Проверка кабелей электропитания.

На выполнение данных действий не нужно тратить много сил, зато они позволят сохранить теплонасос в идеальном состоянии долгое время.

Что такое тепловой насос для отопления частного дома? Как работает?

Специальное устройство, которое способно извлекать тепло из окружающей среды называется тепловой насос.

Применяются такие приборы в качестве основного или дополнительного метода обогрева помещений. Некоторые устройства также работают на пассивное охлаждение здания — при этом насос применяется как для летнего охлаждения, так и для зимнего обогрева.

В качестве топлива используется энергия окружающей среды. Такой обогреватель извлекает тепло из воздуха, воды, грунтовых вод и так далее, поэтому это устройство относят к классу возобновляемых источников энергии.

Важно! Для работы таких насосов требуется подключение к электросети. В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан

В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства

Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан. В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло).

Большинство приспособлений работают как при положительных, так и при отрицательных температурах, однако КПД устройства напрямую зависит от внешних условий (т. е. чем выше температура окружающей среды, тем мощнее будет устройство). В общем случае прибор работает следующий образом:

Тепловой насос вступает в контакт с окружающими условиями. Обычно аппарат извлекает тепло из земли, воздуха или воды (в зависимости от типа устройства).
Внутри прибора установлен специальный испаритель, который заполнен хладагентом.
При контакте с внешней средой хладагент закипает и испаряется.
После этого хладагент в виде пара поступает в компрессор.
Там он сжимается — благодаря этому серьёзно повышается его температура.
После этого разогретый газ поступает в систему отопления, что приводит к нагреванию основного теплоносителя, который и используется для отопления помещений.
Хладагент понемногу охлаждается. В конце он превращается обратно в жидкость.
Потом жидкий хладагент поступает в специальный клапан, который серьёзно понижает его температуру.
В конце хладагент вновь попадает в испаритель, после чего цикл нагрева повторяется.

Фото 1. Принцип работы теплового насоса типа грунт-вода. Синим цветом показан холодный теплоноситель, красным — горячий.

Преимущества:

Экологичность. Такие устройства относятся к возобновляемым источникам энергии, которые не загрязняют атмосферу своими выбросами (тогда как в случае использования природного газа образуются вредные парниковые испарения, а для производства электроэнергии часто применяется сжигание угля, из-за чего также загрязняется воздух).
Хорошая альтернатива газу. Тепловой насос идеально подойдёт для отопления помещений в случаях, когда использование газа затруднительно по тем или иным причинам (например, когда дом находится вдали ото всех основных инженерных сетей). Насос также выгодно отличается от газового отопления тем, что для установки такого прибора не требуется получать государственное разрешение (но при бурении глубокой скважины его все же придётся получить).
Недорогой дополнительный источник тепла. Насос идеально подойдёт в качестве дешёвого вспомогательного источника питания (оптимальный вариант — применение газа зимой и насоса — весной и осенью).

Недостатки:

Тепловые ограничения в случае использования водяных насосов. Все тепловые аппараты хорошо функционируют при положительных температурах, тогда как в случае работы при отрицательных температурах многие насосы перестают работать. В основном это связано с тем, что при этом вода замерзает, что делает невозможным её применение как источника тепла.
Могут появиться проблемы с устройствами, которые в качестве тепла используют воду. Если для нагрева применяется вода, то потребуется найти её стабильный источник. Чаще всего для этого следует пробурить скважину, благодаря чему расходы на монтаж устройства могут возрасти.

Внимание! Насосы обычно стоят в 5—10 раз дороже газового котла, следовательно использование таких приборов в целях экономии в ряде случаев может быть нецелесообразно (чтобы насос окупился, потребуется подождать несколько лет)

Как работают тепловые насосы воздух вода

Схема работы воздушного теплового насоса скопирована с холодильника или кондиционера, а именно:

Низкокалорийный энергоноситель (воздух), кипятит хладагент, залитый в циклический контур, который соединяет испаритель (улавливатель тепла) с конденсатором (тепловым излучателем).
В конденсаторе пары хладагента переходят в иное агрегатное состояние (жидкость) и отдают энергию отопительной системе.
После этого жидкий хладагент вновь уходит к испарителю, где превращается в пар. И все начинается сначала.

То есть, в работе используется все тот же обратный принцип Карно, но главной частью установки является не испаритель, аккумулирующий тепло из окружающего пространства, а конденсатор, отдающий накопленные калории потребителю.

Принцип действия теплового насоса воздух-вода

При этом цикличность работы установки обеспечивает особый компрессор, который не только прокачивает хладагент по контуру, но и сжимает его, увеличивая тем самым теплоотдачу на конденсаторе. Впрочем, это не единственный силовой агрегат установки – тепловой насос оборудован достаточно мощным вентилятором, который обдувает испаритель.

Ну а в качестве потребителя тепла выступает либо конвектор, разогревающий воздух внутри комнаты, либо система «теплый пол» или иные радиаторы с большой площадью.

Причем конвектор с конденсатором монтируют в помещении, а испаритель с вентилятором – либо снаружи, на фасаде, либо во внутренней части вытяжной ветви вентиляционной системы.

Как подобрать тепловой отопительный насос воздух-вода

Правильно выбрав тепловой насос для отопления дома воздух-вода, можно раз и навсегда решить вопрос обогрева жилых и промышленных помещений. Подбор подходящей тепловой станции выполняют следующим образом:

Тип корпуса – производители предлагают две базовых конструкции. Низкотемпературный моноблочный тепловой насос типа воздух-вода примечателен тем, что в помещении не устанавливается никакого оборудования, все необходимые узлы расположены на улице (либо в отдельном изолированном помещении). В дом входит только подающий и обратный трубопровод отопления. Сплит – системы, больше предназначены для бытового использования. Внешний блок устанавливается на улице и подключается к емкости накопителю. Разогретый фреон разогревает конденсатор, который методом косвенного нагрева передает тепло жидкости, используемой в качестве теплоносителя.
Функциональные возможности – некоторые модели предназначены для подключения только к системе водяного обогрева здания. Применение других теплонасосов воздух-вода, подходит для отопления и горячего водоснабжения.
Зависимость производительности от температуры окружающей среды – бытовые модели обычно ограничены температурой от +45°С до -15°С, можно приобрести оборудование, способное вырабатывать тепловую энергию даже при -25-32°С. Эффективность системы отопления дома с ТН воздух – вода, напрямую зависит от этого параметра.

Дополнительно, к параметрам при выборе, обращают внимание на мощность оборудования, компанию производителя, выпускающую теплонасос и себестоимость установки, включая проведение монтажных работ

Как сделать расчет необходимой мощности ТН воздух-вода

Существует два понятия, предварительный (в первом приближении) и проектный расчёт мощности. Первый можно выполнить самостоятельно, второй делает специализированное учреждение. В первом приближении, на каждый квадратный метр рассчитывают 70 Вт мощности ТН. Дальнейшие расчеты выполняют следующим образом:

Подсчитывают общую отапливаемую площадь.
Умножают полученную сумму на 0,7.
Полученный результат будет соответствовать минимально необходимой мощности оборудования.

Чтобы обеспечить максимальную экономичность отопления дома с помощью теплового насоса системы воздух-вода, потребуется грамотная проектная документация и квалифицированное выполнение монтажных работ.

Производители тепловых насосов отопления воздух-вода

Буквально 10 лет назад, на рынке предлагались всего несколько моделей тепловых насосов. Сегодня выбор стал намного больше. Ведущие немецкие производители, российские, японские и китайские компании, выпускают оборудование, с той или иной долей теплоэффективности.

Судя по отзывам покупателей, наиболее востребованными являются насосы следующих компаний:

Viessmann – более 30 лет занимается выпуском тепловых насосов. С тех пор, продукция компании существенно изменилась. Были учтены пожелания потребителей, внедрены новые технологии. В ТН Viessmann используется инновационная автоматика, полностью регулирующая весь процесс работы, оптимизирующая процесс обогрева, в согласии с погодными условиями.
Buderus – модели отличаются высокой производительностью. Предназначены для бытового и промышленного применения. Полностью соответствуют особенностям отечественной эксплуатации. В серии Buderus предлагаются насосы для обогрева площади до 500 м² и выше.
Stiebel Eltron – еще одна немецкая компания, пользующаяся неизменным спросом у отечественного потребителя. В качестве достоинств можно выделить большой ассортимент предлагаемого оборудования, функциональность устройств и возможность подбора по индивидуальным запросам. Модели Stiebel Eltron имеют высокий уровень СОР и отличаются экономичностью.
Heliotherm – австрийские теплонасосы, имеющие один из лучших показателей СОР среди всего термального оборудования. Имеют официальное представительство в РФ, что во многом облегчает монтаж, обслуживание систем и выполнение гарантийных обязательств. Теплонасосами Heliotherm оснащены более 15 000 различных объектов.

Стоимость установки ТН воздух-вода

Последние модели тепловых насосов обойдутся в 160-1200 тыс. руб. Цена варьируется, в зависимости от производителя. На стоимость сильно влияет «раскрученность» бренда. Китайские модели, имеют меньшую цену, но и уступают по надежности и показателям СОР.

Монтаж теплонасосов воздух-вода обычно входит в стоимость. Большинство производителей, дополнительно, бесплатно делают проект и предоставляют другие услуги по обслуживанию. Рассчитать полную стоимость, включая покупку ТН и его установку можно с помощью он-лайн калькуляторов.

Монтаж теплового насоса воздух-воздух раздельного типа

Монтаж ТН такого типа похож на установку кондиционера по своему принципу. Нужно разместить наружный блок с испарителем на улице и внутренний – в помещении. Между собой они связаны медной трубкой с термоизоляцией, по которой проходит хладагент (фреон).

При выборе места стоит помнить, что чем дальше разнести блоки, тем больше потерь тепла будет. Спецы говорят, что между ними должно быть не более 5 метров трассы, но часто такое нельзя реализовать (см. фото). Особенно, если речь об обеспечении теплом большого дома. Трубки должны быть обязательно утеплены, причем не подручными средствами, а специальной теплоизоляцией, желательно с металлизированным покрытием.

Слишком большое расстояние и длина трубок — дополнительные потери тепла и снижение КПД.

Некоторые тепловые насосы имеют возможность подключить несколько внутренних блоков к одному наружному. В таком случае они должны иметь собственные пульты для регулировки температуры. По сути, это аналог мультизонального кондиционера.

Место установки наружного блока теплового насоса

Чтобы тепловой насос лучше функционировал, нужно правильно выбрать место для монтажа наружного блока. Его лучше установить с ветреной стороны, чтобы испаритель хорошо отбирал тепловую энергию.

Внешний блок воздушного теплового насоса нужно устанавливать на достаточном расстоянии от земли. Его не должно заносить снегом. Если установить его ниже 0,5 метра над землей, под ним будут образовываться снежные заносы. Чем выше расположен вешний блок, тем лучше его обдувает ветер.

Для защиты от осадков желательно поставить козырек над блоком. Избыток влаги осенью и весной могут приве6сти к обмерзанию ламелей радиатора испарителя. Это приведет к снижению COP (КПД) теплового насоса.

Монтаж медных трубок

Медные трубки нужно гнуть с помощью специальных трубогибов (см. фото). Они не универсальные, рассчитаны на разный диаметр труб. Так как плотность их стенок зависит от сечения, то и диаметр круга трубогиба зависит от диаметра трубки.

Профессиональный трубогиб для медных трубок.

Иногда с тепловым насосом поставляют медную трубу для монтажа. Иногда на ней есть резьба для соединения, а на патрубках теплонасоса – ответная резьба. Длина трубки редко подходит для нужд, ее надо либо нарастить, либо обрезать. В обоих случаях придется паять.

Есть два способа скрепить медь – спаять и сварить. Сварка более надежна, но хлопотна. Поэтому большинство монтажников прибегают к пайке, главное – чтобы расходный материал был качественным, иначе со временем будут происходить просечки. Фреон в состоянии газа легко выходит через любые отверстия. Поэтому даже микротрещины – большая проблема.

Запуск теплонасоса

При пуске теплонасоса нужно чтобы давление в магистрали было таким, как указал производитель. Чтобы его обеспечить используют манометрическую станцию, вентиль или аналогичный инструмент.

Если в трубках останется воздух, вместе с ним попадет и влага. Даже небольшого ее количества хватит, чтобы компрессор начал быстро изнашиваться. При работе ТН она кристаллизуется и кристаллы льда повреждают рабочие части оборудования. Поэтому перед закачкой фреона из магистрали нужно откачать воздух вакуумным насосом.

Важно
Если моноблок или наружный блок теплового насоса перевозили в горизонтальном состоянии, нельзя запускать его сразу после подключения. Он должен простоять в рабочем положении три и более часа, а лучше — день.. Холодильное масло должно стечь в нижнюю часть системы, чтобы предотвратить ее повреждение

Холодильное масло должно стечь в нижнюю часть системы, чтобы предотвратить ее повреждение.

Монтаж воздушного теплового насоса можно представить как такой алгоритм действий:

Выбор места для наружного и внутреннего блока;
Монтаж магистрали из медных трубок с термоизоляцией;
Спайка (сварка) трубок;
Закачка хладагента;
Контроль давления.

После того как все шаги сделаны, можно запускать тепловой насос. Что касается теплонасосов воздух-воздух, с ними редко бывают проблемы. Они просты в эксплуатации, а установить, подключить и запустить его сможет любой при наличии нужного инструмента.

Как видим, монтаж теплового насоса воздух-воздух раздельного типа намного сложнее чем установка моноблока. По существу этот процесс схож на установку кондиционера. Поэтому с ним не так тяжело справиться, имея соответствующие навыки. Но лучше не рисковать и воспользоваться помощью профессионалов.

Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!

Устройство и принцип работы

Для сборки действующей модели теплового насоса не обойтись без знания теории, а точнее, принципа действия этого устройства. Хотелось бы изначально отметить, что утверждения о КПД в 300, 500 и 1000% — это миф или просто маркетинговый ход, рассчитанный на незнание рядовым пользователем законов физики. Так вот, тепловой насос – это устройство, берущее тепловую энергию в одном месте и перемещающее ее в другое с определенным КПД, не превышающим 100%. В отличие от котельных установок, он самостоятельно тепло не производит.

Примером могут служить домашние холодильники и кондиционеры, чья конструкция основана на так называемом цикле Карно, его же использует принцип работы теплового насоса для отопления или ГВС. Суть этого цикла заключается в движении вещества (рабочего тела) по замкнутой системе и меняющего свое агрегатное состояние с жидкого на газообразное и наоборот. В момент перехода выделяется или поглощается огромное количество энергии.

Чтобы пояснить на более доступном языке, перечислим основные элементы, которые включает в себя устройство теплового насоса:

компрессор;
теплообменник, где рабочее тело переходит в газообразное состояние (испаритель);
теплообменник, в котором рабочее тело конденсируется (конденсатор);
расширительный (редукционный) клапан;
средства управления и автоматики;
магистрали из медных трубок.

В качестве рабочего тела выступает вещество, закипающее при низких температурах – фреон. Циркулируя по трубке в виде жидкости, первым делом он попадает в испаритель. После взаимодействия с теплоносителем от внешнего источника (воздух, вода, грунт) рабочее тело испаряется и продолжает свое движение в виде газа. На этом участке давление в системе — низкое. Всю цепочку цикла отражает принципиальная схема теплового насоса:

Пройдя компрессор, фреон под давлением движется ко второму теплообменнику, где ему предстоит сконденсироваться и передать полученное тепло воде, снова приняв жидкое состояние. Далее, рабочее тело попадает в расширительный клапан, давление снова падает и оно продолжает свой путь к испарению. Цикл завершен.

Заводские теплонасосы для жилого дома способны выдавать теплоноситель с температурой 55—60 ºС, этого достаточно для обогрева помещений радиаторами либо теплыми полами. При этом вся система отопления затрачивает электроэнергию на такие цели:

питание компрессора;
вращение роторов циркуляционных насосов наружного и внутреннего контура;
питание средств автоматики и контроля.

Плюсы и минусы теплового насоса «воздух-вода»

Воздушный тепловой агрегат использует самую дешевую энергию. Наряду с высоким КПД он также привлекает покупателей такими преимуществами:

Экономит электричество. Установки, как правило, имеют сертификаты энергоэффективности класса А, А+ или А++ (стандарты ЕС).
Работает тихо.
Просто программируется. Может управляться автономно.
В отличие от систем «земля-вода» и «вода-вода», для монтажа первичного контура не требуется бурения скважин, прокладки труб и т.п. Достаточно вентилятора, установка которого проще и гораздо дешевле.
Доступен для монтажа на высоте нескольких этажей в условиях города. Для земляных и водных «коллег» нужен участок земли или водоём. Соответственно, нет потребности в дополнительных документальных разрешений от контролирующих органов.
Пригоден для модификации и объединения с системой вентиляции. Тем самым, поможет улучшить воздухообмен в помещении.

Работа теплового насоса

Разумеется, подобная система отопления имеет и недостатки:

Чем холоднее, тем ниже КПД. При температуре ниже -7°С эффективность бытового воздушного теплового насоса, по законам физики, будет очень низкой. Очень мощный промышленный, которым обогревают офисы, социальные учреждения и т.п., способен выдержать до -25°С.
Зависимость от сети. Аппарат не будет работать, если прекратится подача электричества.

Из этого следует

Теплонасосы зарекомендовали себя как удобный и экономичный дополнительный источник тепла, подходящий в первую очередь для низкотемпературного обогрева домов — теплого пола, потолочной или плинтусной системы.

Такая установка может взять на себя обеспечение дома теплом в течение всего отопительного периода за исключением экстремально холодных дней, если речь идет не о геотермальном теплонасосе, функциональность которого не зависит от капризов природы. Поэтому параллельно отопительная система должна быть подключена к обычному котлу.

Чтобы по максимуму использовать получаемую тепловую энергию, необходимо позаботиться о качественном утеплении дома, обогреваемого такой установкой. Недостатком является высокая стоимость монтажа по-настоящему эффективной установки.

Видео по теме:

https://youtube.com/watch?v=2pEnKfMgf7g

Вывод

Тепловые насосы «воздух-вода» чаще используются в схеме отопления в новых и реконструируемых зданиях. В густонаселённых районах могут возникнуть проблемы с шумом при эксплуатации этих систем. Поэтому рекомендуется проводить оценку шума на ранней стадии.

Помимо проверки того, соответствует ли тепловой насос предельному значению постановления о защите от шума, необходимо также учитывать принцип предосторожности. Это означает, что шум оборудования также должен быть снижен до такой степени, насколько это технически и оперативно возможно и экономически целесообразно

Учитывайте соразмерность.

При использовании теплонасосов «воздух-вода» получите следующие преимущества:

Автоматическая система отопления с бесплатным источником энергии
Сравнительно низкие инвестиционные затраты
Подходит для нового строительства и модернизации
Возможна последующая установка
Отсутствие пыли и неприятного запаха
Различные возможности финансирования.

Желаю сделать правильный выбор для обогрева.

Тепловой насос для отопления дома