Тепловой насос для отопления дома: цены, виды, плюсы и минусы

Как работает тепловой насос «воздух-вода»

Тепловой насос – ещё один шаг технологий в сторону энергоэффективности. Система отопления, построенная на его использовании, способна преобразовывать низкопотенциальную энергию внешнего мира (воздух, земля, вода) в высокопотенциальную тепловую, для обогрева дома. За основу взят принцип работы холодильников, но наоборот. Тепловая установка не занимается выработкой тепла, а транспортирует его извне в помещение.

Внимание! 1кВт электрической энергии, которую агрегат тратит на вращение вала компрессора, на выходе (в конденсаторе) даёт примерно 3,5 — 5,0 кВт тепла для обогрева дома.

Установка типа «воздух-вода» функционирует таким образом:

1. Мощный вентилятор наполняет аппарат уличным воздухом.
2. Воздух вступает в контакт с испарителем. Внутри него циркулирует хладагент.
3. Под действием воздуха хладагент (температура 6°С) закипает, испаряется и в газообразном состоянии поступает в компрессор.

   Система отопления дома

4. Компрессор сжимает газ, нагревая его примерно до 75-85°С.
5. Газообразный хладагент под давлением переходит в компрессор, конденсируется, а полученное тепло через теплообменник он передаёт отопительной системе.
6. Жидкий хладагент возвращается в испаритель, проходя по пути через расширительный клапан (температура падает ещё больше). Цикл повторяется.

Совет. Тепловые насосы любого вида специалисты советуют устанавливать в отопительной системе, оснащенной не классическими радиаторами. Лучше подойдут те, которые не нуждаются в высокотемпературном подогреве теплоносителя: воздушное отопление, тёплый пол, радиаторы большой площади и т.п. Подобных приборов в системе должно быть не менее 65%.

Сравнение КПД тепловых насосов: вода, грунт, воздух

Поскольку реально оценить количество энергии, извлекаемой из альтернативного источника, задача достаточно сложная, сделать сравнение КПД тепловых насосов вода, грунт, воздух так же затруднительно. Разумнее сопоставить расходы на эксплуатацию оборудования и эффективность обогрева объекта.

Воздушный тепловой насос

Установка воздушного тн обходится дешевле, но он будет потреблять много электроэнергии. Его эффективность напрямую зависит от температуры окружающей среды. В сильные морозы — ниже -25°С — такое устройство обогрев помещения не обеспечит, есть модели до -40°С.

Водяной тепловой насос

Водяные тн начнут терять эффективность в сильные морозы, внешней энергии будет недостаточно и потребуется дополнительный источник тепла.

Грунтовые тепловые насосы

Грунтовые тн работают стабильно круглый год. Температура земли на глубине является неизменной, поэтому эффективность таких устройств от поры года не зависит. Однако, для бурения скважин и обустройства коллектора необходимо вложение крупных сумм денег, поэтому установка геотермального теплового оборудования оправдана только в расчете на долгосрочную перспективу.

Устройство и принцип работы

Принцип действия кавитационного теплогенератора заключается в эффекте нагрева за счет преобразования механической энергии в тепловую. Теперь более детально рассмотрим само кавитационное явление. При создании избыточного давления в жидкости возникают завихрения, из-за того, что давление жидкости больше чем у содержащегося в ней газа, молекулы газа выделяются в отдельные включения – схлопывание пузырьков. За счет разности давления вода стремиться сжать газовый пузырь, что аккумулирует на его поверхности большое количество энергии, а температура внутри достигает порядка 1000 — 1200ºС.

При переходе кавитационных полостей в зону нормального давления пузырьки разрушаются, и энергия от их разрушения выделяется в окружающее пространство. За счет чего происходит выделение тепловой энергии, а жидкость нагревается от вихревого потока. На этом принципе основана работа тепловых генераторов, далее рассмотрите принцип работы простейшего варианта кавитационного обогревателя.

Простейшая модель

Рис. 1: Принцип работы кавитационного теплогенератора

Посмотрите на рисунок 1, здесь представлено устройство простейшего кавитационного теплогенератора, который заключается в нагнетании насосом воды к месту сужения трубопровода. При достижении водяным потоком сопла давление жидкости значительно возрастает и начинается образование кавитационных пузырьков. При выходе из сопла пузырьки выделяют тепловую мощность, а давление после прохождения сопла значительно снижается. На практике может устанавливаться несколько сопел или трубок для повышения эффективности.

Идеальный теплогенератор Потапова

Идеальным вариантом установки считается теплогенератор Потапова, который имеет вращающийся диск (1) установленный напротив стационарного (6). Подача холодной воды осуществляется с трубы расположенной внизу (4) кавитационной камеры (3), а отвод уже нагретой с верхней точки (5) той же камеры. Пример такого устройства приведен на рисунке 2 ниже:

Рис. 2: кавитационный теплогенератор Потапова

Но широкого распространения устройство не получило из-за отсутствия практического обоснования его работы.

Окупаемость теплового насоса

Оборудование для данной системы стоит несколько дороже обычной котельной на газу или дизтопливе, но ее эффективность и малые затраты на содержание делают данный вариант отопления самым перспективным.

Срок окупаемости правильно настроенной системы составляет не более 2 лет. Если же есть возможность и умение устанавливать тепловые насосы своими руками, то даже при использовании заводского оборудования первоначальные затраты снизятся практически вдвое.

Судить о популярности систем с применением теплового насоса можно, прочитав отзывы владельцев таких отопительных схем. Если вся система собрана правильно, то она ни в коем случае не разочарует. В технически цивилизованных странах уже никто не дожидается повышения цен на энергоносители до критических отметок, начиная экономить прямо сейчас.

Эффективность абсорбционного теплового насоса. Не только КПД

Говорить о коэффициенте полезного действия теплового насоса в классическом понимании этого термина не совсем правильно, поскольку стандартная формула вычисления КПД в этом случае будет некорректна из-за неучтенного бесплатного источника энергии – воздуха, воды или грунта. Ведь помимо греющего источника энергии АБТН использует и низкопотенциальное тепло, которое количественно учесть не всегда представляется возможным. Это и есть основная ошибка при расчёте КПД теплового насоса.

Для оценки эффективности работы абсорбционного теплового насоса применяется коэффициент трансформации (COP — coefficient of performance), который вычисляется следующим образом:

COP=Q3/Q1,

где Q1 – тепло, подведенное с греющим источником, Q3 – полезное тепло на выходе из АБТН.

Количественно, наилучший COP для абсорбционных тепловых насосов составляет 1,7. Для парокомпрессионных тепловых насосов, работающих от электрической энергии, коэффициент трансформации может достигать 5.

Однако, есть как минимум два важных фактора, которые, несмотря на более низкий COP АБТН, делают общую эффективность системы выше.

«Бесплатное» тепло

Во-первых, абсорбционный тепловой насос позволяет отказаться от дополнительного сжигания топлива, используя избытки уже выработанного для других нужд тепла. Рассмотрим самые распространенные источники такого тепла:

Горячая вода

Греющий источник на предприятии часто можно обнаружить в виде горячей воды от существующих котельных установок или иного технологического оборудования. При этом вся тепловая энергия, используемая для процесса абсорбции (и энергия греющего источника, и энергия низкопотенциального контура), полностью возвращается в систему централизованного теплоснабжения.

Пар

Избытки свежего пара или не утилизированный отработанный пар также могут играть роль греющего источника на предприятии. В первую очередь, это пар, получаемый на котлах-утилизаторах в технологических процессах, пар с отборов турбин, от РОУ или турбин с противодавлением.

Дымовые и уходящие газы

Для повышения эффективности котлов центрального отопления традиционным решением является установка экономайзеров для охлаждения дымовых газов и максимальное извлечение энергии.

Однако таким образом происходит только охлаждение дымовых газов до температуры, чуть превышающей температуру в обратном трубопроводе теплосети, а это означает потерю большого количества энергии и ее сброс через дымовую трубу, часто при температуре около 50 °C или выше. При использовании абсорбционного теплового насоса дымовой газ может быть охлажден до температур, как правило, ниже 20 °С, а в лучшем случае и до 10 °С.

Это означает, что имеющаяся тепловая энергия может быть использована в системе центрального теплоснабжения практически полностью.

Оборотная вода

Водооборотные циклы в промышленности применяются повсеместно. Подавляющее большинство предприятий используют открытые циклы оборотного водоснабжения с применением мокрых башенных или вентиляторных градирен. Выше мы рассматривали конкретный пример по использованию низкопотенциального тепла оборотной воды.

Сточные воды

Тепло сточных вод предприятий с температурой менее 40 °С широко используется в мировой практике в качестве дополнительного источника тепла для нагрева сетевой воды. Подобные решения позволяют, помимо прочего, снизить тепловое загрязнение окружающей среды и нагрузку на очистные сооружения, построенные с применением биотехнологий (при повышенных температурах бактерии, отвечающие за очистку сточных вод, погибают).

Работа в круглогодичном режиме

Принимая во внимание отсутствие отопительной нагрузки в летний период, абсорбционные тепловые насосы имеют техническую возможность работать летом в режиме холодильных машин, а поэтому находят свое применение в установках централизованного охлаждения.

В «социальную инфраструктуру» градообразующих предприятий часто входят спортивные объекты, медицинские учреждения, локальные культурные и образовательные центры. Для всех этих объектов вопрос кондиционирования может быть решен с помощью абсорбционных тепловых насосов, работающих в режиме охлаждения, а значит есть возможность организовать холодоснабжение без дополнительных капитальных затрат.

В качестве альтернативного варианта, вырабатываемый холод в летний период может использоваться для нужд самого предприятия в технологических процессах или для охлаждения оборудования.

Таким образом, «социальная» теплофикационная нагрузка на промышленные предприятия из разряда обременения может перейти в разряд преимуществ. В качестве результата собственник производства повышает его энергоэффективность, снижает эксплуатационные затраты на выработку тепла и холода, повышает экологичность производства и усиливает статус социально ответственного предприятия в регионе.

Валентин Рубцов Технический директор компании «Первый инженер» Назад Вперёд

Конструктивные особенности тепловых насосов

В настоящее время используются тепловые насосы, имеющие разные конструкции. Так, насос с открытым циклом применяют, когда дом расположен рядом с водоемом. В этом случае теплоноситель, вода, поступает в открытый контур, проходит весь цикл и, охлаждаясь, вновь сливается в водоем.

Геотермальные насосы закрытого типа прокачивают теплоноситель – воздух или воду, по трубам, заложенным глубоко в землю и проложенным по дну водоема. Закрытый цикл в экологическом плане считается более безопасным. К закрытому типу относятся насосы с вертикальным и горизонтальным теплообменником, которые используются, когда поблизости нет водоемов. Вертикальные тепловые насосы применяются, когда площадь земельного участка, на котором расположен дом, невелика. Иногда вертикальные насосы устанавливают в пробуренных поблизости скважинах.

Рекомендуемый алгоритм выбора центробежного насоса

Чтобы определиться в тем или иным оборудованием, нужно учесть несколько технических моментов. К ним относятся глубина, на которой находится источник перекачиваемой воды. Коэффициент полезного действия показывает на эффективность насоса. Производительность – это объем жидкости, который проходит через выходной патрубок за конкретный промежуток времени.

Погружение насоса в скважинуИсточник

Другая группа параметров связано с мощностью оборудования. Это касается характеристик двигателя и вращений вала, максимального давления во время перекачки и гидравлического при транспортировке (оно снижается). Напор потока указывается в метрах, показывает разницу давлений потока на входном и выходном патрубке. Энергоэффективность – показатель затрачиваемого электричества на выдачу конкретного объёма жидкости.

Тепловые насосы – классификация

Работа теплового насоса для отопления дома возможна в широком температурном диапазоне – от -30 до +35 градусов по Цельсию. Наиболее распространены приборы абсорбционные (переносят тепло посредством его источника) и компрессионные (циркуляция рабочей жидкости происходит за счет электроэнергии). Наиболее экономичны абсорбционные устройства, однако они более дорогостоящие и обладают сложной конструкцией.

Классификация насосов по типу источников тепла:

1. Геотермальные. Забирают тепло воды или земли.
2. Воздушные. Забирают тепло атмосферного воздуха.
3. Вторичного тепла. Забирают так называемое производственное тепло – образующееся на производстве, при отоплении, прочих промышленных процессах.

Теплоносителем может выступать:

• Вода из искусственного или естественного водоема, грунтовые воды.
• Грунт.
• Воздушные массы.
• Комбинации вышеперечисленных носителей.

Насос геотермального типа – принципы устройства и работы

Насос геотермальный для отопления дома использует тепло грунта, которое он отбирает вертикальными зондами или горизонтальным коллектором. Зонды размещаются на глубине до 70 метров, зонд находится на небольшом удалении от поверхности. Такой тип устройства наиболее эффективен, поскольку у источника тепла довольно высокая постоянная в течение всего года температура. Поэтому необходимо затратить меньше энергии на транспортировку тепла.

Тепловой насос геотермального типа

Такое оборудование требует больших затрат на установку. Высокой стоимостью отличаются работы по бурению скважин. Кроме того, площадь, отведенная под коллектор, должна быть в несколько раз больше площади отапливаемого дома либо коттеджа. Важно помнить: земля, где находится коллектор, не может использоваться для посадки овощей или плодовых деревьев – корни растений будут переохлаждены.

Использование воды в качестве источника тепла

Водоем – источник большого количества тепла. Для насоса можно использовать незамерзающие водоемы от 3 метров глубиной либо грунтовые воды при их высоком уровне. Реализовать систему можно следующим образом: трубу теплообменника, отягощенную грузом из расчета 5 кг на 1 метр погонный, укладывают на дно водоема. Протяженность трубы зависит от метража дома. Для помещения в 100 оптимальная протяженность трубы – 300 метров.

В случае использования грунтовых вод необходимо пробурить две скважины, расположенные одна за другой по направлению грунтовых вод. В первую скважину помещают насос, подающий воду на теплообменник. Во вторую скважину поступает уже охлажденная вода. Это так называемая открытая схема сбора тепла. Ее основной недостаток в том, что уровень грунтовых вод нестабилен и может значительно меняться.

Воздух – наиболее доступный источник тепла

В случае использования воздуха в качестве источника тепла теплообменником выступает радиатор, принудительно обдуваемый вентилятором. Если работает тепловой насос для отопления дома по системе «воздух-вода», пользователь получает преимущества:

• Возможность обогреть весь дом. Вода, выступающая в качестве теплоносителя, разводится по приборам отопления.
• При минимальных затратах электроэнергии – возможность обеспечить жильцов горячим водоснабжением. Это возможно за счет наличия дополнительного теплоизолированного теплообменника с емкостью накопительной.
• Насосы аналогичного типа могут использоваться для нагрева воды в бассейнах.

Схема отопления дома воздушным тепловым насосом.

Если насос работает по системе «воздух-воздух», теплоноситель для нагрева помещения не используется. Обогрев производится за счет полученной тепловой энергии. Примером реализации такой схемы может служить обычный кондиционер, установленный на режим обогрева. Сегодня все устройства, использующие воздух как источник тепла, – инверторные. В них переменный ток в постоянный преобразуется, обеспечивая гибкое управление компрессором и его работу без остановок. А это увеличивает ресурс устройства.

Тепловые насосы – оборудование будущего

Эффективность тепловых насосов превосходит эффективность любого другого энергетического оборудования, используемого для отопления и подогрева воды. Отопительный коэффициент теплового насоса в реальности может доходить до значений 6-8. Если учесть постоянно возрастающую стоимость традиционных энергоносителей, то использование такого современного теплового оборудования с каждым годом будет приносить все более существенную экономию. Тепловой насос, использующий дешевую энергию из окружающей среды, отличается длительным сроком эксплуатации и низкими эксплуатационными затратами. За этим энергоэффективным и экологически чистым оборудованием будущее.

Заказать расчет стоимости геотермального насоса можно по телефону +7 495 132 2000 или заполнив онлайн-форму. Технический специалист вышлет Вам информацию на указанный электронный адрес.

Деление по типу рабочего тела

Современные теплонасосы могут использовать газообразное тело или химический жидкий раствор аммиака в роли транспортера тепла. Пригодность той или иной схемы оценивается по нескольким факторам, особенностям систем.

1. Установки, использующие фреон, имеют цикл теплового насоса, основанный на процессах сжатия и расширения газа. Они так или иначе построены на компрессорной схеме. Оборудование обладает привлекательными показателями производительности, однако имеет и недостатки. Хотя средневзвешенное потребление системы в момент рабочего цикла стабильно, проводка сильно нагружается. Кроме этого, теплонасосы с газообразным транспортером тепла не будут полезны в регионах, где нет централизованных сетей электричества или источника питания достаточной нагрузочной способности.
2. Установки испарительного типа, использующие аммиачный раствор, имеют рабочий цикл, основанный на процессе испарения вещества при низких температурах кипения. Сжижение после прохода внешнего теплообменника происходит под действием источника энергии. Это — тепловая горелка. Для нее может применяться практически любое топливо: твердое, бензин, дизель, газ, керосин, в отдельных случаях — метиловый спирт. Поэтому испарительные теплонасосы привлекательны в местах, где нет электричества. Кроме этого, к выбору именно такого оборудования может подтолкнуть дешевизна топлива определенного вида в регионе.

Характер используемого в системе рабочего тела может многое сказать о производительности установки и отдачи мощности. Так, фреонные компрессорные теплонасосы способны на резкий рывок, быстро прогревая помещение. Аммиачные испарительные модели на такие подвиги не способны. Их предпочтительный режим использования — стабильная, постоянная работа с номинальной теплоотдачей.

Принцип работы тепловых насосов «воздух-воздух» и «воздух-вода»

Тепловые насосы типа «воздух-воздух» и «воздух-вода» работают по принципу кондиционера, обходятся дешевле других типов (поскольку не требуется бурить скважину или прокладывать теплопоглощающий контур, не нужно соединять его с отопительной системой), но уступают им в универсальности, поскольку морозный воздух не может дать нужного количества тепла. Поэтому тепловые насосы для отопления дома с таким принципом работы более востребованы в том случае, если необходимо обеспечить горячее водоснабжение или в качестве дополнительного источника тепла. При этом возможны два варианта их устройства:

Сплит. Установка представляет собой два блока (наружный и внутренний), подключенные к инженерным коммуникациям. В наружном блоке установлен мощный вентилятор, во внутреннем – конденсатор и система управления. Компрессор может быть вмонтирован либо во внутренний, либо в наружный блок, причем второй способ предпочтительнее, поскольку не позволяет шуму, неизбежному при работе системы, распространяться по дому;

Тепловой насос для отопления с таким принципом действия подойдет для индивидуальных загородных домов, но особенно он целесообразен в тех случаях, когда газовая магистраль, откуда придется тянуть трубопровод, находится на расстоянии 20—100 м от участка.

Моно. В нем все элементы заключены в общий корпус, который монтируется либо с внешней стороны стены дома, либо внутри, но посредством гибкого шланга связывается с улицей.

Такие тепловые насосы для дома работают «как часы» и обладают несколькими важными преимуществами. Высокий коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую (1: 4, поскольку, напомним, потраченный 1 кВт электрической энергии дает 4–6 кВт тепловой энергии) свидетельствует о том, что применение геотермальной системы для отопления дома вполне выгодно.

В заключительном разделе статьи вы узнаете о перспективах отопления домов тепловыми насосами и сможете посмотреть видео о работе таких устройств.

Некоторые нюансы эксплуатации

Эффективное использование принципа работы теплового насоса требует соблюдения нескольких условий:

• помещение, которое обогревается должно быть хорошо утеплено (теплопотери до 100 Вт/м2) — иначе, забирая тепло с улицы, будете греть улицу за свои же деньги;
• тепловые насосы выгодно применять для низкотемпературных систем отопления. Под такие критерии отлично подходят системы теплый пол (35-40 °C). Коэффициент преобразования тепла существенно зависит от соотношения температур входного и выходного контуров.

Подытожим сказанное!

Суть принципа работы теплового насоса не в производстве, а в переносе тепла. Это позволяет получить высокий коэффициент (от 3 до 5) преобразования тепловой энергии. Проще говоря, каждый использованный 1 кВт электроэнергии «перенесет» в дом 3-5 кВт тепла. Еще что-то нужно говорить?

Насосы типа «вода-вода»

Разместить на дне близлежащего водоема полиэтиленовые трубы коллектора может практически любой человек. Для этого не понадобится больших профессиональных знаний, навыков, инструментов. Достаточно равномерно распределить витки бухты по поверхности воды. Между витками должно быть расстояние не менее 30 см, а глубина затопления не менее 3 м. Затем надо привязать грузы к трубам, чтобы они ушли на дно. Тут вполне подойдет некондиционный кирпич или природный камень.

На монтаж коллектора ТН типа «вода-вода» потребуется значительно меньше времени и денег, чем при рытье траншей или бурении скважин. Расходы на приобретение труб также будут минимальными, поскольку съем тепла при конвективном теплообмене в водной среде достигает 80 Вт/м. Очевидная выгода применения ТН — не нужно сжигать углеродное топливо для получения тепла.

Альтернативный способ отопления дома становится все более востребованным, поскольку обладает еще несколькими преимуществами:

1. Экологически безопасен.
2. Использует возобновляемый источник энергии.
3. После окончания пусконаладочных работ отсутствуют регулярные затраты расходных материалов.
4. Автоматически регулирует нагревание внутри дома по температуре наружного воздуха.
5. Срок окупаемости начальных затрат 5–10 лет.
6. Можно подключить бойлер для горячего водоснабжения коттеджа.
7. Летом работает как кондиционер, охлаждая приточный воздух.
8. Срок службы оборудования — более 30 лет.
9. Минимальные энергозатраты — генерирует до 6 кВт тепла при использовании 1 кВт электричества.
10. Полная независимость отопления и кондиционирования коттеджа при наличии электрогенератора любого типа.
11. Возможна адаптация к системе «умный дом» для дистанционного управления, дополнительной экономии энергии.

Для работы ТН типа «вода-вода» необходимы три независимых системы: внешний, внутридомовой и компрессорный контуры. Они объединены в одну схему теплообменниками, в которых циркулируют различные теплоносители.

При проектировании системы энергоснабжения следует учитывать, что на перекачивание насосом теплоносителя по внешнему контуру расходуется электроэнергия. Чем больше длина труб, изгибов, поворотов, тем менее выгоден ТН. Оптимальное расстояние от дома до берега — 100 м. Его можно удлинить на 25 % за счет увеличения диаметра труб коллектора с 32 до 40 мм.