Многих в тепловых насосах настораживает то, что не совсем понятно как он работает. Иначе как понять, что на 1 кВт электроэнергии он выдаёт до 4,5 кВт тепла. Нет ли тут обмана? Нет.
Тепловой насос не такой уж сложный агрегат. И с базовыми принципами его работы мы сейчас разберёмся.
Сразу оговорюсь – речь пойдёт исключительно про базовые принципы. Кому интересны подробности – мы их разберем позднее, в отдельных статьях. Итак – первый принцип:
Тепловой насос - это холодильник наоборот.
Если говорить просто, то тепловой насос есть у всех. Не удивляйтесь – это холодильник.
Если у холодильника открыть дверцу и выставить внутренностями на улицу (а теплообменником в дом), то получится именно тепловой насос.
Я надеюсь, вы заметили, что внешний теплообменник холодильника всегда сильно теплее комнатной температуры? Ну а внутренний теплообменник, который закрыт от нас пластиком, производит холод. Если мы выставим внутренний (охлаждающий) теплообменник на улицу, то мы сможем забирать бесплатное тепло просто из воздуха и передавать его в помещение.
Аналогично устроен и классический кондиционер (только наоборот – не нагревает, а охлаждает помещение).
В любом случае, ни холодильник, ни кондиционер сами тепло (холод) не производят. Они переносят его из одного места (улица) в другое (дом). И отвечает за это – фреоновый контур. Устроен он у холодильника, теплового насоса и кондиционера абсолютно идентично:
Что же там происходит?
Жидкий фреон, проходя через терморегулирующий вентиль, теряет давление и, соответственно, температуру. То есть в точке «А» мы имеем холодный фреон низкого давления, в основном в жидком состоянии.
Далее, проходя по теплообменнику от точки «А» к точке «Б» фреон нагревается за счёт внешней температуры (или, другими словами, отдаёт часть холода – как внутри холодильника или внутреннего блока кондиционера), начинает кипеть и превращается в газ.
На следующем этапе подогретый газ попадает в компрессор. Проходя через компрессор давление газа повышается, а вместе с этим повышается и его температура. Это происходит между точками «Б» и «В». Таким образом в точке «В» мы получаем горячий газ.
Проходя из точки «В» в точку «Г» горячий газ отдаёт часть тепла во внешнюю среду (как внешний блок кондиционера или внешний теплообменник холодильника) и конденсируется до состояния жидкости. Собственно, вот он – процесс отопления. В результате в точке «Г» мы получаем жидкий, уже не горячий, а тёплый фреон.
В результате мы получили машину, способную переносить тепловую энергию из одного места в другое. В зависимости от того, где располагаются теплообменники мы получим:
- Охлаждение помещения, если на улице будет горячая сторона, а в помещении – холодная.
- Отопление помещения, если на улице будет холодная сторона, а в помещении – горячая.
А что делать, если на улице -10°C, а в доме нам нужно тепло? Все очень просто. Закроем поплотнее терморегулирующий вентиль, чтобы в точке «А» получить фреон с температурой -20. Тогда на улице он как раз нагреется и тем самым получит дополнительную тепловую энергию из воздуха. Ну а компрессор доведет температуру до необходимых нам +40/50°C.
Кстати, современные тепловые насосы работают до -25°C на улице.
Все, о чем я говорил выше – это самое сердце теплового насоса. Но не все тепловые насосы одинаковы. И различаются они разными способами сбора и распределения тепла. Дальше как раз об этом.
Виды тепловых насосов
Теперь, когда мы уже разобрались в принципах работы теплового насоса, давайте представим, откуда мы сможем взять тепло зимой. Вариантов не много:
- Из почвы на глубине от 1,5 метров. Там всегда плюсовая температура, которую мы сможем использовать для отопления. Но для этого придётся много копать.
- Из незамерзающего водоёма. Вариант, практически аналогичный почве, но копать ничего не надо.
- Из скважины. Можно забирать воду с положительной температурой, прокачивать её через тепловой насос и сбрасывать в другую скважину.
- Из воздуха. Самый дешёвый вариант (ничего копать не надо), но подходит в основном для тёплого климата (как, например, у нас в Крыму).
Здесь надо понимать один важный момент: если мы забираем тепло из земли, водоёма или скважины, то мы в любом случае используем для этого водяной контур. В случае земли или водоёма этот контур будет замкнутым и заполненным антифризом (так как частично он будет находиться в зоне промерзания). Но если мы берём тепло из скважины, то этот контур может быть разомкнутым, и перекачивать воду из одного места в другое.
Резюмируя, источником тепла у нас может быть или «вода» (как в пунктах 1-3), или «воздух» (как в 4-м пункте).
Следующий вопрос – как мы будем заносить тепло в дом. Тут все ещё проще:
- Как в классическом отоплении – через жидкий теплоноситель (воду или антифриз).
- С помощью воздуха. Как внутренний блок кондиционера.
То есть получателем тепла у нас может быть тоже либо «вода», либо «воздух».
Таким образом все тепловые насосы делятся на несколько групп:
- «Вода-вода». Получают тепло из земли, водоёма или скважины и отдают тепло в систему отопления (тёплые полы, радиаторы и т.д.).
- «Воздух-вода». Получают тепло из воздуха и отдают его в систему отопления.
- «Воздух-воздух». Получают тепло из воздуха и отдают его также нагревая воздух.
Тепловые насосы «вода-воздух» практически не встречаются. По причине неэффективности и небезопасности транспортировки фреона в несколько мест по зданию.
Также, у нас редко используются тепловые насосы «воздух-воздух», так как они предназначены для системы отопления здания тёплым воздухом (это больше американская история).
Теперь подробнее о внутреннем устройстве различных видов тепловых насосов.
Устройство теплового насоса «воздух-воздух»
Итак, к нашему базовому фреоновому контуру мы добавляем два вентилятора и получаем тепловой насос.
В принципе больше особо тут говорить не о чем – алгоритм работы аналогичен типовому фреоновому контуру. Вентиляторы – только для эффективности теплообмена. Точно также закачиваем в уличный теплообменник охлаждённый фреон, уличным воздухом он подогревается, потом компрессором поднимаем температуру и давление и уже горячим фреоном отапливаем помещение. То есть такой кондиционер наоборот. Да и по внешнему виду их друг от друга практически не отличить. Но это не совсем кондиционер с режимом «отопление» и дело тут в некоторых нюансах. Так как данная схема отопления у нас применяется очень редко, а нюансы – из весьма специфической области инженерии, то рассматривать их здесь я не вижу смысла. Просто запомните, что такие тепловые насосы выглядят как кондиционер, но по сути – это немного другое устройство.
Устройство теплового насоса «воздух-вода»
Самый распространённый у нас тип теплового насоса. Зима относительно тёплая, особенно на побережье да и траншеи под геотермальный контур копать не надо. Себе я выбрал именно такой.
Принципиальное отличие от типового фреонового контура – наличие пластинчатого теплообменника. Он там находится ровно по одной причине – надо передать тепло от фреона водяному контуру. Причём так, чтобы фреон с водой ни в коем случае не смешались. То есть получается, что с одной стороны течёт фреон, а с другой вода. Разделены они герметичными пластинами. Таких пластин там очень много, что обеспечивает нам огромную площадь теплообмена – то есть тепло из одной среды в другую передаётся очень эффективно.
Ну а алгоритм работы тоже не сложный.
Взяли тепло из воздуха улицы, на компрессоре увеличили температуру и отдали (через пластинчатый теплообменник) это тепло воде. Ну а дальше наша вода, как в обычной системе отопления, отапливает наш дом через тёплые полы, радиаторы, фэнкойлы и прочие отопительные приборы.
Но есть один нюанс – так как температура воды будет порядка +40°C, то лучше всего такая система работает с тёплыми полами и фэнкойлами. Радиаторы – это история для температур порядка +70/80°C.
Устройство теплового насоса «вода-вода»
Этот тип тепловых насосов самый стабильный по производительности. То есть он даёт самое дешёвое тепло, практически по цене магистрального газа. Что, собственно, вполне объяснимо – температура земли достаточно стабильна и всегда больше 0°C, поэтому и «вытащить» её достаточно просто. Но есть и недостаток – надо копать глубокие траншеи либо делать скважины, что достаточно дорого. Так что если у вас большой участок и до твёрдых пород в почве весьма далеко – можете рассмотреть этот вариант.
Принцип работы также достаточно прост.
Поскольку с помощью фреона забрать тепло почвы мы не сможем, то устанавливается дополнительный пластинчатый теплообменник, который с помощью водяного (заполняется он незамерзающей жидкостью) контура забирает тепло у земли и отдаёт его фреону. Ну а дальше – все как обычно.
Фреоновый контур за счёт компрессора (нагнетания давления) увеличивает температуру полученной из земли энергии и передаёт её во второй пластинчатый теплообменник.
Там фреон отдаёт температуру водяному контуру отопления и уже с помощью воды отапливается ваш дом.
Также геотермальный контур (трубу с незамерзайкой) можно уложить не только в землю, а например, в незамерзающий водоём. Также можно брать воду из скважины (естественно, с хорошим дебетом) и сбрасывать её в другую скважину. Но это скорее экзотика.
Ещё один нюанс – над местом расположения трубы очень не рекомендуют садить деревья. Вот совсем не рекомендуют.
Кстати, в последнее время набирают популярность корзиночные коллекторы, которые позволяют размещать геотермальный контур более компактно.
Ну а для обычного коллектора нужно порядка 30м² земли для производства 1кВт тепла. Так что для производства 20 кВт тепла потребуется участок примерно в 6 соток
Михаил Цветков
+7 (978) 505-69-24
- Проектировка систем отопления
- Монтаж систем отопления
- Продажа тепловых насосов
- Монтаж и настройка тепловых насосов
Вопросы можете задавать здесь (под статьей) или в группе “Вконтакте”. Ссылка ниже.