Принцип работы теплового насоса для отопления дома и его конструктивные особенности

отопление дома насосом
Удорожание энергоресурсов приводит к росту интереса со стороны населения ко всякого рода нетрадиционным способам обогрева.

Наверняка многие слышали о тепловых насосах, которые позволяют снабдить жилище чуть ли не бесплатным теплом. Каков же принцип работы теплового насоса для отопления дома, и нет ли тут подвоха?

Тепловые насосы: классификация

Тепловой насос (ТН) — это устройство, позволяющее осуществлять теплообмен в противоестественном направлении, то есть от холодной среды к теплой. Холодная среда в данном случае называется низкопотенциальным источником тепла.

В зависимости от того, откуда ТН черпает тепло для обогрева дома, он может относиться к одному из следующих типов:
  1. Грунтовые ТН. Извлекают тепло из грунта ниже глубины промерзания, где его температура лежит в пределах 7 – 10 градусов.
  2. Водяные ТН. Источником тепла служит вода в естественном водоеме, если только он не промерзает зимой до дна.
  3. Воздушные ТН. Как ясно из названия, обогрев дома осуществляется за счет извлечения тепла из уличного воздуха, который может иметь даже отрицательную температуру.

Кроме того, ТН делятся еще на два вида:

  1. Открытые: тепловая энергия поставляется непосредственно средой, которая является ее источником.
  2. Закрытые: в среду-источник помещается теплообменник, по которому циркулирует теплоноситель.

Во втором случае тепло в ТН доставляет не среда, а теплообменник.

Принципы устройства и работы

Работа теплового насоса основана на чрезвычайно полезном свойстве газов менять свою температуру при расширении и сжатии. В первом случае температура газа понижается, во втором — повышается.

Схематично работу ТН можно изобразить следующим образом. Представим, что у нас есть колба с подвижным поршнем, заполненная газом. Вот что мы делаем:

как устроен насос в доме

  1. Выходим на улицу и выдвигаем поршень так, чтобы объем газа в колбе увеличился. При этом он будет охлаждаться и если мы увеличим объем в достаточной степени, температура газа окажется ниже температуры окружающего воздуха.
  2. Остывший газ начнет нагреваться от окружающего воздуха, каким бы холодным тот ни был.
  3. Когда температура газа сравняется с температурой воздуха, зайдем с нашей колбой в теплое помещение и сильно сожмем газ. Если приложить достаточное усилие, газ станет горячим и воздух в помещении будет от него нагреваться.
  4. Действуя подобным образом снова и снова, мы будем перекачивать тепло из холодного наружного воздуха в теплый внутренний.

Конечно, в ТН никакой колбы с поршнем нет. Вместо этого имеется замкнутый контур, одна часть которого находится, условно говоря, в среде-источнике, другая — в нагреваемой среде. Обе части выполнены в виде радиаторов и связаны трубками.

Газ, которым заполняется контур ТН, называется хладагентом. В этом качестве пока чаще всего используется фреон.

В контур врезан компрессор, благодаря которому осуществляется циркуляция хладагента. Сразу после внутреннего теплообменника, расположенного в нагреваемой среде, имеется узкое место — капилляр или особый вентиль. Из-за него газ в теплообменник закачивается компрессором под значительным давлением. Температура хладагента возрастает и начинается теплообмен между ним и нагреваемой средой.

насос тепловой

Принцип работы теплового насоса

 

Степень сжатия подобрана таким образом, чтобы газ при остывании конденсировался. Дело в том, что изменение агрегатного состояния — испарение или конденсация — представляет собой гораздо более энергоемкий процесс, чем просто нагрев или остывание.

Из-за конденсации газа внутренний теплообменник называют конденсатором.

Конденсатор может обдуваться вентилятором, и тогда в помещение будет поступать теплый воздух. А может омываться в специальном теплообменнике теплоносителем системы отопления — тогда ТН будет работать как обычный котел.

Через капилляр жидкий хладагент просачивается в наружный теплообменник, где испаряется и расширяется, вследствие чего его температура значительно понижается. Теперь уже газ нагревается от среды-источника.

Наружный теплообменник, где происходит испарение, называют испарителем.

«Круговорот» газа в ТП теплотехники называют «циклом Карно». Он же применяется в холодильниках и кондиционерах.

К вопросу о том, является ли извлекаемое из окружающей среды тепло бесплатным. Не совсем, конечно, ведь приходится затрачивать электричество на работу компрессора и вентиляторов/насосов. Но соотношение затрат и прибыли получается более чем выгодным: на 1 кВт потраченной электроэнергии ТН дает 3 – 5 кВт тепла. Для сравнения: обычные электрообогреватели трансформируют электроэнергию в тепло в соотношении лишь 1:1.

Особенности различных ТП для отопления

Рассмотрим существующие отопительные ТН:

Насос геотермального типа (грунтовой)

Для передачи тепла от грунта хладагенту ТП используется промежуточный теплоноситель с низкой температурой замерзания — так называемый рассол. Он циркулирует по контуру, уложенному в грунт, и омывает испаритель ТН. Контур может быть размещен двояко:

  • горизонтально;
  • вертикально.
геотермальная система

Устройство геотермальных систем

Горизонтальное расположение

Контур укладывается змейкой на глубине ниже промерзания. Траншеи можно выкопать самостоятельно, но потребуется значительная площадь. Дело в том, что контуры отопительных ТН имеют очень большую длину.

Такое решение имеет ряд недостатков:

  • если на участке сформирован ландшафтный дизайн, им придется пожертвовать;
  • в дальнейшем нужно будет избегать затененности участка;
  • выращивание сельхозпродукции на нем не допускается — только травяной газончик.

Вертикальное положение

Трубы контура помещаются в скважины, для бурения которых придется приглашать специалистов. Зато рабочая площадка будет иметь совсем небольшие размеры.

Если в скважине имеется вода, можно подавать на испаритель прямо ее, не используя промежуточный теплоноситель. Такие ТН называются открытыми и стоят они дороже закрытых. Помимо заборной скважины необходимо будет построить еще одну — для сброса охлажденной воды.

горизонтальное расположение

Расположение отопительной системы

Можно применить и компромиссный вариант: разместить трубы контура в виде цилиндрических пружин в колодцах. Такой колодец, как и траншею, можно вырыть самостоятельно, при этом площадь отведенного под контур участка значительно сократится.

Водяные

Имеют абсолютно то же устройство, что и геотермальные, только контур с промежуточным теплоносителем погружается в естественный водоем.

Сделать это гораздо проще, чем закапывать трубы в землю, поэтому данный вариант ТН при наличии поблизости водоема является более предпочтительным.

Воздушные

Этому ТН промежуточный теплоноситель не нужен — испаритель омывается непосредственно воздухом. По сути, это кондиционер, работающий в реверсном режиме, то есть на отопление. Испаритель находится на улице в так называемом наружном блоке и обдувается вентилятором.

насос воздушного типа

Воздушный тепловой насос при модернизации старой системы отопления

Устанавливать воздушный ТН проще всего, так как не приходится возиться с огромными контурами. Но у него есть важный недостаток: зимой температура воздуха, в отличие от глубинных грунта и воды, опускается очень низко, так что ТН будет эффективен далеко не весь отопительный сезон.

На испаритель можно подать теплый воздух из вытяжного канала вентиляции, в результате чего воздушный ТП попутно будет играть роль рекуператора.

Ограничения по применению грунтовых отопительных ТН

Слишком интенсивное использование грунтового ТН для отопления приводит к перемерзанию грунта, что очень вредно сказывается на местной геологической обстановке, особенно если контур размещен в скважине.

Обычно проектировщики, изучив особенности грунта, указывают, сколько часов в течение отопительного сезона может эксплуатироваться устройство.

Чтобы продлить это время, грунт следует отогревать летом, эксплуатируя ТН в режиме кондиционирования.

Для этого в его конструкции должен быть предусмотрен реверсный режим, при активации которого конденсатор становится испарителем и наоборот.

Если водоем не является проточным, вода в нем при чрезмерном отборе тепла также может промерзнуть до дна, что приведет к гибели фауны.

Заключение

Идея использовать тепловой насос для отопления выглядит весьма завлекательной, ведь КПД этого устройства составляет 300% – 500%. Но только вот стоят пока отопительные ТН довольно дорого, что препятствует их повсеместному распространению.


Поделиться:
Нет комментариев
×
Рекомендуем посмотреть