Как функционирует тепловой насос для обогрева частного дома

Вертикальный подземный контур значительно более эффективен, чем горизонтальный вариант. Глубину скважины определяют с учетом соотношения 10-30 метров трубы на 1 киловатт (в зависимости от свойств горных пород). Если глубина оказывается слишком великой и экономически невыгодной, можно создать несколько небольших скважин, которые в совокупности обеспечат необходимую мощность.

Тепловой насос для обогрева: принцип действия, разновидности, преимущества и стоимость

На рынке отопительной техники все большей популярностью пользуется тепловой насос. Основная причина растущего спроса весьма убедительна: в то время как цены на газ, электричество, уголь, дизельное топливо и дрова постоянно растут, энергия, получаемая из земли, воды и воздуха, остается бесплатной. По мнению ученых, такая тенденция будет продолжаться неизбежно: тепловые насосы — это будущее, которое, кстати, уже стало реальностью в таких странах, как Швеция, Норвегия, Швейцария и Германия.

В природе всегда можно найти большое количество низкопотенциального тепла в воде, грунте и воздухе. С помощью специальной технологии эту энергию можно извлечь, сконцентрировать и использовать для обогрева и горячего водоснабжения различных объектов. Тепловой насос позволяет преобразовать низкую температуру энергоносителя в высокую, после чего горячая вода поступает к радиаторам и смесителям. Более того, некоторые устройства помимо обогрева помещений и обслуживания системы горячего водоснабжения также могут использоваться в качестве кондиционеров для охлаждения комнат в жару.

Термодинамические законы говорят о том, что холодильник и теплонасос работают по одному и тому же принципу, но с противоположными результатами. Холодильник создает холод и избыточное тепло выбрасывает наружу, тогда как теплонасос работает наоборот. Для того чтобы использовать теплонасос для отопления, требуется наличие трех последовательно устроенных контуров: внешнего, внутреннего и центрального, который находится в самом агрегате.

1. Теплоноситель, двигаясь по внешнему контуру, проходит через низкотемпературный источник и нагревается на несколько градусов. Затем он попадает в испаритель, отдает часть энергии и охлаждается, после чего возвращается обратно.
2. Жидкий хладагент в испарителе центрального контура, имеющий низкую температуру кипения, превращается в газ. Затем он проходит через компрессор, где сжимается и значительно нагревается. После этого он проходит через конденсатор, отдавая тепло и возвращаясь в жидком состоянии для повторного использования.
3. Теплоноситель во внутреннем кольце нагревается в конденсаторе и направляется в систему отопления. После передачи энергии он возвращается в охлажденном состоянии в теплообменник.

Принцип работы

Тепловой насос для загородного дома работает на основе способности хладагента забирать и отдавать тепловую энергию при изменении своего агрегатного состояния.

Схематически такое устройство можно представить в виде трехконтурной системы:

• Теплоноситель, который передает энергию от источника.
• Внутри контура циркулирует хладагент, который забирает тепло с первого контура и передает его третьему.
• Вода выступает в качестве теплоприемника, перенося тепловую энергию в систему отопления дома.

Посмотрим, как работает это устройство:

• Жидкий фреон поступает в испаритель, где превращается в газ с использованием энергии, полученной от источника первого контура.
• Подогретый фреон в виде газа переходит в компрессор, где происходит его сжатие и повышение температуры до 6-10 градусов.
• При увеличении давления газообразный фреон сильно нагревается до около 60 градусов.
• Разогретый газ передает свое тепло системе отопления и при охлаждении снова становится жидким.
• Давление снижается с помощью клапана.
• Цикл начинается снова.

Основное отличие теплового насоса от холодильника заключается в его назначении. В то время как холодильник используется для охлаждения, тепловой насос позволяет нагревать теплоноситель в системе отопления. По этой причине насос часто называют «холодильником наоборот».

Преимущества и недостатки технологии

Геотермальное отопление дома, которое не требует сжигания топлива, идеально с точки зрения современных представлений об экологической безопасности. Геотермальная отопительная система обладает следующими преимуществами:

• Безопасность во всех отношениях: отсутствие вредных выбросов, что является важным для здоровья владельцев, их домашних животных, окружающей среды, а также обеспечивает пожаробезопасность.
• Отсутствие необходимости в топливе: нет необходимости его покупать, запасать, доставлять и хранить.
• Экономия денег. Силы природы бесплатно выполняют свою работу. Вам потребуется только инвестировать в приобретение и установку системы, а в процессе эксплуатации — только в электроэнергию для работы теплового насоса. При этом в регулируемой системе каждый 1 кВт, затраченный на работу насоса, обеспечивает около 3,5-4 кВт, полученных из недр земли.
• Маленькие размеры. Основной контур, который занимает большую площадь, находится под землей (или в воде), поэтому вам потребуется установить только насос в доме, и отдельная котельная не понадобится.
• Доступность. Оборудование можно устанавливать в любом месте. Единственное требование для начала работы — наличие электричества в доме.
• Многофункциональность. Когда холодно, система обеспечивает отопление, а в жару — охлаждение.
• Долговечность. Правильная установка гарантирует длительное использование. Геотермальный контур надежно защищен слоем земли, а тепловые насосы служат 25-30 лет.

Читайте также:
Что такое тепловой насос и как правильно его выбрать

Собственники, не доверяющие геотермальному отоплению частного дома, приводят следующие аргументы:

• Необходимость значительных затрат для подготовки системы к работе: покупка насоса, дополнительных материалов, установка внешнего и внутреннего контура. Оборудование обойдется в 8-10 раз дороже, чем газовая техника.
• Геотермальная система не является автономной. Для ее функционирования потребуется 1 кВт электричества на каждые 4 кВт тепловой энергии.
• Уровень отдачи тепла ниже, чем у традиционных технологий. Например, контур, который простирается на глубину 20-30 метров, отдает только 40 Вт тепла на каждый погонный метр.
• Окупаемость занимает длительный период времени. В среднем она превышает 10-15 лет, в то время как газовому котлу средней мощности (до 12 кВт) потребуется около 5 лет, чтобы окупиться.

Расчет эффективности тепловых насосов для отопления

Для того чтобы тепловой насос работал наилучшим образом, необходимо, чтобы количество тепловой энергии, которую он выделяет, было больше, чем количество электрической энергии, которую он потребляет. Это соотношение называется коэффициентом преобразования. Значение коэффициента преобразования может изменяться в зависимости от разницы температур между входным и выходным контурами. Чем холоднее на улице, тем менее эффективно функционирует система. Для различных типов тепловых насосов коэффициент преобразования может колебаться в диапазоне от 1 до 5. Чтобы получить объективную оценку работы теплового насоса, необходимо учитывать еще один параметр — годовую эффективность.

Расчет эффективности определенного теплового насоса зависит от множества факторов и является сложной задачей. Создание универсальной формулы, которая бы работала во всех случаях, практически невозможно. Поэтому для каждого конкретного случая необходимо обратиться к специалистам, которые, исходя из поставленной задачи и условий, подберут подходящий тип теплового насоса и объем хладагента.

Внутренняя система отопления дома

Тепловые насосы, подключаемые к системе отопления, могут быть использованы для подключения внутреннего контура. Вместо радиаторов можно использовать фанкойлы, так как температура подачи в систему отопления составляет 55 градусов! Подключение фанкойлов (теплообменников с вентилятором) позволит использовать тепловой насос в режиме кондиционирования летом. Летний «холод» из скважины в пределах 7-9 градусов не будет пропадать даром, а будет использоваться для создания комфортного климата в комнатах. Система холодоснабжения работает так же, как и система отопления.

Преимущества использования теплового насоса:

1. Владелец дома, применяя такое устройство, снижает затраты на теплоснабжение в 7 раз. Он получает от 1 кВт электроэнергии от 4 до 7 кВт тепловой энергии, что составляет 75-84% от общего количества.
2. Владелец частного дома несет только расходы на электроэнергию для работы оборудования, при этом замкнутые контуры системы эксплуатируются без дополнительных затрат.
3. Используя тепловой насос, владелец частного дома избегает необходимости проводить согласования и оплачивать подключение к теплосетям, а также несет ответственность за ремонт и неполадки, связанные с эксплуатацией теплосетей.
4. Разработчики тепловых насосов обеспечили удобство использования системы, автоматически переключаясь между режимами кондиционирования и отопления по необходимости.
5. Горячее водоснабжение здания осуществляется вместе с отоплением или кондиционированием за символическую плату.

Недостатки теплового насоса:

1. Главным недостатком данного оборудования является его высокая стоимость.

Подробнее о процессе установки тепловых насосов рассказывает руководитель филиала компании «Экоклимат-НСК» в городе Новосибирске — Константин Ульянов.

Схема работы теплового насоса «вода-вода»

Основной недостаток этого типа насоса — высокие капитальные затраты. Стоимость системы отопления с тепловым насосом для дома площадью 100 м2 составляет более 15 тысяч долларов. Если сравнить это с системой отопления на природном газе, который в России стоит гораздо дешевле, то окупаемость занимает не менее 15 лет. Это очень долгий срок. Было бы проще положить эти деньги в банк и использовать проценты для отопления дома.

Схема работы «воздух-вода» или «воздух-воздух»

В данном случае происходит извлечение тепла из окружающего воздуха, и тепловой насос выглядит как внешний блок кондиционера. В остальном все аналогично предыдущей схеме. Однако в системе «воздух-вода» вторичный контур теплообменника нагревает воду системы отопления, а во втором случае — воздух.

В данной схеме коэффициент преобразования сильно зависит от температуры окружающего воздуха. При показателях от -12 до -20 градусов он составляет всего 1,2-1,3. То есть при мощности компрессора 4 кВт будет генерироваться всего 5,8-6,2 кВт тепла. Этого недостаточно для обогрева дома, поэтому необходимо использовать дополнительные источники тепла, например, электроконвекторы. Кроме того, требуется дополнительное обогревание внешнего блока от наледи и снега.

При показателе температуры воздуха от +5 до +10 градусов, коэффициент преобразования достигает значения 2,5, что позволяет получить 10 кВт тепла. Однако для нагрева дома требуется всего лишь 2-3 кВт тепла. В результате, все преимущества теплового насоса теряются.

Одним из преимуществ схем «воздух-вода» и особенно «воздух-воздух» являются значительно меньшие капитальные затраты. Установка тепловых насосов в данном случае обойдется в 2-3 тысячи долларов.

Как правильно выбрать насос для отопления

Для правильного подбора оборудования необходимо точно рассчитать потребность в тепле, определить длину всех контуров отопительной системы (а на основе этого — расход теплоносителя), а также знать разницу в температуре между источником и внутренними помещениями. В общем виде формула расчета тепловой мощности выглядит следующим образом:

Удельная мощность = разница в температуре * расход теплоносителя в час / 1000

Необходимо серьезно подойти к процессу планировки и установки теплового насоса. Хотя данная инженерная конструкция не требует согласований, стремление сэкономить на подрядчиках может привести к запутанности в проекте и, в результате, к некачественной работе оборудования и поломкам. Поэтому в данном случае установку и обслуживание должна выполнять одна и та же организация.

Необходимо также обратить внимание на качество используемых материалов, особенно при выборе грунтового насоса. Установка его займет много времени и усилий, а поиск утечки из-за ржавых труб под землей может стать серьезной проблемой.