Тепловые насосы для отопления дома: типы и принцип работы

Важные моменты при выборе насоса

Выбирая подходящий тепловой насос, ориентироваться следует не только на его мощность

Важное значение придается и другим факторам. Например, это размеры насоса, напоминающего большой металлический ящик

Место установки обычно выбирают заранее, следует убедиться, что выбранная модель свободно встанет там, оставляя при этом достаточно места для человека, который будет устанавливать и обслуживать устройство.

Чем меньше разница между температурой воздуха снаружи и температурой воды в бассейне, тем больше эффекта даст использование теплового насоса, и тем выше его производительность.

Автоматическое управление некоторых моделей позволяет изменять работу насоса с учетом не только наружной температуры, но и темпов остывания воды в бассейне, а также способности здания (если речь идет о крытом бассейне) сохранять тепло.

Во время работы тепловой насос вибрирует и производит шум. Чем меньше шума на участке, тем лучше. Перед покупкой следует найти способ оценить уровень шума, который издают разные модели тепловых насосов.

На стоимости агрегата может заметно сказаться наличие блока автоматического управления. Если средства позволяют, не стоит отказываться от этого современного и удобного дополнения. Во-первых, автоматика повышает комфорт во время использования оборудования, поскольку не приходится постоянно отвлекаться для его включения, регулировки, отключения и т.п.

Автоматическая система управления современных тепловых насосов облегчает эксплуатацию устройства, повышает эффективность его работы и продлевает срок службы

Во-вторых, работа прибора в автоматическом режиме значительно повышает ресурс его работы, т.е. срок эксплуатации. Но поломки все же возможны. Минимизировать проблемы, связанные с работой теплового насоса, поможет наличие правильно оформленных документов на гарантийное обслуживание устройства.

Впрочем, наличия официального бланка с печатью недостаточно. Иногда продавцы скромно умалчивают о том, что гарантийный ремонт производится только специализированным предприятием, которое находится за сотню километров от места установки оборудования.

Бывало и так, что для ремонта устройство приходилось отправлять за рубеж. Такое гарантийное обслуживание крайне неудобно, поскольку отнимает у владельца целые месяцы времени.

Умельцам, которым несложный ремонт бытовой техники по плечу, следует заранее изучить особенности устройства выбранной модели и доступ к запасным частям. Если необходимых деталей не имеется в наличии где-то поблизости, их придется специально заказывать, оплачивать длительную доставку и т.п. предусмотрительность поможет избежать подобных проблем.

Если стоимость теплового насоса заводского производства покажется “заоблачно” высокой, его можно собрать своими руками. Как сооружается агрегат из практически бросовых исходных материалов, изложено в рекомендуемой нами статье.

Принцип действия тепловых насосов

Принцип работы устройства для обогрева дома основан на том, что вещество (холодильный агент) может отдавать тепловую энергию либо забирать ее в процессе смены состояния. Эта идея заложена в основу функционирования холодильника (из-за этого задняя стенка прибора горячая).

Термонасос для отопления функционирует следующим образом:

1. Поступающий агент охлаждается на 5 градусов в испарительном отделе на основании энергии от носителя тепла.
2. Охлажденный агент поступает в компрессор, который в результате работы сжимает и нагревает его.
3. Уже горячий газ попадает в отсек для теплообмена, в котором он отдает собственное тепло отопительной системе.
4. Сконденсированный хладагент возвращается к старту цикла.

Устройство

Тепловой насос для отопления дома состоит из нескольких основных контурных элементов:

• контур с теплоносителем, который перемещает энергию от теплоисточника;
• контур с фреоном, который периодически испаряется, забирая тепловую энергию с первого контура, и снова оседает конденсатом, передавая тепло третьему;
• контур, где циркулирует жидкость, являющаяся переносчиком тепла для отопления.

Эксплуатация термо насоса для отопления дома является выгодной с финансовой точки зрения. Причина этого в том, что устройство не требует высокой мощности (соответственно, расход электричества не больше, чем у стандартного бытового прибора), однако при этом производится в 4 раза больше тепла по сравнению с потребляемой электроэнергии.

Также не требуется создавать отдельную линию проводки для подключения насоса.  

Плюсы и минусы

Перед принятием решения, использовать тепловой насос или нет, следует ознакомиться с достоинствами и недостатками его работы. К главным плюсам теплового насоса относится:

• небольшой расход электричества на отопление дома;
• отсутствие необходимости регулярного осмотра и технического обслуживания, что делает затраты на эксплуатацию теплового насоса для отопления минимальными;
• допускается монтаж в любой местности. Насос может работать с такими источниками тепловой энергии, как воздух, почва и вода. Поэтому появляется возможность его установки практически в любое место, где планируется строительство дома. А в условиях отдаленности от газовой магистрали, устройство является самым подходящим методом обогрева. Даже если отсутствует электричество, функционирование компрессора можно обеспечить при помощи привода на основе бензина или дизеля;
• отопление дома осуществляется в автоматическом режиме. Не требуется добавлять топливо или проводить иные манипуляции, как, например, в случае с котельным оборудованием;
• отсутствие загрязнения окружающей среды вредными газами и веществами. Все применяемые холодильные агенты полностью безопасны и экологически пригодны;
• пожаробезопасность. Жителям дома никогда не будет угрожать взрыв или повреждение вследствие перегрева теплового насоса;
• возможность эксплуатации даже при условиях холодной зимы (до -15 градусов);
• качественный тепловой насос для отопления дома может служить до 50 лет. Замена компрессора требуется лишь раз в 20 лет.

Тепловой Насос ВЫГОДЕН или НЕТ?.. Кому не Стоит Покупать Тепловой Насос? (РАЗБОР)

Watch this video on YouTube

Плюсы и минусы

Как и любое устройство, тепловые насосы имеют определенные недостатки:

1. Если температура окружающей среды опускается ниже 15 градусов, то насос работать не сможет. В таком случае потребуется монтаж второго теплоисточника. При очень низких температурных значениях включается котел, генератор или электрический обогреватель;
2. Высокая стоимость оборудования. Оно будет стоить примерно 350 000-700 000 рублей, еще такую же сумму придется потратить на создание геотермальной станции и установку устройства. Дополнительные монтажные работы не требуются только для теплового насоса, использующего воздух в качестве теплового источника;
3. Лучше всего устанавливать тепловой насос в сочетании с теплым полом или вентиляторными конвекторами, однако в старых зданиях потребуется перепланировка и возможно даже капитальный ремонт, что повлечет дополнительные затраты времени и средств. Если частный дом строится с нуля, такая проблема отсутствует;
4. При работе теплового насоса температура грунта, расположенного вокруг трубопровода с теплоносителем, снижается. Это становится причиной гибели некоторых микроорганизмов, участвующих в функционировании окружающей среды. Таким образом, некоторый ущерб экологии все же наносится, однако он существенно меньше урона от газо- или нефтедобычи.

Виды тепловых насосов

В зависимости от того, какую среду использует устройство для производства энергии и каким способом происходит ее передача, различают пять видов тепловых помп:

• воздух-вода;
• воздух – воздух;
• вода – вода.
• вода – воздух;
• грунт – вода;

Три последних вида тепловых насосов называют геотермальными, так как они используют энергию тепла подземных вод или грунта. Такие устройства осуществляют теплообмен, функционируя с открытым или закрытым циклом работы.

Схема геотермального теплового насоса типа вода-вода с открытым циклом

Геотермальные насосы с открытым циклом

Принцип работы таких агрегатов заключается в перекачивании грунтовых вод в тепловой насос, установленный внутри здания. При этом вода отдаёт тепловую энергию и возвращается обратно в подземный резервуар на некотором расстоянии от места забора.

Огромное преимущество данного метода заключается в одновременном водоснабжении дома за счет использования воды из скважины. Другим плюсом является высокая эффективность работы такого насоса, связанная со стабильно высокой температурой воды в любое время года. Несомненным достоинством является и экологичность насосов с открытым циклом, так как всю установку можно рассматривать как систему сообщающихся сосудов, которые не оказывают влияния на уровень грунтовых вод в горизонте. Правильно установленные скважины абсолютно не нарушают природный баланс, обеспечивая стабильные поставки тепла для отопления дома в холодное время года и отвод излишков теплоты летом. Конструктивно агрегаты с открытым циклом встроены в систему водяного отопления и представляют собой классический пример тепловых насосов с водой в качестве теплоносителя.

Тепловые насосы закрытого цикла с теплообменником

Геотермальные агрегаты такого вида функционируют за счет прокачивания теплоносителя по коллекторному трубопроводу, размещенному в открытом водоёме или грунте. При этом теплоноситель прогревается за счёт теплоты воды или недр земли, возвращается к конденсатору насоса и отдает тепловую энергию для обогрева здания.

Закрытый первичный контур геотермального теплового насоса

При установке коллектора в озере необходимо, чтобы его расстояние от дома было не более чем 100 метров, а глубина и береговая линия соответствовали требованиям к монтажу. Достоинством такой системы, как и других подобных систем, использующих водоёмы, является относительно низкая цена.

Для установки теплообменника в грунт используют горизонтальный  или вертикальный коллектор – зонд. Такой трубопровод представляет собой систему труб, горизонтально и (или) вертикально установленных в грунте. Длина вертикального зонда может варьироваться от 50 до 200 метров в глубину земли. Это самый эффективный тепловой агрегат, позволяющий получать на каждый затраченный 1кВт электроэнергии до 5кВт теплоты. Минусом такой установки является её стоимость – самая высокая среди всех систем такого типа. Несмотря на высокие капиталовложения, тепловые насосы закрытого цикла типа грунт-вода и вода-вода получили широкое распространение в Западной Европе, особенно в Германии.

Монтаж грунтового теплообменника геотермального теплового агрегата

Тепловые насосы воздух-воздух и воздух-вода

Агрегаты этого типа используют тепло атмосферы. Даже при отрицательных температурах наружный воздух имеет некоторое количество тепла. Эту энергию и отбирает тепловой насос у воздушной среды. По принципу отбора тепла у атмосферного воздуха функционируют современные инверторные кондиционеры, имеющие клапан обратимости, который позволяет им работать как на обогрев, так и на охлаждение. Главным недостатком устройств такого типа можно считать работу в крайне нестабильной воздушной среде. Продуктивность этих тепловых помп очень сильно зависит от температуры «за бортом». В самых благоприятствующих условиях агрегаты такого типа могут привлечь до 4кВт тепловой энергии на каждый 1Квт электрической. Выбирая такой прибор для отопления своего дома, следует помнить о том, что ниже нуля градусов эффективность их работы резко уменьшается, а при дальнейшем снижении температуры обмерзает наружный теплообменник агрегата, в связи с чем его работа в режиме теплового насоса не представляется возможной и прибор переходит в режим простого электрообогревателя.

Тепловой агрегат типа воздух-вода

Что такое тепловой насос (ТН)

Возьмем для примера обычный бытовой холодильник. Внутри морозильника вода быстро превращается в лед. Снаружи находится горячая на ощупь радиаторная решетка. От нее тепло, собранное внутри морозильной камеры, передается комнатному воздуху.

То же самое, но в обратной последовательности, делает ТН. Радиаторная решетка, расположенная снаружи здания, имеет гораздо большие размеры, чтобы собрать достаточно тепла из окружающей среды для обогрева жилья. Теплоноситель внутри трубок радиатора или коллектора отдает энергию отопительной системе внутри дома, а затем нагревается снова вне дома.

Устройство

Обеспечить дом теплом — это более сложная техническая задача, чем охладить небольшой объем холодильника, где установлен компрессор с морозильным и радиаторным контурами. Почти так же просто устроен воздушный ТН, который получает тепло из атмосферы и подогревает внутренний воздух. Добавляются только вентиляторы для обдува контуров.

Получить большой экономический эффект от установки системы «воздух-воздух» сложно из-за малого удельного веса атмосферных газов. Один кубический метр воздуха весит всего лишь 1,2 кг. Вода примерно в 800 раз тяжелее, поэтому теплотворная способность тоже имеет многократную разницу. Из 1 кВт электрической энергии, потраченной устройством типа «воздух-воздух», можно получить только 2 кВт тепла, а ТН «вода-вода» дает 5–6 кВт. Гарантировать такой высокий коэффициент полезного действия (КПД) может ТН.

Состав компонентов насоса:

1. Система отопления дома, для которой лучше применить теплые полы.
2. Бойлер для горячего водоснабжения.
3. Конденсатор, передающий энергию, собранную вовне, к теплоносителю внутридомового отопления.
4. Испаритель, отбирающий энергию у теплоносителя, который циркулирует во внешнем контуре.
5. Компрессор, который перекачивает хладагент от испарителя, переводя его из газообразного в жидкое состояние, повышая давление и охлаждая в конденсаторе.
6. Расширительный клапан, устанавливается перед испарителем для регулирования потока хладагента.
7. Внешний контур укладывается на дно водоема, закапывается в траншеи или опускается в скважины. Для ТН типа «воздух-воздух» контуром служит наружная радиаторная решетка, обдуваемая вентилятором.
8. Насосы перекачивают теплоноситель по трубам снаружи и внутри дома.
9. Автоматика для управления по заданной программе обогрева помещения, которая зависит от изменений температуры наружного воздуха.

Внутри испарителя теплоноситель внешнего трубного регистра охлаждается, отдавая тепло хладагенту компрессорного контура, а затем насосом перекачивается по трубам на дне водоема. Там он нагревается и цикл вновь повторяется. В конденсаторе происходит передача тепла системе отопления коттеджа.

Самодельный тепловой насос – реально ли?

Если изготовить тепловой насос самостоятельно, можно значительно сэкономить, но эффективность таких устройств несколько ниже, чем у моделей промышленного изготовления. Сначала изготавливают отдельные элементы насоса, затем их соединяют в общую систему. Испаритель можно сделать из большого пластикового бака. Внутри устанавливают медный змеевик.

Для изготовления змеевика трубу из меди можно аккуратно намотать на газовый баллон или другой подходящий цилиндрический предмет, чтобы придать ей нужную форму. Таким же образом делают еще один змеевик – для испарителя. Этот элемент помещают внутри еще одного бака, на этот раз металлического, понадобятся сварочные работы.

Компрессор просто покупают или снимают с другого устройства, например, со сломанного кондиционера. Когда эти три устройства готовы, их соединяют в общую систему. Затем компрессор заправляют хладагентом. Остается соединить испаритель с вентилятором, который нагнетает воздух, а конденсатор – к системе подогрева воды в бассейне.

Значительно сложнее в устройстве тепловой насос типа вода-вода. Для его сооружения требуется наличие рядом с участком реки или естественного водоема, если их нет, то бурят скважины. Однако если получать энергию из воздуха невозможно по техническим причинам, этот вариант также будет полезен.

Как сделать агрегат своими руками?

Независимо от того, какой вариант ресурса (земля, вода или воздух) выбран для отопления, для корректного функционирования системы понадобится насос.

Это устройство состоит из таких элементов, как:

• компрессорный узел (промежуточный элемент комплекса);
• испаритель, передающий низкопотенциальную энергию теплоносителю;
• дроссельный клапан, через который хладагент находит обратную дорогу в испаритель;
• конденсатор, где фреон отдает тепловую энергию и охлаждается до изначальной температуры.

Можно приобрести целостную систему у производителя, но это обойдется в приличную сумму. Когда свободных денег под рукой нет, стоит сделать теплонасос своими руками из имеющихся в распоряжении деталей и в случае надобности докупить недостающие запчасти.

Планируя установку в частном доме геотермальной отопительной системы, в первую очередь нужно позаботиться о снижении уровня теплопотери. Для этого стены необходимо утеплить специальным материалом, двери и оконные рамы снабдить поролоновыми прокладками, а пол и потолок защитить пенопластовыми панелями. Тогда выделенное насосом тепло в максимально объеме останется внутри помещения

Когда решение о собственноручном изготовлении теплового насоса принято, нужно обязательно проверить состояние имеющихся в доме электрической проводки и электросчетчика.

Если эти элементы изношенные и старые, необходимо просмотреть все участки, обнаружить возможные неисправности и устранить их еще до начала работ. Тогда система сразу после запуска будет безупречно работать и не побеспокоит хозяев короткими замыканиями, возгоранием проводки и выбиванием пробок.

Способ #1. Сборка из холодильника

Для сборки теплонасоса своими руками со старого холодильника снимают размещенный сзади змеевик. Эту деталь используют как конденсатор и помещают в высокопрочную емкость, устойчивую к агрессивным температурам. На нее крепят исправно работающий компрессор, а в качестве испарителя используют простую пластиковую бочку.

Если для создания насоса используется очень старый холодильник, лучше заменить в нем фреон на новый. Самостоятельно это сделать не получится, поэтому придется пригласить мастера со специальным оборудованием. Он быстро заменит рабочую жидкость, и система заработает в нужном режиме

Подготовленные элементы соединяют между собой, а потом созданный агрегат посредством полимерных труб подключают к отопительной системе и приступают к эксплуатации оборудования.

Способ #2. Теплонасос из кондиционера

Для того чтобы сделать теплонасос, кондиционер модифицируют и проводят перепланировку некоторых основных узлов. Сначала наружный и внутренний блоки меняют местами.

Испаритель, отвечающий за передачу низкопотенциального тепла, дополнительно не ставят, так как он имеется во внутреннем блоке агрегата, а передающий тепловую энергию конденсатор стоит во внешнем блоке. В качестве теплоносителя подходят как воздух, так и вода.

Если этот вариант монтажа не удобен, конденсатор устанавливают в отдельный резервуар, предназначенный для корректного теплообмена между греющим ресурсом и теплоносителем.

Саму систему снабжают четырехходовым клапаном. Для этой работы обычно приглашают специалиста, имеющего профессиональные навыки и опыт проведения мероприятий такого рода.

Современные сплит системы малоэффективны при низких температурах, поэтому профессионалы не рекомендуют использовать их для самостоятельного изготовления теплонасосов

В третьем варианте кондиционер полностью разбирают на составные детали, а потом из них комплектуют насос по традиционной общепринятой схеме: испаритель, компрессор, конденсатор. Готовый прибор присоединяют к обогревающему дом оборудованию и приступают к использованию.

На сайте есть серия статей по изготовлению тепловых насосов своими руками, советуем ознакомиться:

1. Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы сборки
2. Как сделать тепловой насос воздух-вода: схемы устройства и самостоятельная сборка

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.

Тепловой насос из кондиционера

Современные сплит-системы, особенно инверторного типа, успешно выполняют функции того же теплового насоса воздух – воздух. Их проблема в том, что эффективность работы падает вместе с наружной температурой, не спасает даже так называемый зимний комплект.

Домашние умельцы подошли к вопросу иначе: собрали самодельный тепловой насос из кондиционера, отбирающий теплоту проточной воды из скважины. По сути, от кондиционера тут используется только компрессор, иногда – внутренний блок, играющий роль фанкойла.

По большому счету, компрессор можно приобрести отдельно. К нему потребуется сделать теплообменник для нагрева воды (конденсатор). Медная трубка с толщиной стенки 1—1.2 мм длиной 35 м наматывается для придания формы змеевика на трубу диаметром 350—400 мм или баллон. После чего витки фиксируются перфорированным уголком, а затем вся конструкция помещается в стальную емкость с патрубками для воды.

Компрессор из сплит-системы присоединяется к нижнему вводу в конденсатор, а к верхнему подключается регулирующий клапан. Таким же образом изготавливается испаритель, для него сгодится обычная пластиковая бочка. Кстати, вместо самодельных емкостных теплообменников можно использовать заводские пластинчатые, но это обойдется недешево.

Сама по себе сборка насоса не слишком сложна, но здесь важно уметь правильно и качественно пропаивать соединения медных трубок. Также для заправки системы фреоном потребуются услуги мастера, не станете же вы специально покупать дополнительное оборудование

Дальше – этап наладки и пуска теплового насоса, который далеко не всегда проходит удачно. Возможно, придется немало повозиться, чтобы добиться результата.

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

Как работает тепловой насос типа «вода-вода»

Если неподалеку от дома есть водоем (пруд, река и пр.), то монтируют тепловой насос типа «вода-вода». В этой конструкции вода используется вместо рассола, с помощью мощного электрического насоса пропускается через первичный теплообменник (испаритель), сообщает свое тепло фреону (хладагенту с низкой температурой кипения – для этого достаточно повышения температуры до 5 °C), циркулирующему по второму контуру, где он закипает, переходит в газообразное состояние, сжимается с помощью компрессора, что сопровождается повышением его температуры и давления, перемещается в конденсатор, где сообщает тепло теплообменному контуру, превращается в жидкость и возвращается обратно в водоем. А нагретый во вторичном теплообменном контуре теплоноситель направляется в отопительную систему дома.

Необходимый для обогрева дома тепловым насосом коллектор либо помещают на дно (при глубине 1,2–1,5 м накопительный рукав будет давать тепловую энергию круглогодично) и пригружают для предотвращения всплытия, либо закапывают в донный грунт, у которого температура выше, чем у воды.

Такой тепловой насос отличается большей энергоэффективностью и экономичностью, но, как показывает практика, применяется не очень часто. Дело в том, что вследствие загрязненности воды потребуются монтаж установки для предварительной очистки поступающей воды, регулярная чистка теплообменника и пр.

Если тепловой насос для отопления работает по принципу «вода-воздух», то тепловая энергия нагревает воздух, который после этого распределяется по дому.

Следующий раздел статьи посвящен принципам действия других тепловых насосов для отопления дома.