Тепловой насос воздух – вода: плюсы и минусы, устройство агрегата

Воздушные тепловые насосы относятся к категории современного оборудования, использующего в работе альтернативные источники энергии. Источником тепла для них является окружающая нас атмосфера. Расходуя 1 кВт электроэнергии при помощи этих установок можно получить 4 кВт тепловой энергии. При этом они абсолютно безопасны экологически и не требуют сжигания топлива.

Важно! Если Вы хотите использовать эту систему в качестве альтернативы газовому отоплению, учтите, что теплотворность 1 кВт электроэнергии равна теплу, вырабатываемому 0.11 м3 природного газа. Более подробно о количестве энергии, выделяемой различными материалами, можно посмотреть в этой таблице.

Виды тепловых насосов

Существуют два вида установок. В одном тепловая энергия атмосферного воздуха передается для нагрева жидкого теплоносителя в системе отопления и горячей воды для хозяйственных нужд. В другом случае нагревается непосредственно воздух внутри помещения, без возможности нагрева горячей воды, это принцип называется воздух-воздух.

Кроме атмосферных существуют геотермальные и гидротермальные тепловые насосы. В их работе тепло отбирается из пробуренной скважины или водоема. Однако дополнительные расходы, связанные с бурением, защитой от коррозии, обеспечением электробезопасности и заиливанием, существенно усложняют монтаж и увеличивают сумму капитальных затрат.

Системы тепловых насосов воздух-вода являются самым оптимальным вариантом по надежности, уровню комфорта и стоимости. При этом имеют большой эксплуатационный срок.

Советы по приобретению и установке отопительной системы с тепловым насосом

Исходя из минусов теплового насоса, он идеально подходит для регионов с умеренной зимой и малоэффективен в условиях прохладных и северных климатических зон. Но не стоит огорчаться, если зимой в вашей местности бывают холода ниже -7С. В этой ситуации есть такие выходы:

1. Включение в систему отопления буферной ёмкости, которая будет аккумулировать полученное тепло. Один бак (небольшого, квартирного размера) при выключенном источнике может равномерно распределять тепло по системе до суток. Это удобный вариант для местности, где сильные морозы обычно непродолжительны по времени.
2. Установка вспомогательного источника тепла: газового или электрического котла. Когда дешёвый тепловой насос не сможет работать, его заменит менее экономичный «дублёр».
3. Совмещение двух предыдущих приёмов.

Внимание! Как и в случае с любой системой отопления, перед монтажом важно тщательно проверить тепловые потери вашего жилища и, по возможности, утеплить его. Чем теплее дом, тем меньшей мощности вам потребуется устройство.

Принцип работы насоса воздух-вода

Как уже было сказано, основным источником тепловой энергии для установок этого типа является атмосферный воздух. В принципиальной основе работы воздушных насосов лежит физическое свойство жидкостей к поглощению и отдаче тепла во время фазового перехода из жидкого состояния в газообразное, и обратно. В результате смены состояния выделяется температура. Система работает по принципу холодильника наоборот.

Для эффективного использования этих свойств жидкости легкокипящий хладагент (фреон, хладон) циркулирует по замкнутому контуру в конструкцию которого входят:

• компрессор с электроприводом;
• обдуваемый вентилятором испаритель;
• дроссельный (расширительный) клапан;
• пластинчатый теплообменник;
• медные или металлопластиковые циркуляционные трубки, соединяющие основные элементы схемы.

Движение хладагента по контуру осуществляется благодаря давлению, развиваемому компрессором. Для снижения тепловых потерь трубы покрываются теплоизоляционным слоем из искусственного каучука или вспененного полиэтилена с защитным металлизированным покрытием. В качестве хладагента используют хладон или фреон, способный закипать при отрицательной температуре и не замерзающий до -40°C.

Весь процесс работы состоит из следующих последовательных циклов:

1. В радиаторе испарителя находится жидкий хладагент, температура которого ниже, чем у наружного воздуха. Во время активного обдува радиатора тепловая энергия от низко потенциального воздуха передается хладону, который закипает и переходит в газообразное состояние. При этом его температура повышается.
2. Подогретый газ поступает в компрессор, где в процессе сжатия еще более нагревается.
3. В сжатом и разогретом состоянии пары хладагента подаются в пластинчатый теплообменник, где по второму контуру циркулирует теплоноситель системы отопления. Поскольку температура теплоносителя значительно ниже, чем у разогретого газа, фреон активно конденсируется на пластинах теплообменника, отдавая тепло в систему отопления.
4. Охлажденная парожидкостная смесь поступает на дроссельный клапан, который пропускает к испарителю только охлажденный жидкий хладагент с низким давлением. После чего весь цикл повторяется.

Для увеличения эффективности теплоотдачи трубки на испарителя навито спиральное оребрение. Расчет системы отопления, выбор циркуляционных насосов и другого оборудования должен учитывать гидравлическое сопротивление и коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника установки.

Видео обзор устройства системы и ее работы

Инверторные тепловые насосы

Наличие инвертора в составе установки позволяет обеспечить плавный пуск оборудования и автоматическое регулирование режимов в зависимости от температуры наружного воздуха. Это позволяет максимально повысить эффективность работы теплового насоса за счет:

• достижения КПД на уровне 95-98%;
• снижения потребления энергии на 20-25%;
• минимизации нагрузок на электрическую сеть;
• увеличения сроков эксплуатации установки.

В результате температура внутри помещений стабильно поддерживается на одном уровне, не зависимо от изменения погоды. При этом наличие инвертора в комплекте с автоматизированным блоком управления обеспечит не только зимний обогрев, но и подачу охлажденного воздуха летом при жаркой погоде.

В то же время следует учесть, что наличие дополнительного оборудования всегда влечет за собой его удорожание и увеличение срока окупаемости.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Эффективность горизонтального коллектора зависит от температуры среды, в которую он погружен, ее теплопроводности, а также площади контакта с поверхностью трубы. Методика расчета достаточно сложна, поэтому в большинстве случаев пользуются усредненными данными.

• 10 Вт – при заглублении в сухой песчаный или каменистый грунт;
• 20 Вт – в сухом глинистом грунте;
• 25 Вт – во влажном глинистом грунте;
• 35 Вт – в очень сыром глинистом грунте.

Таким образом, для расчета длины коллектора (L) следует потребную тепловую мощность (Q) разделить на теплотворную способность грунта (p):

L = Q / p.

Приведенные значения можно считать действительными только при соблюдении следующих условий:

• Участок земли над коллектором не застроен, не затенен и не засажен деревьями или кустами.
• Расстояние между соседними витками спирали или участками «змейки» составляет не менее 0,7 м.

При расчете коллектора следует учитывать, что температура грунта после первого года эксплуатации понижается на несколько градусов.

Работа системы отопления от такого насоса

Принцип работы самой установки был описан выше. В результате ее происходит нагрев теплоносителя во втором контуре теплообменника, который и будет служить в дальнейшем источником тепла для обогрева здания или отдельных помещений.

Классическим вариантом распределения нагретого теплоносителя является соединение теплообменника двумя отдельными линиями к распределительной гребенке и водонагревательному бойлеру. К гребенке в свою очередь подключаются отопительные приборы, теплые полы и другое оборудование. Такое распределение необходимо из-за различных режимов работы систем горячего водоснабжения и отопления.

Линейка тепловых насосов воздух-вода определяет мощности установок от 2 до 120 кВт, что позволяет выбрать оборудование для отопления и горячего водоснабжения жилого дома любой площади.

Режим подачи холодного воздуха

Конструкция тепловых насосов позволяет не только обогревать дом зимой, но и обеспечить подачу охлажденного воздуха в жаркие дни летом. Для этого циркуляция хладагента запускается по обратному циклу. Однако, охлаждение отопительных приборов не обеспечит необходимый эффект поскольку опускающийся вниз холодный воздух не сможет создать комфортных условий по всему объему помещения. Поэтому для того чтобы использовать установку воздух-вода для кондиционирования потребуется наличие обдуваемого вентилятором конвектора.

Кроме этого в циркуляционный контур дополнительно устанавливают 4-ходовой клапан, второй дроссельный клапан и 2 линии труб. При переключении клапана закрывается линия в направлении «зимнего» дросселя и открывается в сторону «летнего», и охлажденный теплоноситель подается на конвектор. Подогрев горячей воды так же будет отключен.

Стоимость такого усовершенствования с учетом дополнительного оборудования, материалов и работ может быть вполне сравнима со стоимостью кондиционера. Поэтому в большинстве случаев будет вполне разумным отказаться от эксплуатации в сплит-режиме, а просто купить климатическую установку.

Подробности

Преимущества и недостатки насосов воздух – вода

Как и любое оборудование, насосы имеют плюсы и минусы в работе. К преимуществам можно отнести:

1.оборудование легко монтируется. Первичный контур, замкнутый на испарителе, не требует водоемов, земляных работ.

2.воздух, как энергоноситель есть повсюду, в отличие от земли, водоемов. Насосы воздушного типа можно использовать в квартирах, на них не нужно иметь разрешение специальных органов.

3.насос воздух-вода можно соединить с вентиляционной сетью, мощность агрегата пойдет на повышение обмена воздуха в комнатах.

4.насосы работают с минимальным шумом, их можно программировать.

К недостаткам относят:

1.агрегат эффективен при определенной температуре окружающей среды. Коэффициент полезного действия агрегата выше в летний период, нежели зимой.

2.насосы могут работать при небольших морозах.

Внимание! Насосы не работают при 7 градусах ниже ноля, это не относится к промышленным насосам данного типа. Их можно включать при минус двадцати пяти градусах.

3.агрегат воздушного типа не относится в автономным энергетическим установкам. Для работы ему требуется электроэнергия, он трансформирует 1 киловатт за час от 11 до 14 мДж.

Как соорудить насос воздух-вода самостоятельно

Насосы типа воздух-вода имеют несложную конструкцию, их можно изготовить своими руками. Чтобы сделать аппарат, потребуются недорогие инструменты и детали:

1.компрессор старой сплит – системы, который можно купить в ремонтных мастерских.

2.бак, объемом 100 л из стали, подойдет бак от старых стиральных машин.

3.емкости из полимерного материала, имеющей широкую горловину, можно взять бидон.

4.трубы из меди, с внутренним сечением больше, чем один миллиметр. Их потребуется купить.

5.затворно – регулирующая арматура в виде сливного крана, крана, чтобы стравливать воздух, предохранительного клапана.

6.элементы для крепления в виде кронштейнов, хомутов, клипс.

Также потребуется приобрести фреон в качестве хладагента, самый простой управляющий блок. Без последнего невозможно осуществить пользование тепловыми насосами, потому что нужно сделать функционирование компрессора синхронной по отношению с температурным режимом на корпусе конденсатора и испарителя.

Как собрать аппарат

Собирая конструкцию, следует придерживаться определенных шагов. Согласно инструкции, надо сделать:

1.медная труба нужна, чтобы сделать змеевик. Его размеры должны подходить под поперечное сечение и высоту бака из стали.

2.надо вставить змеевик в емкость, концы трубы следует оставить вне бака, провести герметизацию бака, снизу сделать впускной штуцер, сверху выпускной штуцер. В итоге получится готовый конденсатор с отведениями для прямой трубы отопительной системы – штуцер сверху, обратного контура – штуцер снизу.

3.на кронштейны следует прикрепить компрессор к стене. Далее нужно соединить штуцер компрессора для напора с трубой из меди сверху бака.

4.сделать еще один змеевик из медного патрубка. Его размеры должны подходить под полимерный бидон по поперечному сечению и высоте.

5.вставить змеевик внутрь бидона, на один конец его устанавливается вентилятор, с помощью которого нагнетается воздух в змеевидную трубу. Из корпуса бидона надо сделать пару выпусков. Этот прибор станет в роли испарителя системы. Его прикрепляют на фасад здания, либо внутри вентиляции.

6.у конденсатора соединить выпуск снизу с выпуском на испарителе также снизу. В готовый трубопровод следует врезать дроссель для управления.

7.выпуск сверху бидона следует соединить с патрубком компрессора, предназначенного для всасывания.

8. в компрессор заливают хладагент, далее соединяют управляющий блок с вентилем на дросселе.

Как рассчитать мощность насоса

На параметр мощности насоса влияют многие факторы. К ним относят:

1.объем хладагента.

2.площадь поверхности змеевидных труб внутри испарителя, конденсатора.

3.предполагаемый объем теплоотдачи отопительной системе.

Внимание! Удобнее всего рассчитывать мощность с помощью спецпрограмм, которые учитывают все нюансы системы.

Мощность можно вычислить с помощью онлайн калькулятора. В калькулятор нужно ввести определенные параметры:

1.площадь комнаты, высота потолка, чтобы рассчитать объем.

2.регион, где стоит дом, чтобы определить среднегодовую температуру воздуха, которая влияет на уровень производительности испарителя.

3.степень утепления стен и крыши помещения, чтобы вычислить ожидаемую калорийность отопления.

В конце программы по последним параметрам выходят коэффициенты, на эти цифры надо умножить объем здания. Получившееся значение сравнивают с цифрами из таблицы, они указывают на необходимую мощность насоса для данной ситуации.

Внимание! К примеру, чтобы протопить площадь в сто квадратных метров, требуется насос в 5 киловатт, в триста пятьдесят квадратов нужен насос в 28 киловатт.

Преимущества и недостатки

Большинство моделей прекрасно работают до температуры наружного воздуха -15°C. При дальнейшем похолодании эффективность системы резко снижается. Это связано с такой технической характеристикой, как точка кипения хладагента. Для наиболее распространенных марок она находится в пределах от -20°C до -35°C. При меньшей температуре воздуха хладагент перестает закипать в испарителе и работа системы прекращается. Поэтому для жилых домов и коттеджей в холодной климатической зоне необходимо наличие дополнительного котла или камина.

Монтаж оборудования

Блок испарителя может быть установлен на опорах возле земли или на стене здания. Для защиты от шума работающего компрессора второй блок рекомендуется устанавливать в отдельном помещении, в подвале или на чердаке. При этом необходимо принимать рекомендуемое изготовителями расстояние между блоками не более 10 метров.

После этого блоки соединяются между собой металлопластиковыми или медными трубками в усиленной тепловой изоляции с фольгированной защитой. На последнем этапе монтажа ко второму контуру пластинчатого теплообменника подключают трубы системы отопления и подводят линию электроснабжения.

Нюансы установки

При выборе теплового насоса вода-вода важно просчитать условия его эксплуатации. Если магистраль погружается в водоем, нужно учитывать его объем (для замкнутого озера, пруда и т.д.), а при установке в реке – скорость течения

При неправильных просчетах трубы будут обмерзать льдом и КПД теплового насоса будет нулевым.

Что такое чиллер и как он работает

При отборе подземных вод нужно учесть сезонные колебания. Как известно, весной и осенью количество грунтовых вод выше, чем зимой и летом. А именно на зиму придется основное время работы теплового насоса. Для выкачки и закачки воды нужно использовать обычный насос, который также потребляет электроэнергию. Ее затраты стоит включить в общие и только после считать эффективность и период окупаемости теплонасоса.

отличный вариант — использовать артезианскую воду. Из глубоких пластов она выходит самотоком, под давлением. Но придется устанавливать дополнительное оборудование, чтобы компенсировать его. Иначе могут пострадать узлы теплового насоса.

Единственный минус использования артезианской скважины — стоимость бурения. Затраты нескоро окупятся за счет отсутствия насоса для подъема воды из обычной скважины и закачки ее в землю.

Как работает данная система?

Окружающий нас мир полон энергии, нужно только собрать ее и правильно использовать. Для этого и предназначены тепловые насосы воздух вода. С их помощью можно собрать низкопотенциальную энергию из окружающей среды и преобразовать ее в высокопотенциальное тепло, способное обогреть жилище весьма эффективно. Специалисты называют этот процесс обратным принципом Карно, на основе которого работают холодильные установки.

С помощью мощного вентилятора снаружи забирается обычный воздух. Он контактирует с испарителем, внутри которого находится хладагент, циркулирующий по змеевику. Нагреваясь, хладагент испаряется и поступает в компрессор. Здесь он сжимается и нагревается до температуры около 75 градусов и под давлением поступает в конденсатор. Там хладагент конденсируется и переходит в жидкое состояние, отдавая тепло домовой отопительной системе. Жидкий хладагент поступает в испаритель, где нагревается под действием наружного воздуха и т. д. Цикл «нагрев-испарение-сжатие-конденсация» повторяется снова и снова.

Внешний блок теплового насоса воздух-вода размещают на участке, выбирая для этого недалеко от дома место с хорошей циркуляцией воздуха

Тепловые насосы всех типов рекомендуется использовать в комплекте не с традиционными радиаторами, а с теми видами отопление, которые не требуют подогрева теплоносителя до высоких температур. К ним относят «теплый пол», воздушное отопление, радиаторы большой площади и т. п.

Бурение скважин для системы тепловых насосов

Устройство скважины лучше доверить профессиональной монтажной организации. Оптимально, чтобы этим занимались представители компании, продающей теплонасос. Так, можно учесть все нюансы бурения и расположения зондов от строения, выполнить другие требования.

Специализированная организация поспособствует получению разрешения на бурение скважины под зонды для грунтового теплового насоса. Согласно законодательству, использование грунтовых вод в хозяйственных целях запрещено. Речь идет об использовании в любых целях вод, расположенных ниже первого водоносного горизонта.

Как правило, процедура бурения вертикальных систем должна быть согласована с органами государственной администрации. Отсутствие разрешений ведет к штрафным санкциям.

После получения всех необходимых документов начинаются монтажные работы, согласно следующему порядку:

• Определяются точки бурения и расположения зондов на участке, учитывая расстояние от строения, особенности ландшафта, наличие подземных вод и т.д. Выдерживают минимальный разрыв между колодцами и домом не менее 3 м.
• Завозится оборудование для бурения, а также техника, необходимая для выполнения ландшафтных работ. Для вертикальной и горизонтальной установки требуется буровой и отбойный молоток. Для сверления грунта под углом используются буровые установки с веерным контуром. Наибольшее применение получила модель, работающая на гусеничном ходу. В полученные скважины укладывают зонды и заполняют зазоры специальными растворами.

Бурение скважин для тепловых насосов (за исключением кластерной разводки) допускается на расстоянии от здания не менее 3 м. Максимальное расстояние до дома не должно превышать 100 м. Проект выполняют исходя из этих норм.

Какая глубина скважины должна быть

Глубина рассчитывается исходя из нескольких факторов:

• Зависимость КПД от глубины скважины – существует такое понятие, как ежегодное снижение теплоотдачи. Если колодец имеет большую глубину, а в некоторых случаях требуется сделать канал до 150 м, каждый год будет происходить уменьшение показателей получаемого тепла, со временем процесс стабилизируется.Сделать скважину максимальной глубины не самое лучшее решение. Обычно делают несколько вертикальных каналов, удаленных друг от друга. Расстояние между скважинами 1-1,5 м.
• Расчет глубины бурения скважины под зонды выполняется с учетом следующего: общая площадь придомовой территории, наличие грунтовых вод и артезианских скважин, общая отапливаемая площадь. Так, к примеру, глубина бурения скважин с высокими грунтовыми водами резко сокращается, по сравнению с изготовлением колодцев в песчаной почве.

Создание геотермальных скважин – сложный технический процесс. Все работы, начиная с проектной документации и заканчивая введением теплового насоса в эксплуатацию должны выполнять исключительно специалисты.

Чтобы подсчитать приблизительную стоимость работ используют он-лайн калькуляторы. Программы помогают высчитать объем воды в скважине (влияет на количество необходимого пропиленгликоля) ее глубину и выполнить остальные расчеты.

Чем заполнить скважину

Выбор материалов зачастую полностью ложится на самих хозяев

Подрядная организация может советовать обратить внимание на тип трубы и рекомендовать состав для заполнения скважины, но окончательное решение придется принимать самостоятельно. Какие есть варианты?

• Трубы, применяемые для скважин – используют пластиковые и металлические контуры. Как показала практика, второй вариант является более приемлемым. Срок эксплуатации металлической трубы не менее 50-70 лет, стенки металла имеют хорошую теплопроводность, что увеличивает эффективность коллектора. Пластик проще монтировать, поэтому строительные организации зачастую предлагают именно его.
• Материал для заполнения зазоров между трубой и грунтом. Тампонирование скважины является обязательным правилом к выполнению. Если не заполнить пространство между трубой и грунтом, со временем происходит усадка, способная повредить целостность контура. Зазоры заполняют любым строительным материалом с хорошей теплопроводимостью и эластичностью, типа Бетонит.Заполнение скважины для теплонасоса не должно препятствовать нормальной циркуляции тепла от грунта к коллектору. Работы выполняют медленно, чтобы не оставить пустот.

Даже если бурение и расположение зондов от строения и друг от друга выполнено правильно, через год потребуется проведение дополнительных работ по причине усадки коллектора.