Как устроен тепловой насос «вода-вода» и сделать его самостоятельно

Воздушное отопление тепловым насосом. Виды тепловых насосов.

Существуют несколько типов тепловых насосов, различающихся как по стоимости, так и по своей эффективности.

Тепловые насосы “воздух”-“воздух”.

Наиболее дешевые тепловые насосы, использующие для отопления тепло уличного воздуха (тепловые насосы “воздух”-“воздух”). Так же, как и кондиционеры, они состоят из внутреннего и наружного блоков. У фирмы Goodman есть модельный ряд канальных кондиционеров с функциями теплового насоса. Однако эффективность таких насосов очень зависит от температуры уличного воздуха. Современные тепловые насосы “воздух”-“воздух” могут работать при температуре воздуха до -25 °С (самые современные, но и более дорогие модели – до -40 °С), но их КПД при этом падает до 150%. Обычно средний КПД теплового насоса “воздух”-“воздух” не превышает 220% за отопительный сезон. Более эффективно применение таких насосов и теплых и прибрежных климатических областях – например в Сочи или в Краснодарском крае. А в средних и тем более в северных районах нашей страны их применение менее эффективно. С другой стороны, тепловой насос может здорово выручить, если для отопления дома есть только электричество, но выделенной мощности недостаточно для отопления. В этом случае для отопления может хватить теплового насоса даже с небольшим КПД в 150%. Стоимость тепловых насосов “воздух”-“воздух” Goodman для отопления загородных домов находится в пределах 180 000…200 000 руб, стоимость более совершенных японских моделей – от 300 000…350 000 руб.

Тепловые насосы “воздух”-“земля”.

Гораздо более эффективны тепловые насосы, которые используют для отопления тепло земли, горных пород, или водоемов. Как уже было сказано, на глубине 4-8 м. температура обычно не опускается ниже +8…9 °С. Однако для работы такого теплового насоса (“воздух”-“земля”) его трубопровод должен быть либо помещен в глубоко пробуренную скважину (в земле либо в скальной породе), либо закопан на глубине несколько метров в землю на большой площади. Скважина может отдать 50..60 Вт тепла на каждый метр своей глубины, а если трубопровод закопан неглубоко, то он заберет всего 20…30 Вт тепла с каждого метра. Причем расстояние между петлями трубопровода должно быть не менее 0,8…1.0 м. Таким образом, для получения мощности в 10 кВт надо либо бурить скважину глубиной 170 м, либо закопать на небольшую глубину 350…450 м трубопровода. С учетом расстояния между петлями трубопровода для этого потребуется участок площадью 20 х 20 м. или 4 сотки. Также надо учитывать, что в месте расположения трубопровода теплового насоса земля будет промерзать сильнее, что зимой может привести к гибели растущих на этом участке деревьев и даже травы. Особенно если трубопровод был закопан слишком неглубоко. Разумеется, земляные работы на площади 4 сотки обойдутся недешево.

Тепловые насосы “воздух”-“вода”.

Примерно такую же эффективность имеют и тепловые насосы “воздух”-“вода”, у которых трубопровод не закапывается в землю, а размещается в глубине водоема. Вода может отдать около 30 Вт на каждый метр трубопровода, поэтому для мощности в 10 кВт потребуется утопить в озере или пруду 300 м трубопровода. Главная проблема тут – найти водоем, в котором зимой вода не промерзает до дна и с требуемой площадью (тоже около 4 соток).

Принцип работы теплового насоса вода-вода

Тепловой насос воплотил в себе принцип цикла Карно. Он заключается в том, что движущееся вещество по замкнутой системе и меняющее под воздействием химических, физических или термических факторов свое агрегатное состояние из жидкого в газообразное высвобождает и поглощает огромное количество тепловой энергии.

Даже зимой в природных источниках на определенной глубине сохраняется положительная температура, поэтому из них круглый год можно извлекать тепловую энергию. Единственный недостаток установки – высокий расход электроэнергии и необходимость закупки дополнительного оборудования.

На схеме изображена траектория циркуляции воды и хладагента. Система позволяет получать тепловую энергию, независимо от сезона

Основные элементы теплового насоса вода-вода:

• компрессор;
• испаритель;
• конденсатор;
• расширительного индукционного клапана;
• автоматическая система, осуществляющая контроль показателей;
• множественные магистрали из медных труб;
• рабочее вещество (хладагент).

С помощью специального насоса вода поступает по трубкам из источника в тепловую установку, после чего взаимодействует с газом (фреоном), закипающим при температуре +2-3 градуса. Фреон поглощает часть тепла воды и всасывается компрессором, где во время сжатия его температура повышается.

Оборудование теплового насоса занимает немало места, но предоставляет возможность избавиться от коммунальной зависимости

Далее хладагент поступает в конденсатор, после чего горячее вещество нагревает воду до заданной температуры (от +40 до +80 градусов), которая транспортируется по трубам системы отопления.

Охлажденная вода поступает в испаритель, затем сливается в приемную скважину. После прохождения конденсатора хладагент становится жидким и собирается на дне элемента, затем через дроссель возвращается в исходное место. Далее цикл повторяется.

Работа внутреннего блока геосистемы вода-вода направлена на нагрев теплоносителя для отопительных контуров и воды для горячего водоснабжения.

Тепловые насосы, выпускаемые для обустройства малоэтажных построек, радуют небольшими габаритами. Используют они воду из открытых водоемов, скважин и антифриз из замкнутых систем, уложенных в земле.

В зависимости от конструкции и технического оснащения тепловые насосы расходуют от 5 до 25% энергии, остальная энергия идет на обеспечение инженерных систем.

Виды теплонасосов: нюансы работы теплообменника фреон-вода

Природный источник энергии может представлять собой систему скважинного типа, грунтового или водоемного. Каждый вариант уникальный. Отличается принцип работы и монтаж.

Когда источником энергии является скважина, необходимо пробурить соответствующее отверстие в земли. В 1 м источника можно добыть 50-60 Вт энергии. Для нормальной работы теплонасоса потребуется 20 м.

Особенности получения энергии со скважины:

1. Главные плюсы – компактность и большая теплоотдача;
2. Минус – сложности при бурении скважины.

Когда источником тепла выступает грунт, то труба залегает на глубину ниже уровня промерзания земли. Для укладки трубы можно вырыть котлован или траншею.

Если поблизости размещены водоемы, то можно положить трубу в источник воды. Главное требование – достаточная глубина. В 1 кв м воды можно получить 30 Вт энергии. Для фиксации труб на глубине к ним прикрепляется груз.

В некоторых случаях в качестве источника используют воздух. Такой насос содержит хладагент. В этом случае подходит фреон из холодильника. Вещество забирает тепло из воздуха и отдает помещению.

На что смотреть при обустройстве такого отопления?

Существует большое количество различных модификаций тепловых насосов, предназначенных для помещений любого назначения и размера, а также работающих в разных условиях. Оборудование предназначено для отапливания домов общей площадью 50 до 150 квадратных метров.

Ориентир №1 – жесткость воды

Качество воды скважины или водоема играет важную роль при выборе оборудования. Не все модели способны работать на жесткой воде, содержащей большое количество марганца и железа.

Высокая концентрация этих элементов вредит системе – на трубах быстрее образовывается коррозия, что ведет к уменьшению КПД оборудования и сроков его эксплуатации.

Поэтому перед покупкой теплового насоса берут пробу воды и делают ее анализ на наличие этих и других микроэлементов – сероводорода, аммиака, хлора и т.д. Обычно если в пруду температура превышает +13 градусов, то с большей долей вероятности в воде много ионов железа и марганца.

Таким образом, тепловой насос вода-вода подбирается с учетом жесткости воды. Есть системы, элементы которой максимально защищены от коррозии, но стоят они дороже.

Ориентир №2 – режим работы

Тепловой насос может использоваться в качестве единственного источника тепла или взаимодействовать с другими системами

Поэтому перед выбором модели важно определить, в каком режиме устройство будет работать

• Моновалентный. Приборы обладают большой мощностью, подходят для отапливания дома.
• Бивалентный. Менее производительные устройства, дополняют основное обогревательное оборудование.

Для сооружения автономной системы с основным нагревательным агрегатом вода-вода, нужен моновалентный тип.

Ориентир №3 – мощность насоса

Мощность – важный показатель при выборе теплового насоса, так как от него зависит производительность системы. Чем выше мощность, тем выше КПД оборудования, но и расход электроэнергии больший.

Производительность теплового насоса вода-вода подбирается, исходя из реальных потребностей

При выборе устройства с недостаточной мощностью эффективность системы упадет в случае, если теплопотери дома превысят количество отдаваемой системой энергии. Тепловой насос может работать круглосуточно, но эффекта от него не будет из-за понижения температуры воды.

Когда теплопотери постройки ниже, чем теплоотдача системы, то насос обычно автоматически запускается на несколько минут, нагревает воду до установленной температуры, транспортирует ее по системе. После чего выключается до момента, когда температура понизится на несколько градусов. Затем цикл повторяется.

Ориентир №4 – функцинал конкретной модели

Тепловые насосы могут обладать дополнительными функциями, это:

• Система автоматического управления, которая позволит регулировать микроклимат помещения по вкусу. Управление обычно осуществляется с помощью дистанционного пульта.
• Функция нагрева воды для горячего водоснабжения.
• Шумоизоляционный корпус.
• Возможность подключения к другим системам отопления, солнечным коллекторам, что сделает оборудование для обогрева полностью автономным.

Длительность эксплуатации тепловых насосов вода-вода обычно превышает 30 лет.

Не менее важным при выборе оборудования считают стоимость установки и монтажа.

Особенности тепловых насосов

Для получения тепловой энергии в ТН не используются энергоносители, и поэтому не наносится вред окружающей природе. Такая установка производит тепловой энергии больше, чем потребляет электроэнергии.

Принцип работы

В основе работы ТН лежит принцип переноса тепла от более холодного источника к более теплому. То есть более холодное он делает еще холоднее, а более теплое — еще теплее. Это значит здесь не заложена идея вечного двигателя, потому что в сумме количество тепла сохраняется неизменным, а электроэнергия тратится только на разделение и перенос тепла.

Для чего нужны

Тепловой насос можно применить как для отопления, так и для охлаждения, потому что при помощи его происходит разделение и перенос тепла. Значит ту часть установки, которая становится холоднее, можно использовать для понижения температуры, а другую часть — для повышения.

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

Преимущества водяных тепловых насосов

По сравнению с грунтовыми и воздушными тепловые насосы «вода-вода» обладают следующими преимуществами:

• в качестве источника тепла для водяных тепловых насосов используются открытые и закрытые водоемы;
• водоемы обладают положительной температурой даже в зимнее время;
• тепловой насос «вода-вода» имеет более короткий внешний контур – следовательно, коэффициент преобразования энергии выше;
• тепловые насосы «вода-вода» требуют меньше времени и затрат на подготовительные работы;
• контур водяного теплового насоса не мешает какой-либо деятельности (при грунтовом контуре запрещено строительство и ограничено земледелие).

Обогрев дома тепловым насосом типа «земля-вода»

В тепловом насосе типа «земля-вода» теплообменник может быть представлен двумя видами:

• горизонтальным коллектором. Это несколько контуров, выполненных из пластиковых труб, которые находятся под слоем почвы, причем следует заметить, что теплообмен более интенсивен во влажных грунтах, а в сухих песчаных снижается. Тепло, которое накапливается в ней (в почве) в процессе солнечного излучения, коллектор отбирает и использует. Чтобы отопление таким геотермальным тепловым насосом было эффективным, в зависимости от характера почвы, ее теплопроводности, геометрии местности необходимо подбирать соответствующую схему укладки труб, например, в виде петли, змейки, зигзага и т. д. Для обогрева дома площадью 150–200 м потребуется трубопровод длиной примерно 400–650 м, уложенный в виде нескольких контуров на глубину 1,2–1,5 м, т. е. ниже уровня промерзания. Для этого понадобится участок площадью приблизительно 300–400 м (чтобы сократить длину трубопровода, снизить гидравлическое давление и уменьшить мощность насоса, прибегают к спиральной укладке труб на глубину 2–4 м), т. е. фактически его площадь должна вд
  вое превосходить площадь отапливаемой постройки. Понятно, что на таком участке можно лишь разбить газон или цветник, не используя его под другие нужды. Устройство горизонтального коллектора обойдется несколько дешевле, да и монтаж его отличается большей простотой, чем закладка теплообменника другого вида;
• вертикальным грунтовым зондом, для которого необходимо пробурить скважину глубиной от 50 до 200 м. Естественно, что для такого оборудования не понадобится большой участок, но бурильные работы стоят достаточно дорого. Однако и эффективность такого геотермального теплового насоса для дома будет гораздо выше (по сравнению с горизонтальным коллектором разница составит примерно 20 %), поскольку на большой глубине температура почвы тоже более высокая. Зонды могут иметь разную конструкцию, но, как правило, предпочтение отдают U-образной. Зазор между стенками скважины и зондом заполняют раствором – либо буровым, либо бетонным, что не только предохраняет трубы от механических повреждений, но и улучшает теплопередачу.

Схема отопления тепловым насосом «земля-вода»:

• первый контур с рассолом;
• второй контур – собственно тепловой насос:

1. испаритель;
2. компрессор;
3. конденсатор;
4. расширительный клапан;

третий контур – отопительная система.

Чтобы обогреть дом площадью 150–200 м, надо пробурить 5–6 пятидесятиметровых скважин, причем при этом надо соблюдать несколько условий. Во-первых, скважины должны располагаться на расстоянии от дома не менее чем 2 м, иначе его фундамент может пострадать; во-вторых, скважины не должны попасть на одну линию с подземными водами, вследствие чего эффективность теплового насоса резко упадет.

Ниже описано, как работает тепловой насос типа «вода-вода» для отопления загородного дома.

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.

Что такое тепловой насос и как он работает?

Под термином тепловой насос понимается набор определенного оборудования. Основной функцией этого оборудования является сбор тепловой энергии и ее транспортировка к потребителю. Источником такой энергии может стать любое тело или среда, обладающая температурой от +1º и более градусов.

В окружающей нас среде источников низкотемпературного тепла более чем достаточно. Это промышленные отходы предприятий, тепловых и атомных электростанций, канализационные стоки и пр. Для работы тепловых насосов в сфере отопления дома нужны три самостоятельно восстанавливающихся природных источника – воздух, вода, земля.

Тепловые насосы “черпают” энергию из процессов, регулярно происходящих в окружающей среде. Течение процессов никогда не прекращается, потому источники признаны неисчерпаемыми по человеческим критериям

Три перечисленных потенциальных поставщика энергии напрямую связаны с энергией солнца, которое путем нагревания приводит в движение воздух с ветром и сообщает тепловую энергию земле. Именно выбор источника является основными критерием, согласно которому классифицируют тепловые насосные системы.

Принцип действия тепловых насосов базируется на способности тел или сред передавать тепловую энергию другому телу или среде. Получатели и поставщики энергии в тепловых насосных системах работают обычно в паре.

Так различают следующие виды тепловых насосов:

• Воздух – вода.
• Земля – вода.
• Вода – воздух.
• Вода – вода.
• Земля – воздух.
• Вода – вода
• Воздух – воздух.

При этом первое слово определяет тип среды, у которой система отбирает низкотемпературное тепло. Второе указывает на вид носителя, которому и передается эта тепловая энергия. Так, в тепловых насосах вода – вода, тепло отбирается у водной среды и в качестве теплоносителя используется жидкость.

Тепловые насосы по конструктивному типу являются парокомпрессионными установками. Они извлекают тепло из природных источников, обрабатывают и транспортируют его к потребителям (+)

Современные тепловые насосы используют три основных источника тепловой энергии. Это – грунт, вода и воздушная среда. Самый простой из этих вариантов – воздушный тепловой насос. Популярность таких систем связана с их довольно несложной конструкцией и простотой монтажа.

Однако несмотря на такую популярность, эти разновидности имеют довольно низкую производительность. К тому же КПД нестабилен и зависим сезонных колебаний температурного режима.

С понижением температуры их производительность значительно падает. Такие варианты тепловых насосов можно рассматривать как дополнение к имеющемуся основному источнику тепловой энергии.

Варианты оборудования, использующего тепло грунта, считаются более эффективными. Грунт получает и аккумулирует тепловую энергию не только от Солнца, он постоянно подогревается за счет энергии земного ядра.

То есть грунт является своеобразным тепловым аккумулятором, мощность которого, практически, не ограничена. Причем температура грунта, особенно на некоторой глубине, постоянна и колеблется в незначительных пределах.

Сфера применения энергии, вырабатываемой тепловыми насосами:

Постоянство температуры источника является важным фактором стабильной и эффективной работы данного вида энергетического оборудования. Аналогичными характеристиками обладают системы, в которых водная среда является основным источником тепловой энергии. Коллектор таких насосов располагают либо в скважине, где он оказывается в водоносном слое, либо в водоеме.

Среднегодовая температура таких источников, как грунт и вода, варьируется от +7º до + 12º С. Такой температуры вполне достаточно для того, чтобы обеспечить эффективную работу системы.

Наиболее эффективными считаются тепловые насосы, извлекающие тепловую энергию из источников со стабильными температурными показателями, т.е. из воды и грунта