Тепловой насос воздух-воздух: как работает, виды, нюансы эксплуатации

Тепловая мощность

Расчет тепловой мощности насоса и его подбор для определенного помещения потребует специальной таблицы соотношений площадей и мощностей, а также следующей формулы: V*T*K. Где: V — объем помещения; Т — разница температур воздуха вне помещения и внутри него; К — коэффициент рассеивания.

Коэффициент зависит от вида конструкции. Для простой деревянной без утепления используется К = 3-4, для построек с упрощенной кровлей и окнами с небольшой теплоизоляцией – К = 2-2,9, для стандартных зданий с двойной кладкой и кровлей, неплохой утепленностью К = 1 – 1,9. Наконец, для хороших строений с максимальной теплоизоляцией, качественной кровлей и толстым основанием пола используется коэффициент равный 0,6-0,9 (т.е. минимальный).

Расчет тепловой мощности производится следующим образом. Допустим, объем дома равен 144 м3, температуры наружного воздуха — 6° C, внутри дома требуется +20° C, разница составляет 26° C. Выбирается коэффициент. Предположим, улучшенная конструкция – 0,6. Требуемая тепловая мощность будет равна 144*26*0,6, что равно 2246,4 ккал/ч.

Достоинства тепловых насосов «воздух-воздух»

универсальность ТН позволяет производить отопительный и охлаждающий процесс в коммерческих, муниципальных, промышленных и жилых зданиях;
так как системы не используют никакого сгораемого топлива, они гораздо экологичнее аналогичных агрегатов;
при наличии опыта в монтаже подобных устройств и специального инструмента, монтаж топливного насоса данного типа можно произвести своими силами в максимально сжатые сроки;
оборудование обладает высоким коэффициентом отдачи тепла и не требует особых затрат на регулярное обслуживание;
приемлемая цена ТН позволяет приобрести заводскую систему людям практически с любым ежемесячным доходом;
на обслуживание компрессора тратится минимальное количество времени;
для изготовления приборов не используются горючие материалы, а для работы – топливо, что позволяет говорить об их полной пожарной безопасности.

Согласно отзывам тех, кто уже установил топливный насос «воздух-воздух» и многочисленных экспертов, оборудование редко выходит из строя раньше окончания гарантийного периода. К тому же, ТН отличаются ремонтопригодностью и низкой стоимостью деталей и комплектующих материалов. Управлением и контролем работы системы занимается автоматика.

Водяное отопление с естественной циркуляцией

Отопительные системы без насоса обычно классифицируются в соответствии с определенными характеристиками, отражающими их функциональность.

В зависимости от типа уравнительного бака, естественное циркуляционное отопление обычно подразделяется на следующие типы:

Открытая система отопления. В этом исполнении расширительный бачок расположен как можно выше для создания избыточного давления и обеспечения откачки воздуха. В этом случае бак также используется для подачи жидкости в систему.
Закрытая система отопления с естественной циркуляцией отличается тем, что вместо расширительного бачка устанавливается диафрагменный аккумулятор, с помощью которого создается дополнительное давление не более 1,5 атмосфер. Из соображений безопасности система имеет встроенный манометр, который регулирует внутреннее давление.

Нагревательные конструкции с естественной циркуляцией также разделены в зависимости от способа соединения нагревательных элементов. В соответствии с данной классификацией, существуют следующие виды отопления

Монотрубная система отопления. Принцип действия этого типа отопления заключается в том, что все нагреватели соединены последовательно с системой, т.е. охлаждающая жидкость циркулирует от одного элемента к другому. Несомненным преимуществом этого типа отопления является то, что его установка достаточно проста и требует минимального количества материалов.
Двухтрубная система отопления с естественной циркуляцией. В этом варианте нагревательные элементы соединяются параллельно с главной трубой. Другими словами, каждый агрегат поставляется с одинаковой температурой, и охлажденная жидкость возвращается в котел по трубе, обычно называемой «обратная труба».

Эта схема отопления является оптимальной для отопления жилых помещений. Единственным недостатком является то, что для монтажа такой отопительной системы требуется большое количество труб и другой сантехнической арматуры.

Совет по строительству: При выборе отопительной системы для вашего дома, вы должны учитывать ваши характеристики при покупке всех расходных материалов для отопительной установки.

Конструктивные особенности тепловых насосов

В настоящее время используются тепловые насосы, имеющие разные конструкции. Так, насос с открытым циклом применяют, когда дом расположен рядом с водоемом. В этом случае теплоноситель, вода, поступает в открытый контур, проходит весь цикл и, охлаждаясь, вновь сливается в водоем.

Геотермальные насосы закрытого типа прокачивают теплоноситель – воздух или воду, по трубам, заложенным глубоко в землю и проложенным по дну водоема. Закрытый цикл в экологическом плане считается более безопасным. К закрытому типу относятся насосы с вертикальным и горизонтальным теплообменником, которые используются, когда поблизости нет водоемов. Вертикальные тепловые насосы применяются, когда площадь земельного участка, на котором расположен дом, невелика. Иногда вертикальные насосы устанавливают в пробуренных поблизости скважинах.

Особенности тепловой системы воздух-вода

Тепловой насос, которому посвящена эта статья, в отличие от других модификаций подобного устройства (в частности, вода-вода и грунт-вода), обладает рядом достоинств:

экономит электричество;
для установки не потребуются масштабные земельные работы, бурение скважин, получение специальных разрешений;
если подключить систему к солнечным батареям, то можно обеспечить полную ее автономность.

Веское преимущество тепловой системы, извлекающей энергию ветра и передающей ее воде, заключается в стопроцентной экологической безопасности.

Перед тем, как приступать к конструированию насоса, необходимо выяснить, в каких случаях система проявляет себя максимально эффективно, а когда ее использование нецелесообразно.

Тепловая насосная система, извлекающая энергию из воздушной массы, может использоваться для подогрева всех видов теплоносителей, применяющихся на территории СНГ: воды, воздуха, пара

Специфика применения и работы

Тепловой насос продуктивно работает исключительно в температурном диапазоне от -5 до +7 градусов. При температуре воздуха от +7 система будет вырабатывать больше тепла, чем необходимо, а при показателе ниже -5 – недостаточно для обогрева. Это связано с тем, что концентрированный фреон, находящийся в конструкции, закипает при температуре -55 градусов.

Теоретически система может вырабатывать тепло и в 30-градусный мороз, но его будет недостаточно для обогрева, ведь теплопроизводительность напрямую зависит от разности температуры кипения хладагента и температуры воздуха.

Поэтому жителям Северных регионов, где холода наступают раньше, эта система не подойдет, а в домах Южных областей она сможет эффективно прослужить несколько холодных месяцев.

Если в помещении установлены стандартные батареи, то тепловой насос будет работать менее эффективно. Лучше всего устройство воздух-вода сочетается с конвекторами и иными радиаторами с большой площадью, а также с системами «теплый пол», «теплые стены» водного типа.

Также само помещение должно быть хорошо утеплено снаружи, обладать встроенными многокамерными окнами, обеспечивающими лучшую теплоизоляцию, чем обычные деревянные или пластиковые.

Тепловой насос лучше всего взаимодействует с водяной системой «теплый пол», не требующей нагрева теплоносителя свыше 40 – 45º С

Самодельный тепловой насос сможет эффективно обогревать дома площадью до 100 кв. м и гарантировано выдавать мощность в 5 кВт. Следует понимать, что фреон невозможно залить достаточно качественно в конструкцию, созданную в бытовых условиях, поэтому следует рассчитывать на температуру его кипения до -22 градусов.

Устройство домашней сборки идеально подойдет для снабжения теплом гаража, теплицы, подсобных помещений, небольшого частного бассейна и др. Система обычно используется в качестве дополнительного обогрева.

Электрокотел или иное традиционное оборудование для отопительного сезона потребуется в любом случае. Во время сильных морозов (-15-30 градусов) тепловой насос рекомендуется выключать, чтобы избежать растрат электроэнергии, ведь в этот период его эффективность составляет не больше 10%.

Тепловые насосы поставляют достаточное количество энергии для обогрева воды в крытых частных бассейнах (+)

Принцип действия системы

Рабочее вещество в конструкции – воздух. Через наружный блок, устанавливающийся на улице, кислород по трубам поступает в испаритель, где взаимодействует с хладагентом.

Фреон под действием температуры становится газообразным (поскольку закипает при -55 градусах) и в нагретом виде под давлением поступает в компрессор. Устройство сжимает газ, тем самым увеличивая его температуру.

Горячий фреон поступает в контур накопительного бака (конденсатора), где происходит отдача тепла воде, которую впоследствии можно использовать для организации отопления и ГСВ. В конденсаторе фреон лишается только части своего тепла, и все еще находится в газообразном состоянии.

Проходя через дроссель, хладагент распрыскивается, в результате чего его температура понижается. Фреон становится жидким и в таком виде переходит в испаритель. Цикл повторяется.

На рисунке схематически показана реализация принципа элементарного теплового насоса, разделенного компрессором и расширителем на два контура – высокого и низкого давления

Желающим самостоятельно соорудить тепловой насос из бросовых материалов и отслужившей техники, к примеру, из старого холодильника, поможет информация, изложенная в рекомендуемой нами статье.

Виды тепловых насосов

воздух-воздух;
воздух-вода;
земля-вода;
вода-вода.

Первое слово в этих сочетаниях означает внешнюю среду, от которой забирается энергия. Второе слово это вид теплоносителя, с помощью которого обеспечивается обогрев помещений.

Использование геотермальных и гидротермальных установок менее выгодно. Дело в том, что получение тепловой энергии от грунта или воды в водоемах требует увеличения затрат, на бурение скважины, обеспечение защиты опускаемой части системы от воздействия коррозии и заиливания. Отбор тепла из окружающего воздуха делает работу тепловых насосов более выгодной и обоснованной экономически, за счет быстрой окупаемости капитальных затрат. При этом срок эксплуатации оборудования в несколько раз больше.

Использование для отопления и охлаждения

Это достаточно интересное оборудование, заменяющее собой и обогреватель и кондиционер. Это позволяет экономить не только на отоплении зимой, но и на оборудовании для поддержания комфортной температуры летом.

Принцип работы теплового насоса воздух-воздух

Общий принцип работы ТН во многом напоминает тот, что используется в кондиционере, в режиме «обогрев помещения», с единственным отличием. Теплонасос «заточен» на отопление, а кондиционер на охлаждение комнат. Во время работы используется низкопотенциальная энергия воздуха. В результате расход электроэнергии сократился более чем в 3 раза.Принцип действия тепловой насосной установки воздух-воздух, если не вдаваться в технические подробности, следующий:

Воздух, даже при отрицательной температуре, сохраняет определенное количество тепловой энергии. Это происходит до тех пор, пока температурные показатели не достигнут абсолютного нуля. Большинство моделей ТН способны извлекать тепло при достижении температуры -15°С. Несколько известных производителей выпустило станции, сохраняющие работоспособность при -25°С и даже -32°С.
Забор низкопотенциального тепла происходит благодаря испарению фреона, циркулирующего по внутреннему контуру ТН. Для этого используется испаритель – блок, в котором создаются оптимальные условия для преобразования хладагента из жидкого в газообразное состояние. При этом, согласно физическим законам, поглощается большое количество тепла.
Следующим блоком, расположенным в системе теплоснабжения воздух-воздух, является компрессор. Именно сюда подается хладагент в газообразном состоянии. В камере нагнетается давление, что приводит к резкому и существенному нагреву фреона. Через форсунку, хладагент впрыскивается в конденсатор. Компрессор для теплового насоса имеет спиралевидное исполнение, что облегчает запуск при низких температурах.
Во внутреннем блоке, располагающемся непосредственно в помещении, находится конденсатор, выполняющий одновременно функцию теплообменника. Газообразный разогретый фреон, целенаправленно конденсируется на стенках модуля, отдавая при этом тепловую энергию. ТН распределяет полученное тепло, подобным к сплит-системе образом.
Допускается канальное распределение нагретого воздуха. Особенно практично такое решение при нагреве больших многоквартирных зданий, складских и промышленных помещений.

Принцип работы теплового насоса воздух-воздух и его эффективность напрямую связаны с температурой окружающей среды. Чем холоднее «за окном», тем ниже производительность станции. Работа теплового насоса воздух-воздух при температуре минус -25°С (в большинстве моделей) полностью прекращается. Чтобы компенсировать недостаток тепла, устанавливают резервный котел. Оптимально одновременное использование электрического тэна.

Тепловые насосы воздух-воздух состоят из двух блоков наружного и внутреннего размещения. Конструкция во многом напоминает сплит-систему и устанавливается подобным образом. Внутренний блок монтируется на стену или потолок. Настройки выставляются с помощью дистанционного управления.

Чем отличается ТН воздух-воздух от кондиционера

ТН воздух-воздух работает как кондиционер, но имеет существенные отличия, заключающиеся в особенностях конструкции и производительности

Хотя существует внешнее сходство, на самом деле, отличия, если обратить внимание на технически характеристики, существенны:

Производительность – тепловой насос воздух-воздух для отопления дома, максимально эффективно работает на нагрев помещения. Некоторые модели способны охлаждать воздух. Во время кондиционирования помещения, энергоэффективность существенно уступает обычным кондиционерам.
Экономичность – даже инверторные кондиционеры, во время работы тратят больше электроэнергии, чем требует отопление тепловым насосом типа воздух – воздух. При переходе в режим обогрева, затраты электричества еще больше увеличиваются.
У ТН коэффициент энергоэффективности определяется согласно СОР. Средние показатели станций равняются 3-5 единицам. Затраты электричества в таком случае составляют 1 кВт на каждые 3-5 кВт полученного тепла.
Сфера применения – кондиционеры используют для вентиляции и дополнительного обогрева помещения, при условии, что температура окружающей среды не будет меньше +5°С. Тепловые насосы воздух-воздух, применяются в качестве основного источника отопления в течение всего года в средних широтах. При определенной модификации, могут использоваться для охлаждения комнат.

Мировой опыт использования тепловых отопительных насосов системы воздух-воздух, убедительно доказал, что использование возобновляемых источников энергии не только возможно, но и экономически выгодно, несмотря на необходимость первичных капиталовложений.

Воздушное отопление тепловым насосом. Что такое тепловой насос.

Тепловой насос – это современный отопительный агрегат, который способен забрать тепло от так называемых низкопотенциальных природных источников тепла (из глубины земли, природных водоемов и даже из окружающего воздуха) и использовать это тепло для нагрева воды или отопления дома. Кроме того, тепловой насос способен работать и в обратном направлении – т.е. забирать из природы не тепло, а холод (точнее, прохладу) и использовать ее соответственно для охлаждения дома, т.е. тепловой насос – это универсальное устройство, которое может работать и как отопитель, и как кондиционер.

Если не вникать глубоко в физику процесса и циклы Карно, то тепловой насос работает по тому же принципу, что холодильник или кондиционер – отбирает тепло в одном месте и переносит его в другое место, либо с улицы в дом (в режиме отопления), либо из дома на улицу (в режиме кондиционирования).

Главное достоинство тепловых насосов в том, что в качестве источников тепла они используют бесплатные природные источники, а по сути, либо солнечную энергию, которая нагревает землю, воду или воздух, либо энергию внутренних природных процессов в толще Земли, которые также прогревают и верхний слой почвы и воду в глубине природных водоемов. Например, даже в лютые морозы температура почвы на глубине 4-8 м от уровня земли редко опускается ниже 8..9 °С. При отоплении тепловым насосом не требуется платить за выработку тепла, требуется только заплатить за электроэнергию, нужную для переноса природного тепла с улицы в дом. Именно поэтому тепловые насосы очень эффективны с экономической точки зрения – они позволяют снизить затраты на отопление электричеством или другим дорогим видом топлива в несколько раз. Справедливости ради нужно сказать, что если для отопления используется магистральный газ (самый дешевый источник тепла), то применение теплового насоса будет экономически нецелесообразным – вы заплатите больше за электричество для работы насоса, чем сумеете сэкономить. Если же газ у вас сжиженный, то выгода может быть ощутимая.

Тепловой насос был придуман в середине XIX века, но для отопления его впервые применил Роберт Вебер в середине XX века, объединив тепловой насос и воздушное отопление в единую систему отопления в своем доме и получив таким образом систему воздушного отопления тепловым насосом. Однако массово тепловые насосы стали применять для отопления только с начала 70-хх годов прошлого века, после кратковременно резкого увеличения цен на привычные энергоносители. Тогда большинство развитых стран в Европе и Америке взяли курс на энергосберегающие и энергоэффективные технологии, которые позволяли экономить значительные средства на отоплении в общегосударственных масштабах и добиться большей энергонезависимости и энергобезопасности.

Как работает воздушный тепловой насос?

Человеку, мало знакомому с физикой и термодинамикой, идея воздушного теплового насоса может показаться абсурдной. Неужели действительно при температуре наружного воздуха значительно ниже нуля можно нагреть воздух в доме до приемлемого уровня? Это действительно возможно, вот почему промышленные модели самых разнообразных тепловых насосов продаются вполне успешно уже не первое десятилетие. Главный недостаток заводских моделей — очень высокая цена.

Во всех объектах, окружающих человека, содержится некоторое количество тепловой энергии. Даже при 20 градусах мороза в воздухе имеется низкопотенциальная тепловая энергия. Воздушный тепловой насос собирает эту рассеянную энергию и, образно говоря, концентрирует ее, нагревая затем теплоноситель. В нашем случае для отопления будут использоваться опять же потоки воздуха, циркулирующие внутри дома

Важный элемент такой системы — хладагент, т. е. вещество, обладающее очень низкой температурой кипения и испарения. Чаще всего в этом качестве используют газ фреон, такой же, как в холодильнике или обычном кондиционере. Но если в этих устройствах хладагент отбирает тепло и передает его окружающей среде, то в тепловом насосе он собирает тепло, содержащееся в воздухе, и передает его в дом.

Описать цикл преобразования низкопотенциальной тепловой энергии в высокопотенциальную можно следующим образом:

Вентилятор нагнетает наружный воздух в камеру с испарителем.
Находящийся внутри испарителя хладагент нагревается и переходит в газообразное состояние.
В виде газа хладагент поступает в компрессор и дополнительно нагревается, подвергаясь воздействию высокого давления.
Затем хладагент перемещается в конденсатор, где теряет полученную энергию и снова возвращается в жидкое состояние.
Полученное в результате тепло используется для обогрева дома.
Жидкий хладагент возвращается в испаритель.

Чтобы повысить эффективность работы устройства, на отрезке между конденсатором и испарителем рекомендуется использовать специальный дроссельный клапан. Этот цикл, получивший наименование обратного принципа Карно, повторяется снова и снова. Для автоматизации процесса в схему включают блок автоматического управления.

На этой схема наглядно продемонстрирован принцип работы теплового насоса «воздух-воздух». Низкопотенциальная энергия наружного воздуха преобразуется в тепловую энергию с высоким потенциалом

Как подобрать тепловой отопительный насос воздух-вода

Правильно выбрав тепловой насос для отопления дома воздух-вода, можно раз и навсегда решить вопрос обогрева жилых и промышленных помещений. Подбор подходящей тепловой станции выполняют следующим образом:

Тип корпуса – производители предлагают две базовых конструкции. Низкотемпературный моноблочный тепловой насос типа воздух-вода примечателен тем, что в помещении не устанавливается никакого оборудования, все необходимые узлы расположены на улице (либо в отдельном изолированном помещении). В дом входит только подающий и обратный трубопровод отопления. Сплит – системы, больше предназначены для бытового использования. Внешний блок устанавливается на улице и подключается к емкости накопителю. Разогретый фреон разогревает конденсатор, который методом косвенного нагрева передает тепло жидкости, используемой в качестве теплоносителя.
Функциональные возможности – некоторые модели предназначены для подключения только к системе водяного обогрева здания. Применение других теплонасосов воздух-вода, подходит для отопления и горячего водоснабжения.
Зависимость производительности от температуры окружающей среды – бытовые модели обычно ограничены температурой от +45°С до -15°С, можно приобрести оборудование, способное вырабатывать тепловую энергию даже при -25-32°С. Эффективность системы отопления дома с ТН воздух – вода, напрямую зависит от этого параметра.

Дополнительно, к параметрам при выборе, обращают внимание на мощность оборудования, компанию производителя, выпускающую теплонасос и себестоимость установки, включая проведение монтажных работ

Как сделать расчет необходимой мощности ТН воздух-вода

Существует два понятия, предварительный (в первом приближении) и проектный расчёт мощности. Первый можно выполнить самостоятельно, второй делает специализированное учреждение. В первом приближении, на каждый квадратный метр рассчитывают 70 Вт мощности ТН. Дальнейшие расчеты выполняют следующим образом:

Подсчитывают общую отапливаемую площадь.
Умножают полученную сумму на 0,7.
Полученный результат будет соответствовать минимально необходимой мощности оборудования.

Чтобы обеспечить максимальную экономичность отопления дома с помощью теплового насоса системы воздух-вода, потребуется грамотная проектная документация и квалифицированное выполнение монтажных работ.

Производители тепловых насосов отопления воздух-вода

Буквально 10 лет назад, на рынке предлагались всего несколько моделей тепловых насосов. Сегодня выбор стал намного больше. Ведущие немецкие производители, российские, японские и китайские компании, выпускают оборудование, с той или иной долей теплоэффективности.

Судя по отзывам покупателей, наиболее востребованными являются насосы следующих компаний:

Viessmann – более 30 лет занимается выпуском тепловых насосов. С тех пор, продукция компании существенно изменилась. Были учтены пожелания потребителей, внедрены новые технологии. В ТН Viessmann используется инновационная автоматика, полностью регулирующая весь процесс работы, оптимизирующая процесс обогрева, в согласии с погодными условиями.
Buderus – модели отличаются высокой производительностью. Предназначены для бытового и промышленного применения. Полностью соответствуют особенностям отечественной эксплуатации. В серии Buderus предлагаются насосы для обогрева площади до 500 м² и выше.
Stiebel Eltron – еще одна немецкая компания, пользующаяся неизменным спросом у отечественного потребителя. В качестве достоинств можно выделить большой ассортимент предлагаемого оборудования, функциональность устройств и возможность подбора по индивидуальным запросам. Модели Stiebel Eltron имеют высокий уровень СОР и отличаются экономичностью.
Heliotherm – австрийские теплонасосы, имеющие один из лучших показателей СОР среди всего термального оборудования. Имеют официальное представительство в РФ, что во многом облегчает монтаж, обслуживание систем и выполнение гарантийных обязательств. Теплонасосами Heliotherm оснащены более 15 000 различных объектов.

Стоимость установки ТН воздух-вода

Последние модели тепловых насосов обойдутся в 160-1200 тыс. руб. Цена варьируется, в зависимости от производителя. На стоимость сильно влияет «раскрученность» бренда. Китайские модели, имеют меньшую цену, но и уступают по надежности и показателям СОР.

Монтаж теплонасосов воздух-вода обычно входит в стоимость. Большинство производителей, дополнительно, бесплатно делают проект и предоставляют другие услуги по обслуживанию. Рассчитать полную стоимость, включая покупку ТН и его установку можно с помощью он-лайн калькуляторов.