Применение для охладительных систем
Большим преимуществом термонасосов является то, что это оборудование может не только отапливать здание, но и охлаждать помещение.
Конструктивное решение возможности охлаждения зачастую интегрировано в теплонасос изначально, на этапе производства, и почти у всех изготовителей существую модели насосов, которые умеют кондиционировать дом (функция Natural Cooling).
Если насосное оборудование не имеет эту возможность, то его можно переделать. Для этого дополнительно потребуется смонтировать гидравлическую развязку, которая устанавливается вне насоса. Этот вариант не потребуют значительных капиталовложений.
Подавать генерируемый холод в здание можно различными способами. Такую функцию можно возложить на охлаждающие панели, устанавливаемые на поверхности стен, «холодный» теплый пол, отопительные радиаторы или фанкойл — агрегат, где в корпусе находится обдуваемый с помощью вентилятора теплообменник.
Сфера применения
Основной критерий оценки для тепловых насосов — коэффициент тепловой эффективности, иначе называемый COP. Эту величину в действительности определить достаточно сложно, она зависит как от степени термодинамического совершенства — реального КПД машины с учётом всех цепочек преобразований, так и от мощности источника низкопотенциальной энергии. Эти два фактора склонны изменяться, в основном в зависимости от текущей разницы температур, то есть реальный интерес представляет динамика изменения COP в различных условиях работы. Иначе говоря, производительность отдельно взятой модели теплового насоса рассматривается в соответствии с доминирующим тепловым режимом, а не по самой холодной пятидневке. Экономия, полученная от установки в период умеренной разницы температур, должна покрывать затраты на работу конвекционных и лучистых источников в сильный мороз, когда тепловой насос работать не может.
Тепловые насосы рассчитаны не только для бытового применения. Они отлично справляются с сильным охлаждением ограниченных пространств: морозильных камер или отсеков с вычислительной техникой. В странах Запада активно развивается практика отведения под комнату-холодильник отдельного подвального помещения с последующей передачей тепла наружу летом или в приток вентиляции зимой. Это так называемые бивалентные системы теплоснабжения, другим частным случаем можно назвать подачу на внешний теплообменник воздуха, пропущенного по грунтовому теплообменнику или сухому солнечному коллектору.
Расчет отопления дома с тепловым насосом
Для нормальной работы теплоперекачивающей установки необходима качественная теплоизоляция здания. Поэтому перед покупкой теплового насоса необходимо утеплить стены, пол и потолки, после чего выполнить расчет тепловых потерь (Q).
Упрощенная формула подсчета количества тепла (Вт), уходящего из дома через ограждающие конструкции (стены, окна, пол, потолок) выглядит так:
Q = S х (разница температур воздуха в помещении и на улице)/ Rт.
S –площадь ограждающей конструкции в м2;
Rт – тепловое сопротивление материала ограждающей конструкции (берут из таблиц СНиП по строительной теплотехнике).
Поочередно подсчитав теплопотери стен, окон, пола и потолка их суммируют и получают количество киловатт, теряемых домом за 1 час в самый холодный период года. Мощность теплонасоса должна быть не меньше суммарной величины теплопотерь. Если кроме отопления установка будет греть воду для бытовых нужд, то ее мощность увеличивают на 20%.
Выбирая теплонасос «воздух-воздух» или «воздух-вода» следует ориентироваться на тепловую мощность, которую он развивает в области низких температур, поскольку она значительно ниже мощности при работе в теплый период года.
В качестве примера приведем параметры воздушно-водяной установки NIBE FIGHER F2300-14. Работая в температурном диапазоне от 7 до 45С, она выдает около 18 кВт, а при температуре воздуха -15С всего 10,7 кВт.
Назначение
Основными задачами ТП являются:
- учет тепловых потоков и расходов теплоносителя и конденсата
- контроль параметров теплоносителя
- регулирование расхода теплоносителя
- распределение теплоносителя по системам потребления теплоты
- преобразование вида теплоносителя или его параметров
- защита местных систем от аварийного повышения параметров теплоносителя
- заполнение и подпитка систем потребления теплоты
- сбор, охлаждение, возврат конденсата и контроль его качества
- аккумулирование теплоты
- подготовка воды для систем горячего водоснабжения
- отключение систем потребления теплоты
Принцип работы теплового насоса
В конструкцию любого теплового насоса входят следующие устройства: конденсатор, испаритель, компрессор (повышает давление) и расширитель (понижает давление). Все перечисленные элементы объединены при помощи трубопровода и представляют собой один замкнутый контур. По этому контуру циркулирует охладитель. Фреон, хладон — это технический термин присвоенный группе фторсодержащих производных метана и этана. Он представляет из себя инертный газ, который обладает сверхнизкой температурой кипения. По этой причине в «горячей» части контура он находится в газообразном состоянии, а в «холодной» он становится жидкостью.
Перемещаясь в компрессор, хладагент (чаще всего фреон) подвергается действию высокого давления и сжимается, из-за чего его температура повышается. Разогретый давлением газ поступает в другую часть теплообменника – в конденсатор. Тут промежуточный теплообменник передаёт тепло теплоносителю, который входит в систему отопления дома. Во время того, как хладагент отдает тепло, он конденсируется, снова становится жидким, а нагретый им теплоноситель подаётся в систему отопления. Жидкий фреон проходит через расширитель, где вскипает поглощая тепло. Затем перемещается в испаритель, где докипают остатки жидкой фракции – и цикл повторяется снова.
Важной особенностью тепловых насосов является универсальность использования – при низких температурах воздуха они обеспечивают обогрев помещений, а в жаркую погоду – их охлаждение. Во втором случае (реверсивный тепловой насос) используется тот же принцип
Разница лишь в том, что в жару теплоноситель движется в другом направлении – он поступает не снаружи, а из дома, из внутренних помещений.
Попробуем пересказать то же самое простыми словами.
Давайте вспомним, как работает холодильник. В камеры холодильника помещаются продукты, имеющие комнатную температуру. По закону сохранения энергии накопленное ими тепло не может испариться в никуда – его необходимо вывести за пределы холодильника, что и делается при помощи радиатора, расположенного позади агрегата. Радиатор для этого и предназначен – для рассеивания, передачи в окружающий воздух тепла, «извлеченного» из продуктов.
Теперь представим себе холодильник, который установлен на улице с открытой дверцей, а его радиатор демонтирован и установлен в доме. Даже если температура воздуха на улице будет на несколько градусов выше температуры кипения фреона, которым заправлен холодильник, агрегат будет передавать это тепло через радиатор в дом, извлекая его из окружающей среды. Это и есть простейший пример теплового насоса. Описанный принцип называется циклом Карно: именно на нем основана работа холодильных установок и климатической техники.
Принцип работы теплового насоса воздух-вода
Принцип работы, достаточно прост. Энергия добывается путем всасывания атмосферного воздуха в теплообменник-испаритель. Воздух используется для нагрева газообразного фреона, подобно тому, как работает холодильник, но в обратном направлении. После того как фреон получил от воздуха низкопотенциальное тепло, температура хладагента повышается за счет сжатия, его осуществляет компрессор. Сжатый, теперь уже нагретый газ конденсируется в промежуточном теплообменнике, который называется конденсатором. После чего накопленное тепло передается теплоносителю системы отопления.
Виды
Тепловые насосы своими руками можно сконструировать на основе трех принципов — по источнику энергии, теплоносителю и их комбинации. Источником энергии может быть вода (водоем, река), грунт, воздух. Все виды насосов основаны на одном принципе работы.
Классификация
Выделяют три группы устройств:
- вода-вода;
- грунтово-водяные (геотермальные тепловые насосы);
- используют воду и воздух.
Тепловой коллектор «грунт-вода»
Тепловой насос своими руками — самый распространенный и эффективный способ добычи энергии. На глубине нескольких метров грунт имеет одну постоянную температуру и мало подвержен погодным условиям. На внешнем контуре такого геотермального насоса применяется специальная экологически безопасная жидкость, в народе называемая «рассолом».
Наружный контур геотермального насоса создают из пластиковых труб. Их вкапывают в грунт вертикально или горизонтально. В первом случае на один киловатт может понадобиться достаточно значительная площадь работ – 25–50 м2. Площадь нельзя использовать для посадочных работ — тут допускается только высадка однолетних цветущих растений.
«Вода-вода»
На большой глубине температура воды постоянная и стабильная. Источником низкопотенциальной энергии может служить открытый водоем, грунтовые воды (колодец, скважина), сточные воды. Принципиальных различий в конструкции для отопления такого типа с разными теплоносителями нет.
Устройство «вода-вода» наименее трудозатратное: достаточно оснастить трубы с носителем тепла грузом и поместить в воду, если это водоем. Для грунтовых вод потребуется более сложная конструкция и может возникнуть нужда в сооружении колодца под сброс воды, проходящей через обменник тепла.
«Воздух-вода»
Такой насос немного уступает двум первым и в холодное время его мощность снижается. Но он более универсальный: для него не нужно копать землю, создавать скважины. Нужно только установить необходимое оборудование, например, на крыше дома. Для этого не требуется сложных монтажных работ.
Основным преимуществом является возможность повторно использовать тепло, покидающее помещение. Зимой рекомендуют иметь еще один источник тепла, поскольку мощность такого обогревателя может значительно уменьшиться.
Принцип действия ↑
Тепловые насосы для отопления, принцип действия которых схож с работой холодильников, кондиционеров и другого оборудования, способного переносить тепло из окружающей среды в помещение, забирают тепло из почвы, грунта, грунтовых вод, самого воздуха.
Принцип действия теплового насоса
Суть работы заключается в следующем. По внешнему контуру системы отопления движется незамерзающая жидкость, которая напитывается теплом окружающей среды. В насосе эта жидкость отдает порядка 5 градусов хладагенту и продолжает циркулировать. Хладагент закипает (при температуре -10°C), переходя в газообразное состояние, компрессор сжимает газ, что приводит к повышению температуры. Попадая в теплообменник, этот газ отдает тепло внутреннему контуру отопления, сам остывает, превращаясь снова в жидкость и возвращается в испаритель.
Как и холодильный агрегат, тепловой насос потребляет определенную энергию на то, чтобы реализовать термодинамический цикл (привод компрессора). Отношение теплопроизводительности к электропотреблению (так выводится коэффициент преобразования теплового насоса) зависит от уровней температуры в испарителе и конденсаторе. Уровень теплоснабжения от тепловых насосов на настоящий момент варьируется от 35 град. C до 62 град.C, что в общем-то позволяет использовать любую из отопительных систем. При грамотном подходе экономия на энергетических ресурсах может доходить до 70 %. Промышленность экономически и промышленно развитых стран производит обширный спектр парокомпрессионных тепловых насосов с мощностью от 5 до 1000 кВт.
Принцип действия тепловых насосов очень хорошо показан в этом коротеньком видео.
Как вы понимаете, расходы на отопление занимают свыше половины всех энергозатрат здания, поэтому сделать его максимально эффективным и дешевым — приоритетная задача. Можно ли создать экономичную систему отопления тепловым насосом без газа? Смотрите видео.
Данное оборудование бывает нескольких типов, от чего и зависят их технические характеристики.
- Грунт-вода – внешний контур проходит под землей, а в качестве теплоносителя используется вода. Наружный контур может располагаться вертикально или горизонтально, а также может быть помещен в водоем, расположенный поблизости. AlTherm (Украина). Тепловой насос для отопления дома площадью до 300 м2. Технические характеристики: теплопроизводительность 4-18 кВт, холодопроизводительность 3,6-11,3 кВт, производительность насоса внешнего контура 0,36-1,02 л/с, внутреннего – 0,14-0,39 л/с. Теплоносителем выступает пропилен гликоль. Модельный ряд представлен также насосами большой мощности (для помещений 300-1000 м2 и свыше 1000 м2).
- Вода-вода – внешний контур проходит через скважину или водоем, внутренний наполнен водой. Источником тепла в этом случае являются подземные грунтовые воды, кроме этого можно использовать как сбросовые, так и технологическую воду. Vaillant (Германия). Тепловая мощность 26,9-29,9 кВт, температура рассола 4-20°C, температура подачи контура отопления 25-62°C, коэффициент преобразования COP 3,5.
- Воздух-вода – источником тепла выступает воздух, в том числе теплый сбросовый. Этот тип оборудования может работать и на охлаждение. Кроме этого, его можно подключать к уже имеющейся системе отопления. Vesper (Китай). Оснащен циркуляционным насосом и ТЭНом, управление осуществляется с помощью контроллера. Технические характеристики: тепловая мощность 6-16 кВт, скорость потока в системе отопления 0,45-0,76 л/с, скорость воздушного охлаждающего потока 3-5 тыс. м3/ч.
- Воздух-воздух – внешний контур наполняется воздухом из окружающей среды, система отопления – воздушная. Тепловые насосы для отопления данного типа работают по принципу кондиционера, отличаются тем, что способны работать при более низкой уличной температуре. Оснащены высокопроизводительным радиальным вентилятором, способны осушать воздух и поддерживать определенный микроклимат в помещении. Управление осуществляется пультом. Mitsubishi. Могут быть вмонтированы в систему «умный дом», имеют систему фильтрации воздуха (плазменная очистка). Характеристики: теплопроизводительность 3,2-6 кВт, холодопроизводительность 2,5-5 кВт, расход воздуха 1086-2940 м3/ч, коэффициент производительности СОР 5,15-3,31.
Со встроенным ТЭНом
Часто во время производства изготовители дополнительно встраивают в теплонасосы электрические нагреватели. Это позволяет при необходимости переходить на альтернативный для термонасоса источник энергии — электричество.
Это объясняется следующими факторами. Выбор теплонасоса для отопительной системы производится с учетом разных параметров, в частности и особенностями климата конкретного региона. Причем является нецелесообразным монтировать оборудование с избыточной мощностью. Просто экстремальные заморозки случаются редко.
Как показала практика, самым экономным способом «добрать» в эти холодные дни требуемую мощность — это электроэнергия. Это дешевле, чем изначально монтировать насос повышенной мощности. Наличие электрического нагревателя позволяет исключить необходимость устанавливать более мощный насос, чем это необходимо.
Для хозяев грунтовых или водяных теплонасосов установленный ТЭН не является необходимостью. Совершенно по-другому происходит ситуация с воздушным оборудованием. При температуре -17C этот насос будет малопроизводительным. Установка дополнительного теплового генератора в этом случае целесообразна.
Достоинства и недостатки тепловых насосов
Принцип работы тепловых насосов, если говорить простым языком, основан на сборе низкопотенциальной тепловой энергии и ее дальнейшей передаче в отопительные и климатические системы, а также в системы подготовки воды, но уже с более высокой температурой. Можно привести простой пример в виде газового баллона – когда он наполняется газом, компрессор нагревается за счет его сжатия. А если выпустить газ из баллона, то баллон охладится – попробуйте резко выпустить газ из многоразовой зажигалки, чтобы понять суть этого явления.
Таким образом, тепловые насосы как бы отбирают тепловую энергию у окружающего пространства – она есть в земле, в воде и даже в воздухе. Даже если воздух имеет отрицательную температуру, в нем по-прежнему присутствует тепло. Также оно имеется в любых водоемах, которые не промерзают до самого дна, а также в глубоких слоях грунта, тоже не поддающихся глубокому промерзанию – если, конечно, это не вечная мерзлота.
Тепловые насосы обладают довольно сложным устройством, в чем можно убедиться, попробовав разобрать холодильник или кондиционеры. Эти привычные нам бытовые агрегаты чем-то похожи на вышеупомянутые насосы, только работают они в обратном направлении – забирают тепло из помещений и отправляют его наружу. Если приложить руку к заднему радиатору холодильника, то мы отметим, что он теплый. И это тепло есть не что иное, как энергия, отобранная у фруктов, овощей, молока, супов, колбасы и прочих продуктов, лежащих в камере.
Аналогичным образом работают кондиционеры и сплит-системы – тепло, выделяемое уличными блоками, представляет собой тепловую энергию, собранную по крупицам в охлаждаемых помещениях.
Принцип действия теплового насоса обратен принципу действия холодильника. Он по тем же крупицам собирает тепло из воздуха, воды или грунта, после чего перенаправляет его к потребителям – это отопительные системы, теплоаккумуляторы, системы теплых полов, а также водонагреватели. Казалось бы, нам ничто не мешает греть теплоноситель или воду обычным ТЭНом – так проще. Но давайте сравним продуктивность тепловых насосов и обычных ТЭНов:
При выборе теплового насоса самое главное – наличие конкретного природного источника энергии.
- Обычный ТЭН – на выработку 1 кВт тепла он расходует 1 кВт электроэнергии (без учета погрешностей;
- Тепловой насос – на выработку 1 кВт тепла он потребляет всего 200 Вт электроэнергии.
Нет, никакого КПД, равного 500%, здесь нет – законы физики непоколебимы. Просто здесь работают законы термодинамики. Насос как бы аккумулирует энергию из пространства, «сгущает» ее и отправляет потребителям. Аналогичным образом мы можем собирать дождевые капли через большую лейку, получая на выходе солидный ручеек воды.
Мы уже привели множество аналогий, позволяющих понять суть тепловых насосов без заумных формул с переменными и константами. Давайте теперь рассмотрим их достоинства:
- Экономия электроэнергии – если стандартное электрическое отопление домовладения площадью 100 кв. м. приведет к затратам в 20-30 тыс. рублей в месяц (в зависимости от температуры воздуха на улице), то отопительная система с тепловым насосом снизит расходы до приемлемых 3-5 тыс. рублей – согласитесь, это уже довольно солидная экономия. И это без подвохов, без обмана и без маркетинговых уловок;
- Забота об окружающей среде – угольные, атомные и гидроэлектростанции вредят природе. Поэтому пониженное потребление электроэнергии позволяет снизить количество вредных выбросов;
- Широкая сфера использования – полученную энергию можно использовать для обогрева жилища и подготовки горячей воды.
Есть и недостатки:
- Высокая стоимость тепловых насосов – этот недостаток накладывает ограничение на их использование;
- Необходимость в регулярном обслуживании – за это нужно платить;
- Трудность в монтаже – в наибольшей степени это относится к тепловым насосам с закрытыми контурами;
- Отсутствие восприятия людьми – мало кто из нас согласится потратиться на это оборудование, чтобы снизить нагрузку на окружающую среду. Но некоторые люди, живущие вдали от газовых магистралей и вынужденные отапливать жилье альтернативными источниками тепла, согласны потратить деньги на покупку теплового насоса и снизить расходы на ежемесячную оплату электроэнергии;
- Зависимость от электросети – если поставка электроэнергии прекратится, оборудование сразу же замрет. Ситуацию спасет установка теплоаккумулятора или резервного источника электропитания.
Как видим, некоторые минусы довольно серьезные.
В качестве источников резервного питания для тепловых насосов могут выступать бензиновые и дизельные электрогенераторы.
Основные характеристики
При выборе модели ТН следует учитывать:
- выходную тепловую мощность;
- коэффициент трансформации тепловых насосов;
- условный кпд;
- годовую эффективность и издержки.
Выходная мощность
При создании нового проекта дома учитывают его потребности в тепле с учетом конструктивных особенностей материалов, создающих теплопотери через стены, окна, двери, потолок и пол помещений различных габаритов. Расчет учитывает создание комфорта при самых низких морозах в конкретной местности.
Потребляемая тепловая мощность здания выражается в кВт. Она должна покрываться вырабатываемой энергией теплового насоса. Однако часто при расчетах делают упрощение, позволяющее экономить: длительность самых холодных дней в течение года не превышает нескольких недель. На этот период подключается дополнительный источник тепла, например, ТЭНы, подогревающие воду в котле.Они работают только в критических ситуациях при морозах, а в остальное время отключены. Это позволяет использовать ТН с меньшими мощностями.
Возможности конструкций
Для справки. Модели выходной мощности 6÷11 кВт «рассольно-водяных» схем способны нагревать воду встроенных баков в относительно небольших постройках. Мощность в 17 кВт достаточна для поддержания температуры воды 65ºС у котла с емкостью 230÷440 литров. Потребности в тепле средних по величине зданий покрывают мощности 22÷60 кВт.
Коэффициент трансформации тепловых насосов Ктр
Он определяет эффективность конструкции по безразмерной формуле:
Kтр=(Твых-Твх)/Твых
Величина «Т» обозначает температуру теплоносителей на выходе и входе в конструкцию.
Коэффициент преобразования энергии (ͼ)
Его рассчитывают для определения доли полезной мощности тепла по отношению к приложенной энергии на компрессор.
ͼ=0,5Т/(Т-То)=0,5(ΔТ+То)/ΔТ
Для этой формулы температура потребителя «Т» и источника «То» определяется в градусах Кельвина.
Величину ͼ можно определить по количеству затраченной энергии на работу компрессора «Рэл» и полученной полезной теплопроизводительности «Рн». В этом случае его называют «СОР» по сокращению от английского термина «Coefficient of perfomance».
ͼ=Рн/Рэл
Коэффициент ͼ — переменная величина, зависимая от перепада температур между источником и потребителем. Он обозначается цифрами от 1 до 7.
Условный КПД
Некоторые продавцы в рекламных целях «называют» показатель СОР термином КПД и заявляют, что он больше единицы и составляет 400 или 500%.
Это неверное утверждение: коэффициент полезного действия учитывает потери мощности при работе конечного устройства.Для его определения надо выходную тепловую мощность разделить на приложенную с учетом энергии геотермальных источников. При таком расчете вечного двигателя не получится.
Годовая эффективность и издержки
Коэффициент СОР оценивает работу теплового насоса в определенный момент времени при конкретных условиях эксплуатации. Чтобы проанализировать работу ТН, введен показатель эффективности системы за год (β).
β=Qwp/WeІ
Здесь символ Qwp обозначает величину тепловой энергии, произведенной за год, а Wel — значение потребленного электричества установкой за то же время.
Показатель издержек Eq
Эта характеристика обратна показателю эффективности.
Eq=1/β
Для определения характеристик ТН используется специализированное программное обеспечение и заводские стенды.
Эффективность воздушного теплового насоса
ВТН эффективны и зимой, и летом, благодаря COP (коэффициенту преобразования). COP теплового насоса – это способ измерения его эффективности путем сравнения потребляемой мощности, необходимой для производства тепла, с количеством тепла на выходе.
Показатель COP корректируется с учетом времени года. Чтобы иметь возможность сравнивать тепловые насосы по тому, насколько сильно на них влияют эти изменения, используется сезонный COP (Seasonal Coefficient of Performance).
ВТН получает энергию из окружающего воздуха, но при снижении окружающей температуры снижается и эффективность.
Принцип работы теплового насоса – в чем суть действия прибора?
Работа прибора основана на общеизвестном цикле Карно. По своей сути тепловой насос представляет собой холодильник, только наоборот. Разница заключается лишь в том, что холодильник замораживает изнутри, а все тепло отдает наружу. Тепловой насос для отопления, напротив, отбирает тепло из определенной среды, и поставляет его в помещение. С применением такого прибора жильцы получают возможность сэкономить до 2/3 требуемой для отопления энергии. Оставшуюся долю потребуется потратить на перекачивания жидкости посредством насоса.
С применением насоса воздух-вода забор воздуха также происходит посредством трубопровода, расположенного вне помещения. После этого воздух попадает внутрь теплообменника насоса, а затем в компрессор, где под давлением нагревается еще больше. В конце тепловая энергия подается в теплоноситель отопительной системы.
Работа теплового насоса вода-вода базируется на заборе жидкости посредством трубопровода, установленного в нижних слоях воды. В дальнейшем вода просачивается внутрь теплообменника, где тепло отделяется и попадает на внутренний контур насоса. В конце разогретая под высоким давлением вода поступает в теплообменник системы отопления.
