Тепловые насосы. Принцип работы

ГЕО зонд (безводные скважины - рассол)	ГЕО коллектор
АЭРО	АКВА – скважины (вода) или коллектор в естественном водоеме

Тепловой насос – это специальное устройство, которое совмещает в себе котел, источник горячего водоснабжения и кондиционер для охлаждения. Главным отличием теплонасоса от других источников тепла является возможность использования возобновляемой низкопотенциальной энергии, взятой с окружающей среды (земли, воды, воздуха, сточных вод) для покрытия нужд в тепле во время отопительного сезона, нагрева воды для горячего водоснабжения и охлаждения дома. Поэтому тепловой насос обеспечивает высокоэффективное энергоснабжение без газа и других углеводородов.

Тепловой насос – это устройство, которое работает по принципу обратной холодильной машины, передавая тепло от низкотемпературного источника к среде с более высокой температурой, например системе отопления вашего дома.

Каждая теплонасосная система имеет следующие основные компоненты:

• бак-аккумулятор – теплоизолированная ёмкость для воды, предназначена для накопления горячей воды, с целью выравнивания тепловых нагрузок системы отопления и горячего водоснабжения, а также увеличивает срок работы теплового насоса.
• первичный грунтовый контур – закрытая циркуляционная система, которая состоит с испарителя (теплового насоса), циркуляционного насоса грунтового контура, трубопроводов, и служит для передачи тепла от грунта к тепловому насосу.
• вторичный грунтовый контур – закрытая система, которая состоит с конденсатора (теплового насоса), циркуляционного насоса, трубопроводов, и служит для передачи тепла от теплового насоса к системе отопления в доме.

Принцип работы теплового насоса похож на работу обыкновенного холодильника, только наоборот. Холодильник отбирает тепло от пищевых продуктов и переносит его наружу. Тепловой насос переносит тепло, накопленное в почве, земле, водоеме, подземных водах или воздухе, в Ваш дом. Как и холодильник, этот энергоэффективный теплогенератор имеет следующие основные элементы:

- конденсатор (теплообменник, в котором происходит передача тепла от хладагента к элементам системы отопления помещения: низкотемпературным радиаторам, фанкойлам, теплому полу);

- дроссель (устройство, которое служит для снижения давления, температуры и, как следствие, замыкания теплофикационного цикла в тепловом насосе);

- испаритель (теплообменник, в котором происходит отбор тепла от низкотемпературного источника к тепловому насосу);

- компрессор (устройство, в которое повышает давление и температуру паров хладагента).

Конструкция и основные элементы парокомпрессионного теплового насоса показана на рисунке ниже.

Схема теплового насоса

Тепловой насос обустроен таким образом, чтобы заставить тепло двигаться в обратном направлении. Например, во время нагрева дома, тепло отбирается от какого-нибудь холодного наружного источника (земли, реки, озера, наружного воздуха) и передается в дом. Для охлаждения (кондиционирования) дома тепло отбирается от более теплого воздуха в доме и передается наружу. В этом отношении тепловой насос похож на обычный гидравлический насос, который перекачивает жидкость с нижнего уровня на верхний, тогда как в обыкновенных условиях жидкость всегда двигается с верхнего уровня на нижний.

На сегодняшний день наиболее распостраненными есть парокомпрессионные тепловые насосы. В основу принципа их действия лежат два явления: во-первых, поглощение и выделение тепла жидкостью при смене агрегатного состояния – испарение и конденсация, соответственно; 2) во-вторых, изменение температуры испарения (и конденсации) при изменении давления.

В испарителе теплового насоса рабочим телом есть - хладагент, который не содержит хлора, - он находится под низким давлением и кипит при низкой температуре, поглощая тепло низкопотенциального источника. Потом рабочее тело сжимается в компрессоре, который приводится в движение с помощью электрического или другого двигателя, и попадает в конденсатор, где при высоком давлении конденсируется при более высокой температуре, отдавая тепло конденсации приемнику тепла, например, теплоносителю системы отопления. С конденсатора рабочее тело через дроссель опять попадает в испаритель, где его давление понижается, и процесс кипения хладагента начинается опять.

Тепловой насос способен отбирать тепло от нескольких источников, например, воздуха, воды или земли. Таким же путем он может сбрасывать тепло в воздух, воду или землю. Более теплая среда, которая воспринимает тепло, называется теплоприемником. В зависимости от типа источника и приемника тепла, испаритель и конденсатор могут быть выполнены как теплообменники типа "воздух-жидкость", так и "жидкость-жидкость".

Регулирование работы системы отопления с использованием тепловых насосов в большинстве случаях осуществляется с помощью его включения и выключения по сигналу датчика температуры, который установлен в приемнике (при нагревании) или источнике (при охлаждении) тепла. Настройка теплового насоса обычно осуществляется сменой сечения дросселя (терморегулирующего вентиля).

Как и холодильная машина, тепловой насос использует механическую (электрическую или другую) энергию для реализации термодинамического цикла. Эта энергия используется на привод компрессора (современные тепловые насосы мощностью до 100 кВт комплектируются высокоэффективными скролл компрессорами). Коэффициент преобразования (коэффициент трансформации или эффективности) теплового насоса – это соотношение количества тепловой энергии которую производит тепловой насос до количества электрической энергии, которую он потребляет. Коэффициент преобразования зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе теплонасоса. Это значение колеблется для различных теплонасосных систем в диапазоне от 2,5 до 7, то есть на 1 кВт затраченной электрической энергии тепловой насос вырабатывает от 2,5 до 7 кВт тепловой энергии, что не под силу ни конденсационному газовому котлу, ни любому другому генератору тепла. Поэтому можно утверждать, что парокомпрессионные тепловые насосы производят тепло, используя минимальное количество дорогой электрической энергии.

Температурный уровень теплоснабжения от тепловых насосов — 35-60°С. Экономия дорогих энергетических ресурсов при таком температурном режиме достигает 75 %.

Обычно внутри теплового насоса, как и в холодильнике, циркулирует хладагент (фреон) – с той же лишь разницей, что современное производство ведется с использованием хладагента, который не содержит хлоруглеводородов и других, вредных для здоровья человека и окружающей среды, компонентов.

Эффективное сбережение энергии при отоплении домов с использованием теплового насоса достигается благодаря тому, что теплонасосная установка больше чем две трети выработанной тепловой энергии берет с окружающей среды: почвы, водоема, воздуха, подземных вод, сточных вод или другого источника.

Внешний контур (грунтовый коллектор) геотермального теплового насоса представляет собой уложенный в почву или в воду полиэтиленовый трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость (в основном на основе пропиленгликоля). Однако источником тепла может быть почва, каменная порода, озеро, река, море, сточные воды, а также внешний и вентиляционный воздух.

Энергосбережение и эффективность использования теплонасоса в первую очередь зависит от того, откуда вы решите черпать низкотемпературное тепло, во вторую – от способа отопления вашего дома (водой или воздухом). Дело в том, что тепловой насос работает как перевалочная база между двумя тепловыми контурами: одним, греющим на входе (на стороне испарителя) и вторым, отапливаемым, на выходе (конденсатор). За видом теплоносителя во входном и выходном контурах тепловые насосы делятся на шесть типов: грунт-вода, вода-вода, воздух-вода, воздух-воздух, грунт-воздух, вода-воздух.

Преимущества тепловых насосов

Экономичность тепловых насосов

Системы с тепловыми насосами экономят людям деньги в обслуживании и в эксплуатации. В то время как начальная цена системы с теплонасосом может быть немного выше, чем газового котла или центральной системы кондиционирования, это не мешает домовладельцу экономить деньги ежемесячно в процессе эксплуатации этой системы.

Низкое энергопотребление и высокая экономичность достигается за счет высокого коэффициента преобразования СОР теплонасосной системы и позволяет получить на 1 кВт затраченной энергии 3-7 кВт тепловой энергии или 2-5 кВт мощности по охлаждению на выходе.

Экономичность тепловых насосов заключается в исключительно долговечности и сроке службы, тепловой насос прослужит от 25 до 50 лет без особого внимания к себе. Он согреет Вас холодной зимой, принесет прохладу жарким летом, и круглый год будет снабжать Вас горячей водой для ванны, сауны и даже бассейна. Вопрос климата будет решен полностью, т.к. отпадает необходимость обслуживания, заправки фреоном и сложности с запуском, присущие котлам и кондиционерам. Экономичность теплонасосов заключается ёщё в том, что установив этот эффективный теплогенератор вы "убиваете" двух зайцев - монтаж кондиционера и отопительного котла.

Экологичность тепловых насосов

Экологически чистый метод отопления и кондиционирования с помощью тепловых насосов, т.к. используется возобновляемая солнцем тепловая энергия земли. Почти 40 % всей эмиссии двуокиси углерода - результат использования энергии для отопления, кондиционирования и для обеспечения потребности населения и промышленности в горячей воде. Это почти сопоставимо с уровнем вреда, приносимым выбросом в атмосферу выхлопных автомобильных газов. Преимущества тепловых насосов - это высокая экологичность установок, они работают используя источники нетрадиционной энергии, что позволяет примерно на 60% уменьшить выброс в атмосферу двуокиси углерода.

Энергосбережение тепловых насосов

Энергосбережение тепловых насосов - это сбережение невозобновляемых энергоресурсов (дизтопливо, природный газ). Тепловой насос производит тепло, черпая возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, не используя традиционные энергоносители. Энергосбережение также заключается в том, что при использовании 1 кВт электрической энергии теплонасос вырабатывает 3-7 кВт тепловой энергии, что не подсильно другим типам теплогенераторов.

Надежность и долговечность тепловых насосов

Системы с тепловыми насосами используют небольшое количество механических компонентов, и, если учесть, что компрессоры обычно имеют очень большой срок эксплуатации, то такие системы долговечны и высоко надежны. Подземный трубопровод (петля из полимерных труб), используемый в системе имеет срок службы более 50-ти лет, и сама теплонасосная система непосредственно будет верно служить от 20-ти до 30-ти лет и больше.

Безопасность тепловых насосов

Системы с тепловыми насосами безопасны и чисты, потому, что нет открытого пламени, нет выхлопа, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка газа, разлив мазута. Преимущества тепловых насосов - отсутствие пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута, или солярки; только безопасное, надежное действие год за годом.

Комфорт с тепловыми насосами

Тепловой насос работает бесшумно (не громче холодильника), а погодозависимая автоматика и мультизональный контроль создают желаемый микроклимат в помещениях. Преимущества тепловых насосов - использование в летний период возможно в качестве кондиционера.

Дизайн тепловых насосов

Установка теплового насоса не нарушает целостность интерьера. Теплонасос занимает минимум пространства, и о нём станет известно Вашим гостям только, если Вы этого захотите.

Универсальность тепловых насосов

Тепловые насосы используют (утилизируют) рассеянное тепло естественного (тепловая энергия воды, воздуха, почвы) или техногенного происхождения (тепло промышленных и сточных вод, вентиляционных труб и дымовых газов, технологических процессов и т.д.). Тепловой насос совместим с любой циркуляционной системой отопления и вентиляции. Современный дизайн этих высокоэффективных теплогенераторов позволяет устанавливать в любых помещениях. Преимущества тепловых насосов - широкий диапазон мощностей от нескольких киловатт до десятков мегаватт.

Повсеместность применения тепловых насосов

Источник рассеянного тепла можно обнаружить в любом уголке планеты. Земля и воздух найдутся и на самом заброшенном участке, вдали от газовых магистралей и линий электропередач - везде теплонасос раздобудет для себя "пищу", чтобы бесперебойно отапливать Ваш дом, не завися от капризов погоды, поставщиков дизельного топлива или падения давления газа в сети. Даже отсутствие нужных 2-3 кВт электрической мощности не помеха. Для привода компрессора в некоторых моделях используют дизельные или бензиновые двигатели. В укранских условиях, когда уже в 60 км от Киева не всегда можно подключиться к газовой сети, такие возможности трудно переоценить.

Для всех типов теплонасосов характерен ряд особенностей, о которых нужно помнить при выборе модели. Во-первых, тепловой насос оправдывает себя лишь в хорошо утепленном доме, то есть с теплопотерями не больше 65 Вт/м2. Чем более теплый дом, тем больше выгода при использовании данного устройства. Как вы понимаете, отапливать улицу с помощью теплового насоса, собирая из нее же крохи тепла – не совсем разумно. Во-вторых, чем больше разница температур теплоносителей во входном и выходном контурах, тем меньший коэффициент преобразования тепла (СОР), то есть меньшая экономия электрической энергии. Именно поэтому более выгодное подключение теплового насоса к низкотемпературным системам отопления. Прежде всего, речь идет об отоплении водным полом или теплым воздухом с использованием фанкойлов, так как в этих случаях теплоноситель (например вода) по медицинским требованиям не должен быть горячее 35-40°С. А вот чем более горячую воду тепловой насос готовит для выходного контура (радиаторов или душа), тем меньшую мощность он развивает и тем больше потребляет электричества. В-третьих, для достижения большей выгоды практикуется эксплуатация теплового насоса с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления).