Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, обзор моделей, их плюсы и минусы. Тепловые насосы вода-вода: устройство, принцип работы, правила монтажа и расчета Как работает тепловой насос для отопления дома

Этой осенью наблюдается обострение в сети по поводу тепловых насосов и их применения для отопления загородных домов и дач. В загородном доме, который я построил своими руками, с 2013 года установлен такой тепловой насос. Это полупромышленный кондиционер, способный эффективно работать на обогрев при уличной температуре до -25 градусов по Цельсию. Он является основным и единственным отопительным прибором в одноэтажном загородном доме общей площадью 72 квадратных метра.

2. Коротко напомню предысторию. Четыре года назад был куплен участок 6 соток в садовом товариществе, на котором, я, своими руками, без привлечения наемной рабочей силы, построил современный энергоэффективный загородный дом. Предназначение дома — вторая квартира, расположенная на природе. Круглогодичная, но не постоянная эксплуатация. Требовалась максимальная автономность в совокупности с простой инженерией. В районе расположения СНТ отсутствует магистральный газ и на него рассчитывать не стоит. Остается привозное твердое или жидкое топливо, но все эти системы требуют сложной инфраструктуры, стоимость возведения и содержания которой сопоставимо с прямым отоплением электричеством. Таким образом выбор уже был частично предопределен — электрическое отопление. Но здесь возникает второй, не менее важный момент: ограничение электрических мощностей в садовом товариществе, а также достаточно высокие тарифы на электроэнергию (на тот момент — не «сельский» тариф). По факту на участок выделено 5 квт электрической мощности. Единственный выход в данной ситуации — использовать тепловой насос, который позволит сэкономить на отоплении примерно в 2,5-3 раза, по сравнению с прямой конвертацией электрической энергии в тепловую.

Итак, переходим к тепловым насосам. Они различаются по тому, откуда они забирают тепло и по тому, куда его отдают. Важный момент, известный из законов термодинамики (8 класс средней школы) — тепловой насос не производит тепло, он его переносит. Именно поэтому его КОП (коэффициент преобразования энергии) всегда больше 1 (то есть тепловой насос всегда отдает тепла больше, чем потребляет из сети).

Классификация тепловых насосов следующая: «вода — вода», «вода — воздух», «воздух — воздух», «воздух — вода». Под «водой» указываемой в формуле слева подразумевается отбор тепла от жидкого циркулирующего теплоносителя проходящего по трубам находящимся в земле или водоеме. Эффективность таких систем практически не зависит от времени года и температуры окружающего воздуха, но они требуют дорогостоящих и трудоемких земляных работ, а также наличие достаточных свободных площадей под укладку грунтового теплообменника (на котором, впоследствии будет плохо что-либо расти летом, ввиду вымораживания грунта). Под «водой» указываемой в формуле справа подразумевается отоплительный контур, находящийся внутри здания. Это может быть как система радиаторов, так и жидкостные теплые полы. Такая система также потребует сложных инженерных работ внутри здания, но при этом имеет и свои плюсы — с помощью такого теплового насоса можно заодно получить горячую воду в доме.

Но самым интересной выглядит категория тепловых насосов класса «воздух — воздух». По сути это самые обычные кондиционеры. Во время работы на обогрев они забирают тепло из уличного воздуха и переносят его на воздушный теплобменник находящийся внутри дома. Несмотря на некоторые недостатки (серийные модели не могут работать при температурах окружающего воздуха ниже -30 градусов по Цельсию), они имеют колоссальное преимущество: такой тепловой насос очень легко установить и его стоимость сопоставима с обычным электрическим отоплением с помощью конвекторов или электрокотла.

3. На основании этих рассуждений был выбран канальный полупромышленный кондиционер Mitsubishi Heavy, модель FDUM71VNX. По состоянию на осень 2013 года, комплект состоящий из двух блоков (внешний и внутренний) стоил 120 тысяч рублей.

4. Внешний блок установлен на фасаде с северной стороны дома, там где меньше всего ветра (это важно).

5. Внутренний блок установлен в холле под потолком, от него с помощью гибких шумоизолированных воздуховодов обеспечена подача горячего воздуха во все жилые помещения внутри дома.

6. Т.к. подача воздуха находится под потолком (организовать подачу горячего воздуха около пола в каменном доме решительно невозможно), то очевидно, что забирать воздух нужно на полу. Для этого с помощью специального короба забор воздуха был опущен на пол в коридоре (во всех межкомнатных дверях также установлены переточные решетки в нижней части). Рабочий режим — 900 кубометров воздуха в час, за счет постоянной и стабильной циркуляции совершенно нет разницы по температуре воздуха между полом и потолком в любой части дома. Если быть точным, то разница составляет 1 градус по Цельсию, это даже меньше, чем при использовании настенных конвекторов под окнами (с ними перепад температуры между полом и потолком может достигать 5 градусов).

7. Кроме того, что внутренний блок кондиционера за счет мощной крыльчатки способен прогонять в режиме рециркуляции большие объемы воздуха по дому, не нужно забывать о том, что для людей наобходим свежий воздух в доме. Поэтому система отопления также выполняет роль системы вентиляции. По отдельному воздушному каналу с улицы в дом подается свежий воздух, который при необходимости подогревается (в холодное время года) с помощью автоматики и канального ТЭНа.

8. Раздача горячего воздуха осуществляется через вот такие решетки, расположенные в жилых комнатах. Также стоит обратить внимание на то, что в доме нет ни одной лампы накаливания и используются исключительно светодиоды (запомните этот момент, это важно).

9. Отработанный «грязный» воздух удаляется из дома через вытяжку в санузле и на кухне. Горячая вода готовится в обычном накопительном водонагревателе. Вообще, это достаточно большая статья расходов, т.к. колодезная вода очень холодна (от +4 до +10 градусов по Цельсию в зависимости от времени года) и кто-то может резонно заметить, что можно использовать солнечные коллекторы для нагрева воды. Да, можно, но стоимость вложений в инфраструктуру такова, что за эти деньги можно греть воду напрямую электричеством в течение 10 лет.

10. А это — «ЦУП». Главный и основной пульт управления воздушным тепловым насосом. У него есть различные таймеры и простейшая автоматика, но мы используем только два режима: вентиляция (в теплое время года) и нагрев (в холодное время года). Построенный дом оказался настолько энергоэффективным, что кондиционер в нём ни разу не использовался по прямому назначению — для охлаждения дома в жару. В этом большую роль сыграло и светодиодное освещение (теплоотдача от которого стремится к нулю) и очень качественное утепление (шутка ли, после обустройства газона на крыше нам даже пришлось этим летом использовать тепловой насос для обогрева дома — в дни, когда среднесуточная температура опускалась ниже +17 градусов по Цельсию). В доме круглогодично поддерживается температура не ниже +16 градусов по Цельсию, независимо от наличия в нём людей (когда в доме люди, то температура устанавливается +22 градуса по Цельсию) и никогда не выключается приточная вентиляция (потому, что лень).

11. Счетчик технического учета электроэнергии был установлен осенью 2013 года. То есть ровно 3 года назад. Нетрудно подсчитать, что среднегодовое потребление электрической энергии составляет 7000 квтч (на самом деле сейчас эта цифра немного меньше, т.к. в первый год расход был большим из-за использования осушителей во время отделочных работ).

12. В заводской комплектации кондиционер способен работать на обогрев при температуре окружающего воздуха не ниже -20 градусов по Цельсию. Для работы при более низких температурах требуется доработка (на самом деле она актуальна при эксплуатации даже при температуре -10, если на улице высокая влажность) — установка греющего кабеля в дренажный поддон. Это необходимо для того, чтобы после цикла разморозки внешнего блока вода в жидком состоянии успела покинуть дренажный поддон. Если она не успеет это сделать, то в поддоне будет намерзать лед, который впоследствии выдавит раму с вентилятором, что, вероятно, приведет к обламыванию лопастей на нём (можете посмотреть фотографии обломанных лопастей в интернете, я сам с этим чуть не столкнулся т.к. положил греющий кабель не сразу).

13. Как я уже упоминал выше — в доме везде используется исключительно светодиодное освещение. Это важно, когда речь заходит о кондиционировании помещения. Возьмем стандартную комнату, в которой расположено 2 светильника, по 4 лампы в каждом. Если это лампы накаливания мощностью 50 ватт, то суммарно они потребляют 400 ватт, в то время как светодиодные лампы будут потреблять менее 40 ватт. А вся энергия, как мы знаем из курса физики, в конечном итоге все равно превращается в тепловую. То есть освещение на лампах накаливания это такой неплохой обогреватель средней мощности.

14. Теперь поговорим о том, как работает тепловой насос. Всё, что он делает — переносит тепловую энергию из одного места в другое. Именно по такому принципу работают и холодильники. Они переносят тепло из холодильной камеры в помещение.

Есть такая хорошая загадка: Как изменится температура в комнате, если в ней оставить включенный в розетку холодильник с открытой дверцей? Правильный ответ — температура в комнате будет расти. Для просты понимания это объяснить можно так: комната это замкнутый контур, в него по проводам поступает электричество. Как мы знаем энергия в конечном итоге превращается в тепловую. Именно поэтому температура в комнате и будет расти, ведь в замкнутый контур извне поступает электричество и в нём же остается.

Немного теории. Теплота это форма энергии, которая передается между двумя системами из-за разницы температур. При этом тепловая энергия переходит из места с высокой температурой к месту с более низкой температурой. Это естественный процесс. Перенос тепла может осуществляться за счет теплопроводности, теплового излучения или путём конвекции.

Существует три классических агрегатных состояния вещества, преобразование между которыми осуществляется в результате изменения температуры или давления: твердое, жидкое, газообразное.

Для изменения агрегатного состояния тело должно либо получить, либо отдать тепловую энергию.

При плавлении (переход из твердого состояния в жидкое) поглощается тепловая энергия.
При испарении (переход из жидкого состояния в газообразное) поглощается тепловая энергия.
При конденсации (переход из газообразного состояния в жидкое) выделяется тепловая энергия.
При кристаллизации (переход из жидкого состояния в твердое) выделяется тепловая энергия.

Тепловой насос использует в работе два переходных режима: испарение и конденсацию, то есть оперирует веществом, находящимся либо в жидком, либо в газообразном состоянии.

15. В качестве рабочего тела в контуре теплового насоса используется хладагент R410a. Это фторуглеводород, закипающий (переход из жидкого состояния в газообразное) при очень низкой температуре. А именно, при температуре — 48,5 градусов по Цельсию. То есть, если обычная вода при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре +100 градусов по Цельсию, то фреон R410a кипит при температуре почти на 150 градусов ниже. Более того, при сильно отрицательной температуре.

Именно это свойство хладагента используется в тепловом насосе. Путем целеправленного измерения давления и температуры ему можно придать необходимые свойства. Либо это будет испарение при температуре окружающей с поглощением тепла, либо конденсации при температуре окружающей среды с выделением тепла.

16. Вот как выглядит контур циркуляции теплового насоса. Его основные компоненты: компрессор, испаритель, расширительный клапан и конденсатор. Хладагент циркулирует в замкнутом контуре теплового насоса и попеременно меняет свое агрегатное состояние с жидкого на газообразное и обратно. Именно хладагент передает и переносит тепло. Давление в контуре всегда избыточно по сравнению с атмосферным.

Как это работает?
Компрессор всасывает холодный газообразный хладагент низкого давления поступающий из испарителя. Компрессор сжимает его под высоким давлением. Температура повышается (тепло от работы компрессора также добавляется к хладагенту). На этом этапе мы получается газообразный хладагент высокого давления и высокой температуры.
В таком виде он поступает в конденсатор, обдуваемый более холодным воздухом. Перегретый хладагент отдает свое тепло воздуху и конденсируется. На этом этапе хладагент находится в жидком состоянии, под высоким давлением и со средней температурой.
Далее хладагент поступает в расширительный клапан. В нём происходит резкое снижение давления, вследствие расширения объема, который занимает хладагент. Уменьшение давления приводит к частичному испарению хладагента, что в свою очередь снижает температуру хладагента ниже температуры окружающей среды.
В испарителе давление хладагента продолжает снижаться, он еще сильнее испаряется, а необходимое для этого процесса тепло отбирается от более теплого наружного воздуха, который при этом охлаждается.
Полностью газообразный хладагент снова поступает в компрессор и цикл замыкается.

17. Попробую еще раз объяснить попроще. Хладагент кипит уже при температуре -48,5 градусов по Цельсию. То есть, условно говоря при любой более высокой температуре окружающей среды он будет иметь избыточное давление и в процессе испарения забирать тепло из окружающей среды (то есть уличного воздуха). Есть хладагенты используемые в низкотемпературных холодильниках, у них температура кипения еще ниже, вплоть до -100 градусов по Цельсию, но его не получится использовать для работы теплового насоса на охлаждение помещения в жару из-за очень высокого давления при высоких температурах окружающей среды. Хладагент R410a это некий баланс между возможностью работы кондиционера как на нагрев, так и охлаждение.

Вот, кстати, хороший документальный фильм снятый в СССР и рассказывающий о том, как устроен тепловой насос. Рекомендую.

18. Любой ли кондиционер можно использовать для работы на обогрев? Нет, не любой. Хотя на фреоне R410a и работают почти все современные кондиционеры, не менее важны и другие характеристики. Во-первых кондиционер должен иметь четырехходовой клапан, позволяющий так сказать переключиться на «реверс», а именно поменять местами конденсатор и испаритель. Во-вторых, обратите внимание, что компрессор (он расположен справа снизу) находится в теплоизолированном кохуже и имеет электрический подогрев картера. Это нужно для того, чтобы всегда поддерживать положительную температуру масла в компрессоре. По факту, при температуре окружающей среды ниже +5 градусов по Цельсию даже в выключенном состоянии кондиционер потребляет 70 ватт электрической энергии. Второй, важнейший момент — кондиционер должен быть инверторным. То есть и компрессор и электромотор крыльчатки должны иметь возможность изменять производительность в процессе работы. Именно это позволяет тепловому насосу эффективно работать на обогрев при наружной температуре ниже -5 градусов по Цельсию.

19. Как мы знаем, на теплообменнике внешнего блока, который является испарителем во время работы на обогрев, происходит интенсивное испарение хладагента с поглощением тепла из окружающей среды. Но в уличном воздухе находятся пары воды в газообразном состоянии, которые конденсируются, а то и кристаллизуются на испарителе из-за резкого снижения температуры (уличный воздух отдает свою теплоту хладагенту). А интенсивное обмерзание теплообменника приведет к снижению эффективности теплоосъема. То есть, по мере снижения температуры окружающей среды необходимо «притормозить» и компрессор и крыльчатку, чтобы обеспечить наиболее эффективный теплосъем на поверхности испарителя.

Идеальный тепловой насос работающий только на обогрев должен иметь площадь поверхности внешнего теплообменника (испарителя) в несколько раз превышающую площадь поверхности внутреннего теплообменника (конденсатора). На практике мы возращаемся к тому самому балансу, что тепловой насос должен уметь работать как на обогрев, так и охлаждение.

20. Слева можно видеть практически полностью покрытый инеем внешний теплообменник, кроме двух секций. В верхней, не замерзшей, секции фреон имеет еще достаточно высокое давление, что не позволяет ему эффективно испаряться с поглощением тепла из окружающей среды, в нижней же секции он уже перегрет и не может больше забирать тепло извне. А фотография справа дает ответ на вопрос почему внешний блок кондиционера был установлен на фасаде, а не спрятан от глаз на плоской кровле. Именно из-за воды, которую нужно отводить от дренажного поддона в холодное время года. Отводить эту воду с кровли было бы значительно сложнее, чем с отмостки.

Как я уже писал, во время работы на обогрев при отрицательной температуре на улице испаритель на внешнем блоке обмерзает, на нём кристаллизуется вода из уличного воздуха. Эффективность обмерзшего испарителя заметно снижается, но электроника кондиционера в автоматическом режиме контролирует эффективность теплосъема и периодически переключает тепловой насос в режим разморозки. По сути режим разморозки это прямой режим кондиционирования. То есть из помещения забирается тепло и переносится на внешний, обмерзший теплообменник, что растопить на нём лед. В это время вентилятор внутреннего блока работает на минимальной скорости, а из воздуховодов внутри дома поступает прохладный воздух. Цикл разморозки обычно длится 5 минут и происходит каждые 45-50 минут. Ввиду высокой тепловой инерционности дома, никакого дискомфорта во время разморозки не ощущается.

21. Вот таблица теплопроизводительности данной модели теплового насоса. Напомню, что номинальное потребление энергии составляет чуть более 2 кВт (ток 10А), а теплоотдача колеблется от 4 кВт при -20 градусах на улице, до 8 кВт при уличной температуре +7 градусов. То есть коэффициент конвертации составляет от 2 до 4. Именно во сколько раз тепловой насос позволяет экономить энергию по сравнению с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую.

Кстати, есть еще один интересный момент. Ресурс у кондиционера при работе на обогрев в разы выше, чем при работе на охлаждение.

22. Осенью прошлого года я установил счетчик электрической энергии Smappee, который позволяет вести статистику энергопотребления по месячно и предоставляет более менее удобную визуализацию проведенных измерений.

23. Smappee был установлен ровно год назад, в последних числах сентября 2015 года. Он также пытается показать стоимость электрической энергии, но делает это исходя из заданных вручную тарифов. А с ними есть важный момент — как известно, у нас повышают цены на электроэнергию 2 раза в год. То есть за представленный период измерений тарифы менялись 3 раза. Поэтому не будем обращать внимание на стоимость, а подсчитаем количество потребленной энергии.

На самом деле с визуализацией графиков потребления у Smappee есть проблемы. Например, самый короткий столбец слева это потребление за сентябрь 2015 года (117 квтч), т.к. у разработчиков что-то пошло не так и на экране за год почему-то 11, а не 12 столбцов. Но суммарные цифры потребления подсчитаны безошибочно.

А именно, 1957 квтч за 4 месяца (включая сентябрь) в конце 2015 года и 4623 квтч за весь 2016 год с января по сентябрь включительно. То есть суммарно было израсходовано 6580 квтч на ВСЁ жизнеообеспечение загородного дома, который круглогодично отапливался, независимо от нахождения в нём людей. Напомню, что летом этого года впервые пришлось использовать тепловой насос для обогрева, а на охлаждение летом он не работал ни разу за все 3 года эксплуатации (кроме автоматических циклов разморозки, разумеется). В рублях, по текущим тарифам в Московской области это менее 20 тысяч рублей в год или около 1700 рублей в месяц. Напомню, что в эту сумму входит: отопление, вентиляция, нагрев воды, плита, холодильник, освещение, электроника и техника. То есть это фактически в 2 раза дешевле, чем ежемесячная плата за квартиру в Москве аналогичной площади (разумеется без учета взносов на содержание, а также сборов на капитальный ремонт).

24. А теперь давайте подсчитаем сколько же денег позволил сэкономить тепловой насос в моём случае. Сравнивать будем электрическим отоплением, на примере электрокотла и радиаторов. Считать буду по докризисным ценам, которые были на момент установки теплового насоса осенью 2013 года. Сейчас тепловые насосы подорожали из-за обвала курса рубля, а техника вся импортная (лидеры по производству тепловых насосов — японцы).

Электрическое отопление:
Электрический котел — 50 тыс рублей
Трубы, радиаторы, фитинги и т.д. — еще 30 тыс. рублей. Итого материалов на 80 тысяч рублей.

Тепловой насос:
Канальный кондиционер MHI FDUM71VNXVF (внешний и внутренний блок) — 120 тыс. рублей.
Воздуховоды, адаптеры, теплоизоляция и т.д. — еще 30 тыс. рублей. Итого материалов на 150 тысяч рублей.

Установка своими руками, но в обоих случаях по времени это примерно одинаково. Итого «переплата» за тепловой насос по сравнению с электрокотлом: 70 тысяч рублей.

Но это не всё. Воздушное отопление с помощью теплового насоса это заодно кондиционер в теплое время года (то есть кондиционер все равно нужно ставить, так ведь? значит добавим еще минимум 40 тысяч рублей) и вентиляция (обязательна в современных герметичных домах, еще минимум 20 тысяч рублей).

Что имеем? «Переплата» в комплексе составляет всего 10 тысяч рублей. Это еще только на стадии ввода системы отопления в эксплуатацию.

А дальше начинается эксплутация. Как я уже писал выше, в самые холодные зимние месяцы коэффициент преобразования составляет 2,5, а в межсезонье и летом можно принять его равным 3,5-4. Возьмем усредненный годовой СОР равный 3. Напомню, что за год в доме расходуется 6500 квтч электрической энергии. Это суммарное потребление на все электрические приборы. Возьмем для простоты расчетов по минимуму, что тепловой насос потребляет из этой суммы всего лишь половину. То есть 3000 квтч. При этом в среднем за год он отдал 9000 квтч тепловой энергии (6000 квтч «притащил» с улицы).

Переведем перенесенную энергию в рубли, предположив, что 1 квтч электрической энергии стоит 4,5 рубля (усредненный дневной/ночной тариф в Московской области). Получаем 27000 рублей экономии, по сравнению с электрическим отоплением только за первый год эксплуатации. Вспомним, что разница на стадии ввода системы в эксплуатацию составляла всего 10 тысяч рублей. То есть уже за первый год эксплуатации тепловой насос СЭКОНОМИЛ мне 17 тысяч рублей. То есть он окупился в первый же год эксплуатации. При этом напомню, что это не постоянное проживание, при котором экономия была бы еще больше!

Но не забываем про кондиционер, который конкретно в моем случае не потребовался ввиду того, что построенный мною дом оказался переутепленным (хотя и используется однослойная стена из газобетона без дополнительного утепления) и он просто не нагревается летом на солнце. То есть скинем 40 тысяч рублей из сметы. Что имеем? ЭКОНОМИТЬ на тепловом насосе в таком случае я стал не с первого года эксплуатации, а со второго. Не велика разница-то.

Но если мы возьмем тепловой насос класса «вода-вода» или даже «воздух-вода», то цифры в смете будут совершенно иными. Именно поэтому тепловой насос «воздух-воздух» это лучшее соотношение цена/эффективность на рынке.

25. И напоследок несколько слов про электрические отопительные приборы. Меня замучали вопросами о всяких инфракрасных обогревателях и нано-технологиях не сжигающих кислород. Отвечу коротко и по делу. Любой электрический обогреватель имеет КПД 100%, то есть вся электрическая энергия переходит в тепловую. На самом деле это касается любых электрических приборов, даже электрическая лампочка дает тепло ровно в том количестве, в котором она его получила из розетки. Если же говорить про инфракрасные обогреватели, то их преимущество заключается в том, что они греют предметы, а не воздух. Поэтому самое разумное применение для них — обогрев на открытых верандах в кафе и на автобусных остановках. Там, где есть необходимость передать тепло напрямую предметам/людям, минуя нагрев воздуха. Аналогичная история про сжигание кислорода. Если где-то в рекламном проспекте вы видите эту фразу, знайте — производитель держит покупателя за лоха. Горение это реакция окисления, а кислород это окислитель, то есть он сам себя сжечь не может. То есть это все бред дилетантов, прогулявших уроки физики в школе.

26. Еще одним вариантом экономии энергии при электрическом отоплении (не важно, прямой конвертацией или с помощью теплового насоса) является использование теплоемкости ограждающих конструкций (или же специального теплоаккумулятора) для накопления тепла при использовании дешевого ночного электрического тарифа. Именно с этим я и буду экспериментировать этой зимой. По моим предварительным расчетам (с учетом того, что в ближайший месяц я буду платить по сельскому тарифу на электроэнергию, т.к. строение уже зарегистрировано как жилой дом), даже несмотря на рост тарифов на электроэнергию, в следующем году я заплачу за содержание дома менее 20 тысяч рублей (за всю потребленную электрическую энергию на отопление, нагрев воды, вентиляцию и технику с учетом того, что в доме круглогодично поддерживается температура примерно 18-20 градусов тепла, независимо от того есть ли в нём люди).

Что в итоге? Тепловой насос в виде низкотемпературного кондиционера класса «воздух-воздух» это самый простой и доступный способ экономии на отоплении, что вдвойне может быть актуально при существовании лимита электрических мощностей. Я полностью доволен установленной отопительной системой и не испытываю какого-либо дискомфорта от её эксплуатации. В условиях Московской области использование воздушного теплового насоса полностью себя оправдывает и позволяет окупить инвестиции не позднее, чем через 2-3 года.

Кстати, не забывайте что у меня еще есть Instagram, в котором я публикую ход работ практически в реальном времени —

Тепловой насос представляет собой устройство, позволяющее переносить тепловую энергию от менее нагретого тела к более нагретому телу, увеличивая его температуру. В последние годы тепловые насосы пользуются повышенным спросом как источник альтернативной тепловой энергии, позволяющий получать действительно дешевое тепло, не загрязняя при этом окружающей среды.

Сегодня их выпускают многие производители теплотехнического оборудования, а общая тенденция такова, что в ближайшие годы именно тепловые насосы займут лидирующие позиции в ряду отопительного оборудования.

Как правило, тепловые насосы используют тепло подземных вод , температура которых круглый год находится приблизительно на одном уровне и составляет +10С, тепло окружающей среды или водоемов.

Принцип их работы основывается на том, что любое тело, имеющее температуру выше значения абсолютного нуля, обладает запасом тепловой энергии, прямо пропорциональным его массе и удельной теплоемкости. Понятно, что моря, океаны, а также подземные воды, масса которых велика, обладают грандиозным запасом тепловой энергии, частичное использование которой на отоплении жилища никак не сказывается на их температуре и на экологической обстановке на планете.

«Забрать» тепловую энергию от какого-либо тела можно только охладив его. Количество выделенного при этом тепла (в примитивном виде) можно рассчитать по формуле

Q=CM(T2-T1) , где

Q — полученное тепло

C -теплоемкость

M — масса

T1 T2 — разность температур, на которую было произведено охлаждение тела

Из формулы видно, что при охлаждении одного килограмма теплоносителя от 1000 градусов до 0 градусов может быть получено такое же количество тепла, что и при охлаждении 1000кг теплоносителя от 1С до 0С.

Главное, суметь использовать тепловую энергию и направить ее на отопление жилых домов и производственных помещений.

Идея использования тепловой энергии менее нагретых тел возникла еще в середине 19 столетия, а ее авторство принадлежит знаменитому ученому того времени лорду Кельвину. Однако далее общей идеи дело у него не продвинулось. Первый проект теплового насоса был предложен в 1855 году и принадлежал он Петеру Риттеру фор Риттенгеру. Но и он не получил поддержки и не нашел практического применения.

«Второе рождение» теплового насоса относится к середине сороковых годов прошлого столетия, когда широкое распространение получили обычные бытовые холодильники. Именно они натолкнули швейцарца Роберта Вебера на идею использовать тепло, выделяемое морозильной камерой, для нагрева воды для хозяйственных нужд.

Полученный эффект оказался ошеломляющим: количество тепла оказалось столь велико, что его хватило не только для горячего водоснабжения, но и подогрева воды для отопления. Правда, при этом пришлось порядком потрудиться и придумать систему теплообменников, позволяющую утилизировать выделяемую холодильником тепловую энергию.

Однако вначале изобретение Роберта Вебера рассматривалось как забавная идея, и воспринималась подобно идеям из современной знаменитой рубрики «Очумелые ручки». Настоящий интерес к нему возник намного позже, когда действительно остро встал вопрос поиска альтернативных источников энергии. Вот тогда идея теплового насоса получила свое современное очертание и практическое применение.

Современные тепловые насосы можно классифицировать в зависимости от источника низкотемпературного тепла, которым может быть грунт, вода (в открытом или в подземном водоеме), а также наружный воздух.

Полученная тепловая энергия может передаваться воде и использоваться для устройства водяного отопления, и горячего водоснабжения, а также воздуху, и применяться для отопления и кондиционирования. Учитывая это, тепловые насосы делят на 6 видов:

• От грунта к воде (грунт-вода)
• От грунта к воздуху (грунт-воздух)
• От воды к воде (вода-вода)
• От воды к воздуху (вода-воздух)
• От воздуха к воде (воздух-вода)
• От воздуха к воздуху (воздух-воздух)

Каждый вид тепловых насосов имеет свои характерные особенности установки и эксплуатации.

Способ установки и особенности эксплуатации теплового насоса ГРУНТ-ВОДА

• Грунт универсальный поставщик низкотемпературной тепловой энергии

Грунт обладает колоссальным запасом низкотемпературной тепловой энергии. Именно земная кора постоянно аккумулирует солнечное тепло и при этом подогревается изнутри, от ядра планеты. В результате на глубине нескольких метров грунт всегда имеет положительную температуру. Как правило, в центральной части России речь идет о 150-170 см. Именно на этой глубине температура грунта имеет положительное значение и не опускается ниже 7-8 С.

Еще одна особенность грунта состоит в том, что даже при сильных морозах он промерзает постепенно. В результате минимальная температура грунта на глубине 150 см наблюдается тогда, когда на поверхности уже наступает календарная весна и потребность в тепле для отопления снижается.

Это значит, что для того, чтобы «отобрать» тепло у грунта в центральном районе России, теплообменники для аккумуляции тепловой энергии необходимо расположить на глубине ниже 150 см.

В этом случае теплоноситель, циркулирующий в системе теплового насоса, проходя по теплообменникам, будет нагреваться за счет тепла грунта, затем, поступая в испаритель, передавать тепло воде, циркулирующей в системе отопления, и возвращаться за новой порцией тепловой энергии.

• Что может использоваться в качестве теплоносителя

В качестве теплоносителя в тепловых насосах типа грунт-вода чаще всего используют так называемый «рассол». Его готовят из воды и этиленгликоля или пропиленгликоля. В некоторых системах используют фреон, что в значительной степени усложняет конструкцию теплового насоса и приводит к повышению его стоимости. Дело в том, что теплообменник насоса этого вида должен иметь большую площадь теплообмена, следовательно, и внутренний объем, что требует соответствующего количества теплоносителя.

Использование фреона хоть и повышает эффективность работы теплового насоса, но при этом требует абсолютной герметичности системы и ее устойчивости к повышенному давлению.

Для систем с «рассолом» теплообменники обычно делают из полимерных труб, чаще всего полиэтиленовых, диаметром от40-60мм. Теплообменники имеют вид горизонтальных или вертикальных коллекторов.

Представляет собой трубу, уложенную в грунт на глубине ниже 170 см. Для этого можно использовать любой незастроенный участок земли. Для удобства и увеличения площади теплообмена трубу укладывают зигзагом, петлями, спиралью и т.д. В дальнейшем этот участок земли можно использовать под газон, клумбу или огород. Следует отметить, что теплообмен между грунтом и коллектором идет лучше во влажной среде. Поэтому поверхность грунта можно смело поливать и удобрять.

Считается, что в среднем 1м2 грунта дает от 10 до 40 Вт тепловой энергии. В зависимости от потребности в тепловой энергии, петель коллектора может быть любое количество.

Вертикальный коллектор представляет собой систему труб, установленных в земле вертикально. Для этого бурятся скважины на глубину от нескольких метром до десятков, а то и сотен метров. Чаще всего вертикальный коллектор находится в тесном контакте с подземными водами, но это не является необходимым условием для его эксплуатации. То есть, вертикально установленный подземный коллектор может быть «сухим».

Вертикальный коллектор, так же, как и горизонтальный, может иметь практически любую конструкцию. Наибольшее распространение получили системы типа «труба в трубе» и «петли», по которым рассол подается насосом вниз и им же поднимается обратно к испарителю.

Следует отметить, что вертикальные коллекторы наиболее производительны. Объясняется это их расположением на большой глубине, где температура практически всегда находится на одном уровне и составляет 1-12 С. При их использовании с 1м2 можно получить от 30 до 100 Вт мощности. При необходимости количество скважин можно увеличивать.

Для улучшения процесс теплообмена между трубой и грунтом пространство между ними заливают бетоном.

• Достоинства и недостатки тепловых насосов типа «грунт-вода»

Монтаж теплового насоса типа «грунт-вода» требует значительных финансовых вложений, но его эксплуатация позволяет получать практически бесплатную тепловую энергию. При этом не причиняется никакого ущерба окружающей среде.

Среди достоинств теплового насоса этого типа следует отметить:

• Долговечность: может работать несколько десятилетий подряд без ремонта и технического обслуживания
• Простоту эксплуатации
• Возможность использования участка земли для земледелия
• Быструю окупаемость: при отоплении помещений значительной площади, например от 300 м2 и выше, насос окупается за 3-5 лет.

Учитывая то, что установка теплообменника в грунт представляет собой сложные агротехнические работы, выполнять их следует обязательно с предварительной разработкой проекта.

Как работает тепловой насос

Тепловой насос состоит из следующих элементов:

• Компрессора, работающего от обычной электрической сети
• Испарителя
• Конденсатора
• Капилляра
• Терморегулятора
• Рабочего тела или хладагента, на роль которого в наибольшей степени подходит фреон

Принцип действия теплового насоса можно описать с помощью хорошо известного из школьного курса физики «Цикла Карно».

Поступающий в испаритель по капилляру газ (фреон) расширяется, его давление уменьшается, что приводит к его последующему испарению, при котором он, соприкасаясь со стенками испарителя, активно забирает у них тепло. Температура стенок снижается, что создает разницу температур между ними и массой, в которой находится тепловой насос. Как правило, это подземные воды, морская вода, озеро или масса земли. Не трудно догадаться, что при этом начинается процесс передачи тепловой энергии от более нагретого тела к менее нагретому телу, которым в данном случае, являются стенки испарителя. На данном этапе работы тепловой насос «выкачивает» тепло из среды теплоносителя.

На следующем этапе хладагент всасывается компрессором, затем сжимается и под давлением подается в конденсатор. В процессе сжатия его температура возрастает и может составлять от 80 до 120 С, что более чем достаточно для отопления и горячего водоснабжения жилого дома. В конденсаторе хладагент отдает свой запас тепловой энергии, остывает, переходит в жидкое состояние, а затем и поступает в капилляр. Затем процесс повторяется.

Для управления работой теплового насоса используется терморегулятор, с помощью которого прекращается подача электроэнергии в систему при достижении в помещении заданной температуры и возобновление работы насоса при снижении температуры ниже заранее определенного значения.

Тепловой насос можно использовать в качестве источника тепловой энергии и устраивать с ним системы отопления, аналогичные системам отопления на основе котла или печи. Пример такой системы приведен на схеме выше.

Следует отметить, что работа теплового насоса возможна только при подключении его к источнику электрической энергии. При этом может ошибочно возникнуть мнение, что вся система отопления основа на использовании именно электрической энергии. В действительности, для передачи в систему отопления 1кВт тепловой энергии необходимо затратить приблизительно 0,2-0,3 кВт электрической энергии.

Преимущества теплового насоса

Среди преимуществ теплового насоса следует выделить:

• Высокую эффективность
• Возможность переключения с режима отопления на режим кондиционирования и его последующее использование летом для охлаждения помещений
• Возможность использования эффективной системы автоматического контроля
• Экологическую безопасность
• Компактность(размер не более бытового холодильника)
• Бесшумность работы
• Пожарную безопасность, что особенно важно для обогрева загородных домов

Среди недостатков теплового насоса следует отметить его высокую стоимость и сложность монтажа .

Из года в год перед покупкой оборудования для отопления своего дома у потребителей возникает законный вопрос об экономии средств на процессе обогрева. Этот момент волнует многих из-за постоянного роста цен на все известные виды топлива. Несколько десятков лет тому назад учеными был предложен альтернативный вариант – добывать энергию из окружающего пространства. Эта система получила название тепловых насосов отопления и эффективно используется в европейских странах и Японии.

Задачи, решаемые установкой теплового насоса

Оборудование позволяет производить отопление дома и поддерживать постоянную температуру в холодное время года. В летний период такая система поможет избежать жары в помещении, так как многие насосы оснащены обратной функцией охлаждения . Каждый хозяин вправе выбрать для себя единственно приемлемый для него вид отопления дома и подогрева воды. Но основными аспектами применения тепловых агрегатов, которые определяют спрос, являются: экологическая чистота, безопасность эксплуатации, комфортные условия, экономичность, долгий срок работы, приемлемый дизайн.

Ежегодное подорожание энергоносителей приводит к тому, что потребители отдают предпочтение установке дорогостоящего оборудования для отопления дома, которое не требует в дальнейшем затрат на приобретение газа, твердого или жидкого топлива. Тепловым насосам не нужно серьезное периодическое обслуживание и они работают более продолжительный срок.

В некоторых домах свыше 150 м2 применяют геотермальные способы отопления вместе с резервным котлом отопления. Такая комбинация позволяет окупить вложенные средства после 5 лет пользования . Тепло земли с низкой потенциальностью насос преобразовывает в постоянный теплоноситель с температурой не ниже 75ºС. При этом потраченный киловатт электрической энергии способствует выделению около 6 киловатт тепловой.

В летний период пассивная модель охлаждения позволяет циркулировать по контуру теплоносителя, который охлаждается в земле, где температура составляет 5–7ºС. Электричество, затраченное на работу циркуляционного насоса по стоимости гораздо дешевле, чем работа стандартного кондиционирования всей площади дома в жаркое время года.

Для увеличения эффективности работы насоса к нему можно подключать дополнительные контуры для обогрева бассейна, использовать летом энергию солнечного коллектора.

Насосы к тепловым трубопроводам

Описание

Планета представляет собой раскаленное ядро, покрытое толстым слоем твердого вещества. Когда-нибудь ядро остынет, так как в отличие от звезд, у земли нет своего источника тепла. Но говорить о продолжительности того периода, за который изменится температура почвы, не стоит, так как даже наша цивилизация этого не ощутит. Именно поэтому грунт на сравнительно небольшой глубине до 50 м существует в постоянно подогретом состоянии , с температурой около 12ºС. Глубина может отличаться от указанной в зависимости от климата местности.

Тепловые геотермальные насосы можно использовать даже в зонах вечной мерзлоты, только искать тепло придется на большой глубине.

Принцип действия

Тепловой насос используется для извлечения низкой энергии тепла окружающей среды. Он преобразовывает ее в высокотемпературную энергию для передачи теплоносителю в контуре отопительной системы. Работа насоса основывается на применении физических и химических законов . Массы воздуха, воды и земли вокруг постоянно аккумулируют солнечную энергию, которая используется в работе системы отопления.

Установка теплового отопительного насоса напоминает работу холодильника, только в обратной последовательности. В холодильном агрегате присутствует морозильная камера (испаритель) , которая снабжает его холодом. Излишнее количество тепла поступает на конденсаторную решетку сзади холодильника и выбрасывается в воздух.

Тепловой насос имеет испаритель, расположенный в таком месте, что он находится в контакте с источником природной энергии низкого тепла:

• пластами недр земли , расположенными ниже точки промерзания поверхности при помощи наклонных или вертикальных скважин;
• водных глубин термальных незамерзающих водоемов опусканием на нужную глубину;
• воздушными массами снаружи дома.

В таком геотермальном устройстве конденсатор работает как устройство для теплообмена, отдающего тепло для нагревания теплоносителя в отопительном контуре дома, которое поступает для окончательно раздачи в калориферы и радиаторы.

Для развернутого понятия представим контур, в котором движется химический элемент хладагент , присутствовующий там в виде жидкости или газа. Движение его происходит за счет работы компрессора. Хладагент нагревается при сжимании, поэтому в конструкции добавляется расширительный клапан.

В системе ставится два теплообменника. Один из них работает как испаритель в холодной области и служит для понижения температуры воздуха или воды по принципу кондиционера или холодильника. Второй работает как конденсатор в горячей области и нагревает воду для системы отопления.

Остаточным действием является определение источника для сбора тепла, который отдает энергию зондам, контурам труб большой протяженности на дне водоемов или ниже точки промерзания, воздушным источникам.

Три контура в системе тепловых насосов:

Производители предрекают срок эксплуатации не менее 20 лет, но такие понятия, как трение и износ выведут насос из строя гораздо раньше. Реально можно установить продолжительность работы теплового оборудования без ремонта в 10–12 лет.

Природные источники тепла

Земные недра

Являются бесплатным генератором тепла. На глубине, где грунт никогда не замерзает, держится плюсовая стабильная температура, которая не меняется в зависимости от сезона.

Для сбора низкотемпературного тепла из почвы применяют два способа:

• бурение вертикальных коллекторов , скважин на глубину от 50 до 200 м для забора воды и прогона его через теплообменник и передача ее в водоем после использования;
• прокладка трубопровода на участке дома на глубине более одного метра и расстоянием между контурами не менее одного метра с обратной засыпкой и поливкой влагой.

Вода

Собрать достаточное количество тепла в водяных массах можно в случае, если есть незамерзающее озеро с проточной водой или высоко поднимается грунтовая вода. На дно укладывается трубопровод большой протяженности , фиксирующийся при помощи грузов, которые ставятся из расчета 5 кг на 1 погонный метр. Чтобы работа теплообменника длиной примерно 300 метров была эффективной, расстояние между витками труб не должно быть менее 1,5 м.

Для работы такой системы чаще всего применяют принцип открытого сбора тепла. Он подразумевает, что по ходу перемещения грунтовых вод делается две скважины, первая служит для сбора воды насосом и подачи на теплообменник. Во вторую происходит сброс использованной охлажденной воды.

Риск нарушения функционирования состоит в том, высота подъема грунтовых вод может изменяться в зависимости от периода дождей и перемещения земельных пластов.

Воздух

Самым распространенным и легкодоступным источником тепла является атмосфера. Теплообменник выполняется по типу большого радиатора с достаточным количеством ребер и вентилятором обдува. Такой тепловой насос расчитан на отопление и на подачу горячей воды хозяевам дома. Часто простейшие устройства подобного типа применяют для подогрева воды в зимних бассейнах. Затраты электрической энергии при этом минимальны.

Наружные теплообменники монтируют на кровле дома или на его стене. Если предполагается мощное оборудование, тогда для его установки нужно создавать дополнительное основание в виде фундамента.

Тепловые установки, извлекающие тепло из атмосферы, большей частью инверторные. В них происходит преобразование переменного тока , что позволяет компрессору работать с полной отдачей. При нагревании теплоносителя до нужной температуры не происходит остановки оборудования, только снижается мощность. Таким образом, увеличивается срок службы оборудования.

Обзор разновидностей тепловых насосов

Насосы «воздух-вода»

Собирают тепло из атмосферы и нагревают жидкость в отопительной системе. Выпускают стандартные и компактные модели. Устанавливать можно как в процессе ремонта здания, так и при новом строительстве дома. Обеспечивают нагревание теплоносителя до 60ºС при наружной температуре до -20ºС. При самой тяжелой работе мощность достигает 20 кВт. Некоторые системы снабжаются дополнительным подогревом с помощью электричества для работы в экстремальных условиях или подогревания системы для размораживания.

Тепловая система «рассол-вода»

Получает энергию из недр земли посредством установки специальных геотермальных зондов. В системе ставится два расширительных теплообменника, которые работают на тепло и охлаждение. Мощность установки 16 кВт . Применяется новая по конструкции система, состоящая из последовательно соединенных агрегатов-модулей до 6 штук, потребляющая суммарную мощность до 50 кВт.

Тепловая установка «вода-вода»

Насосы отличаются высоким качеством, заложенным в процессе производства. Имеют в конструкции теплообменник в виде пластин. Почти все важные элементы изготавливаются из нержавейки и ее сплавов. Расширительный бак при необходимости легко подключается к почвенным насосам. Мощность работы 6 кВт . Все модели оснащены полностью автоматическим управлением.

Тепловые насосы по типу работы «воздух-воздух»

Они способны не только подогревать воду, но и воздух в помещении. К ним относят сплит-системы . Тоже возможна установка каскадного варианта мощностью до 50 кВт.

Геотермальные «грунт-вода»

Очень хорошо зарекомендовали себя для отопления в частных домах и промышленных объектах. Для сбора тепла бурят скважины различной глубины , присутствуют все элементы полной автоматизации управления. Работают от глубинных или поверхностных коллекторов.

Стоимость оборудования и установки теплового насоса

Цена теплового насоса определяется несколькими факторами. Для этого принимают во внимание площадь отапливаемого дома, наличие дополнительных труб различных вариантов отопления. Кроме того, играет роль тип устанавливаемого насоса по принципу сбора природного тепла из окружающей среды и по мощности.

Очень большое внимание уделяется утеплению ограждающих конструкций жилого дома, так как потери тепла будут влиять на требуемую мощность насоса. Если для сравнения использовать тепловой агрегат мощностью от 10 до 20 кВт , то в доме со стандартными потерями тепла (неутепленные стены) он сможет эффективно обогреть площадь до 220 м2, в тщательно утепленном доме пространство увеличится до 420м2. А в полностью изолированном от тепловых потерь современном жилище насосом такой мощности можно успешно отопить площадь до 750 м2.

Цена геотермального оборудования включает в себя монтажные и земляные работы вплоть до буферной емкости отопительной системы дома и стоимость теплового насоса.

В случае стандартного небольшого дома площадью до 130 м2 при использовании грунтового забора тепла, стоимость оборудования составит около 430 000 рублей , а установка обойдется в 300 000 рублей. Применение горизонтального почвенного коллектора снизит затраты на установку до 150 000 рублей, но цена оборудования останется прежней.

Самой дешевой системой отопления для такого дома можно считать систему воздушного забора тепла и передачи ее водному теплоносителю. Цена оборудования существенно ниже и составляет около 350 000 рублей , стоимость монтажа при этом 80 000 рублей.

Если говорить о скважинах глубокого бурения в районах с пониженной точкой промерзания и для отопления дома площадью до 400 м2, то стоимость оборудования может достичь 800 000 рублей , монтажные работы обойдутся в 355 000 рублей.

Применение почвенных, водных и воздушных тепловых насосов очень облегчит жизнь хозяевам дома, которые не будут заострять внимание на заготовке топлива, его транспортировке и хранении. Кроме того, комфорт и отсутствие потребности в постоянном обслуживании сделают систему незаменимой для каждого потребителя.

К концу XIX века появились мощные холодильные установки, которые могли перекачать тепла как минимум вдвое больше, чем тратилось энергии на приведение их в действие. Это был шок, ведь формально выходило, что тепловой вечный двигатель возможен! Однако при внимательном рассмотрении выяснилось, что до вечного двигателя по-прежнему далеко, а низкопотенциальное тепло, добытое с помощью теплового насоса, и высокопотенциальное тепло, получаемое, например, при сжигании топлива, — это две большие разницы. Правда, соответствующая формулировка второго начала была несколько видоизменена. Так что же такое тепловые насосы? В двух словах, тепловой насос — это современный и высокотехнологичный прибор для отопления и кондиционирования воздуха. Тепловой насос собирает тепло с улицы или из земли и направляет в дом.

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы теплового насоса прост: за счёт механической работы либо других видов энергии он обеспечивает концентрацию тепла, ранее равномерно распределённого по некоторому объёму, в одной части этого объёма. В другой части, соответственно, образуется дефицит тепла, то есть холод.

Исторически тепловые насосы впервые начали широко применяться в качестве холодильников — по сути, любой холодильник представляет собой тепловой насос, перекачивающий тепло из холодильной камеры наружу (в комнату или на улицу). Никакой альтернативы этим устройствам до сих пор нет, и при всём многообразии современной холодильной техники базовый принцип остаётся прежним: откачка тепла из холодильной камеры за счёт дополнительной внешней энергии.

Естественно, практически сразу же обратили внимание на то, что заметный нагрев теплообменника конденсатора (у бытового холодильника он обычно выполнен в виде чёрной панели или решётки на задней стенке шкафа) можно было бы использовать и для обогрева. Это уже была идея обогревателя на основе теплового насоса в её современном виде — холодильник наоборот, когда тепло закачивается в замкнутый объём (помещение) из неограниченного внешнего объёма (с улицы). Однако в этой области конкурентов у теплового насоса полно — начиная с традиционных дровяных печей и каминов и заканчивая всевозможными современными отопительными системами. Поэтому многие годы, пока топливо было относительно дешёвым, эта идея рассматривалась как не более чем курьёз, — в большинстве случаев она была абсолютно невыгодна экономически, и лишь крайне редко такое использование было оправдано — обычно для утилизации тепла, откачиваемого мощными холодильными установками в странах с не слишком холодным климатом. И только со стремительным ростом цен на энергоносители, усложнением и удорожанием отопительного оборудования и относительным удешевлением на этом фоне производства тепловых насосов, такая идея становится экономически выгодной сама по себе, — ведь заплатив один раз за довольно сложную и дорогую установку, затем можно будет постоянно экономить на сокращённом расходе топлива. Тепловые насосы являются основой набирающих популярность идей когенерации — одновременной выработки тепла и холода — и тригенерации — выработки сразу тепла, холода и электричества.

Поскольку тепловой насос является сутью любой холодильной установки, то можно сказать, что понятие «холодильная машина» — его псевдоним. Правда, следует иметь в виду, что несмотря на универсальность используемых принципов работы, конструкции холодильных машин всё-таки ориентированы именно на выработку холода, а не тепла — например, вырабатываемый холод концентрируется в одном месте, а получаемое тепло может рассеиваться в нескольких разных частях установки, потому что в обычном холодильнике стоит задача не утилизировать это тепло, а просто избавиться от него.

Классы тепловых насосов

В настоящее время наиболее широко применяются два класса тепловых насосов. К одному классу можно отнести термоэлектрические на эффекте Пельтье, а к другому — испарительные, которые, в свою очередь подразделяются на механические компрессорные (поршневые или турбинные) и абсорбционные (диффузионные). Кроме того, постепенно возрастает интерес к использованию в качестве тепловых насосов вихревых труб, в которых работает эффект Ранка.

Тепловые насосы на эффекте Пельтье

Элемент Пельтье

Эффект Пельтье заключается в том, что при подаче на две стороны специально подготовленной полупроводниковой пластины небольшого постоянного напряжения, одна сторона этой пластины нагревается, а другая — охлаждается. Вот, в общем-то, и готов термоэлектрический тепловой насос!

Физическая суть эффекта состоит в следующем. Пластина элемента Пельтье (он же «термоэлектрический элемент», англ. Thermoelectric Cooler, TEC), состоит из двух слоёв полупроводника с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При переходе электрона под действием внешнего напряжения в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, он должен приобрести энергию. При получении им этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников (при протекании тока в обратном направлении происходит обратный эффект — место контакта слоёв нагревается дополнительно к обычному омическому нагреву).

Достоинства элементов Пельтье

Достоинством элементов Пельтье является максимальная простота их конструкции (что может быть проще пластины, к которой припаяны два проводка?) и полное отсутствие каких-либо движущихся частей, а также внутренних потоков жидкостей или газов. Следствием этого является абсолютная бесшумность работы, компактность, полное безразличие к ориентации в пространстве (при условии обеспечения достаточного теплоотвода) и очень высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам. Да и рабочее напряжение составляет лишь несколько вольт, поэтому для работы вполне достаточно нескольких батареек или автомобильного аккумулятора.

Недостатки элементов Пельтье

Главным недостатком термоэлектрических элементов является их относительно невысокая эффективность — ориентировочно можно считать, что на единицу перекачанного тепла им потребуется вдвое больше подведённой внешней энергии. То есть, подведя 1 Дж электрической энергии, из охлаждаемой области мы сможем удалить лишь 0.5 Дж тепла. Понятно, что все суммарные 1.5 Дж выделятся на «тёплой» стороне элемента Пельтье и их надо будет отвести во внешнюю среду. Это во много раз ниже эффективности компрессионных испарительныхтепловых насосов.

На фоне столь низкого КПД обычно уже не так важны остальные недостатки, — а это небольшая удельная производительность в сочетании с высокой удельной стоимостью.

Использование элементов Пельтье

В соответствии с их особенностями, основная область применения элементов Пельтье в настоящее время обычно ограничивается случаями, когда требуется не очень сильно охладить что-либо не слишком мощное, особенно в условиях сильной тряски и вибраций и при жёстких ограничениях по массе и габаритам, — например, различные узлы и детали электронной аппаратуры, прежде всего военной, авиационной и космической. Пожалуй, самое широкое распространение в быту элементы Пельтье получили в маломощных (5..30 Вт) переносных автомобильных холодильниках.

Испарительные компрессионные тепловые насосы

Схема рабочего цикла испарительного компрессионного теплового насоса

Принцип работы этого класса тепловых насосов заключается в следующем. Газообразный (полностью или частично) хладагент сжимается компрессором до давления, при котором он может превратиться в жидкость. Естественно, при этом он нагревается. Нагретый сжатый хладагент подаётся в радиатор конденсатора, где охлаждается до температуры окружающей среды, отдавая ей излишнее тепло. Это зона нагрева (задняя стенка кухонного холодильника). Если на входе конденсатора значительная часть сжатого горячего хладагента ещё оставалась в виде пара, то при понижении температуры в ходе теплообмена она также конденсируется и переходит в жидкое состояние. Относительно охлаждённый жидкий хладагент подаётся в расширительную камеру, где, проходя через дроссель или детандер, теряет давление, расширяется и испаряется, по крайней мере частично переходя в газообразную форму, и, соответственно, охлаждается, — существенно ниже температуры окружающей среды и даже ниже температуры в зоне охлаждения теплового насоса. Проходя по каналам панели испарителя, холодная смесь жидкого и парообразного теплоносителя отбирает тепло из зоны охлаждения. За счёт этого тепла продолжает испаряться оставшаяся жидкой часть хладагента, поддерживая стабильно низкую температуру испарителя и обеспечивая эффективный отбор тепла. После этого хладагент в виде пара добирается до входа компрессора, который откачивает и вновь сжимает его. Затем всё повторяется сначала.

Таким образом, на «горячем» участке компрессор-конденсатор-дроссель хладагент находится под высоким давлением и преимущественно в жидком состоянии, а на «холодном» участке дроссель-испаритель-компрессор давление низкое, а хладагент в основном находится в парообразном состоянии. И сжатие, и разрежение создаются одним и тем же компрессором. С противоположной от компрессора стороны тракта зоны высокого и низкого давления разделяет дроссель, ограничивающий поток хладагента.

В мощных промышленных холодильниках в качестве хладагента используется ядовитый, но эффективный аммиак, производительные турбокомпрессоры и иногда детандеры. В бытовых холодильниках и кондиционерах хладагентом обычно являются более безопасные фреоны, а вместо турбоагрегатов используются поршневые компрессоры и «капиллярные трубки» (дроссели).

В общем случае изменение агрегатного состояния хладагента необязательно — принцип будет рабочим и для постоянно газообразного хладагента, — однако большая теплота изменения агрегатного состояния многократно повышает эффективность рабочего цикла. Но вот если хладагент будет всё время находиться в жидком виде, эффекта не будет принципиально — ведь жидкость практически несжимаема, а потому ни повышение, ни снятие давления не изменят её температуру..

Дроссели и детандеры

Многократно употребляемые на этой странице термины «дроссель» и «детандер» обычно мало что говорят людям, далёким от холодильной техники. Поэтому следует сказать пару слов об этих устройствах и основном различии между ними.

Дросселем в технике называется устройство, предназначенное для нормирования потока за счёт его принудительного ограничения. В электротехнике это название закрепилось за катушками, призванными ограничить скорость нарастания тока и обычно применяемыми для защиты электросхем от импульсных помех. В гидравлике дросселями, как правило, называют ограничители потока, представляющие собой специально созданные сужения канала с точно рассчитанным (калиброванным) просветом, обеспечивающим нужный поток или необходимое сопротивление потоку. Классическим примером таких дросселей являются жиклёры, широко использовавшиеся в карбюраторных двигателях для обеспечения расчётного поступления бензина при подготовке топливной смеси. Дроссельная заслонка в тех же карбюраторах нормировала поток воздуха — второго необходимого ингредиента этой смеси.

В холодильной технике дроссель используется для ограничения потока хладагента в расширительную камеру и поддержания там условий, необходимых для эффективного испарения и адиабатического расширения. Слишком большой поток может вообще привести к заполнению расширительной камеры хладагентом (компрессор просто не успеет откачать его) или, по крайней мере, к потере там необходимого разрежения. А ведь именно испарение жидкого хладагента и адиабатическое расширение его паров обеспечивает необходимое для работы холодильника падение температуры хладагента ниже температуры окружающей среды.

Принципы работы дросселя (слева), поршневого детандера (в центре) и турбодетандера (слева).

В детандере расширительная камера несколько модернизирована. В ней испаряющийся и расширяющийся хладагент дополнительно совершает механическую работу, перемещая находящийся там поршень или вращая турбину. При этом ограничение потока хладагента может осуществляться за счёт сопротивления поршня или колеса турбины, хотя на деле это обычно требует очень тщательного подбора и согласования всех параметров системы. Поэтому и при использовании детандеров основное нормирование потока может осуществляться дросселем (калиброванным сужением канала подачи жидкого хладагента).

Турбодетандер эффективен лишь при больших потоках рабочего тела, при малом потоке его эффективность близка к обычному дросселированию. Поршневой детандер может эффективно работать с гораздо меньшим расходом рабочего тела, однако конструкция его на порядок сложнее турбины: помимо самого поршня со всеми необходимыми направляющими, уплотнениями и системой возврата, требуются впускные и выпускные клапаны с соответствующим управлением ими.

Преимуществом детандера перед дросселем является более эффективное охлаждение за счёт того, что часть тепловой энергии хладагента превращается в механическую работу и в такой форме отводится из теплового цикла. Более того, эта работа затем может быть использована с пользой для дела, скажем, для привода насосов и компрессоров, как это сделано в «холодильнике Зысина». Зато простой дроссель имеет абсолютно примитивную конструкцию и не содержит ни одной движущейся детали, а потому по надёжности, долговечности, а также простоте и себестоимости изготовления оставляет детандер далеко позади. Именно эти причины обычно ограничивают область применения детандеров мощной криогенной техникой, а в бытовых холодильниках используются менее эффективные, зато практически вечные дроссели, называемые там «капиллярными трубками» и представляющие собой простую медную трубку достаточно большой длины с просветом малого диаметра (обычно от 0.6 до 2 мм), которая обеспечивает необходимое гидравлическое сопротивление для расчётного потока хладагента.

Достоинства компрессионных тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов — их высокая эффективность, самая высокая среди современных тепловых насосов. Соотношение подведённой извне и перекачанной энергии у них может достигать 1:3 — то есть на каждый джоуль подведённой энергии из зоны охлаждения будет откачано 3 Дж тепла — сравните с 0.5 Дж у элементов Пельте! При этом компрессор может стоять отдельно, и выработанное им тепло (1 Дж) необязательно отводить во внешнюю среду в том же месте, где отдаются 3 Дж тепла, откачанные из зоны охлаждения.

Кстати, существует отличающаяся от общепринятой, но весьма любопытная и убедительная теория термодинамических явлений. Так вот, один из её выводов заключается в том, что работа по сжатию газа в принципе может составлять лишь порядка 30% от его общей энергии. А это означает, что соотношение подведённой и перекачанной энергии 1:3 соответствует теоретическому пределу и при термодинамических методах перекачки тепла не может быть улучшено в принципе. Впрочем, некоторые производители уже заявляют о достижении соотношения 1:5 и даже 1:6, и это соответствует действительности — ведь в реальных холодильных циклах используется не просто сжатие газообразного хладагента, но и изменение его агрегатного состояния, и именно последний процесс является главным…

Недостатки компрессионных тепловых насосов

К недостаткам этих тепловых насосов можно отнести, во-первых, само наличие компрессора, неизбежно создающего шум и подверженного износу, а во-вторых, необходимость использования специального хладагента и соблюдение абсолютной герметичности на всём его рабочем пути. Впрочем, бытовые компрессионные холодильники, непрерывно работающие по 20 лет и более без какого-либо ремонта, — совсем не редкость. Ещё одна особенность — довольно высокая чувствительность к положению в пространстве. На боку или вверх ногами вряд ли заработает и холодильник, и кондиционер. Но это связано с особенностями конкретных конструкций, а не с общим принципом работы.

Как правило, компрессионные тепловые насосы и холодильные установки проектируются в расчёте на то, что на входе компрессора весь хладагент находится в парообразном состоянии. Поэтому попадание на вход компрессора большого количества неиспарившегося жидкого хладагента может вызвать в нём гидравлический удар и, как результат, серьёзную поломку агрегата. Причиной такой ситуации может быть как износ аппаратуры, так и слишком низкая температура конденсатора — поступающий в испаритель хладагент слишком холодный и испаряется слишком вяло. Для обычного холодильника такая ситуация может возникнуть, если пытаться его включить в очень холодном помещении (например, при температуре около 0°С и ниже) либо если он только что внесён в нормальное помещение с мороза. Для работающего на обогрев компрессионного теплового насоса это может случится, если пытаться отогреть им промороженное помещение при том, что на улице тоже холодно. Не очень сложные технические решения устраняют эту опасность, но они удорожают конструкцию, а при штатной эксплуатации массовой бытовой техники в них нет нужды — такие ситуации не возникают.

Использование компрессионных тепловых насосов

В силу своей высокой эффективности именно этот тип тепловых насосов получил практически повсеместное распространение, вытеснив все остальные в различные экзотические области применения. И даже относительная сложность конструкции и её чувствительность к повреждениям не могут ограничить их широкое использование — почти на каждой кухне стоит компрессионный холодильник или морозильник, а то и не один!

Испарительные абсорбционные (диффузионные) тепловые насосы

Рабочий цикл испарительных абсорбционных тепловых насосов весьма схож с рабочим циклом испарительных компрессионных установок, рассмотренных чуть выше. Главное различие заключается в том, что если в предыдущем случае разрежение, необходимое для испарения хладагента, создаётся при механическом отсосе паров компрессором, то в абсорбционных агрегатах испарившийся хладагент поступает из испарителя в блок абсорбера, где поглощается (абсорбируется) другим веществом — абсорбентом. Тем самым пар удаляется из объёма испарителя и там восстанавливается разрежение, обеспечивающее испарение новых порций хладагента. Необходимым условием является такое «сродство» хладагента и абсорбента, чтобы силы их связывания при поглощении смогли создать существенное разрежение в объёме испарителя. Исторически первой и до сих широко используемой парой веществ является аммиак NH3 (хладагент) и вода (абсорбент). При поглощении пары аммиака растворяются в воде, проникая (диффундируя) в её толщу. От этого процесса произошли альтернативные названия таких тепловых насосов — диффузионные или абсорбционно-диффузионные.
Для того чтобы вновь разделить хладагент (аммиак) и абсорбент (воду), отработавшую и богатую аммиаком водо-аммиачную смесь нагревают в десорбере внешним источником тепловой энергии вплоть до кипения, затем несколько охлаждают. Первой конденсируется вода, но при высокой температуре сразу после конденсации она способна удержать очень мало аммиака, поэтому основная часть аммиака остаётся в виде пара. Здесь находящиеся под давлением жидкую фракцию (воду) и газообразную (аммиак) разделяют и по отдельности охлаждают до температуры окружающей среды. Остывшая вода с малым содержанием аммиака направляется в абсорбер, а аммиак при охлаждении в конденсаторе становится жидким и поступает в испаритель. Там давление падает, и аммиак испаряется, снова охлаждая испаритель и забирая извне тепло. Затем вновь соединяют пары аммиака с водой, удаляя из испарителя излишки аммиачных паров и поддерживая там низкое давление. Обогащённый аммиаком раствор опять направляется в десорбер на разделение. В принципе, для десорбции аммиака кипятить раствор не обязательно, достаточно просто нагреть его близко к температуре кипения, и «лишний» аммиак улетучится из воды. Но кипячение позволяет провести разделение наиболее быстро и эффективно. Качество такого разделения является главным условием, определяющим разрежение в испарителе, а стало быть, эффективность работы абсорбционного агрегата, и многие ухищрения в конструкции направлены именно на это. В результате, по организации и количеству стадий рабочего цикла абсорбционно-диффузионные тепловые насосы, пожалуй, являются наиболее сложными из всех распространённых типов подобного оборудования.

«Изюминкой» принципа работы является то, что для выработки холода здесь используется нагрев рабочего тела (вплоть до его кипения). При этом вид источника нагрева непринципиален, — это может быть даже открытый огонь (пламя горелки), поэтому использование электричества необязательно. Для создания необходимой разности давлений, обуславливающей движение рабочего тела, иногда могут использоваться механические насосы (обычно в мощных установках при больших объёмах рабочего тела), а иногда, в частности в бытовых холодильниках, — элементы без подвижных частей (термосифоны).

Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат (АДХА) холодильника «Морозко-ЗМ».1 — теплообменник;2 — сборник раствора;3 — аккумулятор водорода;4 — абсорбер;5 — регенеративный газовый теплообменник;6 — дефлегматор («обезжиживатель»); 7 — конденсатор;8 — испаритель; 9 — генератор;10 — термосифон; 11 — регенератор;12 — трубки слабого раствора; 13 — пароотводящая трубка;14 — электронагреватель; 15 — термоизоляция.

Первые абсорбционные холодильные машины (АБХМ) на аммиачно-водяной смеси появились во второй половине XIX века. В быту из-за ядовитости аммиака они тогда большого распространения не получили, но весьма широко использовались в промышленности, обеспечивая охлаждение вплоть до –45°С. В одноступенчатых АБХМ теоретически максимальная холодопроизводительность равна количеству затраченного на нагрев тепла (реально, конечно, заметно меньше). Именно этот факт подкреплял уверенность защитников той самой формулировки второго начала термодинамики, о которой говорилось в начале этой страницы. Однако сейчас и абсорбционные тепловые насосы преодолели это ограничение. В 1950-х годах появились более эффективные двухступенчатые (два конденсатора или два абсорбера) бромистолитиевые АБХМ (хладагент — вода, абсорбент — бромид лития LiBr). Трёхступенчатые варианты АБХМ запатентованы в 1985-1993 годах. Их образцы-прототипы по эффективности превосходят двухступенчатые на 30–50% и приближаются к массовым моделям компрессионных установок.

Достоинства абсорбционных тепловых насосов

Главное достоинство абсорбционных тепловых насосов — это возможность использовать для своей работы не только дорогое электричество, но и любой источник тепла достаточной температуры и мощности — перегретый или отработанный пар, пламя газовых, бензиновых и любых других горелок — вплоть до выхлопных газов и даровой солнечной энергии.

Второе достоинство этих агрегатов, особенно ценное в бытовых применениях, — это возможность создания конструкций, не содержащих движущихся деталей, а потому практически бесшумных (в советских моделях этого типа иногда можно было услышать тихое бульканье или лёгкое шипение, но, конечно, это не идёт ни в какое сравнение с шумом работающего компрессора).

Наконец, в бытовых моделях рабочее тело (обычно это водо-аммиачная смесь с добавлением водорода или гелия) в используемых там объёмах не представляет большой опасности для окружающих даже в случае аварийной разгерметизации рабочей части (это сопровождается весьма неприятной вонью, так что не заметить сильную утечку невозможно, и помещение с аварийным агрегатом придётся покинуть и проветрить «автоматически»; сверхмалые же концентрации аммиака естественны и абсолютно безвредны). В промышленных установках объёмы аммиака велики и концентрация аммиака при утечках может быть смертельной, но в любом случае аммиак числится экологически безопасным, — считается, что в отличии от фреонов он не разрушает озоновый слой и не вызывает парниковый эффект.

Недостатки абсорбционных тепловых насосов

Главный недостаток этого типа тепловых насосов — более низкая эффективность по сравнению с компрессионными.

Второй недостаток — сложность конструкции самого агрегата и довольно высокая коррозионная нагрузка от рабочего тела, либо требующая использования дорогих и труднообрабатываемых коррозионно-стойких материалов, либо сокращающая срок службы агрегата до 5..7 лет. В результате стоимость «железа» получается заметно выше, чем у компрессионных установок той же производительности (прежде всего это касается мощных промышленных агрегатов).

В-третьих, многие конструкции весьма критичны к размещению при установке — в частности, некоторые модели бытовых холодильников требовали установки строго горизонтально, и уже при отклонении на несколько градусов отказывались работать. Использование принудительного перемещения рабочего тела с помощью помп в значительной степени снимает остроту этой проблемы, но подъём бесшумным термосифоном и слив самотёком требуют очень тщательного выравнивания агрегата.

В отличии от компрессионных машин абсорбционные не так боятся слишком низких температур — просто их эффективность снижается. Но я недаром поместил этот абзац в раздел недостатков, потому что это не значит, что они могут работать в лютую стужу — на морозе водный раствор аммиака банально замёрзнет в отличие от используемых в компрессионных машинах фреонов, температура замерзания которых обычно ниже –100°C. Правда, если лёд ничего не порвёт, то после оттаивания абсорбционный агрегат продолжит работу, даже если его всё это время не отключали из сети, — ведь механических насосов и компрессоров в нём нет, а мощность подогрева в бытовых моделях достаточно мала, чтобы кипение в районе нагревателя не стало слишком интенсивным. Впрочем, всё это уже зависит от особенностей конкретной конструкции…

Использование абсорбционных тепловых насосов

Несмотря на несколько меньшую эффективность и относительно более высокую стоимость по сравнению с компрессионными установками, применение абсорбционных тепловых машин абсолютно оправдано там, где нет электричества или где есть большие объёма бросового тепла (отработанный пар, горячие выхлопные или дымовые газы и т.п. — вплоть досолнечного нагрева). В частности, выпускаются специальные модели холодильников, работающие от газовых горелок, предназначенные для путешественников-автомобилистов и яхтсменов.

В настоящее время в Европе газовые котлы иногда заменяют абсорбционными тепловыми насосами с нагревом от газовой горелки или от солярки — они позволяют не только утилизировать теплоту сгорания топлива, но и «подкачивать» дополнительное тепло с улицы или из глубины земли!

Как показывает опыт, в быту вполне конкурентоспособны и варианты с электронагревом, прежде всего в диапазоне малых мощностей — где-то от 20 и до 100 Вт. Меньшие мощности — вотчина термоэлектрических элементов, а при бóльших пока безусловны преимущества компрессионных систем. В частности, среди советских и пост-советских марок холодильников этого типа были популярны «Морозко», «Север», «Кристалл», «Киев» с типичным объёмом холодильной камеры от 30 до 140 литров, хотя существуют и модели на 260 литров («Кристалл-12»). Кстати, оценивая потребление энергии, стоит учитывать тот факт, что компрессионные холодильники почти всегда работают в коротко-периодическом режиме, а абсорбционные обычно включаются на гораздо более длительный срок или вообще работают непрерывно. Поэтому, даже если номинальная мощность нагревателя будет гораздо меньше мощности компрессора, соотношение среднесуточного потребления энергии может быть совсем другим.

Вихревые тепловые насосы

Вихревые тепловые насосы используют для разделения теплого и холодного воздухаэффект Ранка. Суть эффекта заключается в том, что газ, тангенциально подаваемый в трубу на высокой скорости, внутри этой трубы закручивается и разделяется: из центра трубы можно отбирать охлаждённый газ, а с периферии — нагретый. Этот же эффект, хотя и в гораздо меньшей степени, действует и для жидкостей.

Достоинства вихревых тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов — простота конструкции и большая производительность. Вихревая труба не содержит движущихся деталей, и это обеспечивает ей высокую надёжность и долгий срок службы. Вибрация и положение в пространстве практически не оказывают влияния на её работу.

Мощный поток воздуха хорошо предотвращает обмерзание, а эффективность вихревых труб слабо зависит от температуры входного потока. Очень важно и практическое отсутствие принципиальных температурных ограничений, связанных с переохлаждением, перегревом или замерзанием рабочего тела.

В некоторых случаях играет свою роль возможность достижения рекордно высокого температурного разделения на одной ступени: в литературе приводятся цифры охлаждения на 200° и более. Обычно одна ступень охлаждает воздух на 50..80°С.

Недостатки вихревых тепловых насосов

К сожалению, эффективность этих устройств в настоящее время заметно уступает эффективности испарительных компрессионных установок. Кроме того, для эффективной работы они требуют высокой скорости подачи рабочего тела. Максимальная эффективность отмечается при скорости входного потока, равной 40..50% от скорости звука — такой поток сам по себе создаёт немало шума, а кроме того, требует наличия производительного и мощного компрессора — устройства тоже отнюдь не тихого и довольно капризного.

Отсутствие общепризнанной теории этого явления, пригодной для практического инженерного использования, делает конструирование таких агрегатов занятием во многом эмпирическим, где результат сильно зависит от удачи: «угадал — не угадал». Более-менее надёжный результат даёт только воспроизведение уже созданных удачных образцов, а результаты попыток существенного изменения тех или иных параметров не всегда предсказуемы и иногда выглядят парадоксальными.

Использование вихревых тепловых насосов

Тем не менее, в настоящее время использование таких устройств расширяется. Они оправданы в первую очередь там, где уже есть газ под давлением, а также на различных пожаро- и взрывоопасных производствах — ведь подать в опасную зону поток воздуха под давлением зачастую гораздо безопаснее и дешевле, чем тянуть туда защищённую электропроводку и ставить электродвигатели в специальном исполнении.

Пределы эффективности тепловых насосов

Почему же тепловые насосы до сих пор не получили широкого распространения для обогрева (пожалуй, единственный относительно распространённый класс таких устройств — это кондиционеры с инвертором)? Причин этому несколько, и помимо субъективных, связанных с отсутствием традиций обогрева с помощью этой техники, есть и объективные, главные среди которых — обмерзание теплоотборника и относительно узкий диапазон температур для эффективной работы.

В вихревых (прежде всего газовых) установках проблем переохлаждения и обмерзания обычно нет. Они не используют изменение агрегатного состояния рабочего тела, а мощный поток воздуха выполняет функции системы «No Frost». Однако эффективность их намного меньше, чем у испарительных тепловых насосов.

Переохлаждение

В испарительных тепловых насосах высокая эффективность обеспечивается за счёт изменения агрегатного состояния рабочего тела — перехода из жидкости в газ и обратно. Соответственно, этот процесс возможен в относительно узком интервале температур. При слишком высоких температурах рабочее тело всегда останется газообразным, а при слишком низких — будет испаряться с большим трудом или вообще замёрзнет. В результате при выходе температуры за рамки оптимального диапазона наиболее энергоэффективный фазовый переход становится затруднённым или вовсе исключается из рабочего цикла, и КПД компрессионной установки существенно падает, а если хладагент останется постоянно жидким, то она вообще работать не будет.

Обмерзание

Отбор тепла из воздуха

Даже если температуры всех блоков теплового насоса остаются в нужных рамках, во время работы блок для отбора тепла — испаритель — всегда покрывается каплями влаги, конденсирующимися из окружающего воздуха. Но жидкая вода стекает с него сама по себе, не особо препятствуя теплообмену. Когда же температура испарителя становится слишком низкой, капли конденсата замерзают, а вновь конденсирующаяся влага сразу превращается в иней, который так и остаётся на испарителе, постепенно образуя толстую снеговую «шубу» — именно это происходит в морозилке обычного холодильника. В результате эффективность теплообмена существенно снижается, и тогда приходится останавливать работу и оттаивать испаритель. Как правило, в испарителе холодильника температура понижается на 25..50°С, а в кондиционерах в связи с их спецификой температурный перепад поменьше — 10..15°С.Зная это, становится понятно, почему большинство кондиционеров не удастся настроить на температуру ниже +13..+17°С — этот порог установлен их конструкторами во избежание обледенения испарителя, ведь режим его оттаивания обычно не предусматривается. Это же является одной из причин, по которой практически все кондиционеры с инверторным режимом не работают даже при не очень больших отрицательных температурах — лишь в самое последнее время стали появляться модели, рассчитанные на работу при морозах до–25°C. В большинстве случаев уже при –5..–10°C затраты энергии на оттаивание становятся сравнимы с количеством закачанной с улицы теплоты, и перекачка тепла с улицы оказывается неэффективной, особенно если влажность наружного воздуха близка к 100%, — тогда внешний теплоотборник покрывается льдом особенно быстро.

Отбор тепла из грунта и воды

В связи с этим в качестве незамерзающего источника «холодного тепла» для тепловых насосов в последнее время всё шире рассматривается тепло из земных глубин. При этом имеются в виду отнюдь не разогретые слои земной коры, находящиеся на многокилометровой глубине, и даже не геотермальные водные источники (хотя, если повезёт и они окажутся рядом, было бы глупо пренебречь таким подарком судьбы). Имеется в виду «обычное» тепло слоёв грунта, расположенных на глубине от 5 до 50 метров. Как известно, в средней полосе грунт на таких глубинах имеет температуру порядка +5°С, которая очень мало меняется в течении всего года. В более южных районах эта температура может достигать +10°С и выше. Таким образом, перепад температур между комфортной +25°С и грунтом вокруг теплоотборника весьма стабилен и не превышает 20°С независимо от мороза за окном (следует отметить, что обычно температура на выходе теплового насоса составляет +50..+60°С, но и перепад температур в 50°С вполне по силам для тепловых насосов, включая современные бытовые холодильники, спокойно обеспечивающие в морозилке –18°С при температуре в комнате выше +30°С).

Тем не менее, если закопать один компактный, но мощный теплообменник, вряд ли удастся достичь желаемого эффекта. По сути теплоотборник в этом случае выступает в роли испарителя морозильной камеры, и если в месте, где он размещён, нет мощного притока тепла (геотермального источника или подземной реки), он быстро заморозит окружающий грунт, на чём вся откачка тепла и закончится. Решением может быть отбор тепла не из одной точки, а равномерно с большого подземного объёма, однако стоимость строительства теплоотборника, охватывающего на немалой глубине тысячи кубометров грунта, скорее всего сделает это решение абсолютно невыгодным экономически. Менее затратный вариант — бурение нескольких скважин с интервалом в несколько метров друг от друга, как это было сделано в экспериментальном подмосковном «активном доме», но и это недёшево — каждый, кто делал у себя скважину для воды, может самостоятельно прикинуть затраты на создание геотермального поля хотя бы из десятка 30-метровых скважин. Кроме того, постоянный отбор тепла, хоть и менее сильный, чем в случае компактного теплообменника, всё равно снизит температуру грунта вокруг теплоотборников по сравнению с исходной. Это приведёт к уменьшению эффективности работы теплового насоса при его длительной эксплуатации, причём период стабилизации температуры на новом уровне может занять несколько лет, в течение которых условия извлечения тепла будут ухудшаться. Впрочем, можно попытаться частично компенсировать зимние потери тепла его усиленной закачкой на глубину в летнюю жару. Но даже не учитывая дополнительные затраты энергии на эту процедуру, польза от неё будет не слишком большой — теплоёмкость грунтового теплоаккумулятора разумных размеров достаточно ограничена, и на всю русскую зиму её явно не хватит, хотя такой запас тепла всё же лучше, чем ничего. Кроме того, здесь очень большое значение имеет уровень, объём и скорость течения грунтовых вод — обильно увлажнённый грунт с достаточно высокой скоростью течения воды не позволит сделать «запасы на зиму» — протекающая вода унесёт закачанное тепло с собой (даже мизерное перемещение грунтовых вод на 1 метр в сутки всего за неделю снесёт запасённое тепло в сторону на 7 метров, и оно окажется вне рабочей зоны теплообменника). Правда, то же течение грунтовых вод будет снижать степень остывания грунта зимой — новые порции воды принесут новое тепло, полученное ими вдали от теплообменника. Поэтому, если рядом есть глубокое озеро, большой пруд или река, никогда не промерзающие до дна, то лучше не копать грунт, а поместить относительно компактный теплообменник в водоём — в отличие от неподвижного грунта даже в непроточном пруду или озере конвекция свободной воды способна обеспечить гораздо более эффективный подвод тепла к теплоотборнику со значительного объёма водоёма. Но здесь необходимо убедиться, что теплообменник ни при каких условиях не переохладится до точки замерзания воды и не начнёт намораживать лёд, поскольку разница между конвекционным теплообменом в воде и теплопередачей ледяной шубы огромна (в то же время теплопроводность замёрзшего и незамёрзшего грунта часто отличается не так уж сильно, и попытка использовать огромную теплоту кристаллизации воды в грунтовом теплоотборе при определённых условиях может себя оправдать).

Принцип действия геотермального теплового насоса основан на сборе тепла из почвы или воды, и передаче в систему отопления здания. Для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве или водоеме возле здания, к тепловому насосу. Тепловой насос, подобно холодильнику, охлаждает жидкость (отбирает тепло), при этом жидкость охлаждается приблизительно на 5 °С. Жидкость снова течет по трубе в наружном грунте или воде, восстанавливает свою температуру, и снова поступает к тепловому насосу. Отобранное тепловым насосом тепло передается системе отопления и/или на подогрев горячей воды.

Возможно отбирать тепло у подземной воды — подземная вода с температурой около 10 °С подается из скважины к тепловому насосу, который охлаждает воду до +1…+2°С, и возвращает воду под землю. Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия — так называемый «абсолютный ноль».

То есть тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета — земли, водоема, льда, скалы и т.д. Если же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный процесс — тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что тепловой насос может греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы, греть бассейн, охлаждать, например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда…
Одно оборудование может выполнить все функции по тепло-холодоснабжению здания.

Человечество с древнейших времен «привыкло» использовать доступные природные энергоносители, которые попросту сжигаются для получения тепла или для преобразования в иные виды энергии. Научились люди применять и скрытый потенциал водных потоков – начали от водяных мельниц и дошли до мощных гидроэлектростанций. Однако то, что казалось вполне достаточным еще сотню лет назад, сегодня уже никак не может удовлетворить потребности растущего населения Земли.

Во-первых, природные «кладовые » все же не бездонны, и добыча энергоносителей с каждым годом становится все сложнее, перебираясь в труднодоступные регионы или даже на морские шельфы. Во-вторых, сжигание природного сырья всегда сопряжено с выбросами продуктов сгорания в атмосферу, что при нынешних громадных объемах таких выбросов уже поставило планету на грань экологического бедствия. Энергии гидроэлектростанций недостаточно, да и нарушение гидрологического баланса рек также влечет массу негативных последствий. Ядерная энергетика, на которую некогда смотрели, как на «панацею», после целого ряда резонансных техногенных катастроф вызывает массу вопросов, а во многих регионах планеты строительство АЭС просто запрещено законодательно.

Однако, есть и другие, практически неиссякаемые источники энергии, которые стали широко использоваться сравнительно недавно. Современные технологии позволили весьма эффективно применять для получения электричества или тепла энергию ветра, солнечного света, океанских приливов и т.п . Одним из альтернативных источников является и тепловая энергия земных недр, водоемов , атмосферы. Именно на использовании таких источников основана работа тепловых насосов. Подобное оборудования для нас пока еще входит в разряд «экзотических новинок», а в то же время именно таким способом отапливают свое жилье очень многие жители Европы – например, в Швейцарии или странах Скандинавии количество домов с подобными системами перевалило за 50%. Постепенно начинает такой вид получения тепла практиковаться и на российских просторах, хотя цены на приобретения высокотехнологичного комплекта оборудования пока выглядят очень пугающими. Но, как всегда, находятся мастера-энтузиасты, которые проявляют свои творческие способности и собирают тепловые насосы своими руками.

Публикация нацелена на то, чтобы читатель смог поближе рассмотреть принцип действия и базовое устройство тепловых насосов, узнать о тих преимуществах и недостатках. Кроме того, будет рассказано об успешных опытах создания действующих установок своими силами.

Принцип действия теплового насоса

Не все об этом задумывались, но вокруг нас – немало источников тепла, которые «работают» круглогодично и круглосуточно. Для примера – даже в самые сильные холода температура подо льдом замерзшего водоема все равно остается положительной. Та же картина и при углублении в толщу грунта – ниже границы его промерзания температура практически всегда стабильна и примерно равна среднегодовой, характерной для данного региона. Немалый тепловой потенциал несет в себе и воздух.

Возможно, кого-то смутят совсем, казалось бы, невысокие температуры воды, грунта или воздуха. Да, они относятся к низкопотенциальным источникам энергии, но их главный «козырь» — стабильность, а современные технологии, основанные на законах теплофизики, позволяют даже незначительную разницу преобразовывать в необходимый нагрев. Да и, согласитесь, когда на улице зимой стоит мороз в 20 градусов, а ниже уровня промерзания грунт имеет 5 ÷ 7 градусов, то такой амплитудный перепад — уже весьма приличен.

Именно это свойство непрерывности поступления низкопотенциальной энергии заложено в схему теплового насоса. По сути, этот агрегат является устройством, который «перекачивает» и «концертирует» тепло, забираемое из неиссякаемого источника.

Можно провести некую аналогию со всем знакомым холодильником. Продукты, которые в него укладываются для охлаждения и хранения и попадающий в камеру при открытии дверцы воздух – тоже имеют не слишком высокую температуру. Но если прикоснуться к теплообменной решетке конденсатора на задней стенке холодильника, то она или очень теплая , или даже горячая.

Прообраз теплового насоса — знакомый всем холодильник, решетка конденсатора которого при работе нагревается.

Так почему бы не использовать этот принцип для нагрева теплоносителя?Конечно с холодильником аналогия не прямая – там нет стабильного внешнего источника тепла, и по большей мере тратится электроэнергия. Но в случае с тепловым насосом такой источник можно найти (организовать), и тогда это получится «холодильник наоборот » — основная направленность агрегата будет именно на получение тепла.

По какому принципу работает ?

Он представляет собой систему из трех контуров с циркулирующими по ним теплоносителями.

• В самом корпусе теплового насоса (поз . 1) размещены два теплообменника (поз . 4 и 8), компрессор (поз . 7), контур циркуляции хладагента (поз . 5), приборы регулировки и управления.
• Первый контур (поз. 1) с собственным циркуляционным насосом (поз. 2) размещен (погружен ) в источнике низкопотенциального тепла (об их устройстве будет сказано ниже). Получая тепловую энергию от внешнего бесперебойного источника (показано широкой розовой стрелкой), подогреваясь всего на несколько градусов (обычно, при использовании зондов или коллекторов в грунте или в воде – до 4 ÷ 6 ° С ), циркулирующий теплоноситель попадает в теплообменник-испаритель (поз. 4). Здесь происходит первичная передача тепла, полученного извне.
• Хладагент, используемый во внутреннем контуре насоса (поз. 5), имеет крайне низкую температуру кипения. Обычно здесь применяется один из современных, безопасных для окружающей среды фреонов, либо двуокись углерода (по сути – сжиженный углекислый газ). На вход в испаритель (поз. 6) он подходит в жидком состоянии, при пониженном давлении — это обеспечивает регулируемый дроссель (поз. 10). Особая форма входного отверстия капиллярного типа и форма испарителя способствуют практически мгновенному переходу хладагента в газообразное состояние. По законам физики, испарение всегда сопровождается резким охлаждением и поглощением окружающего тепла. Так как этот участок внутреннего контура расположен в одном теплообменнике с первым контуром, то фреон отбирает тепловую энергию от теплоносителя, одновременно охлаждая его (широкая оранжевая стрелка). Охлажденные теплоноситель продолжает циркуляцию, и вновь набирает тепловую энергию из внешнего источника.
• Хладагент уже в газообразном состоянии, перенося переданное ему тепло, попадает в компрессор (поз. 7), где под воздействием сжатия его температура резко поднимается. Далее, он попадает в следующий теплообменник (поз. 8), в котором расположен конденсатор и трубы третьего контура теплового насоса. (поз. 11).
• Здесь происходит полностью противоположный процесс – хладагент конденсируется, переходя в жидкое состояние, при этом отдавая свой нагрев теплоносителю третьего контура. Далее, в жидком состоянии при высоком давлении он проходит через дроссель, где давление снижается, и цикл физических превращений агрегатного состояния хладагента повторяется вновь и вновь.
• Теперь переходит к третьему контуру (поз. 11) теплового насоса. Ему через теплообменник (поз. предается тепловая энергия от разогретого компрессией хладагента (широкая красная стрелка). Этот контур имеет собственные циркуляционный насос (поз. 12), которые обеспечивает движение теплоносителя по трубам отопления. Однако намного разумнее использовать еще и аккумулирующую, тщательно изолированную буферную емкость (поз. 13), в которой будет накапливаться переданное тепло. Накопленный запас тепловой энергии расходуется уже для нужд отопления и горячего водоснабжения, расходуясь постепенно, по мере надобности. Подобная мера позволяет подстраховаться на случай перебоев в электропитании или использовать более дешевый ночной тариф на электроэнергию, необходимую для работы теплового насоса.

Если устанавливается буферный аккумулирующий бак, то к нему уже подводится контур отопления (поз . 14) с собственным циркуляционным насосом (поз . 15), обеспечивающим перемещение теплоносителя по трубам системы (поз . 16). Как уже говорилось, может быть и второй контур, который обеспечивает подачу горячей воды для бытовых нужд.

Тепловой насос не может работать без электропитания – оно требуется для функционирования компрессора (широкая зеленая стрелка), да и циркуляционные насосы во внешних контурах также потребляют электроэнергию. Однако, как уверяют разработчики и производители тепловых насосов, потребление электричества несопоставимо с получаемым «объемом » тепловой энергии. Так, при правильной сборке и оптимальных условиях эксплуатации, часто ведется разговор о 300 и более процентах КПД, то есть при одно затраченном киловатте электричества тепловой насос может дать «на-гора» 4 киловатта тепловой энергии.

На самом деле подобное утверждение о КПД несколько некорректно. Законы физики никто не отменял, и КПД выше 100% — такая же утопия, как и « perpetummobile » — вечный двигатель. Речь в данном случае идет о рациональном использовании электричества в целях «перекачки» и преобразования энергии, поступающей из неиссякаемого внешнего источника. Здесь уместнее использовать понятие СОР (от английского «coefficient of performance» ) что в русском языке чаще называется «коэффициентом преобразования теплоты». В этом случае, действительно, могут получиться значения, превышающие единицу:

CO Р = Q п / А , где:

CO Р – коэффициент пр еобразования теплоты;

Q п – количество тепловой энергии, полученное потребителем;

А – работа, выполненная компрессорной установкой.

Существует еще один нюанс, про который часто просто забывают – определенного расхода энергии для нормального функционирования насоса требует не только компрессор, но и циркуляционные насосы во внешних контурах. Потребляемая мощность у них, конечно, значительно меньше, но, тем не менее , ее тоже можно учесть, а этого часто в маркетинговых целях просто не делается.

Полученное суммарно количество тепловой энергии может расходоваться:

1 – оптимальное решение – это система теплых водяных полов. Как правило, тепловые насосы дают «подъем » температуры до уровня примерно в 50 ÷ 60 ° С – это достаточно для подогрева пола.

2 – горячее водоснабжение дома. Обычно в системах ГВС температура на таком уровне и поддерживается – около 45 ÷ 55 °С .

3 – а вот для обычных радиаторов такого нагрева будет явно недостаточно. Выход – увеличивать количество секций или же использовать специальные низкотемпературные радиаторы. Помогут решить вопрос и отопительные приборы конвекционного типа.

4 – одно из важнейших достоинств тепловых насосов – возможность их переключения на «противоположный» режим работы. В летнее время такой агрегат может выполнять функцию кондиционирования воздуха – отбирая тепло из помещений и перенося его в грунт или водоем .

Источники низкопотенциальной энергии

Какие же источники низкопотенциальной энергии способны использовать тепловые насосы? В этой роли могут выступать горные породы, грунт на различной глубине, вода из естественных водоемов , или подземных водоносных горизонтов, атмосферный воздух или теплые воздушные потоки, отводимые из зданий или от промышленных технологических комплексов.

А. Использование тепловой энергии грунтов

Как уже говорилась, ниже уровня промерзания почвы, характерного для данного региона, температура грунта отличается стабильностью в течение всего года. Это и используется для работы тепловых насосов по схеме «грунт – вода ».

Принципиальная схема отбора энергии «грунт — вода»

Для создания такой системы готовятся специальные поверхностные тепловые поля, на которых снимаются верхние слои грунта на глубину порядка 1,2 ÷ 1, 5 метров . В них укладывают контуры, выполненные из пластиковых или металлопластиковых труб диаметром, как правило, 40 мм. Эффективность съема тепловой энергии зависит от местных климатических условий и от общей протяженности создаваемого контура.

Ориентировочно, для средней полосы России, можно оперировать следующими соотношениями:

• Сухие песчаные грунты – 10 Вт энергии с одного погонного метра трубы.
• Сухие глинистые грунты – 20 Вт/м.
• Влажные глинистые грунты – 25 Вт/м.
• Глинистая порода с высоким расположением грунтовых вод – 35 Вт/м.

При всей кажущейся простоте такого теплообмена, способ отнюдь не всегда является оптимальным решением. Дело в том, что он предполагает очень значительные объемы земляных работ. То, что выглядит простым на схеме – значительно сложнее в практическом исполнении. Посудите сами – для того, чтобы «снять» с подземного контура даже всего 10 кВт т епловой энергии на глинистом грунте потребуется порядка 400 метров трубы. Если еще учитывать обязательное правило, что между витками контура должен быть интервал никак не меньше 1, 2 метров , то для укладки будет необходим участок площадью 4 сотки (20 × 20 метров).

Закладка поля для отбора тепла из грунта — чрезвычайно масштабная и трудоемкая задача

Во-первых, далеко не у всех есть возможность выделить такую территорию. Во-вторых, на этом участке полностью исключаются какие-либо постройки, так как велика вероятность повреждения контура. И в-третьих – отбор тепла из грунта, особенно при некачественно проведенных расчетах , может не пройти бесследно. Не исключен эффект переохлаждения участка, когда летнее тепло не сможет полностью восстановить температурный баланс на глубине залегания контура. Это может негативно сказаться на биологическом балансе в поверхностных слоях почвы, и в итоге некоторые растения просто не будут расти на переохлаждённом участке – такой своеобразный локальный эффект «ледникового периода».

Б. Тепловая энергия из скважин

Даже небольшой размер участка не будет препятствием для организации забота тепловой энергии из пробуренной скважины.

В качестве источника низкопотенциального тепла — глубокая скважина

Температура грунта с увеличение глубины становится только стабильнее, а на глубинах свыше 15 — 20 метров прочно стоит на 10-градусной отметке, увеличиваясь на два ÷ три градуса на каждые 100 м погружения. Причём , эта величина – абсолютно не зависит от времени года или капризов погоды, что делает именно скважину самым стабильным и предсказуемым источником тепла.

В скважины опускается зонд, представляющий собой U-образную петлю из пластиковых (металлопластиковых) труб с циркулирующим по ним теплоносителем. Чаще всего делается несколько скважин глубиной от 40 ÷ 50 и до 150 метров, не ближе 6 м одна от другой, которые связываются или последовательно, или с подключением к общему коллектору. Теплоотдача грунта при таком расположении труб – значительно выше:

• При сухих осадочных породах – 20 Вт/м.
• Каменистые грунтовые слои или насыщенные водой осадочные породы – 50 Вт/м.
• Твердые горные породы, обладающие высокой теплопроводностью – 70 Вт/м.
• Если повезло, и попался подземный водоносный горизонт – порядка 80 Вт/м.

При недостаточности места или при сложностях в глубоком бурении из-за особенностей грунта может выполняться несколько наклонных скважин лучами из одной точки.

Кстати, в том случае, если скважина приходится на водоносный горизонт со стабильным дебетом, то иногда применяют открытый контур первичного теплообмена. При этом вода закачивается насосом с глубины, участвует в теплообмене, а затем, охлажденная , сбрасывается во вторую скважину того же горизонта, на расположенную на определенном расстоянии от первой (это вычисляется при проектировании системы). Одновременно может быть организован и водозабор для бытовых нужд.

Основной недостаток скважинного способа отбора тепла – высокая стоимость бурильных работ, которые провести собственными силами, не располагая соответствующим оборудованием, очень сложно или попросту невозможно. Кроме того, бурение скважин часто требует разрешительных документов от органов природонадзора . Кстати, и использование прямого теплообмена с обратным сбросом воды в скважину тоже может оказаться запрещенным .

Можно ли самостоятельно пробурить скважину?

Безусловно, это чрезвычайно сложная задача, однако есть технологии, позволяющие при определённых условиях выполнить ее самостоятельно.

О том, как можно – в специальной публикации нашего портала.

В. Использование водоемов в качестве источников тепла

Расположенный поблизости от дома водоем достаточной глубины вполне может стать неплохим источником тепловой энергии. Вода даже зимнее время под верхней коркой льда остается в жидком состоянии, и ее температура выше нуля – это и нужно тепловому насосу.

Ориентировочная теплоотдача с контура, погруженного в воду – 30 кВт/м. Значит, чтобы получить отдачу в 10 кВт, потребуется контур порядка 350 м .

Такие контуры-коллекторы монтируются на суше из пластиковых труб. Затем они перемещаются в водоем и погружаются на дно, на глубину не менее 2 метров, для чего привязываются грузы из расчета 5 кг на 1 погонный метр тр убы.

Затем выполняется термоизолированная прокладка труб к дому и подключение их к теплообменнику теплового насоса.

Однако, не следует думать, что любой водоем в полной мере подойдет для подобных целей – опять же, понадобятся весьма сложные теплотехнические расчеты . Например, небольшой и недостаточно глубокий пруд или мелкая тихая речушка мало того, что могут не справиться с задачей бесперебойной подачи низкопотенциальной энергии – их можно попросту переморозить вообще до дна, убив тем самым всех обитателей водоема .

Достоинства водяных источников тепла – нет необходимости в буровых работах, до минимума сводятся и земляные – только выкапывание траншей к дому для укладки труб. А как недостаток можно отметить малую доступность для большинства домовладельцев просто из-за отсутствия водоемов в разумной близости от жилья.

Кстати, в целях теплообмена нередко используют стоки – у них даже в холода достаточно стабилизированная положительная температура.

Г. Забор тепла из воздуха

Тепло для обогрева жилья или для горячего водоснабжения можно брать буквально из воздуха. На таком принципе работают тепловые насосы «воздух – вода» или «воздух – воздух ».

По большому счету – это тот же кондиционер, только переключенный на режим «зима». Эффективность такой системы обогрева очень сильно зависит и от климатических условий региона, и от капризов погоды. Современные установки хотя и рассчитаны для работы даже при очень низких температурах (до – 25, а некоторые – даже до – 40 ° С ), но коэффициент пр еобразования энергии при этом резко падает, рентабельность и целесообразность подобного подхода сразу начинают вызывать кучу вопросов.

Но зато такой тепловой насос вообще не требует никаких трудоемких операций – чаще всего его первичный теплообменный блок устанавливается или на стене (крыше) здания, либо в непосредственной близости от него. Его, кстати, практически нельзя отличить от внешнего блока сплит-системы кондиционирования.

Такие тепловые насосы часто используют в качестве дополнительных источников тепловой энергии для отопления, а в летнее время – в роли теплогенератора для горячего водоснабжения.

Применение подобных тепловых насосов в полне оправдано для рекуперации – использования вторичного тепла, например, на выходах вентиляционных шахт (каналов). Так установка получает достаточно стабильный и высокотемпературный источник энергии – это широко применяется на промышленных предприятиях, где постоянно имеются источники вторичного тепла для его утилизации.

В системах «воздух-воздух» и «воздух – вода» первичного контура теплообмена вообще нет. Вентиляторы создают воздушный поток, который обдувает непосредственно трубки испарителя с циркулирующим по ним хладагентом.

Кстати, существует целая линейка тепловых насосов DХ – типа (от английского «direct exchange» , что означает «прямой обмен»). В них тоже , по сути, отсутствует первичный контур. Теплообмен с источником низкопотенциального тепла (в скважинах или в слое грунта) проходит сразу в медных трубах, заполненных х ладагентом. Это, с одной стороны , дороже и сложнее в исполнении, но зато позволяет существенно уменьшить и глубину скважин (достаточно одной 30-метровой вертикальной или нескольких наклонных до 15 м ), и общую площадь теплообменного горизонтального поля, если оно расположено под верхним слоем грунта. Соответственно, можно говорить и о большем коэффициенте преобразования, и в целом – эффективности теплового насоса. Но вот только и медные теплообменные трубы намного дороже пластиковых и сложнее в монтаже, и стоимость хладагента значительно выше, чем обычного теплоносителя-антифриза.

А как устроен кондиционер, и можно ли его смонтировать самостоятельно?

Уже говорилось, что по базовому принципу действия кондиционер и тепловой насос – практически «близнецы», но в «зеркальном отображении».

Подробнее об устройстве и основных правилах – в специальной публикации портала.

Видео: полезная информация по теории и практике использования тепловых насосов

Общие достоинства и недостатки тепловых насосов

Итак, можно подвести определенную черту в рассмотрении тепловых насосов, акцентировав в нимание на их основных, мнимых и действительных, достоинствах и недостатках.

А. Высокая экономичность и общая рентабельность такого типа отопления.

Об этом уже упоминалось выше – в продуманной и правильно смонтированной системе, при оптимальных условиях эксплуатации, можно рассчитывать на получение 4 кВт т епловой энергии взамен потраченного 1 кВт – электрической.

Все это будет справедливым лишь в том случае, если жилье получило самое высококачественное утепление. Это, безусловно, касается любых систем отопления, просто эти «магические цифры» в 300% в большей мере показывают важность надежной термоизоляции.

По регулярным расходам на потребляемые энергоресурсы тепловые насосы стоят на первом месте в плане экономичности, несколько опережая даже дешевый сетевой газ. При этом следует учесть и то, что отпадает необходимость подвоза и складирования топливных запасов— если речь идет о колах на твердом или жидком топливе.

Б. Тепловой насос может стать высокоэкономичным основным источником отопления и горячего водоснабжения.

Этот вопрос также уже затрагивался. Если в доме в качестве основного источника обогрева в помещениях используются , то тепловой насос соответствующей мощности такую нагрузку должен «потянуть». Для большинства же привычных радиаторов температура в 50 ÷ 55 градусов будет явно недостаточна.

Особо стоит упомянуть насосы, отбирающие тепло из воздуха. Они – крайне чувствительны к текущим погодным условиям. Хотя производители заявляют о возможности работы при — 25 и даже -40 ° С , эффективность резко снижается, и ни о каких 300% уже речи идти не может.

Разумное решение – создавать комбинированную систему отопления (бивалентную ). Пока хватает мощности ТН , он выступает основным источником тепла, при недостаточности мощности при наступлении настоящих холодов – на подмогу приходят электрический нагрев, жидко— или твердотопливный котел , солнечный коллектор и т.п . Газовое оборудование в этом случае не рассматривается – если есть возможность применять для отопления сетевой газ, то потребность в тепловом насосе выглядит весьма сомнительно, по крайней мере, при нынешнем уровне цен на энергоносители.

В. Система отопления с тепловым насосом не требует дымохода. Работает она практически бесшумно.

Действительно, сложностей с обустройством дымохода у хозяев не возникнет. Что же касается тишины работы, то как и у любой другой бытовой техники с теми или иными приводами, шумовой фон все равно присутствует — от работы компрессора, циркуляционных насосов. Другой вопрос, что в современных моделях этот уровень шумности при правильной отладке агрегата – весьма невелик и не причиняет беспокойства жильцам. Кроме того, наверное, мало кому придет в голову устанавливать подобное оборудование в жилых комнатах.

Г. Полная экологичность системы – полностью отсутствуют какие-либо выбросы в атмосферу, нет никакой угрозы жильцам дома.

Все верно , особенно в отношении моделей, в которых в качестве хладагента применяется современный, безвредный для озонового слоя фреон (например, R-410А ).

Можно также сразу отметить пожаро — и взрывобезопасность такой системы – нет легковоспламеняющихся или горючих веществ, исключается скопление их взрывоопасных концентраций.

Д. Современные тепловые насосы являются универсальными климатическими установками, способными работать и на отопление, и на кондиционирование – в летнее время.

Это очень важное преимущество, которое, действительно, дает хозяевам массу дополнительных удобств.

Е. Работа теплового насоса полностью контролируется автоматикой, и не требует вмешательства пользователя. Такая система, в отличие от других, не нуждается в регулярном обслуживании и профилактике.

С первым утверждением можно полностью согласиться, однако, не забыв упомянуть и то, что большинство современных отопительных газовых или электрических установок также полностью автоматизированы, то есть таким достоинством обладают не только тепловые насосы.

А вот по второму вопросу можно вступить в дискуссию. Наверное, ни один из промышленных или бытовых отопительных агрегатов не может обойтись без регулярных проверок и профилактических работ. Даже если справедливо предположить, что во внутренний контур с хладагентом и в автоматику самостоятельно лезть не стоит, то внешние контуры с антифризом или иным теплоносителем определенного участия все же потребуют. Здесь и регулярная чистка (особенно в воздушных системах), и контроль состава и уровня теплоносителя, и ревизия работы циркуляционных насосов, и проверка состояния труб на целостность и наличие подтеканий на фитингах, и многое другое – одним словом, то, без чего не обходится ни одна система отопления. Одним словом, утверждение о полной ненадобности обслуживания выглядит, по меньшей мере , голословно.

Ж. Быстрая окупаемость системы отопления с тепловым насосом.

Этот вопрос – настолько неоднозначный, что на нем следует остановиться особо.

Некоторые компании, занимающиеся реализацией подобного оборудования, обещают своим потенциальным клиентам очень быстрый возврат вложенных в реализацию проекта средств. Они приводят выкладки в таблицах, по которым, действительно, можно создать мнение, что тепловой насос – единственное приемлемое решение, если нет возможности протянуть к дому газовую магистраль.

Вот один из таких образцов:

Виды топлива	Природный газ (метан)	Дрова колотые берёзовые	Эл. энергия по единому тарифу	Дизтопливо	Тепловой насос (ночной тариф)
Ед. поставки топлива	м ³	3 м ³	кВт × ч	литр	кВт × ч
Стоимость топл. с доставкой, руб	5.95	6000	3.61	36.75	0.98
Калорийность топлива	38.2	4050	1	36	1
Ед. измерения калорийности	МДж/м ³	кВт × ч	кВт × ч	МДж/литр	кВт × ч
КПД котла,% или COP	92	65	99	85	450
Стоимость топлива, руб/МДж	0.17	0.41	1.01	1.19	0,06
Стоимость топлива, руб/кВт*ч	0.61	1.48	3.65	4.29	0.22
Стоимость топлива, руб/ГКал	708	1722	4238	4989	253
Стоимость топлива в год, руб	24350	59257	145859	171721	8711
Срок эксплуатации оборудования, лет	10	10	10	10	15
Примерная стоимость оборудования, руб	50000	70000	40000	100000	320000
Стоимость монтажа, руб	70000	30000	30000	30000	80000
Стоимость подключения сетей (техусловия, оборудование и монтаж), руб	120000	0	650	0	0
Первоночальные инвестиции, руб (приблизительно)	240000	100000	70650	130000	400000
Эксплуатационные затраты, руб/год	1000	1000	0	5000	0
Виды эксплуатационных работ	техобслуживание, чистка камеры	чистка камеры, дымоходов	Замена ТЭНов	чистка камеры, форсунок, замена фильтров	нет
Итого расходы за весь период эксплуатации (с затратами на топливо), руб	493502	702572	1529236	1897201	530667
Итого относительная стоимость 1 года эксплуатации (топливо, аммортизация, обслуживание и т.д)	49350	70257	152924	189720	35378

Да, итоговая строка действительно впечатляет, но все ли тут обстоит «гладко»?

Первое, что бросится в глаза внимательному читателю – тариф на электроэнергию для электрического обогрева взят общий, а на тепловой насос, отчего-то, льготный ночной. Видимо, для того, чтобы итоговая разница была более наглядной.

Далее. Стоимость оборудования теплового насоса показана не совсем корректно. Если внимательнее ознакомиться с предложениями в интернете, то цены на установки мощностью около 7 ÷ 10 кВт, которые могут использоваться в целях отопления, начинаются от 300 – 350 тысяч рублей (воздушные тепловые насосы и маломощные установки, используемые лишь для горячего водоснабжения, стоят несколько поменьше ).

Казалось бы, все правильно, но «дьявол кроется в деталях» Это – только лишь стоимость самого аппаратного блока, который без периферийных устройств, контуров, зондов и т.п . – бесполезен. Цена только одного коллектора (без труб) даст еще не менее 12 ÷ 15 тысяч, скважинный зонд ст оит не меньше. А если еще прибавить стоимость труб, фитингов, запорно-арматурных элементов, достаточно большого количества теплоносителя – общая сумма вырастает стремительно.

Трубы, коллекторы, запорная арматура — тоже достаточно «весомая» статья общих расходов

Но и это – еще не все. Уже упоминалось, что система отопления на основе теплового насоса, как, наверное, ни одна другая, нуждается в сложных специализированных расчетах . При проектировании учитывается очень много факторов: общая площадь и объемы самого здания, степень его утепленности и расчет тепловых потерь, обеспеченность достаточным по мощности источником электроснабжения, наличие необходимого участка территории (близлежащего водоема ) для размещения теплообменных горизонтальных контуров или бурения скважин, тип и состояние грунтов, расположение водоносных слоев и много другое. Безусловно, и изыскательские, и проектировочные работы также потребуют и времени, и соответствующей оплаты специалистам.

Установка же оборудования «наобум», без правильного проектирования, чревата резким снижением эффективности работы системы, а порой – даже локальными «экологическими катастрофами» в виде недопустимого переохлаждения грунта, колодцев или скважин, водоемов .

Следующее – монтаж оборудования и создание теплообменных полей или скважин. Уже упоминалось о масштабах земляных работ, глубине бурения. Для заполнения скважин после установки зондов требуется специальный бетонный раствор с высокой степенью теплопроводности. Плюс к этому – коммутация контуров, прокладка магистралей к дому и т.п . – все это еще один немалый «пласт» материальных затрат. Сюда же можно отнести приобретение и монтаж аккумулирующей емкости с необходимой автоматикой управления, переделку системы отопления под теплые полы или установку специальных теплообменных приборов.

Одним словом, затраты очень внушительные, и, наверное, именно это пока держит системы отопления от тепловых насосов в разряде «экзотики», недоступной подавляющему большинству владельцев частных домов.

А как же с высочайшей их популярностью и массовостью применения в других странах? Дело в том, что там работают правительственные программы стимуляции населения к использованию альтернативных источников энергоснабжения. Потребители, которые изъявили желание перейти на подобные виды отопления, имеют право на получение государственных субсидий, во многом покрывающих первоначальные затраты на проектирование и монтаж оборудования. Да и уровень доходов у работающих граждан, если честно, там несколько повыше , нежели в наших краях.

Для европейских городов и поселков это достаточно привычная картина — теплообменник теплового насоса около дома

Резюме – к утверждениям о быстрой окупаемости подобного проекта нужно относиться с определенной долей осторожности. Прежде чем браться за столь масштабный и ответственный комплекс мероприятий, следует т щательно просчитать и взвесить всю «бухгалтерию» до мелочей, оценить степени риска, свои финансовые возможности, планируемую рентабельность и т.п . Возможно, найдутся более рациональны, приемлемые варианты – прокладка газа, установка современных , использование новых разработок в сфере электрического обогрева и т.п .

Не следует воспринимать написанное, как «негатив» в адрес тепловых насосов. Безусловно – это чрезвычайно прогрессивное направление, и у него – огромные перспективы. Речь идет лишь о том, что в подобных вопросах не следует проявлять необдуманного волюнтаризма – решения должны основываться на тщательно продуманных и всесторонне проведенных расчетах .

Цены на модельный ряд тепловых насосов

Тепловые насосы

Можно ли собрать тепловой насос с воими руками?

Общая перспективность использования «дармовых» источников тепловой энергии, в совокупности с сохраняющейся высокой ценой на оборудование, волей-неволей приводят многих домашних умельцев к вопросам самостоятельного создания подобных отопительных установок. Есть ли возможность изготовить тепловой насос с воими силами?

Безусловно, собрать такую тепловую машину, используя некоторые готовые агрегаты и нужные материалы – вполне возможно. В интернете можно найти и видеоматериалы, и статьи с успешными примерами. Правда, точных чертежей отыскать – вряд ли удастся, все обычно ограничивается рекомендациями по возможности изготовления тех или иных деталей и узлов. Впрочем, в этом есть рациональное «зерно»: как уже говорилось, тепловой насос – настолько индивидуальная система, требующая расчетов применительно к конкретным условиям, что слепо копировать чужие наработки будет вряд ли целесообразным.

Тем не менее , тому, кто все же решится на самостоятельное изготовление, следует прислушаться к некоторым технологическим рекомендациям.

Итак, «вынесем за скобки» создание внешних контуров – отопления и первичного теплообмена. Основной задачей в таком случае становится изготовление двух теплообменников, испарителя и конденсатора, связанных контуром из медной трубки с циркулирующим по нему хладагентом. Этот контур, как видно из принципиальной схемы, подключен к компрессору.

Компрессор найти несложно — новый или от разобранной на запчасти техники

Сам компрессор раздобыть не так сложно – его можно приобрести новый – в специализированном магазине. Можно поискать на хозяйственном рынке – часто продают агрегаты от разобранных на запчасти старых холодильников или кондиционеров. Вполне возможно, что компрессор обнаружится и в собственных запасах – многие рачительные хозяева даже при покупке новой бытовой техники такие вещи не выбрасывают.

Теперь – вопрос теплообменников. Здесь есть несколько различных вариантов:

А. Если есть возможности приобрести готовые пластинчатые теплообменники , запаянные в герметичный корпус, то этим решится сразу масса проблем. Такие устройства обладают отменной эффективностью теплопередачи из одного контура в другой – недаром их используют в системах отопления при подключении автономной внутриквартирной разводки к трубам центральной сети.

Удобство еще и в том, что подобные теплообменники — компактные, имеют готовые патрубки, фитинги или резьбовые соединения для подключения к обоим контурам.

Видео: изготовление теплового насоса с использованием готовых теплообменников

Б. Вариант т еплового насоса с теплообменниками из медных трубок и закрытых емкостей .

Оба теплообменника, в принципе, схожи по устройству, но емкости для них могут использоваться разные.

Для конденсатора подойдет цилиндрический бак из нержавейки емкостью около 100 литров. В нем необходимо разместить медный змеевик, выведя его концы сверху и снизу наружу и герметично запаяв места прохода по окончании сборки. Вход должен располагаться снизу, выход, соответственно – в верхней части теплообменника.

Сам змеевик навивают из медной трубки, которую можно приобрести в магазине метражом (толщина стенок – не менее 1 мм). В качестве шаблона можно взять трубу большого диаметра. Витки змеевика следует несколько разнести между собой, прикрепив, например, к алюминиевому перфорированному профилю.

Водяной контур отопления может быть подключен посредством обыкновенных водопроводных патрубков, смонтированных (вваренных, впаянных или на резьбовом соединении с уплотнением) в противоположных краях теплообменного бака. Для циркуляции воды используется само внутренне пространство теплообменника. В итоге должна получиться примерно такая конструкция:

Для испарителя такие сложности не нужны – здесь не бывает высоких температур или избыточного давления, поэтому будет достаточно объёмной пластиковой емкости . Змеевик навивается примерно так же, концы его выводятся наружу. Для циркуляции воды из первичного контура также достаточно обычных сантехнических соединений.

Испаритель также устанавливается на кронштейны рядом с конденсатором, а около них готовится площадка для монтажа компрессора с последующим его подключением к контуру.

Рекомендаций по обвязке компрессора, установке дроссельного регулировочного клапана , по диаметру и длине капиллярной трубки, необходимости регенерационного теплообменника и т.п ., даваться не будет – это должен рассчитывать и монтировать только специалист по холодильным установкам.

Следует помнить, что здесь требуются высокие навыки герметичной пайки медных трубопроводов , умение правильно проводить закачку хладагента – фреона, проводить проверку и осуществлять пробный запуск. Кроме того, работа эта – достаточно опасная, требующая соблюдения весьма специфических правил предосторожности.

В . Тепловой насос с теплообменниками из труб

Другой вариант изготовления теплообменников. Для этого понадобятся металлопластиковые и медные трубы.

Медные трубки подбираются двух диаметров – порядка 8 мм для конденсатора, и порядка 5 ÷ 6 для испарителя. Длина их соответственно 12 и 10 метров.

Металлопластиковые трубы предназначены для циркуляции по ним воды из контуров первичного теплообмена и отопления, и в их полости будут расположены медные трубки внутреннего контура теплового насоса. Соответственно, диаметр тр уб можно взять 20 и 16 мм.

Металлопластиковые трубы растягиваются в длину, так чтобы в них можно было без особых усилий ввести медные, которые должны выступать с каждой стороны примерно на 200 мм.

На каждый из концов трубы одевается и « запаковывается тройник, так, чтобы медная трубка прошла сквозь него прямо. Пространство между ней и телом тройника надежно запечатывается термостойким герметиком. Оставшийся перпендикулярный вывод тройника будет служить для подключения теплообменника к водяному контуру.

Трубы в сборе навиваются спиралями. Обязательно следует сразу предусмотреть их термоизоляцию, одев в поролоновые утеплительные «рубашки». В итоге получаются два готовых теплообменника.

Разместить их можно один над другим в импровизированном корпусе рамного типа. На этом же каркасе предусматривается и площадка для установки компрессора. А чтобы снизить передачу вибрации от него на общую конструкцию, можно компрессор крепить, например, через автомобильные сайлент-блоки .

Чтобы провести обвязку компрессора и заправку получившегося контура фреоном, опять же потребуется пригласить специалиста-холодильщика.

Можно установить такой тепловой насос на предназначенное ему место и подсоединить фитинги тройников на теплообменниках каждый к своему контуру. Останется лишь подвести питание и запустить агрегат.

Все рассмотренные самодельные тепловые насосы – вполне работоспособные конструкции. Однако, не следует полагать, что вот так просто можно полностью решить проблему дешёвого отопления дома. Здесь речь идет , скорее, о создании действующих моделей, которые требуют дальнейшей доработки, модернизации. Даже опытные в этом деле мастера, изготовившие уже не один подобный аппарат, постоянно ищут пути к совершенствованию, создавая новые «версии».

Видео: как мастер совершенствует собственноручно созданный тепловой насос

Кроме того, был рассмотрен только сам тепловой насос, а ему для нормальной работы требуется аппаратура управления, контроля, регулировки, связанная с системой отопления дома. Здесь уже не обойтись без определенных познаний в области электротехники и электроники.

Опять же, можно вернуться к проблемам расчетов – «потянет» ли самодельный тепловой насос систему отопления, так чтобы стать реальной альтернативой другим источникам тепла? Часто в этих вопросах домашним мастерам приходится «пробираться на ощупь». Однако, если базовый принцип усвоен, и первая модель успешно заработала – это уже большая победа. Можно свой пробный образец временно приспособить к обеспечению дома горячей водой для бытовых целей, а самому приниматься за проектирование более совершенного агрегата, с учетом уже наработанного опыта и исправления допущенных ошибок.

Горячее водоснабжение – от энергии солнца!

Очень практичным решением будет использование энергии солнечных лучей для обеспечения дома горячей водой. Этот источник альтернативной энергии – намного проще и дешевле в исполнении, нежели тепловой насос. Как сделать — в специальной публикации нашего портала.