На какие типы подразделяются тепловые насосы?
Ardenergy.ru

Канализация и водоснабжение

На какие типы подразделяются тепловые насосы?

Виды тепловых насосов

Главное отличие всех видов тепловых насосов – это то, каким образом они работают. По данному показателю их можно разделить на такие виды, как:

  • Компрессионные, которые подразделяются по источнику энергии (от электричества или от газа).
  • Сорбционные, среди которых, в свою очередь, выделяют абсорбционные и адсорбционные.

Какие тепловые насосы принято называть компрессионными?

Можно смело заявить, что на сегодняшний день это самый популярный вид тепловых насосов. Это связано с большим количеством факторов, но самый главный из них – это соответствие высочайшему техническому стандарту. Их механизм работы схож с любой холодильной системой – единственное, что они вырабатывают тепловую энергию, а не холод.

Как уже говорилось, данный вид тепловых насосов может подразделяться на следующие типы:

  • Электро-компрессионные тепловые насосы. Отличительная черта подобного рода оборудования кроется в том, что оно способно забирать тепло из той среды, в которой оно работает. В качестве основного рабочего компонента используется вещество, которое находится под большим давлением, и преобразуется в пар из-за того, что температура вне теплового насоса выше его собственной температуры. В это время компрессор, который работает от электроэнергии, забирает потоки пара и конденсирует их, направляя в тепловую систему.
  • Газовые компрессионные тепловые насосы. Этот тип характеризуется тем, что он работает от горения какого-либо вещества. Поэтому он оснащен двигателем внутреннего сгорания, который должен быть звукоизолирован и регулярно обеспечиваться топливом. По мнению специалистов, указанный тип теплового насоса обладает высочайшими показателями эффективности на первом уровне – это связано с тем, что тепловая энергия, которая получается в процессе сжигания топлива, может быть использована и для отопительной системы (то есть пример такого безотходного производства).

Если говорить о преимуществах компрессионных тепловых насосов, то, в первую очередь, следует сказать об их отличном показателе эффективности и о соотношении подведенной и перекаченной энергии, которое может достигать показателя 1:6. Недостатки – это шум, высокая подверженность к износу, а также обязательное соблюдение герметичности на протяжении всего рабочего пути.

Какие тепловые насосы принято называть сорбционными?

Принцип работы подобного рода оборудования – это абсорбция, суть которой заключается в следующем: рабочая жидкость или газ увеличивается в размере за счет иного компонента (например, иного газа). Также данный процесс характерен тем, что жидкость способна удержаться в верхних слоях тела с твердой структурой, но при условии высокого давления или подходящей для начала процесса температуры.

То, как работает сорбция, можно увидеть на примере слабой угольной кислоты, которая, при попадании в минеральную воду абсорбируется, а когда туда поступают потоки воздуха, уменьшающие давление внутри бутылки, то она снова может стать свободной. Подобного рода тепловые насосы принято разделять на два типа: абсорбционные и адсорбционные. Поговорим о каждом из них подробнее.

Особенности абсорбционных тепловых насосов

Чаще всего, указанный тип тепловых насосов в качестве источника энергии использует природный газ. Что касается принципа работы, то в его основу берутся такие же физические характеристики, как и у тепловых насосов с компрессорами, о которых говорилось ранее. Главное отличие абсорбции – это наличие термического, а не механического компрессора. В такой ситуации в качестве рабочего вещества чаще всего используют хладагент, который способен превращаться в пар при не столь высоких показателях температуры и давления и отбирать тепло из окружающей его среды. После этого пары хладагента поступают в абсорбер, где, при помощи растворителя (чаще всего для этого используется обыкновенная вода), он абсорбируется и передает тепловую энергию в систему отопления.

Пары хладагента, находясь под давлением, поступают в конденсатор – там они разжижаются и отдают тепло. Что касается жидкого хладагента, то он включается в процесс термодинамического равновесия – то есть он циркулирует по всей системе на протяжении долгого времени.

Источник тепла не обязательно должен быть образован при сжигании газа – но, как показывает практика, именно это вещество чаще всего и применяют в термических компрессорах. Главное достоинство абсорбционных тепловых насосов кроется в том, что они эффективнее всех используют начальную тепловую энергию. Также к преимуществам данного типа теплового насоса можно отнести то, что он не нуждается в большом количестве движущих веществ – для продуктивной и эффективной работы ему достаточно только лишь насоса, работающего на растворителе.

Особенности адсорбционных тепловых насосов

Главное отличие данного типа тепловых насосов от предыдущих заключается в том, что в качестве основного рабочего компонента здесь используются твердые материалы – чаще всего для этих целей применяют активированный уголь или цеолит.

Рассмотрим принцип работы адсорбционного теплового насоса на примере использования в качестве рабочего вещества цеолита. Это минеральное вещество, которое обладает уникальной способностью – оно может собирать в себя большое количество воды в виде пара, адсорбировать его и выдать теплоэнергию до 300 градусов по Цельсию. Насос работает циклично, но нуждается в вакуумной системе – как показывает практика, оно требует больших капиталовложений, из-за чего реальная эффективность такого рода тепловых насосов снижается.

Одна из важнейших фаз работы подобного технического средства – это десорбция. Она заключается в том, что полученное тепло, например, от сжигания газа, поступает к теплообменнику, который как раз покрывается так называемым рабочим веществом (о них было сказано чуть выше). Жидкая часть, например, цеолита, под воздействием высокой температуры превращается в пар, который уже поступает в следующий теплообменник. Уже здесь происходит высвобождение тепла и передача его в отопительную систему.

Получается, что цеолит, который способен впитывать пары воды, полностью обезвожен – это конец первой фазы, то есть горелка автоматически отключается. Перед началом второй фазы данный материал снова должен напитаться водяным паром, чтобы впоследствии система теплового насоса снова могла выдавать тепло. Сегодня такого рода оборудование чаще всего применяется в промышленных целях – для домов пока еще не придуман эффективный и полностью безопасный механизм работы.

Можно смело заявить, что сегодня тепловые насосы применяются в тех случаях, когда другие варианты организации отопления в доме или промышленном помещении невозможны или обходятся в несколько раз дороже. Рост популярности подобного рода систем связан, в первую очередь, со следующими преимуществами:

  • Экономичность – например, на 2кВт потребляемого электричества он может перенести тепла на 10кВт.
  • Удобство и простота эксплуатации.
  • Повышение уровня пожарной безопасности.
  • Компактность и низкий уровень шума (или бесшумность).

Но практически все виды тепловых насосов имеют существенный недостаток – они могут нагревать воду в системе отопления лишь до 50-60 градусов.

Тепловой насос. Устройство, виды, принцип действия теплового насоса.

Тепловой насос – устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине.

Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель – теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Концепция тепловых насосов была разработана ещё в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином) и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером (Peter Ritter von Rittinger). Петера Риттера фон Риттингера считают изобретателем теплового насоса, ведь именно он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 году. Но практическое применение тепловой насос в 40-х годах ХХ века, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) экспериментировал с морозильной камерой.

Однажды Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе камеры и понял, что теплота просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать эту теплоту, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть теплоты от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника теплоты можно нагревать и воду, и воздух одновременно.

Поэтому Вебер усовершенствовал своё изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять теплоту по дому с целью его отопления.

Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» теплоту из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» теплоту земли. Газ конденсировался, отдавал свою теплоту в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию теплоты. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому. В следующем году Вебер продал свою старую угольную печь.

В 40-х годах ХХ века тепловой насос стал известен из-за своей эффективности, но потребность в нём возникла в 70-х годах ХХ века в связи с появлением в мире интереса к энергосбережению.

Типы тепловых насосов

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные.

Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать теплоту в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).

В зависимости от источника отбора теплоты тепловые насосы подразделяются на:

1) геотермальные (используют теплоту земли, наземных либо подземных грунтовых вод);

2) воздушные (источником отбора теплоты является воздух);

Читать еще:  Как посчитать внутренний объем трубы?

3) использующие производную (вторичную) теплоту (например, теплоту трубопровода центрального отопления). Подобный вариант является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где есть источники паразитной теплоты, которая требует утилизации.

Геотермальный тепловой насос может быть:

– замкнутого типа (горизонтальным, вертикальным или водным);

– с непосредственным теплообменом.

Рис. 1. Геотермальный тепловой насос

Рис. 2. Воздушный тепловой насос

Геотермальные тепловые насосы имеют такое устройство.

а) замкнутого типа:

горизонтальные:

Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,2 м и более). Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.

вертикальные:

Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м. Этот способ применяется в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта.

водные:

Коллектор размещается извилисто либо кольцами в водоёме (озере, пруду, реке) ниже глубины промерзания. Это наиболее дешёвый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объёму воды в водоёме для конкретного региона.

с непосредственным теплообменом (DX – сокращенно от английского «direct exchange» – «прямой обмен»).

В отличие от предыдущих типов, хладагент компрессором теплового насоса подаётся по медным трубкам, расположенным:

– вертикально в скважинах длиной 30 м и диаметром 80 мм;

– под углом в скважинах длиной 15 м и диаметром 80 мм;

– горизонтально в грунте ниже глубины промерзания.

Циркуляция хладагента компрессором теплового насоса и теплообмен фреона напрямую через стенку медной трубы с более высокими показателями теплопроводности обеспечивает высокую эффективность и надёжность геотермальной отопительной системы.

б) открытого типа:

Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно через систему геотермального теплового насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещён законодательством.

Рис. 3. Схема компрессионного теплового насоса: 1 – конденсатор; 2 – дроссель; 3 – испаритель; 4 – компрессор

Промышленные модели тепловых насосов по виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на восемь типов: «грунтвода», «вода-вода», «воздух-вода», «грунт-воздух», «вода-воздух», «воздух-воздух» «фреон-вода», «фреон-воздух». Тепловые насосы могут использовать теплоту выпускаемого из помещения воздуха, при этом подогревать приточный воздух (рекуператоры).

1. Отбор теплоты от воздуха

Эффективность и выбор определённого источника тепловой энергии сильно зависят от климатических условий, особенно, если источником отбора тепла является атмосферный воздух. По сути, этот тип более известен в виде кондиционера. В жарких странах таких устройств десятки миллионов. Для северных стран наиболее актуален обогрев зимой. Системы «воздух-воздух» и «воздух-вода» используются и зимой при температурах до минус 25 градусов, некоторые модели продолжают работать до -40 градусов. Но их эффективность невысока, порядка в 1,5 раза от затрат энергии, а за отопительный сезон в среднем около 2,2 раза по сравнению с электрическими нагревателями. При сильных морозах используется дополнительное отопление. Когда мощности основной системы отопления тепловыми насосами недостаточно, включаются дополнительные источники теплоснабжения. Такую систему называют бивалентной.

2. Отбор теплоты от горной породы

Скальная порода требует бурения скважины на достаточную глубину (100-200 метров) или нескольких таких скважин. В скважину опускается U-образный груз с двумя пластиковыми трубками, составляющими контур. Трубки заполняются антифризом. По экологическим соображениям это 30 % раствор этилового спирта. Скважина заполняется грунтовыми водами естественным путём, и вода проводит теплоту от камня к теплоносителю. При недостаточной длине скважины или попытке получить от грунта сверхрасчётную мощность, эта вода и даже антифриз могут замёрзнуть, что и ограничивает максимальную тепловую мощность таких систем. Именно температура возвращаемого антифриза и служит одним из показателей для схемы автоматики. Ориентировочно на 1 погонный метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой мощности. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной около 170 м. Нецелесообразно бурить глубже 200 метров, дешевле сделать несколько скважин меньшей глубины через 10- 0 метров друг от друга. Даже для сравнительно небольшого дома площадью в 110-120 м2 при небольшом энергопотреблении срок окупаемости 10-15 лет. Почти все имеющиеся на рынке установки работают и летом, при этом теплота (по сути солнечная энергия) отбирается из помещения и рассеивается в породе или грунтовых водах. В скандинавских странах со скальным грунтом гранит выполняет роль массивного радиатора, получающего теплоту летом (днём) и рассеивающего его обратно зимой (ночью). Также теплота постоянно приходит из недр Земли и от грунтовых вод.

3. Отбор теплоты от грунта

Самые эффективные, но и самые дорогие схемы предусматривают отбор теплоты от грунта, температура которого не меняется в течение года уже на глубине нескольких метров, что делает установку практически независимой от погоды. По данным 2006 года, в Швеции полмиллиона установок, в Финляндии 50000, в Норвегии устанавливалось в год 70000. При использовании в качестве источника теплоты энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на 30-50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе.

На практике – на 0,7 – 1,2 метра. Минимальное рекомендуемое производителями расстояние между трубами коллектора – 1,5 метра, минимум –

1,2. Бурение не требуется, но нужны более обширные земельные работы на большой площади и трубопровод более подвержен риску повреждения. Эффективность такая же, как при отборе теплоты из скважины. Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода: в глине – 50-60 Вт, в песке – 30-40 Вт для умеренных широт, на севере значения меньше. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350-450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м2 (20х20 м). При правильном расчёте контур мало влияет на зелёные насаждения.

Преимущества и недостатки тепловых насосов

К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВтч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВтч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с КПД до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Рис. 4. Схема использования теплоты от теплового насоса в доме

Рис. 5. Схемы тепловых насосов

Ещё одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы «холодный потолок».

Тепловой насос надёжен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.

Важной особенностью системы является её сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Тепловой насос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

К 2012 году в Японии работали более 3,5 миллионов установок, в Швеции около 500 тысяч домов обогревается тепловыми насосами.

Недостатки геотермальных тепловых насосов, используемых для отопления, – большую стоимость установленного оборудования, необходимость сложного и дорогого монтажа внешних подземных или подводных теплообменных контуров. Недостаток воздушных тепловых насосов – более низкий коэффициент преобразования теплоты, связанный с низкой температурой кипения хладагента во внешнем «воздушном» испарителе. Общий недостаток тепловых насосов – сравнительно низкая температура нагреваемой воды, в большинстве не более +50 °С ^ +60 °С, причём, чем выше температура нагреваемой воды, тем меньше эффективность и надёжность теплового насоса.

Виды тепловых насосов для отопления дома

Вступление

Западные страны уже давно перешли на тепловые насосы во всех сферах жизни, обогнав тем самым Россию. Туда им и дорога. У них уже долгие годы доступны в продаже насосы, тогда как в России данная технология появилась пару лет назад. Особенности работы заключается в трансформации появившейся энергии при помощи земных вод, земли и воздуха.

Бытовой теплонасос

Вначале стоит разобрать, что же такое теплонасос. Тепловым насосом называется система, которая используется для переноса тепловой энергии от одного источника к другому, при этом температура последнего заметно возрастает. Это является альтернативой всем другим источникам добычи энергии. Тепловые насосы помогают очень дешево получить тепловую энергию, не затронув окружающую среду.

Бытовой теплонасос работает по свойству, что тело, которое обладает температурой, выше или равной абсолютному нулю, несет в себе запасы энергии тепла. Запас можно легко подсчитать, если знать массу и теплоемкость тела.

И, если в этом ракурсе вернуться к морям, океанам, любым водам, которые обладают сумасшедшей массой, то можно понять очевиднейшую вещь, они содержат в себе великие запасы энергии тепла, которые можно начать использовать, не нанося ущерб окружающей среде.

Однако просто так забрать энергию не получиться, вначале нужно понизить ее температуру.

Виды тепловых насосов

Тепловые насосы разделяются на несколько видов. Первый вид (тип) в классификации по способу передачи тепловой энергии:

Компрессионный. Основными установочными элементами являются – компрессора, конденсаторы, расширители и испарители. Данный вид насосов очень качественный и эффективный, что обуславливает то, что он пользуется большой популярностью на рынке.

Читать еще:  Чем можно резать полипропиленовые трубы?

Абсорбционный. Новейшее поколение теплонасосов. Они используют в своей работе абсорбент-хладон. Благодаря этому, качество работы повышается в несколько раз.

Можно выделить виды тепловых насосов по источникам тепла, а именно:

  • Энергия тепла созидается грунтом (на фото);
  • Водой;
  • Потоками воздуха
  • Повторное тепло. Добывают из стоков воды, грязного воздуха или канализационных стоков.

По типам входных—выходных контуров:

  • air-to-air. Насос берёт холодный воздух, опускает его температуру, получает требуемое тепло, которое передает туда, где требуется отопление.
  • water-to-water. Насос берёт тепло грунтовой воды, которое отдает воде для обогрева помещения.
  • water-to-air. Из воды в воздух. Характерно использование зондов и скважины для воды, а отопление происходит через систему воздушного отопления.
  • air-to-water. Из воздуха в воду. Насосы этого типа используют тепло из атмосферы для отопления водой.
  • soil-water. В этом виде, тепло берут из труб с водой, уложенных в землю. Забирается тепло с земли (грунта).
  • ice-water. Интересный вид тепловых насосов. Чтобы нагреть воду для отопления помещения используется прием получения льда, при котором освобождается колоссальная тепловая энергия. Если заморозить до 200 литров воды, то можно получить энергию, способную обогреть средних размеров в течение минут 40-60.

Эффективность тепловых насосов для отопления

Чтобы разобраться в вопросе, эффективен ли тепловой насос, нужно рассчитать, сколько энергии он дает и сколько забирает.

Чтобы быть эффективным, он давать должен больше, чем забирать. Такое соотношение принято называть коэффициент преобразования.

Он меняется, если меняется разность температур входных и выходных контуров. Если снаружи температура будет опускаться, то насос будет становиться менее эффективным. Разные виды тепловых насосов получают разный коэффициент преобразования, который может быть в пределе от одного до пяти. Чтобы точно понять и выставить оценку нужно знать параметры эффективности за год.

Высчитать, эффективен ли конкретный насос очень сложно, ведь есть зависимость от большого количества переменных. А получить такую формулу, чтоб было возможно применять во всех случаях, нереально.

Именно из-за этого любой случай должен быть осмотрен специалистами в этой области, которые смогут решить поставленную задачу и выход из ситуации.

Где применяют

Применение тепловых насосов вызвано желанием сэкономить деньги, так как другие варианты обходятся очень дорого.

Они все больше и больше приобретают известность и популярность, как в домашних условиях, так и в промышленных, и это связано со следующими факторами:

  • ТН экономны. Тратят порядка 0,2-0,3 кВтчас, тогда как приносят порядка 1 кВтчас.
  • Удобны в использовании.
  • Возможно переключение между зимними и летними режимами.
  • Размеры компактны, быстро и легко устанавливается и работает без шума, что дает ему сто очков форы для людей, живущих в собственных домах.

Европейская ассоциация по тепловым насосам предоставила свои данные, по которым видно, что еще несколько лет назад основной источник сбыта был во французских землях. Но за последние годы производство стало расширяться, нужны были новые рынки для сбыта товара, и он начал поставляться в Англию, Испанию и часть Европы. По прогнозам, до 2023 года все развитые страны начнут на постоянной основе использовать насосы. Удачи им.

Недостаток ТН

Единственное отрицательное свойство заключается в том, что они нагревают воду не сильно. Обычно температура достигает порядка 50-60 градусов по Цельсию.

Цена тепловых насосов

Есть мнение, и оно очень спорное, что вариант отопления с тепловым насосом, намного дешевле и выгоднее газового отопления. Для того чтобы заработало газовое отопление необходимо получить кучу документов, дающих на это добро, это без учета установки котла, дымохода и вентиляции. Это всё, на сегодня, влетит в большую копеечку.

Установив тепловой насос, вы избавитесь от данных проблем и существенно потратитесь. К примеру, вы имеете дом в Подмосковье, и, чтобы установить газовое отопление, необходимо потратить около 20 тысяч долларов, и то, это при условии, что вы находитесь в пределах одного км от трубы, так как в ином случаи цена вырастет в разы.

Теперь возьмем для примера тепловой насос. Его полная установка обойдется вам в 15 тысяч долларов, и до 3 недель ожидания пока вам его привезут и установят. Согласитесь, на бумаге выходит значительно дешевле и быстрее.

Однако никто не отменял проблемы с разрешением на глубинное бурение, необходимость больших площадей для геотермального насоса. Проблем для тепловых насосов в России будет масса и о них в следующей статье.

Вывод

В статье я показал, виды тепловых насосов, которые можно использовать для отопления дома. Если внимательно читали всё, что было описано выше, то можете прийти к выводу, что тепловой насос – это эффективный и дешевый способ держать отопление и водоснабжение в доме. Однако моё мнение, что в России у всех должно быть доступное, дешёвое газовое отопление, без «европейских эко заморочек» добывать тепло из говна.

Тепловой насос для отопления дома. Принцип работы насосов

Тепловой насос — это такой агрегат, который передаёт тепловую энергию от низкотемпературного источника к теплоносителю с высокой температурой. По характеру передачи энергии и работы агрегат аналогичен обыкновенному компрессорному холодильнику. Только обратного действия, потому что такой аппарат производит тепло, а не холод. Для этого он использует постоянную плюсовую температуру грунтовых вод и земли для отопления дома.

История изобретения теплового насоса

В 1852 году Уильям Томсон, выдающийся английский инженер-физик, разработал идею-теорию теплового насоса. Петер Риттер фон Риттингер, инженер из Австрии, детализировал разработку англичанина и усовершенствовал. А в 1855 году спроектировал и собрал первый в мире такой агрегат. Но применять на практике их стали почти через сто лет.

В начале сороковых годов двадцатого столетия изобретатель-экспериментатор Роберт Вебер задумал улучшить теплообменный процесс холодильного агрегата. Для этого он поместил конденсатор холодильника в ванну с холодной водой. Вода быстро нагревалась, и требовалось ее постоянно менять.

Принцип работы компрессорного холодильника такой. Горячий хладагент компрессор подаёт в конденсатор. Там при высоком давлении хладагент изменяет своё агрегатное состояние, то есть газ превращается в жидкость и отдаёт своё тепло в окружающую среду. Дальше агент поступает в испаритель, где резко падает давление. Хладагент имеет свойство закипать при низком давлении. В испарителе при вскипании хладагент отбирает тепло из воздуха. Затем пары хладагента всасываются компрессором и сжимаются. Далее компрессор опят подает его в конденсатор. Циркулирующий хладагент отбирает тепло от морозильника через испаритель и отдает его в окружающую среду через конденсатор.

Вебер решил использовать получаемую таким образом горячую воду. Вместо ванны, конденсатор холодильника поместил в закрытую ёмкость. Смонтировал систему водоснабжения и водоотведения. Так он обеспечил свой дом постоянной горячей водой. В дальнейшем, после определённой доработки, приспособил получаемую горячую воду для отопления помещений.

По прошествии некоторого времени, Роберт придумал устройство для получения тепла из земли. Обосновал принцип работы геотермального теплового насоса. Там, в глубине, температура всегда положительная. Он смонтировал в грунте змеевики из медных труб, а конденсатор вывел в дом. Фреон забирал тепло Земли и отдавал его в помещении. При этом он получил большую экономию на угле. Но угольную печь на всякий случай оставил.

Таким вот образом изобретатель доказал на практике эффективность теплового насосного устройства. А реальная необходимость в таком насосе возникла только через тридцать лет, когда в семидесятых годах двадцатого века разразился нефтяной кризис. Эта установка не требует котла с топочным узлом. Её нужно только подключить к источнику электроэнергии. Электричество необходимо только для работы компрессора.

Величина коэффициента преобразования теплонасоса зависит во многом от уровня температур в испарителе и конденсаторе. Уровень температуры производства тепла посредством тепловых насосов варьируется от тридцати пяти градусов до пятидесяти пяти. Такая температура даёт возможность использовать почти любую систему теплоснабжения. Инженеры посчитали, что экономия энергоресурсов может достигать семидесяти процентов.

Принципиальное устройство насоса теплового

Насос имеет всего только три основных компонента:

  • Насос тепловой с компрессором.
  • Теплособирающий контур.
  • Отопительная система с теплообменником.

В этой системе всё зависит от компрессорного насоса, состоящего из шести узлов:

  • Терморегулятор.
  • Капилляр.
  • Конденсатор.
  • Хладагент.
  • Испаритель.
  • И сам компрессор.

Остальные два компонента агрегата это трубы с хладагентом и радиатором.

Типы тепловых насосов

Мировая промышленность выпускает большой ассортимент насосов мощностью от 5 кВт до 1000 кВт. Основной их парк составляют насосные установки парокомпрессионного типа. Ещё есть электрохимические, абсорбционные и термоэлектрические. Отличаются они только принципом работы.

Компрессионные теплонасосы работают от электроэнергии, а абсорбционные насосы могут также в качестве источника энергии использовать тепло (с помощью электрообогрева или топливного обогрева). А компрессионные, в свою очередь, делятся на насосы с линейным компрессором и насосы с инверторным компрессором. В настоящее время все тепловые насосы комплектуются инверторным компрессором, так как, не выключаясь, поддерживает заранее заданную температуру.

В зависимости от того, откуда происходит отбор тепла, насосы тепловые компрессионные подразделяются на такие виды, как:

  • Геотермальные (используется тепло земли, грунтовых или наземных вод).
  • Воздушные (тепло отбирается из атмосферы). Источником является низкопотенциальная тепловая энергия окружающего воздух. Но также источником может служить не только обязательно наружный воздух, но и вытяжной воздух из вентиляционной системы зданий.
  • Насосы, которые применяют вторичное тепло из трубопровода пароводяного отопления. Такой вариант считается наиболее приемлемым для промышленных предприятий, где множество источников паразитного тепла.

Тепловые насосы геотермальные — это системы отопления, и охлаждения, где используется тепло земли. Земля в геотермальных тепловых системах выступает радиатором охлаждения летом и источником тепла зимой. Температура грунта употребляется для снижения расходов на систему обогрева и охлаждения. Насосы тепловые геотермальные используют такое явление, как тепловая инерция: температура грунта на глубине ниже шести метров примерно равняется среднегодовой температуре воздуха и слабо подвержена колебаниям.

Читать еще:  По какому диаметру измеряются стальные трубы?

Геотермальные насосы бывают следующих типов:

  • Замкнутого типа: насосы с непосредственным теплообменом, вертикальные, горизонтальные, водные.
  • Открытого типа. Эта система применяет в качестве хладагента воду. Вода циркулирует по системе геотермального насоса теплового в рамках открытого цикла, то есть вода из системы отопления опять возвращается в землю.

У горизонтальных геотермальных насосов коллектор укладывается кольцами в траншеях, вырытых на глубину ниже промерзания грунта. Такой вид получения тепла считается наиболее эффективным в плане экономии. Применяется для отопления жилых домов, где позволяет площадь земельного участка для устройства контура.

В вертикальных геотермальных насосах коллектор сооружается в вертикальной скважине глубиной до 200 метров. Этот способ применяется, когда мала площадь участка земли. В водных геотермальных насосах коллектор размещается кольцами ниже глубины промерзания в реках, прудах и озерах. Такой метод самый недорогой способ передачи тепла.

В отличие от предыдущих типов, в насосах с непосредственным теплообменом, хладагент подаётся по медным трубам, расположенным:

  • В вертикальных скважинах глубиной 30 метров и диаметром 8 сантиметров.
  • В скважинах, пробуренных под углом глубиной 15 метров и диаметром 8 сантиметров.
  • В траншее горизонтально ниже промерзания земли.

Медные трубки обладают высокой теплопроводностью. Поэтому циркуляция фреона и его теплообмен обеспечивает большую эффективность геотермальной системы отопления помещений. Кроме этого, использование этой технологии позволяет бурить скважины меньшей глубины, что положительно сказывается на цену установки DX Direct Exchange Heatpump.

Типы моделей промышленного изготовления

По тому, какой вид теплоносителя используется в выходном и входном контурах, насосы делятся на восемь типов:

  1. «Вода — грунт»;
  2. «Вода — вода»;
  3. «Вода — воздух»;
  4. «Воздух — грунт»;
  5. «Воздух — вода»;
  6. «Воздух — воздух»;
  7. «Вода — фреон»:
  8. «Воздух — фреон».

Насосы геотермальные тепловые могут использовать тепло выходящего из дома воздуха, при этом ещё и греть поступающий туда воздух — рекуператоры. Рекуператор — это теплообменник, который использует теплоту отходящих тёплых газов. В таком теплообменнике обменный процесс происходит непрерывно.

Воздушный тепловой насос, используемый для отопления дома

Выбор эффективного источника энергии для насоса теплового воздушного находится в сильнейшей зависимости от регионального климата. Это в большей мере относится к агрегатам, использующим наружный воздух. По сути, это есть кондиционер. Системы «воздух — вода» и «воздух — воздух» используются и в зимний период при условии, если температура не опускается ниже минуса двадцати пяти градусов. Если мороз усилился, то надо ставить дополнительный обогреватель дома.

Тепло, получаемое от горных пород

Для отбора тепла от скальной породы требуется бурить глубокие скважины. От ста до двухсот метров. Или же делать несколько скважин покороче. Туда помещают U-образный контур из пластиковых труб. Контур заполняют 30-процентным раствором спирта. Грунтовая вода естественным путём заполняет скважину и служит проводником тепла к теплоносителю от камня. Если глубина скважины мала, то вода может замёрзнуть. Подсчитано, что на один метр скважины ориентировочно приходится 50 — 60 Вт тепловой мощности. Отталкиваясь от этого показателя, рассчитывается требуемая глубина скважины.

Нет смысла бурить скважину глубже двухсот метров. Дешевле обойдется обустроить несколько скважин меньшей глубины отстоящих друг от друга на расстоянии порядка 15 — 20 метров.

Использование тепла грунта

Температура земли на глубине нескольких метров всегда постоянна. Это делает тепловой насос по транспортировке тепла из грунта независимым от погоды и самым эффективным отопителем.

По данным статистики, в 2006 году в Швеции было полмиллиона таких насосов, в Финляндии пятьдесят тысяч, в Норвегии более семидесяти тысяч.

Когда используют для отопления дома тепло грунта, то трубопровод с антифризом закапывают в землю на пятьдесят и более сантиметров ниже точки замерзания земли. Производители насосов рекомендуют укладывать трубы не ближе чем полтора метра друг от друга. При работе по монтажу данных тепловых насосов, не требуется бурение скважин. Но работы производятся на большой площади участка земли. Желательно чтобы участок был с влажной почвой.

Теплоснабжение от природного водоёма

В этом случае контур теплосборника укладывают на дно водоёма. Глубина водоёма должна быть более двух метров. Тогда уложенные на дно спирали труб не замёрзнут. По эффективности такой агрегат равен агрегату, отапливающему дом от грунта.

Насосный аппарат тепловой самодельный

Для обогрева дома с небольшой площадью, такой агрегат можно смонтировать самостоятельно. Из готовых заводских изделий необходимо купить компрессор и конденсатор. Монтируют его аналогично кондиционеру. Для проведения расчётов и пайки трубок нужен специалист. А остальное можно сделать своими силами.

Плюсы и минусы при использовании тепловых насосов для отопления дома

В первую очередь к преимуществам отнести следует его экономичность. В таком доме пожарная безопасность находится на высоком уровне, так как нет источников открытого огня. Вся система работает по замкнутым контурам и не требует больших затрат на эксплуатацию. Только стоимость электричества, нужной для работы аппаратуры.

Также большими достоинствами описываемых устройств является то, что они могут работать в двух режимах. Их можно переключать с режима отопления на режим охлаждения. Системой управляет автоматика, которая не требует специального, каждодневного обслуживания. Поэтому такой метод обогрева незаменим для загородного дома. Аппарат промышленного изготовления компактен, не больше бытового холодильника.

Неоспоримым доказательством достоинств этих агрегатов является то, что практически вся Япония использует тепловые насосы. А у нас в России, в Ялте, некоторые санатории, например, санаторий «Дружба», отапливаются с помощью таких устройств. Теплоисточником служит море, а сама насосная не только отапливает дома, но и даёт горячую воду, подогревает бассейн и охлаждает помещения в жаркий период.

Общий недостаток геотермальных аппаратов это потребность в больших затратах на устройство контуров, дороговизна работ. А воздушный тепловой насос для отопления дома страдает низким коэффициентом эффективности. Надо иметь дома запасной источник тепла.

Дистрибьютор технологий и оборудования для возобновляемой энергетики

Использование альтернативных экологически чистых источников энергии может предотвратить назревающий энергетический кризис в Украине. Наряду с поисками и освоением традиционных источников (газ, нефть), перспективным направлением является использование энергии, накапливаемой в водоемах, грунте, геотермальных источниках, технологических выбросах (воздух, вода, стоки и др.). Однако температура этих источников довольно низкая (0–25°С) и для эффективного их использования необходимо осуществить перенос этой энергии на более высокий температурный уровень (50–100 °С). Реализуется такое преобразование тепловыми насосами (TH), которые, по сути, являются парокомпрессионными холодильными машинами.

Принцип работы теплового насоса подобен бытовому холодильнику. Только в холодильнике тепло переносится из внутренней камеры на заднюю стенку, а в тепловом насосе из окружающей среды в систему отопления.

Выходящая при работе теплового насоса энергия состоит из следующих компонентов: ? тепловой энергии отбирается из источников низкопотенциального тепла, перечисленных выше, добавляется ? электроэнергии, использующейся для работы компрессора.

Чем исключительна данная технология? При подводе 1 кВт эл. энергии на совершение работы компрессора, в результате получаем 4

5 кВт тепловой энергии. Хотим обратить Ваше внимание: «Это не КПД, это коэффициент трансформации, который характеризует эффективность работы холодильной машины. На 1 кВт подведенной Эл. энергии получаем 4

5 кВт, а в некоторой случаях и больше тепловой энергии».

Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует теплоотдатчик (тепловой носитель, собирающий теплоту окружающей среды), во втором — хладагент (вещество, которое испаряется, забирая теплоту теплоотдатчика, и конденсируется, отдавая теплоту теплоприемнику), в третьем — теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания).

Внешний контур (коллектор) это уложенный в землю или в воду трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость — антифриз.

Во второй контур, где циркулирует хладагент встроены теплообменники — испаритель и конденсатор, а также устройства, которые меняют давление хладагента — дроссель и компрессор.

Третий контур – это внутренний контур, то есть сама система отопления здания или система горячего водоснабжения.

Рабочий цикл . Жидкий хладагент продавливается через дроссель, его давление падает, и он поступает в испаритель, где закипает, отбирая теплоту, поставляемую коллектором из окружающей среды. Газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор, ужимается и, нагретый, выталкивается в конденсатор. Конденсатор является теплоотдающим узлом теплонасоса: здесь теплота принимается водой в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и конденсируется, чтобы вновь подвергнуться разряжению в расширительном вентиле и вернуться в испаритель. После этого рабочий цикл начинается заново.

Выгодной особенностью теплового насоса является то, что в летний период, включив систему «в обратном направлении» можно получить кондиционирование. То есть тепло будет отбираться внутренним контуром здания и сбрасывать его в грунт, воду или воздух.

Тепловой насос работает по принципу цикла Карно, впервые описанном еще в 1824 году и нашедший практическое описание в 1852 году лордом Кельвином.

Рассол* циркулирует в коллекторе и поглощает тепловую энергию из земли, воздуха или воды.

Тепловой насос имеет теплообменный элемент, который называется испарителем. Тепловая энергия в нем переходит от рассола к хладагенту** (при испарении вещество поглощает тепло). У этого вещества низкую температуру кипения, что заставляет его вскипеть и превратиться в газ.

Давление хладагента повышается с помощью компрессора, что ведет к увеличению его температуры.

В конденсаторе хладагент перенаправляет тепловую энергию в отопительную систему дома (при конденсации вещество отдает тепло).

Вспомогательный охладительный элемент выжимает остаточную тепловую энергию, и хладагент преобразовывается в жидкую форму.

В расширительном вентиле давление падает.

Хладагент возвращается в испаритель, и процесс начинается заново.

* Рассол – это незамерзающая смесь, например, на основе спирта или гликоля.
** В настоящее время используется только экологически безопасные хладагенты, такие как углекислота или углеводороды. Раньше использовался Фреон.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector