Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Насосна галузь не стоїть на місці, і з'являються нові інженерні рішення, засновані на знайомих усім технологіях. Маркетологи, зацікавлені в отриманні прибутку і збільшення продажів, часто приховують дані про ту чи іншу виробі, просуваючи його як революційний, що не має аналогів. Найяскравіший приклад - теплові насоси. У рекламних матеріалах не описується ні принцип дії таких пристроїв, ні рівень ефективності для опалення будинку. Однак зрозуміти, як все працює, і наскільки може бути корисною та чи інша система, можна з даного матеріалу.

Що таке тепловий насос, сфера його застосування

Технічне визначення теплового насоса - пристрій для перенесення енергії з однієї області в іншу з одночасним підвищенням результативності її роботи. Проілюструвати таку механіку нескладно. Уявімо відро холодної води і склянку гарячої. Для їх нагрівання з певної позначки тепла витрачено однакову кількість енергії. Однак результативність її застосування - різна. Якщо одночасно знизити температуру відра води на 1 градус, отриманої теплової енергії можна довести рідину в склянці практично до кипіння.

Саме за такою механіці працює тепловий насос, за допомогою якого можна зробити обігрів басейну або повністю забезпечити опалення заміського будинку. Установка переносить тепло з однієї області в іншу, в загальному випадку зовні приміщення всередину. Варіантів застосування такої техніки безліч.

  1. При певних показниках потужності теплового насоса обігрів будинку стає недорогим і ефективним.
  2. Легко зробити ГВС з тепловим насосом, використовуючи бойлери вторинного нагріву.
  3. При певних зусиллях і правильному проектуванні є створення повністю автономної опалювальної системи, що живиться від сонячних батарей.
  4. Більшість моделей теплових насосів - прийнятний варіант для теплої підлоги, використовуваного в ролі нагрівального контуру.

Щоб вибрати і придбати відповідну систему потрібно, перш за все, правильно ставити стоїть перед нею завдання. І тільки після висувати вимоги до потужності і оцінювати прийнятність окремих типів теплових котлів для задоволення всіх потреб.

Загальний принцип роботи

Технологічно тепловий насос працює по знайомому всім циклом Карно, серії перетворень станів речовини. Такі слова можуть бути зовсім чужими більшості користувачів. Однак практично кожен з них має вдома мінімум один пристрій, засноване на даному фізичному процесі.

Говорячи простими словами, тепловий насос являє собою холодильник. Будь-яка побутова модель, де городяни звикли зберігати м'ясо і напої - це нагрівач з ККД більше 100%. Працює все наступним чином:

  • холодильник забирає тепло від поміщених в нього продуктів і передає його на решітку радіатора, а, отже - в простір приміщення;
  • одночасно йде нагрівання повітря компресором.

У підсумку, витрачаючи якусь кількість електроенергії, користувач отримує два джерела тепла, один з яких (забране у продуктів енергія) повністю безкоштовний.

Саме такий принцип роботи теплового насоса. Пристрій має зворотну функціональну схему в порівнянні з холодильником - в ньому корисним і таким, що відповідає за кінцеву ефективність вузлом є теплообмінник, решітка радіатора. Працює все наступним чином:

  • контур відбору тепла знаходиться зовні приміщення, в оточенні середовища стабільної температури;
  • під час роботи теплового насоса температура робочого тіла примусово знижується природними фізичними процесами нижче показників навколишнього середовища;
  • відбувається відбір тепла робочим тілом, інтенсивність якого залежить від утвореної різниці температур;
  • робоче тіло надходить в контур перетворення стану і теплообмінник приміщення;
  • відбувається віддача енергії повітрю або іншому середовищі;
  • робоче тіло в початковому стані подається в початок циклу (контур відбору тепла).

Така схема опалення має ряд переваг і недоліків. Однак в оптимальних умовах тепловий насос показує значну економію. Для обігріву будинку буде потрібно на 70-80% менше витрат в порівнянні з класичними системами газових і твердотільних котлів.

Кінцева ефективність теплового насоса залежить від безлічі факторів. Деякі технологічні рішення здатні вирішувати тільки обмежений ряд завдань. Інші припускають складний монтаж теплового насоса.

Сьогодні існує ряд побутових приладів, власники яких і не підозрюють, що в них застосовуються інноваційні, революційні ідеї відбору тепла навколишнього середовища. Причому це може відбуватися навіть при мінусовій температурі повітря за вікном. Це кондиціонери з функцією опалення, яка, власне, і побудована на механіці теплового насоса. Принципи роботи таких пристроїв класу повітря-повітря будуть розглянуті пізніше.

Схема опалення приватного будинку із застосуванням теплового насоса

Оптимальна схема застосування теплонасоса для опалення будинку включає в себе накопичувальний бак. Спрощено це виглядає так:

Тут блоки 1 і 2 - запірна арматура, яка вирішує завдання регулювання надходять потоків тепла. Вони можуть бути ручного перекриття потоку або являти собою автоматизовані термоголовки. Блок 3 - загальний терморегулятор або система датчиків.

Працює опалення за наступним принципом:

  • тепловий насос відбирає тепло навколишнього середовища і нагріває воду;
  • рідина надходить або в теплообмінник вторинного нагріву накопичувальної ємності, або циркулює в єдиному контурі;
  • система опалення будується за класичним принципом, приплив води в ній забезпечується циркулярним насосом.

Наведена на малюнку схема - мінімальне оснащення будинку. Вона може бути легко доповнена. Зокрема, ніхто не заважає встановити дві ємності і використовувати принцип вторинного нагріву рідини. Одна з них - бойлер з тепловим насосом (встановлений безпосередньо на виході останнього) - використовується для гарячого водопостачання. А більш об'ємний бак переймається тим подачі теплоносія в систему опалення.

Відмінно працює варіант опалення будинку з теплонасосом, накопичувальної ємністю і системою тепла підлога. В цьому випадку не потрібно нагрівати рідина до високої температури. Оптимальний показник для теплої підлоги - від 30 до 40 градусів. Схема опалення аналогічна вже наведеної, тільки замість радіаторів вода надходить на колекторний вузол з власної регулюванням потоку.

Класифікація теплових насосів за влучним висловом середовищ

Класифікація теплонасосів досить об'ємна. Пристрої діляться за родом робочого тіла, принципом зміни його фізичного стану, використання пристроїв перетворення, характеру необхідного для роботи енергоносія. Якщо врахувати, що на ринку представлені моделі з різноманітними комбінаціями класифікаційних критеріїв, стає зрозуміло, що досить важко перерахувати всі. Однак можна розглянути основні принципи групового поділу.

Від параметрів джерела тепла і середовища-одержувача залежить монтаж, конструкція, а також кінцеві характеристики теплового насоса. Сьогодні пропонується кілька типів інженерних рішень.

Повітря-повітря

Теплонасоси повітря-повітря - найпоширеніші пристрої. Вони компактні і досить прості. На механіці такого типу працюють побутові кондиціонери з режимом опалення. Принцип дії простий:

  • вуличний теплообмінник охолоджується нижче температури повітря і відбирає тепло;
  • після стиснення надходить фреону в радіатор його температура сильно зростає;
  • вентилятор всередині кімнати, обдуваючи теплообмінник, обігріває приміщення.

Відбір енергії навколишнього середовища не обов'язково проводиться зовнішнім теплообмінником. Для цієї мети повітря може нагнітатися в розташований в кімнаті блок. Саме так працюють деякі канальні системи.

Якщо в кондиціонері відбувається стиснення і розширення фреону, то в вихрових теплонасосах використовується простий повітря. Механіка роботи аналогічна: до надходження у внутрішній теплообмінник газ стискається, а віддавши енергію - задувається інтенсивним потоком в камеру відбору тепла.

Вихровий теплонасос - велика, масивна установка, яка працює ефективно тільки за умови високої температури навколишнього середовища. Тому такі системи встановлюються в промислових цехах, вони використовують як джерело тепла вихлопні гази печей або гаряче повітря основної системи кондиціонування.

Вода-вода

Теплонасос типу вода-вода працює за тим же принципом, що і інші установки. Відрізняються тільки середовища передачі енергії. Устаткування оснащується зануреними зондами, щоб навіть в умовах жорсткої зими дістатися до горизонту грунтових вод з позитивною температурою.

Залежно від потреб опалення, теплонасосні системи вода-вода можуть бути абсолютно різного розміру. Наприклад, починаючи від кількох свердловин, пробурених навколо приватного будинку, закінчуючи розташованими безпосередньо в водоносному шарі теплообмінниками великої площі, які закладаються на етапі будівництва будинку.

Теплонасоси вода-вода відрізняються більшою продуктивністю і ефективною потужністю віддачі. Причина - в підвищеній теплоємності рідини. Шар води, в якому розташований зонд або теплообмінник, швидко віддає енергію, а завдяки величезному обсягу тільки незначною мірою зменшує свої характеристики, сприяючи стабільній роботі системи. Також обладнання вода-вода відрізняється підвищеним ККД.

Порада! У певних умовах схема вода-вода може обійтися без проміжних вузлів у вигляді накопичувальних баків опалювальної мережі. Правильно оцінюючи існуючі кліматичні умови і вибираючи потужність установки, в будинку встановлюється водонагрівач з тепловим насосом і організовується ефективна система тепла підлога.

Вода-повітря, повітря-вода

Комбіновані системи потрібно вибирати особливо уважно. При цьому ретельно оцінюються існуючі кліматичні умови. Наприклад, цикл теплового насоса класу вода-повітря має хорошу ефективність для опалення в регіонах з сильними морозами. Система ж повітря-вода в зв'язці з теплою підлогою і накопичувальним бойлером вторинного нагріву здатна показати максимальні результати економії на територіях, де температура повітря рідко падає нижче -5 … -10 градусів.

Розплав (розсіл)-вода

Теплонасос даного класу - своєрідний універсал. Він може застосовуватися буквально скрізь. Показники його корисної теплової потужності постійні й стабільні. Принцип роботи розсільна-водного пристрою заснований на відборі тепла, перш за все, з грунту, що має нормальні показники вологості або заболоченій.

Система відрізняється простим монтажем: для розміщення зовнішніх теплообмінників досить зарити їх на певну глибину. Також можна вибрати один з варіантів обладнання з газоподібним або рідким робочим тілом.

Розрахунок теплового насоса класу розсіл-вода робиться за рівнем потреби в енергії для опалення. Методик її кількісного визначення предостатньо. Можна зробити максимально чіткий розрахунок, беручи до уваги матеріал стін будинку, конструкції вікон, характер грунту, середньозважену температуру повітря і багато іншого.

Виробники розсільна-водних систем пропонують різні варіанти моделей, що відрізняються потужністю споживання вузла перетворення, конструкцією і габаритами зовнішніх теплообмінників, параметрами вихідного контуру. Вибрати оптимальний тепловий насос по заздалегідь сформованому списку вимог нескладно.

Розподіл за типом робочого тіла

Сучасні теплові насоси можуть використовувати газоподібне тіло або хімічний рідкий розчин аміаку в ролі транспортера тепла. Придатність тієї чи іншої схеми оцінюється за кількома факторами, особливостями систем.

  1. Установки, які використовують фреон, мають цикл теплового насоса, заснований на процесах стиснення і розширення газу. Вони так чи інакше побудовані на компресорній схемою. Устаткування має привабливими показниками продуктивності, однак має і недоліки. Хоча середньозважене споживання системи в момент робочого циклу стабільно, проводка сильно навантажується. Крім цього, теплонасоси з газоподібним транспортером тепла не будуть корисні в регіонах, де немає централізованих мереж електрики або джерела живлення достатньої здатності навантаження.
  2. Установки випарного типу, що використовують аміачний розчин, мають робочий цикл, заснований на процесі випаровування речовини при низьких температурах кипіння. Скраплення після проходу зовнішнього теплообмінника відбувається під дією джерела енергії. Це - теплова пальник. Для неї може застосовуватися практично будь-яке паливо: тверде, бензин, дизель, газ, гас, в окремих випадках - метиловий спирт. Тому випарні теплонасоси привабливі в місцях, де немає електрики. Крім цього, до вибору саме такого обладнання може підштовхнути дешевизна палива певного виду в регіоні.

Характер використовуваного в системі робочого тіла може багато сказати про продуктивність установки і віддачі потужності. Так, фреон компресорні теплонасоси здатні на різкий ривок, швидко прогріваючи приміщення. Аміачні випарні моделі на такі подвиги не здатні. Їх кращий режим використання - стабільна, постійна робота з номінальною тепловіддачею.

Переваги теплових насосів і доцільність їх установки

Як заявлено в рекламі, головна перевага теплових насосів - економічність опалення. В якійсь мірі все працює саме так. Якщо теплонасос має середу відбору енергії, що забезпечує оптимальні показники температури, установка працює ефективно, витрати на опалення знижуються приблизно на 70-80%. Однак завжди є випадки, коли теплонасос може бути нераціональним вкладенням коштів.

Ефективність роботи теплового насоса обумовлюється наступними технологічними характеристиками:

  • параметр граничної межі зниження температури робочим тілом;
  • мінімальна різниця в температурах зовнішнього обмінника і навколишнього середовища, при якій відбір тепла вкрай малий;
  • рівень споживання енергії та віддачі корисної теплової потужності.

Доцільність застосування теплонасоса залежить від декількох факторів.

  1. Території, де таке устаткування не показує хороших результатів - регіони з морозними зимами і низькими середньодобовими температурами. В цьому випадку, теплонасос просто не здатний відібрати досить тепла з навколишнього середовища, впритул наближаючись до зони нульової ефективності. В першу чергу, це стосується систем повітря-повітря.
  2. При зростанні обсягів опалювального простору технологічні параметри теплонасоса збільшуються майже в геометричній прогресії. Стають габаритніший теплообмінники, розмір і кількість зондів занурення в воду або землю збільшуються. В певній точці вартість теплонасоса для опалення, необхідні витрати на його монтаж і обслуговування, а також оплату спожитої потужності стають просто нераціональними вкладеннями. Набагато дешевше створити класичну газову схему опалення з котлом.
  3. Чим складніше система, тим дорожче і проблематичніше її ремонт в разі поломки. Це негативний доповнення до розміру опалювальної площі і характеристикам кліматичної зони.
Порада! В цілому, використання теплового насоса в якості єдиного джерела тепла для будинку може розглядатися тільки в обмеженому числі ситуацій. Завжди розумно застосовувати систему комплексного забезпечення. Тут кількість можливих комбінацій обмежена тільки доступними джерелами енергії і фінансовими можливостями власника.

Класика - це тепловий насос і газовий / твердопаливний котел, що працюють в зв'язці. Ідея проста: продукти згоряння палива виводяться по широкій трубі. У ній розташовується обмінник теплонасоса. В системі опалення і гарячого водопостачання встановлюються накопичувальні ємності і бойлер непрямого нагріву. Устаткування (котел і насос) активується одночасно при падінні температури рідини в розподільній мережі. Працюючи в парі, вони практично повністю утилізують енергію палива, що згорає, показуючи близькі до максимуму показники ефективності.

Система з адаптацією до характеристик навколишнього середовища побудована на термонасосе, вентиляторному блоці, теплової гармати будь-якого класу. При досить високій температурі повітря на вулиці (до -5 … -10 градусів Цельсія) теплонасос працює в штатному режимі, забезпечуючи достатню віддачу потужності для опалення. Особливість конструкції системи - розташування його зовнішнього теплообмінника в окремому вентиляційному каналі. При падінні температури на вулиці нижче оптимальної позначки подається повітря нагрівається тепловою гарматою (дизельної, електричної або газової).

Особливо варто відзначити: більшість схем, які передбачають адаптацію до температури повітря або стабілізуючі параметри експлуатації теплового насосу, застосовуються до пристроїв класу повітря-повітря і повітря-вода. Інші системи, через ізольованих в землі або воді зовнішніх теплообмінників не дозволяють створення подібних «тепличних» умов роботи.

Основні характеристики і розрахунок потужності теплового насоса

Загальна раціональність установки теплового насосу для опалення будинку оцінюються, перш за все, по фінансових витрат. Сюди входять:

  • ціна покупки устаткування;
  • вартість монтажу, яка може включати земельні роботи;
  • витрати на періодичне обслуговування;
  • приблизна вартість ліквідації частих неполадок.

Вибір моделі по потужності, як було сказано вище, базується на загальній потребі в теплозабезпечення. Приблизний розрахунок для одноповерхового будинку 10х10 метрів (300 кубометрів обсягу) виглядає приблизно так:

  • враховується максимальна негативна зимова температура (-20);
  • визначається різниця між кімнатою і довкіллям (20 - -20 = 40);
  • вираховуються тепловтрати стін, за довідковими даними їх матеріалу (для цегли табличне значення 1, тепловтрати - 1х300х40 - 12000 кілокалорій на годину або 13, 5 кВт).

Отримана цифра - показник мінімальної потужності теплового насоса, якого вистачить для опалення будинку. Для вибору оптимальної моделі характеристику потрібно збільшити мінімум на 50%. Це робиться через те, що теплонасосу взимку доведеться працювати в неоптимальних умовах, близько до нижньої точки нульової ефективності по температурі навколишнього середовища. Отримана цифра для розглянутого прикладу - близько 20 кВт.

Друга частина розрахунку - вибір ємності накопичувального бака. Дану частину системи рекомендується встановлювати, щоб теплонасос міг працювати обмежена кількість циклів на добу. У документації до обладнання наводяться рекомендації за обсягом теплоаккумулятора для певного показника циклічності. Середньостатистична цифра - 30 літрів на кіловат при 3 запусках, 20 літрів - при 5 запусках. Таким чином, для будинку в розглянутому прикладі знадобиться бак накопичувача мінімум в 400 літрів для п'яти циклів роботи теплонасоса на добу.

висновок

Якщо в результаті аналізу клімату, доступних джерел енергії, характеру грунтів прийнято рішення купити теплонасос для опалення - рекомендується довірити проектування системи професіоналам. Оптимальний вибір моделі грунтується не тільки на особливостях обладнання і механіці його роботи. Фахівці врахують тепловіддачу грунтів, виберуть комбіновану схему з гарною ефективністю, розрахують кращий варіант проведення земельних робіт. Тому розроблена професіоналами система опалення з тепловим насосом не змусить зіткнутися з несподіванками і пошкодувати про свій вибір.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія: