Воздушные тепловые насосы. Варианты применения и эксплуатации

Подробнее о достоинствах и недостатках смотрите видео:

Тепловые насосы своими руками можно сконструировать на основе трех принципов — по источнику энергии, теплоносителю и их комбинации. Источником энергии может быть вода (водоем, река), грунт, воздух. Все виды насосов основаны на одном принципе работы.

Классификация

Выделяют три группы устройств:

  • вода-вода;
  • грунтово-водяные (геотермальные тепловые насосы);
  • используют воду и воздух.

Тепловой коллектор «грунт-вода»

Тепловой насос своими руками — самый распространенный и эффективный способ добычи энергии. На глубине нескольких метров грунт имеет одну постоянную температуру и мало подвержен погодным условиям. На внешнем контуре такого применяется специальная экологически безопасная жидкость, в народе называемая «рассолом».

Вертикальный коллектор энергии требует несколько скважин на 50–150 м. Такое устройство более эффективное, тепло передают специальные глубинные зонды.

На большой глубине температура воды постоянная и стабильная. Источником низкопотенциальной энергии может служить открытый водоем, грунтовые воды (колодец, скважина), сточные воды. Принципиальных различий в конструкции для отопления такого типа с разными теплоносителями нет.

Устройство «вода-вода» наименее трудозатратное: достаточно оснастить трубы с носителем тепла грузом и поместить в воду, если это водоем. Для грунтовых вод потребуется более сложная конструкция и может возникнуть нужда в сооружении колодца под сброс воды, проходящей через обменник тепла.

«Воздух-вода»

Такой насос немного уступает двум первым и в холодное время его мощность снижается. Но он более универсальный: для него не нужно копать землю, создавать скважины. Нужно только установить необходимое оборудование, например, на крыше дома. Для этого не требуется сложных монтажных работ.

Основным преимуществом является возможность повторно использовать тепло, покидающее помещение. Зимой рекомендуют иметь еще один источник тепла, поскольку мощность такого обогревателя может значительно уменьшиться.

Общее представление

Насосы для отопления дома не могут сами воспроизводить тепло, они, являясь посредниками, перемещают его в место проживания, используя возможности внешних энергетических источников. Использование такого способа обогрева эффективно и экономично.

Вокруг нас много источников энергии, «вырабатывающих» ее постоянно и позволяющих потреблять в своих целях. В наше время набирает обороты популярность нетрадиционных отопительных систем: на солнечных батареях, с использованием ветряных мельниц и т.п. Отопление дома тепловым насосом — относительно новый и экономичный способ, вызывающий интерес у владельцев частных домов.

Кпд теплового насоса — соотношение выходящего тепла к потребляемой мощности. Это главная характеристика теплонасосов (ТН). Не стоит поддаваться влиянию некоторых рекламных слоганов, обещающих огромные цифры (в процентах) этого показателя. Тепловые насосы для отопления дома не обладают коэффициентом полезного действия свыше ста процентов, т.к. эта физическая величина в замкнутом пространстве (какова суть системы отопления тепловым насосом) не может превышать 100%.

Отношение отопительной энергии из внешнего источника и от ТН распределено так: 75 и 25 процентов. Насосы для отопления частных домов помогают сэкономить ¾ средств, регулярно «выкладываемых» владельцами на традиционное отопление (газовое, дизельное, эекстро- топливо). Уменьшенный расход денежных вливаний – главное преимущество самодельных устройств.

Читайте также:  Законна ли проверка газового оборудования во время пандемии?

Структура отопительной системы такого действия состоит из двух компонентов: теплоисточник и тепловой насос, способный перемещать его в здание. Проведена аналогия того, как работает тепловой насос с процессом, происходящим при функционировании холодильника, только в «перевернутом» отображении. Поэтому популярен тепловой насос своими руками из холодильника. В холодильной машине энергопоставщик – электричество, а тепловой насос для отопления дома использует наружный источник с более низким энергетическим потенциалом. Полученное тепло передается к устройству с более высокой температурой.

Применение

В промышленности и в быту кавитационные теплогенераторы нашли реализацию в самых различных сферах деятельности. В зависимости от поставленных задач они применяются для:

  • Отопления – внутри установок происходит преобразование механической энергии в тепловую, благодаря чему нагретая жидкость двигается по системе отопления. Следует отметить, что кавитационные теплогенераторы могут отапливать не только промышленные объекты, но и целые поселки.
  • Нагревание проточной воды – кавитационная установка способна быстро нагревать жидкость, за счет чего может легко заменять газовую или электрическую колонку.
  • Смешение жидких веществ – за счет разрежения в слоях с получением мелких полостей такие агрегаты позволяют добиться надлежащего качества перемешивания жидкостей, которые естественным образом не совмещаются из-за разной плотности.

Достоинства тепловых насосов

Безопасность. В системах отопления на базе теплового насоса, в отличие от газового, твердотопливного или дизельного водогрейного котла, не происходит сжигания топлива. А нет горения – нет и опасности возникновения пожара. Не нужно иметь запас горючего, которое может воспламениться по той или иной причине. Потребляемая электрическая мощность оборудования невелика – по сравнению с той, что необходима для работы компрессора, испарителя, циркуляционных насосов и автоматики управления. Поэтому вероятность поражения электрическим током весьма мала. Однако установка устройства защитного отключения в цепи питания теплового насоса – в соответствии с рекомендациями производителей – все равно будет не лишней.

Экологичность. Используя естественные возобновляемые источники тепловой энергии, агрегат не наносит ущерба природе, так как нет выброса продуктов сгорания топлива в атмосферу. В этом его большое преимущество по сравнению, например, с дизельным или твердотопливным котлом.

Экономичность. Большую долю расходов на отопление обычно составляют затраты на покупку горючего – будь то газ, солярка или твердое топливо. При использовании теплового насоса эту статью расходов можно исключить: нуждаясь лишь в малом количестве электроэнергии (чуть большем, чем бытовой холодильник), он является наиболее дешевым в эксплуатации. Но изначальные затраты на установку системы отопления очень велики. Об этом – в следующей статье: «Недостатки тепловых насосов»).

В статье использованы изображения , ,

Схема теплового насоса

Работоспособность большинства тепловых насосов базируется на тепле грунта, в котором на протяжении года температура практически не колеблется (в пределах 7-10 градусов). Тепло перемещается между тремя контурами:

  1. Контур отопления
  2. Тепловой насос
  3. Рассольный (он же земляной) контур

Классический принцип работы тепловых насосов в отопительной системе состоит из следующих элементов:

  1. Теплообменник, отдающий внутреннему контуру тепло, забираемое у земли
  2. Сжимающее устройство
  3. Второе теплообменное устройство, передающее отопительной системе энергию, получаемую во внутреннем контуре
  4. Механизм, понижающий давление в системе (дросселе)
  5. Рассольный контур
  6. Земляной зонд
  7. Отопительный контур
Читайте также:  Автономный газгольдер: плюсы и минусы, выбор объёма

Труба, которая выполняет роль первичного контура, помещается в колодец или закапывается непосредственно в землю. По ней перемещается незамерзающий жидкий теплоноситель, температура которого повышается до аналогичной характеристики земли (около +8 градусов) и поступает во второй контур.

Вторичный контур забирает тепло у жидкости. Циркулирующий внутри фреон начинает закипать и преобразовываться в газ, который направляется в компрессор. Поршень сжимает его до 24-28 атм, благодаря чему происходит увеличение температуры до +70-80 градусов.

На данном рабочем этапе происходит концентрирование энергии в один небольшой сгусток. Благодаря этому увеличивается температура.

Разогретый газ поступает в третий контур, который представлен системами горячего водоснабжения или даже отопления дома. При передаче тепла возможны потери до 10-15 градусов, но они оказываются не существенны.

Когда фреон остывает, происходит уменьшение давления, и он вновь превращается в жидкое состояние. При температуре 2-3 градуса он поступает обратно во второй контур. Цикл повторяется снова и снова.

Схема теплового насоса

Основные характеристики

При выборе оборудования из всего многообразия характеристик обратите внимание на следующие характеристики.

Основные характеристики тепловых насосов
Характеристики Диапазон значений Особенности
Тепловая мощность, кВт До 8 Помещения площадью не более 80 – 100 м², при высоте потолка не более 3 м.
8-25 Для одноуровневых дачных домов с потолком , площадью от 50 м²; коттеджей для ПМЖ, до 260 м².
Свыше 25 Целесообразно рассматривать для 2-3 уровневых жилых домов с потолками ;  промышленных объектов – не более 150 м², при высоте потолка в 3 и более.
Потребляемая мощность  основного оборудования (предельное потребление вспомогательных элементов) кВт/ч От 2 (от 6) Характеризует энергопотребление компрессора и циркуляционных насосов (тэна).
Схема работы Воздух-воздух Трансформированная тепловая энергия воздуха передаётся в помещение потоком прогретого воздуха через сплит-систему.
Воздух — вода Энергия, снятая с пропущенного через прибор воздуха, передаётся теплоносителю жидкостной отопительной системы.
Рассол-вода Передачу тепловой энергии от возобновляемого источника выполняет натриевый или кальциевый раствор.
Вода-вода По магистрали открытого первичного контура грунтовые воды несут тепловую энергию прямо к теплообменнику.
Температура теплоносителя на выходе, °С 55-70 Показатель важен для расчёта потерь на длинном отопительном контуре и при организации дополнительной системы горячего теплоснабжения.
Сетевое напряжение, V 220, 380 Однофазные – потребляемая мощность не более 5.5 кВт, только для стабильной (малонагруженной) бытовой сети; самые дешёвые – только через стабилизатор.  Если есть сеть 380 V, то трёхфазные приборы предпочтительнее – больший диапазон мощностей,  меньше вероятность «просадить» сеть.

Вкратце о видах тепловых насосов

Сегодня известно несколько популярных конструкций геотермальных насосов. Но при любом раскладе их принцип действия можно сравнивать с работой холодильной техники. Именно поэтому независимо от вида насос в летнее время может быть использован в качестве кондиционера. Так вот, тепловые насосы классифицируются по тому, откуда они могут добывать тепло:

  • Из грунта;
  • Из водоема;
  • Из воздуха.
Читайте также:  Варианты системы отопления частного дома

Первый вид наиболее предпочтителен в холодных регионах. Дело в том, что температура воздуха зачастую опускается до -20 и ниже (на примере РФ), а вот глубина промерзания грунта обычно несущественная. Что касается водоемов, то они есть не везде, да и использовать их не слишком целесообразно. В любом случае, лучше выбирать грунтовый тепловой насос для отопления дома. Принцип работы агрегата мы немного рассмотрели, поэтому идем дальше.

Виды и устройство отопительных систем с естественной циркуляцией

Каждый вариант обогрева без насоса состоит из следующих основных элементов:

  • Источник тепла, который может быть представлен в виде котла с различными видами топлива;
  • Расширительный бак, используемый для стабилизации давления в системе;
  • Трубопроводы для циркуляции теплоносителя;
  • Радиаторы, которые обогревают жилое пространство.

В зависимости от типа охлаждающей жидкости, система естественной циркуляции обычно подразделяется на следующие два типа:

  • Подготовка горячей воды;
  • Паровое отопление.

Рассмотрим подробнее все особенности этих двух типов бытовых систем отопления.

Альтернативные варианты тепловых насосов

Получение тепла из атмосферы – не единственный вариант выработки дешевой энергии для отопления помещений. Существуют агрегаты, в основе действия которых лежат те же принципы теплообмена, что и у воздушных насосов. Однако в качестве источника тепла они используют другие среды. Так существуют тепловые насосы, внешний блок которых помещен под воду или в грунт, ниже глубины промерзания. Такие конструкции отличаются большей эффективностью, так как используемые для теплообмена вода и грунт обладают температурой выше ноля градусов по Цельсию. Температура воздуха в свою очередь часто бывает отрицательной. Правда, такие альтернативы существенно дороже и более сложны в монтаже.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что использование воздушных тепловых насосов в качестве отопительных приборов имеет множество преимуществ. Потратившись один раз на покупку и монтаж такого агрегата, впоследствии можно экономить на отоплении существенные средства, получив при этом качественный источник тепла, а в некоторых случаях и горячего водоснабжения.

Оборудование газового воздушного отопления, его функционирование

Достаточно часто в системах воздушного обогрева в качестве теплогенераторов устанавливаются газовые котлы. Топливом в таком случае в основном является магистральный газ (переход на пропан-бутан требует переоборудования горелки). Принцип работы данных агрегатов следующий: сгорая, газ нагревает теплообменник, через который в принудительном порядке прогоняется воздух, в дальнейшем поступающий в помещения.

Чтобы установить газовый котел для воздушного отопления частного дома, необходимо получить разрешение и сделать проекты подключения к общему вводу, разводке по домостроению. Эта документация требует строгого соблюдения определенных норм и технических условий.

Основными отличительными характеристиками газовых нагревательных котлов являются:

  • высокая экономичность, достигаемая повышением уровня КПД до 92%;
  • умеренные габариты;
  • низкий уровень шума;
  • высокая степень защиты, обеспеченная датчиками.
Оборудование газового воздушного отопления, его функционирование

Газовые нагревательные котлы отличаются высокой экономичностью

Преимущество газа в качестве топлива для воздухонагревателя состоит еще и в том, что при сгорании он не выделяет тяжелых вредных продуктов, подобных гари, золе, копоти. Газовые системы воздушного отопления устанавливают как в частных домах, так и в производственных помещениях.