Коэффициент эффективности тепловых насосов
Чуть выше мы использовали новый термин – «коэффициент эффективности». Было бы неправильно не пояснить, что это такое, тем более что это важная характеристика тепловых насосов, позволяющая сравнивать насосы разных типов между собой.
Коэффициент эффективности (называемый также коэффициентом трансформации) – это отношение выработанной насосом тепловой энергии к потребленной им электрической. По сути это КПД теплового насоса. В случае водяных теплонасосов этот коэффициент равен 5 вне зависимости от времени года. Это означает, что при потреблении 1 кВт*ч электроэнергии установка вырабатывает 5 кВт*ч тепловой энергии.
У грунтовых насосов величина коэффициента эффективности чуть ниже – от 4 до 4.5. И, наконец, самым маленьким коэффициентом характеризуются воздушные тепловые насосы, при этом их эффективность сильно зависит от температуры окружающего воздуха: при 0°C величина коэффициента равна ~3.5, а при –20°C он уже не превышает 1.5 (при такой низкой эффективности насос попросту не окупится, и имеет смысл подумать о приобретении более дешевого климатического оборудования, например электрического котла).
Некоторые менеджеры, рекламируя реализуемые ими тепловые насосы, уверяют потенциальных клиентов в том, что данное оборудование имеет КПД 400-500%. Разумеется, ни о каком нарушении законов термодинамики речи не идет. Просто в данном случае расчеты намеренно делаются неправильно: не учитываются источники энергии, отличные от потребляемого электричества, – воздух, вода или грунт, нагретые Солнцем и геотермальными процессами. Когда при расчете КПД учитывают только электроэнергию и забывают про источник низкопотенциального тепла, как раз и получается величина больше 100%.
Схема отопления частного дома с применением теплового насоса
Оптимальная схема применения теплонасоса для отопления дома включает в себя накопительный бак. Упрощенно это выглядит так:
Здесь блоки 1 и 2 — запорная арматура, которая решает задачу регулирования поступающих потоков тепла. Они могут быть ручного перекрытия потока или представлять собой автоматизированные термоголовки. Блок 3 — общий терморегулятор или система датчиков.
Работает отопление по следующему принципу:
- тепловой насос отбирает тепло окружающей среды и нагревает воду;
- жидкость поступает либо в теплообменник вторичного нагрева накопительной емкости, либо циркулирует в едином контуре;
- система отопления строится по классическому принципу, ток воды в ней обеспечивается циркулярным насосом.
Приведенная на рисунке схема — минимальное оснащение дома. Она может быть легко дополнена. В частности, никто не мешает установить две емкости и использовать принцип вторичного нагрева жидкости. Одна из них — бойлер с тепловым насосом (установленный непосредственно на выходе последнего) — используется для горячего водоснабжения. А более объемный бак решает задачу подачи теплоносителя в систему отопления.
Отлично работает вариант отопления дома с теплонасосом, накопительной емкостью и системой теплый пол. В этом случае не нужно нагревать жидкость до высокой температуры. Оптимальный показатель для теплого пола — от 30 до 40 градусов. Схема отопления аналогична уже приведенной, только вместо радиаторов вода поступает на коллекторный узел с собственной регулировкой потока.
Принцип работы теплового насоса
В конструкцию любого теплового насоса входят следующие устройства: конденсатор, испаритель, компрессор (повышает давление) и расширитель (понижает давление). Все перечисленные элементы объединены при помощи трубопровода и представляют собой один замкнутый контур. По этому контуру циркулирует охладитель. Фреон, хладон — это технический термин присвоенный группе фторсодержащих производных метана и этана. Он представляет из себя инертный газ, который обладает сверхнизкой температурой кипения. По этой причине в «горячей» части контура он находится в газообразном состоянии, а в «холодной» он становится жидкостью.
Перемещаясь в компрессор, хладагент (чаще всего фреон) подвергается действию высокого давления и сжимается, из-за чего его температура повышается. Разогретый давлением газ поступает в другую часть теплообменника – в конденсатор. Тут промежуточный теплообменник передаёт тепло теплоносителю, который входит в систему отопления дома. Во время того, как хладагент отдает тепло, он конденсируется, снова становится жидким, а нагретый им теплоноситель подаётся в систему отопления. Жидкий фреон проходит через расширитель, где вскипает поглощая тепло. Затем перемещается в испаритель, где докипают остатки жидкой фракции – и цикл повторяется снова.
Важной особенностью тепловых насосов является универсальность использования – при низких температурах воздуха они обеспечивают обогрев помещений, а в жаркую погоду – их охлаждение. Во втором случае (реверсивный тепловой насос) используется тот же принцип
Разница лишь в том, что в жару теплоноситель движется в другом направлении – он поступает не снаружи, а из дома, из внутренних помещений.
Попробуем пересказать то же самое простыми словами.
Давайте вспомним, как работает холодильник. В камеры холодильника помещаются продукты, имеющие комнатную температуру. По закону сохранения энергии накопленное ими тепло не может испариться в никуда – его необходимо вывести за пределы холодильника, что и делается при помощи радиатора, расположенного позади агрегата. Радиатор для этого и предназначен – для рассеивания, передачи в окружающий воздух тепла, «извлеченного» из продуктов.
Теперь представим себе холодильник, который установлен на улице с открытой дверцей, а его радиатор демонтирован и установлен в доме. Даже если температура воздуха на улице будет на несколько градусов выше температуры кипения фреона, которым заправлен холодильник, агрегат будет передавать это тепло через радиатор в дом, извлекая его из окружающей среды. Это и есть простейший пример теплового насоса. Описанный принцип называется циклом Карно: именно на нем основана работа холодильных установок и климатической техники.
Принцип действия тепловых насосов
Принцип работы устройства для обогрева дома основан на том, что вещество (холодильный агент) может отдавать тепловую энергию либо забирать ее в процессе смены состояния. Эта идея заложена в основу функционирования холодильника (из-за этого задняя стенка прибора горячая).
Термонасос для отопления функционирует следующим образом:
- Поступающий агент охлаждается на 5 градусов в испарительном отделе на основании энергии от носителя тепла.
- Охлажденный агент поступает в компрессор, который в результате работы сжимает и нагревает его.
- Уже горячий газ попадает в отсек для теплообмена, в котором он отдает собственное тепло отопительной системе.
- Сконденсированный хладагент возвращается к старту цикла.
Устройство
Тепловой насос для отопления дома состоит из нескольких основных контурных элементов:
- контур с теплоносителем, который перемещает энергию от теплоисточника;
- контур с фреоном, который периодически испаряется, забирая тепловую энергию с первого контура, и снова оседает конденсатом, передавая тепло третьему;
- контур, где циркулирует жидкость, являющаяся переносчиком тепла для отопления.
Эксплуатация термо насоса для отопления дома является выгодной с финансовой точки зрения. Причина этого в том, что устройство не требует высокой мощности (соответственно, расход электричества не больше, чем у стандартного бытового прибора), однако при этом производится в 4 раза больше тепла по сравнению с потребляемой электроэнергии.
Также не требуется создавать отдельную линию проводки для подключения насоса.
Плюсы и минусы
Перед принятием решения, использовать тепловой насос или нет, следует ознакомиться с достоинствами и недостатками его работы. К главным плюсам теплового насоса относится:
- небольшой расход электричества на отопление дома;
- отсутствие необходимости регулярного осмотра и технического обслуживания, что делает затраты на эксплуатацию теплового насоса для отопления минимальными;
- допускается монтаж в любой местности. Насос может работать с такими источниками тепловой энергии, как воздух, почва и вода. Поэтому появляется возможность его установки практически в любое место, где планируется строительство дома. А в условиях отдаленности от газовой магистрали, устройство является самым подходящим методом обогрева. Даже если отсутствует электричество, функционирование компрессора можно обеспечить при помощи привода на основе бензина или дизеля;
- отопление дома осуществляется в автоматическом режиме. Не требуется добавлять топливо или проводить иные манипуляции, как, например, в случае с котельным оборудованием;
- отсутствие загрязнения окружающей среды вредными газами и веществами. Все применяемые холодильные агенты полностью безопасны и экологически пригодны;
- пожаробезопасность. Жителям дома никогда не будет угрожать взрыв или повреждение вследствие перегрева теплового насоса;
- возможность эксплуатации даже при условиях холодной зимы (до -15 градусов);
- качественный тепловой насос для отопления дома может служить до 50 лет. Замена компрессора требуется лишь раз в 20 лет.
Тепловой Насос ВЫГОДЕН или НЕТ?.. Кому не Стоит Покупать Тепловой Насос? (РАЗБОР)
Смотрите это видео на YouTube
Плюсы и минусы
Как и любое устройство, тепловые насосы имеют определенные недостатки:
- Если температура окружающей среды опускается ниже 15 градусов, то насос работать не сможет. В таком случае потребуется монтаж второго теплоисточника. При очень низких температурных значениях включается котел, генератор или электрический обогреватель;
- Высокая стоимость оборудования. Оно будет стоить примерно 350 000-700 000 рублей, еще такую же сумму придется потратить на создание геотермальной станции и установку устройства. Дополнительные монтажные работы не требуются только для теплового насоса, использующего воздух в качестве теплового источника;
- Лучше всего устанавливать тепловой насос в сочетании с теплым полом или вентиляторными конвекторами, однако в старых зданиях потребуется перепланировка и возможно даже капитальный ремонт, что повлечет дополнительные затраты времени и средств. Если частный дом строится с нуля, такая проблема отсутствует;
- При работе теплового насоса температура грунта, расположенного вокруг трубопровода с теплоносителем, снижается. Это становится причиной гибели некоторых микроорганизмов, участвующих в функционировании окружающей среды. Таким образом, некоторый ущерб экологии все же наносится, однако он существенно меньше урона от газо- или нефтедобычи.
Работа теплового насоса при работе по схеме «грунт-вода»
Укладку коллектора в грунт можно произвести тремя способами.
Горизонтальный вариант
Трубы укладываются в траншеи «змейкой» на глубину, превышающую глубину промерзания грунта (в среднем – от 1 до 1,5 м).
Для такого коллектора потребуется участок земли достаточно большой площади, но зато его может построить любой домовладелец – никаких навыков, кроме умения работать лопатой, не понадобится.
Следует, правда, учесть, что сооружение теплообменника ручным способом – довольно трудоемкий процесс.
Вертикальный вариант
Трубы коллектора в виде петель, имеющих форму литеры «U», погружаются в скважины глубиной от 20 до 100 м. При необходимости можно построить несколько таких скважин. После установки труб скважины заливают цементным раствором.
Достоинство вертикального коллектора состоит в том, что для его строительства нужен совсем небольшой участок. Однако, пробурить скважины глубиной более 20 м самостоятельно нет никакой возможности – придется нанимать бригаду бурильщиков.
Комбинированный вариант
Этот коллектор можно считать разновидностью горизонтального, но для его строительства потребуется гораздо меньше места.
На участке выкапывается круглый колодец глубиной от 2-х м.
Трубы теплообменника укладываются спиралью, так что контур представляет собой как бы вертикально установленную пружину.
По завершении монтажных работ колодец засыпают. Как и в случае с горизонтальным теплообменником, весь необходимый объем работ можно произвести своими руками.
Коллектор заполняется антифризом – тосолом или раствором этиленгликоля. Для обеспечения его циркуляции в контур врезается специальный насос. Вобрав в себя тепло грунта, антифриз поступает к испарителю, где происходит теплообмен между ним и хладагентом.
Следует учесть, что неограниченный отбор тепла из грунта, особенно при вертикальном расположении коллектора, может привести к нежелательным последствиям для геологии и экологии участка. Поэтому в летний период ТН типа «грунт — вода» весьма желательно эксплуатировать в реверсивном режиме — кондиционирование.
Тепловой насос «Вода-вода»: принцип работы
Также не стоит сразу отбрасывать возможность использования кинетической энергии воды. Дело в том, что на большой глубине температура остается достаточно высокой и изменяется в небольших диапазонах, если это вообще происходит. Вы можете пойти несколькими путями и использовать:
- Открытые водоемы, такие как реки и озера.
- Грунтовые воды (скважина, колодец).
- Сточные воды пром.циклов (обратное водоснабжение).
С экономической и технической точки зрения проще всего наладить работу геотермального насоса в открытом водоеме. При этом существенных конструктивных отличий между насосами «грунт-вода» и «вода-вода» нет. В последнем случае погружаемые в открытый водоем трубы снабжаются грузом. Что касается использования грунтовых вод, то конструкция и монтаж более сложные. Необходимо выделить отдельную скважину для сброса воды.
Преимущества тепловых насосов и целесообразность их установки
Как заявлено в рекламе, главное преимущество тепловых насосов — экономичность отопления. В какой-то мере все работает именно так. Если теплонасос имеет среду отбора энергии, обеспечивающую оптимальные показатели температуры, установка работает эффективно, расходы на отопление снижаются примерно на 70-80%. Однако всегда есть случаи, когда теплонасос может быть нерациональным вложением средств.
Эффективность работы теплового насоса обуславливается следующими технологическими характеристиками:
- параметр граничного предела снижения температуры рабочим телом;
- минимальная разница в температурах внешнего обменника и окружающей среды, при которой отбор тепла крайне мал;
- уровень потребления энергии и отдачи полезной тепловой мощности.
Целесообразность применения теплонасоса зависит от нескольких факторов.
- Территории, где такое оборудование не показывает хороших результатов — регионы с морозными зимами и низкими среднесуточными температурами. В этом случае, теплонасос просто не способен отобрать достаточно тепла из окружающей среды, вплотную приближаясь к зоне нулевой эффективности. В первую очередь, это касается систем воздух-воздух.
- При росте объемов отапливаемого пространства технологические параметры теплонасоса увеличиваются почти в геометрической прогрессии. Становятся габаритнее теплообменники, размер и количество зондов погружения в воду или землю увеличиваются. В определенной точке стоимость теплонасоса для отопления, необходимые траты на его монтаж и обслуживание, а также оплату потребленной мощности становятся просто нерациональными вложениями. Гораздо дешевле создать классическую газовую схему отопления с котлом.
- Чем сложнее система, тем дороже и проблематичнее ее ремонт в случае поломки. Это негативное дополнение к размеру отапливаемой площади и характеристикам климатической зоны.
Совет! В целом, использование теплового насоса в качестве единственного источника тепла для дома может рассматриваться только в ограниченном числе ситуаций. Всегда разумно применять систему комплексного обеспечения. Здесь количество возможных комбинаций ограничено только доступными источниками энергии и финансовыми возможностями владельца.
Классика — это тепловой насос и газовый/твердотопливный котел, работающие в связке. Идея проста: продукты сгорания топлива выводятся по широкой трубе. В ней располагается обменник теплонасоса. В системе отопления и горячего водоснабжения устанавливаются накопительные емкости и бойлер косвенного нагрева. Оборудование (котел и насос) активируется одновременно при падении температуры жидкости в распределительной сети. Работая в паре, они практически полностью утилизируют энергию сгорающего топлива, показывая близкие к максимуму показатели эффективности.
Система с адаптацией к характеристикам окружающей среды построена на термонасосе, вентиляторном блоке, тепловой пушке любого класса. При достаточно высокой температуре воздуха на улице (до -5…-10 градусов Цельсия) теплонасос работает в штатном режиме, обеспечивая достаточную отдачу мощности для отопления. Особенность конструкции системы — расположение его внешнего теплообменника в отдельном вентиляционном канале. При падении температуры на улице ниже оптимальной отметки подаваемый воздух нагревается тепловой пушкой (дизельной, электрической или газовой).
Личный опыт
С теорией покончено. Однако теоретических обоснований эффективности тепловых насосов в интернете много и без нас. Читателю наверняка интересен, прежде всего, личный опыт отопления коттеджа с помощью ТН.
В смежных домах, принадлежащих автору и его близким родственникам, реализованы две схемы отопления с тепловыми насосами, работающими по схеме “воздух-воздух” и “воздух-вода”.
На фото — внешние блоки двух ТН “воздух-вода”
Воздух-воздух
Обогрев дома автора реализован путем установки во всех отапливаемых помещениях… обычных инверторных кондиционеров. Да-да, они, как и любые другие кондиционеры, представляют собой частный случай ТН.
Кондиционер производительностью 12000 BTU обеспечивает обогрев 60-метровой мансарды
- Суммарные расходы: примерно 130 тысяч рублей (покупка и монтаж пяти сплит-систем).
- Отапливаемая площадь: 155 квадратных метров.
- Суммарная номинальная тепловая мощность при работе на обогрев: 15 кВт.
- Среднее энергопотребление в отопительный сезон: 600-1200 кВт·ч в месяц в зависимости от температуры на улице.
- Температура в доме: 19-22 °С в зависимости от функций помещения. Минимальная температура поддерживается в спальне, максимальная — в гостиной. Регулировка климата во всех комнатах — независимая, с пульта кондиционера.
Внутренний блок сплит-системы установлен на высоте около полутора метров
Воздух-вода
В соседнем доме для обогрева и приготовления горячей воды используются два воздушных ТН “воздух-вода” производства DanHeat с максимальной производительностью по теплу 9,2 кВт. Система отопления — внутрипольная, коллекторная (водяной теплый пол в стяжке).
Коллекторный шкаф теплого пола
Для хранения нагретой воды и в качестве буферной емкости для отопления используется 300-литровый теплоаккумулятор.
Теплоаккумулятор создает запас воды для нужд ГВС и стабилизирует температуру теплоносителя в системе отопления
Быстрый нагрев помещений зимой и их кондиционирование летом обеспечивают установленные в каждой комнате фанкойлы.
Настенный фанкойл зимой выполняет функции тепловентилятора, летом — кондиционера
Суммарные расходы (два ТН с обвязкой, теплоаккумулятор, укладка водяного пола и стяжки, монтаж фанкойлов) — приблизительно 1 млн. 300 тыс. рублей.
Внутренние теплообменники тепловых насосов
Камин подключен к общему отопительному контуру Рабочая температура теплоносителя: 23-40 °С.
Текущая температура воды в отопительном контуре — 31 градус
- Отапливаемая площадь: 280 м2.
- Среднемесячное энергопотребление: 2500-4000 кВт·ч в зависимости от уличной температуры и потребления горячей воды (напомним, ТН работают на отопление и ГВС).
- Температура в доме: 20-24°С (минимальная температура установлена в холле и на лестнице, максимальная — в гостиной). Раздельная регулировка температуры отдельных контуров теплого пола осуществляется из коллекторного шкафа; с панели управления ТН задается лишь температура теплоносителя.
Дроссели в коллекторном шкафу позволяют настроить температуру каждого отдельного контура теплого пола
