Тепловые насосы воздух вода при минус 30

Устройство и принцип работы теплового насоса воздух-воздух

Тепловой насос типа воздух-воздух состоит из наружного и внутреннего блоков. Наружный, он же испарительный блок, размещается снаружи здания. Именно с его помощью из наружного воздуха извлекается тепло. Это тепло нагревает хладагент, который вскипает, переходя в газообразное состояние. Затем компрессор сжимает этот газ, значительно повышая его температуру. Тепло сжатого газа передаётся в конденсатор (внутренний блок), который находится внутри помещения. Конденсатор отдаёт тепло воздуху внутри помещения. Этот процесс происходит непрерывно и контролируется автоматически до тех пор, пока не будет достигнута заданная температура в помещении.

Если есть необходимость в обогреве нескольких помещений или одного большого, то в этом случае используются различные системы распределения и подачи тёплого воздуха.

В силу того, что тепловые насосы данного типа нагревают лишь воздух в помещениях (происходит прямой нагрев воздуха), то такие теплонасосы можно использовать только для отопления. То есть, для подогрева воды в ванной или кухне необходимо предусмотреть иные решения.

Преимущества и недостатки такого отопления

Современный тепловой насос типа воздух вода эффективен и позволяет заметно сэкономить на отоплении, поскольку:

• воздух можно назвать самым доступным и дешевым возобновляемым ресурсом;
• стоимость монтажа такого агрегата обойдется дешевле, чем установка других видов теплового насоса (грунт-вода, вода-вода и т. п.), а весь процесс осуществляется проще и быстрее ;
• обогрев можно осуществлять даже при отрицательной температуре наружного воздуха;
• устройство работает почти бесшумно;
• обеспечивается эффективный воздухообмен внутри помещения;
• управление установкой можно осуществлять в автоматическом режиме.

Действительно, при сооружении воздушного теплового насоса не нужно бурить скважины или проводить масштабную выемку грунта, не нужно сооружать теплообменник для наружного контура и т. д. Понадобятся два небольших канала, по которым воздух будет забираться, а затем возвращаться наружу. Для этого в земле укладывают два небольших утепленных трубопровода. Существуют и модели, не нуждающиеся в таких трубопроводах.

Для теплового насоса «воздух-вода» понадобится большой вентилятор, который будет подавать воздушные потоки к испарителю. Лопасти вентилятора должны быть закрыты решеткой

Недостатков у этой конструкции немного, однако их следует учитывать. Хотя и считается, что воздушный теплонасос может эффективно работать круглый год, все же лучше использовать его в местности с мягкой и теплой зимой. Не рекомендуется включать такой тепловой насос при температуре ниже -7 градусов. При этом КПД системы в зимнее время будет ниже, чем весной или осенью. Хотя производители утверждают, что промышленные модели тепловых насосов этого типа могут вполне успешно работать и при -25 по Цельсию. В местности с суровым климатом самым выгодным вариантом может оказаться сочетание теплового насоса и традиционного отопительного котла, который включается только при наступлении сильных холодов.

Разумеется, для работы любого теплового насоса необходима электроэнергия. На каждый затраченный киловатт электроэнергии устройство позволяет получить 3-4 кВт природной энергии. Поэтому в конечном счете использование теплового насоса для отопления экономически выгодно по сравнению с затратами на обогрев газом, дизельным, твердым топливом или на отопление с помощью электрического котла. Однако забывать о зависимости системы от наличия электроэнергии не стоит.

Тепловые насосы в Европе

Страшно представить, но в 2018 году в Европе было установлено 1,3 миллиона тепловых насосов. Первая пятёрка стран выглядит так: Франция (275 тысяч), Италия (200 тысяч), Испания (120 тысяч), Швеция (108 тысяч), Норвегия (101 тысяча). Всего в работе сейчас находится почти 12 миллионов тепловых насосов. Только вдумайтесь в эту цифру — 12 миллионов тепловых насосов.

Распределение продаж по типам тепловых насосов:

«Вода-вода» — 99 389 шт.

«Воздух-воздух» — 596 049 шт.

«Воздух-вода» — 547 277 шт.

Обратите внимание, что воздушные тепловые насосы составляют более 90% от всего объёма тепловых насосов проданных в 2018 году!

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

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.

Электрокотел

В задачи обогрева дома хорошо вписывается электрокотел: это простое, надежное и недорогое решение. Сам по себе он стоит всего 1960 рублей за устройство от известного европейского производителя мощностью 6 кВт со встроенным насосом и расширительным баком. Однако в нашем конкретном случае все получилось не так просто и дешево.

Дело в том, что под запросы владельца подбиралось оборудование, позволяющее экономить электроэнергию. Так, чтобы было максимально выгодно пользоваться самым дешевым ночным тарифом, система отопления предполагает бак-аккумулятор большого объема (1000 литров). Как это работает: за ночь, пока действует ночной тариф, электрокотел нагревает теплоноситель в баке. Днем, когда тариф дорогой, котел не включается — горячая вода для отопления подается из бака-аккумулятора в радиаторы и теплые полы.

Фото: 101dom.by

Кроме того, в систему добавили бойлер косвенного нагрева на 150 литров для приготовления горячей воды. Существенно повлияли на стоимость несколько насосных групп, полная автоматизация котельной с контроллером и погодозависимыми датчиками. Такая система работает автономно, управлять ею можно дистанционно, и она потребляет именно то количество тепла, которое необходимо. Можно сказать, что котельная выполнена в максимальной комплектации. Если же оставить только самое необходимое, то итоговая цена будет значительно ниже.

Вся система обошлась почти в 25 тысяч рублей. В эту цену входят еще и теплые водяные полы (1055 рублей), и радиаторы (5780 рублей).

Кроме того, на стоимость повлияла обвязка для камина с водяной рубашкой (или твердотопливного котла) — владелец попросил предусмотреть и такую возможность. Это очень важная опция — в системе можно установить дублирующий генератор тепла, который сможет экономить электрическую энергию.

Расходы на электроэнергию для отопления составят 969,45 руб./год (если пользоваться единым тарифом на электроэнергию 0,0834 руб/кВт·ч).

Что такое тепловой насос

Рассматриваем принцип работы и виды необычного устройства для экономичного отопления коттеджа — теплового насоса.

Тепловой насос — устройство, которое использует тепло окружающей природы — воздуха, воды, грунта для отопления коттеджа и нагрева горячей воды. Сердце теплового насоса — фреоновый контур, включающий компрессор, расширительный клапан, два теплообменника и медный трубопровод.

Принцип работы теплового насоса — перекачивание тепла из одной среды (воздух, вода, грунт) в другую — в систему отопления.

Казалось бы, тепловой насос — сложное и непонятное устройство, одна абсолютное большинство из нас используют тепловой насос ежедневно. Дело в том, что холодильник — тоже тепловой насос: он также имеет фреоновый контур и компрессор, он также перекачивает тепло — охлаждая продукты и грея импровизированную «систему отопления» — решетку на задней стенке. Да и выглядит похоже.

Принцип работы теплового насоса. Тепловой насос отбирает низкопотенциальное тепло у воздуха (-25…+35 градусов), у воды (+2…+7 градусов), у грунта (-5…+5 градусов), охлаждая эту среду на несколько градусов. Фреон во внутреннем контуре теплового насоса закипает и превращается в газ, компрессор сжимает газ, у которого резко уменьшается объем, но увеличивается давление и температура, далее разогретый фреон передает тепло через теплообменник в систему отопления. Далее цикл повторяется.

Схема работы теплового насоса

Важно отметить, что тепловой насос потребляет электроэнергию только на перекачку тепла (циркуляционные насосы) и привод компрессора — а прямого нагрева теплоносителя не происходит. За счет этого на 1 кВт потребленной электроэнергии можно получить от 3 до 5 кВт тепловой энергии! Законы сохранения энергии не нарушаются — они применимы только для замкнутой системы, а у нас их здесь три — контур источника тепла, фреоновый контур, контур системы отопления

Виды тепловых насосов и их краткое сравнение. Важнейшая классификация тепловых насосов — по источнику низкопотенциальной энергии, у которого они отбирают тепло, повышают его температуру и передают в систему отопления.

Воздушные тепловые насосы — первые в списке. Они охлаждают уличный воздух, получая таким образом низкопотенциальное тепло. Данные тепловые насосы довольно просты в установке — не требуется проводить земляные работы, но у них есть недостаток: их эффективность и тепловая мощность зависит от температуры уличного воздуха. Чем холоднее на улице, тем хуже они работают. К сожалению, без резервного котла в средних и северных широтах России они не могут являться полноценным теплогенератором.

Воздушный тепловой насос DANFOSS установлен для отопления небольшого коттеджа

Водяные тепловые насосы — более стабильный вариант для отопления коттеджа. Как правило, его схемы работы заключается в том, что тепловой насос перекачивает воду из одной скважины в другую, отбирая у нее небольшое количество тепла. Производительность и эффективность таких тепловых насосов не зависит от температуры уличного воздуха, но нельзя дать 100% уверенность, что уровень воды в скважине не уменьшится.

Принцип работы водяного теплового насоса

Грунтовый тепловой насос отбирает тепло у почвы. Этот тип тепловых насосов также способе круглый год отапливать дом (и быть единственным котлом в коттедже — тоже), и имеет довольно высокую эффективность. Система отбора низкопотенциаьного тепла здесь следующая: либо бурятся скважины, в которые опускаются геотермальные зонды (по которым по замкнутому контуру циркулирует теплоноситель, нагреваясь от грунта через стенки трубы), либо такой же контур раскладывается в горизонтальной плоскости (почти как теплый пол) в грунте. У каждого есть свои плюсы и минусы.

Грунтовой тепловой насос с горизонтальным коллектором

Грунтовой тепловой насос с вертикальными скважинами

В целом, при правильном подходе, тепловой насос — удобный агрегат для отопления коттеджа, а в некоторых случаях он быстро окупается, несмотря на высокую первоначальную стоимость.

Пример котельной с тепловым насосом DANFOSS для отопления и нагрева горячей воды
zen.yandex.ru/media/teplo/

С вами продолжает мастерить дед Андрей…

Коэффициент COP и эффективность кондиционера

Однако возможность режима работы при низких отрицательных температурах не главное. На чем же еще следует сделать акцент при выборе инверторного кондиционера, дабы его работа создавала достаточное количество тепла в доме и при этом была выгодна?

За это отвечает коэффициент COP (Coefficient of Performance) – коэффициент эффективности или преобразования. Его можно найти в полном перечне характеристик.

COP – это отношение тепловой производительности кондиционера в режиме работы на обогрев, к его электрической мощности, то есть к тому, сколько он потребляет электричества из розетки.

Какое значение COP считается хорошим? У лучших моделей оно достигает 5 единиц. От 3,5 до 4,0 это средние параметры.

Например, cop=3.61 означает, что при мощности в 1квт, такой инвертор способен закачать за 1час в помещение тепловую мощность в 3,61квт.

Аналогичный параметр при работе на охлаждение называется коэфф. EER. Он показывает сколько тепловой мощности откачивается из помещения сообразно затраченной электрической мощности кондиционера.

Чем больше COP, тем выгоднее и дороже кондиционер. Как уже говорилось выше, хорошим значением является COP=5,0. Имея такой аппарат, потратив за 1час один киловатт эл.энергии, вы загоните в свое помещение 5квт тепла.

Насколько это выгодно? При нынешних ценах за электричество, 1квт тепла при обогреве таким кондиционером в Москве или области будет обходиться вам примерно в 1 рубль.

В отдельных регионах затраты будут раза в полтора меньше. Вроде получается, что это даже дешевле чем отопление на дровах, не говоря уже об обогреве другими электрическими приборами.

Но вот тут-то и кроется главная хитрость. Параметр КОП, указанный в технической документации, измерен при некоторых идеальных условиях. А конкретно — при работе на обогрев с температурой окружающей среды +7С.

При понижении уличной температуры COP будет уменьшаться, так же как и при увеличении комнатной. Если у лучших японских инверторов COP составляет 5,0 при уличной температуре t=+7C и комнатной +20С, и вы захотите раскочегарить комнату до +30С без изменения уличных параметров, COP тут же упадет до 4,0-4,5.

А если еще и похолодает на улице, то этот параметр упадет гораздо больше. На морозах -25С у фирменных “япошек” КОП держится в пределах 1,5-2,0. То есть, эффективность падает в два раза.

Ну и что, скажете вы. Это же все равно выгоднее и дешевле в 2 раза, чем топиться масляной батарей или конвектором. На самом деле не совсем так.

Принцип работы

Уже давно известно, что тепло передаётся самостоятельно от более горячего предмета к тому, что холоднее. Это было закреплено в одной из формулировок 2 закона термодинамики. Для того чтобы передать тепло в обратном направлении, требуется использовать теплоноситель и провести с ним определённые действия. Для этих целей и служит тепловой насос. Для его работы требуется энергия. Количество затрачиваемой энергии тем больше, чем больше разница температур между средами, которые участвуют в этом процессе.

Конденсатор имеет температуру выше температуры той среды, которой должно быть передано тепло. Этой средой, а точнее телом, является система отопления. Эта разница температур между испарителем и конденсатором обеспечивается благодаря хладагенту, который циркулирует между ними. Он может изменять своё фазовое состояния, переходить из жидкого состояния в газообразное в зависимости от уровня давления.

Принцип действия теплового насоса

Большинство используемых сегодня теплонасосов являются парокомпрессионными. Есть также  такие разновидности, как

• Абсорбционные;
• Термоэлектрические;
• Электрохимические.

Ктр = Твых / (Твых — Твх), где

Твых – температура на выходе насоса;

Твх – температура на входе насоса.

То есть, Ктр – это соотношение тепла, которое идёт в систему теплоснабжения, к энергии, которая тратится на обеспечение функционирования теплового насоса. В реальности коэффициент Ктр отличается от того, что рассчитывается по этой формуле. Разница равна величине коэффициента h, который учитывает энергетические потери и степень термодинамического совершенства. Энергия также расходуется на обеспечение работы запорной арматуры, насосов, управляющих схем и т. п.

На степень термодинамического совершенства влияют много параметров. Среди них можно выделить мощность компрессора, качество исполнения самого теплового насоса. Кроме того, влияние оказывают необратимые энергетические потери. Это энергетические потери на преодоление силы трения, потерь тепла в трубопроводах и соединениях, в механических и электрических двигателях. Стоит также отметить неидеальность процессов, происходящих в конденсаторе и испарителе. Хладагент в таких системах также имеет неидеальных теплофизические характеристики.

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:

1. Поступающий агент охлаждается на 5 градусов в испарительном отделе на основании энергии от носителя тепла.
2. Охлажденный агент поступает в компрессор, который в результате работы сжимает и нагревает его.
3. Уже горячий газ попадает в отсек для теплообмена, в котором он отдает собственное тепло отопительной системе.
4. 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)

Watch this video on YouTube

Плюсы и минусы

Как и любое устройство, тепловые насосы имеют определенные недостатки:

1. 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;
2. 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;
3. 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;
4. 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.

Применение для охладительных систем

Большим преимуществом термонасосов является то, что это оборудование может не только отапливать здание, но и охлаждать помещение.

Конструктивное решение возможности охлаждения зачастую интегрировано в теплонасос изначально, на этапе производства, и почти у всех изготовителей существую модели насосов, которые умеют кондиционировать дом (функция Natural Cooling).

Если насосное оборудование не имеет эту возможность, то его можно переделать. Для этого дополнительно потребуется смонтировать гидравлическую развязку, которая устанавливается вне насоса. Этот вариант не потребуют значительных капиталовложений.

Подавать генерируемый холод в здание можно различными способами. Такую функцию можно возложить на охлаждающие панели, устанавливаемые на поверхности стен, «холодный» теплый пол, отопительные радиаторы или фанкойл — агрегат, где в корпусе находится обдуваемый с помощью вентилятора теплообменник.

Как обогреть дом с помощью воздуха?

Итересный опыт использования теплового насоса типа «воздух-воздух» представлен в следующем видеоматериале:

Чтобы эффективно обогреть дом с помощью воздуха, необходимо выполнить три этапа работ:

1. Обеспечить забор наружного воздуха, необходимого для работы теплового насоса.
2. Собрать отдельные детали теплонасоса в единое устройство.
3. Создать систему воздушного отопления дома.

Чтобы обеспечить приток наружного воздуха, используется мощный вентилятор. Его можно установить непосредственно у стены здания или на некотором расстоянии, выбрав подходящее место во дворе частного дома. Рекомендуется размещать вентилятор на открытом пространстве с хорошей циркуляцией воздушных потоков. Воздух будет поступать внутрь дома по специальным трубопроводам. Если вентилятор установлен во дворе, то понадобится провести два трубопровода: для забора воздуха снаружи и для обратного потока воздуха. Обычно трубы укладывают в траншею, вырытую в земле (при этом их необходимо утеплить), либо же пускают напрямую через стену.

Наружный блок теплового насоса «воздух-воздух» можно разместить в подходящем месте с хорошей циркуляцией воздушных потоков: у стены дома или даже на его крыше

Тепловые насосы в Швеции и Норвегии

Швеция нам интересна потому, что климат очень похож на Московскую область. Кстати, а вот какой климат в Московской области согласно Строительная климатология СП 131.13330.2012 (Актуализированная версия СНиП 23−01−99) и СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий (Актуализированная редакция СНиП 23−02−2003):

Кашира (Московская область)

Температура холодной пятидневки с обеспеченностью 0.92 -27 ̊С Продолжительность отопительного периода 212 сутокСредняя температура воздуха отопительного периода -3.4 ̊СУсловия эксплуатации помещения БКоличество градусо-суток отопительного периода (ГСОП) 4960.8 °С·сут

Климат Московской области позволяет эффективно использовать воздушные тепловые насосы. Коэффициент полезной производительности (COP) воздушных тепловых насосов составляет от 2 до 4 в зависимости от температуры окружающей среды. И при средней температуре воздуха в отопительный период -3,4 ̊С тепловой насос будет в 3 раза дешевле, чем прямой нагрев электричеством, дизель или сжиженный газ.

Сравним экономическую выгоду от использования теплового насоса с другими источниками тепловой энергии:

Выводы

Своим примером пользователи FORUMHOUSE сломали стереотипы о неэффективности эксплуатации тепловых насосов класса «воздух-вода» при отрицательных температурах

Важно. Тепловой насос «воздух-вода» оптимально работает  в связке с водяным теплым полом — системе, для которой не требуется греть теплоноситель до высоких температур

Если к ТН подключить радиаторы отопления, то придется увеличить их площадь в 3-4 раза, чтобы перевести на низкотемпературный режим, без уменьшения эффективности работы. При сильных морозах ТН «воздух-вода» подстраховывают электрические ТЭНы.

Тепловые насосы — выход при недостатке выделенной электрической мощности.

На случай аварии или отключения электричества, чтобы не остаться без тепла зимой, предусмотрите резервный независимый теплогенератор, например, газовый конвектор или печь-камин. Окупаемость ТН рассчитывайте в долгосрочной перспективе, с учётом неуклонного роста цен на энергоносители, электроэнергию и дороговизну подключения магистрального газа. Не забывайте про удобство эксплуатации тепловых насосов и всей системы в целом.

Прочитайте статьи:

В видео — технологии пассивного домостроения. Инженерные коммуникации: тепловой насос, вентиляция с рекуперацией тепла, солнечные коллекторы.