Принцип действия теплового насоса

Режимы работы тепловых насосов

В зависимости от характера отопления и необходимости различных температур для отопления, существует выбор типа теплового насоса или его комбинации с другим теплогенератором. По режиму работы выделяют моновалентное, бивалентное и моноэнергетическое использование тепловых насосов:

• В моновалентном режиме эксплуатации тепловой насос является единственным источником тепла для помещения, включая отопление и горячее водоснабжение. Требуемая максимальная температура подачи в отопительную систему в данном случае должна быть немного ниже максимально возможной температуры подачи теплового насоса.
• В бивалентном режиме возможна эксплуатация со вторым теплогенератором как в полном параллельном режиме, так и частичном. В этом случае тепловой насос выступает как основной теплогенератор, а более высокую температуру системы отопления обеспечивает дополнительный пиковый котел.
• В моноэнергетическом режиме вторым теплогенератором выступает установка той же породы — электрическая, т.е. используется электронагревательный котел (или электронагревательная вставка).

Тепловые насосы имеют следующие преимущества по сравнению с традиционными видами отопления:

• Высокая эффективность. КПД теплового насоса составлет 300-700%, т.е. он поглощает в 3-7 раз меньше электрической энергии, чем выделяет тепла. Например, КПД насоса, представленного на рисунке, составляет 400%.
• Реверсивность. Тепловой насос может быть использован как кондиционер в летний сезон
• Экологичность. Cбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО2 в атмосферу
• Надежность. минимум подвижных частей с высоким ресурсом работы, независимость от поставки топочного материала и его качества, защита от перебоев электроэнергии
• Долговечность. Cрок службы теплового насоса составляет 15-25 лет
• Безопасность. Не имеет открытого пламени, выхлопов,пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута или солярки; исключена утечка газа или разлив мазута

Расчет мощности установки

Мощность ТН зависит от многих факторов. В список входит предполагаемый объем теплоотдачи системам дома, площадь поверхности змеевиков в конденсаторе и испарителе, объем хладагента. По этим причинам целесообразнее доверить расчет мощности специальным программам, которые учитывают и другие данные.

Самый популярный вариант — использование онлайн сервисов-калькуляторов. В них требуется ввести такие параметры:

• для расчета объема — общую площадь здания, высоту потолков;
• регион, где построен дом — для определения среднегодовой температуры;
• степень утепления объекта — для определения производительности установки.

Для расчета используются коэффициенты: в них преобразуют два последних параметра. Затем их умножают на объем помещения. Полученный результат сравнивают с таблицей, в которой мощность насоса связана с объектом.

Обычно получаются такие значения:

• чтобы отопить дом, имеющий площадь 100-150 м2, необходим тепловой насос мощностью 5-8 кВт, а для подогрева воды потребуется запас по мощности — 12-16 кВт;
• для отопления здания площадью 350 м2 понадобится прибор, который сможет обеспечить 28 кВт.

Понятно, что цифры все же получаются приблизительными, однако ориентироваться на них можно.

Основные виды

Тепловая энергия, которая расходуется на отопление загородного дома и для подачи горячего водоснабжения, это результат преобразования энергии из внешней среды при помощи термонасоса. Помпа концентрирует эту низкотемпературную энергию и переносит ее по отопительной системе.

Чаще всего бытовые насосы используют тепло солнечного освещения или тепло поверхности Земли, которое скапливается в верхних частях земной коры или подземных водах на протяжении года. То есть по конструкции все теплонасосы можно разделить на воздушные, водяные и грунтовые.

Грунтовые помпы

Насосы для охлаждения

Этот вид насосного оборудования получает тепло от грунта. Температура земли на глубине более 3 м почти не подвергается сезонным перепадам. По замкнутому контуру труб, устроенным в грунте, циркулирует этанол или антифриз. Трубопровод теплообменника можно прокладывать в грунте горизонтальным или вертикальным способом.

Трубы при горизонтальной системе нужно установить в землю ниже промерзания грунта (чаще всего это 1,6−2,1 м). Теплообменник этого типа занимает значительную площадь. Так, для отопления дома в 100 м² требуется примерно 10−20 м² земли.

На участке, который занят коллектором, можно высаживать только те растения, у которых корневая система не уходит в грунт очень глубоко, также запрещается сооружать какие-то капитальные постройки.

При устройстве вертикального теплообменника трубы устанавливают перпендикулярно уровню земли и погружают в грунт примерно на 150−220 м. Число монтируемых зондов будет зависеть от мощности обогревательной системы. То есть для отопления дома 100 м² потребуется 2 зонда длиной примерно 90 м, находящихся друг от друга с интервалом 4−6 м.

Разновидности тепловых насосов

Этот вид помп «забирает» энергию у подземных вод. Такой тепловой насос характеризуется высокой эффективностью и хорошей стабильностью. Это обусловлено отличной теплоотдачей внутри системы и постоянным термальным режимом подземных вод.

Воздушные агрегаты

Воздушные насосы

В плане простоты установки воздушный тепловой насос для отопления дома имеет значительное преимущество, в отличие от своих аналогов. Для использования воздуха в качестве источника теплой энергии не потребуется бурить скважины либо выполнять иные масштабные земельные работы. То есть воздушная помпа в установке обходится намного дешевле, чем другие два вида насосов.

Невзирая на это огромное преимущество у воздушного оборудования существует один серьезный недостаток. Эта помпа может эффективно работать только при температуре воздуха выше -17C. Снижение температуры ниже установленной границы, что зимой часто случается во многих регионах, приводит к значительному уменьшению коэффициента эффективности этого оборудования.

Основные преимущества и недостатки тепловых насосов

Ключевое преимущество ТН в том, что их коэффициент полезного действия в разы выше, чем у обычного электрического оборудования для отопления или кондиционирования. К примеру, даже у современных, экономичных электрических обогревателей объёмы произведенного тепла примерно равны затраченной энергии.

Тепловые насосы в этой сфере вне конкуренции – они производят тепловой энергии в 3-7 раз больше (СОР), чем используют электроэнергии. COP- это единица, которая измеряет эффективность работы теплового насоса.

К другим достоинствам установки теплового насоса можно отнести:

• Длительный рабочий ресурс. Если соблюдать правила эксплуатации и своевременно проводить техническое обслуживание, то насосы могут работать без поломок и ремонта десятилетиями (до 30 лет и более). Единственное «слабое звено» в таких системах – это компрессор, который может потребовать замены один раз в 15-20 лет;
• Значительная экономия на топливе. В России цены на энергоносители всегда только растут, и в долгосрочной перспективе ТН позволяет экономить на них большие суммы;
• Универсальность использования. У большинства моделей тепловых насосов есть одно замечательное свойство – реверсивность: в летнюю жару они охлаждают дом, а в холодное время года обеспечивают отопление;
• Полная автоматизация. Правильная настройка работы ТН обеспечивает полную автоматизацию: пользователю остаётся только выставлять температуру нагрева помещений зимой и охлаждения – летом;
• Широкая география использования. Разнообразие видов ТН позволяет эксплуатировать их в самых разных регионах, с разным климатом: в случае с тепловыми насосами источниками тепла может выступать грунт, воздух или вода;
• Перспективы полной автономности. Если в качестве источника электроэнергии использовать солнечные панели, то можно построить в любой, даже самой отдаленной местности полностью автономный дом, который сам себя будет обеспечивать теплом, водой и электричеством;
• Минимальное техническое обслуживание. Надежность и долговечность оборудования делает его малозатратным в эксплуатации;
• Полностью бесплатный источник тепла. Мы пока не платим за воздух, которым дышим, воду в водоёмах и грунт под ногами: с помощью ТН они становятся бесконечным ресурсом для получения тепловой энергии.

Между тем у данных систем есть и свои недостатки, о которых необходимо знать:

Высокая стоимость самого оборудования и его монтажа. Так как первоначальные затраты достаточно велики, ТН окупится не сразу – в среднем на это уходит 3-7 лет. Быстро окупаются только аэротермальные (воздушные) насосы, которые требуют минимум затрат при установке.

Ориентация на отопительные системы с низкой температурой теплоносителя. Выгоднее всего тепловые насосы использовать для систем тёплого пола с температурой 35-40°C.

Воздействие геотермальных насосов на аэробные микроорганизмы. При работе грунтовых насосов земля вокруг труб подвергается постоянному охлаждению, что приводит к гибели аэробных бактерий, которые способствуют очищению стоков от вредных веществ.

Как повысить эффективность работы теплового насоса?

Немаловажную роль в производительности теплового насоса играет отопительная система. Наиболее эффективно оборудование функционирует с низкотемпературными системами отопления: тёплым водяным полом; фанкойлами (вентиляторными теплообменниками). Дело в том, что тепловой насос работает максимально продуктивно при температуре от 35–40 °C на выходе, а это соответствует оптимальной температуре теплоносителя в системе водяного тёплого пола или воздушного отопления.

Альтернативное топливо для насосов

Использовать углеродное топливо в виде дров, угля, газа для работы ТН вовсе не нужно. Источником энергии служит рассеянное в окружающем пространстве тепло планеты, внутри которой находится постоянно действующий ядерный реактор.

Твердая оболочка материковых плит плавает на поверхности жидкой раскаленной магмы. Иногда она прорывается наружу при вулканических извержениях. Вблизи вулканов встречаются геотермальные источники, где даже зимой можно купаться и загорать. Тепловой насос способен собирать энергию практически повсеместно.

Для работы с различными источниками рассеянного тепла существует несколько типов ТН:

1. «Воздух-воздух». Извлекает энергию из атмосферы и нагревает воздушные массы внутри помещения.
2. «Вода-воздух». Тепло собирается внешним контуром со дна водоема для последующего использования в вентиляционных системах.
3. «Грунт-вода» (геотермальные). Трубы для сбора тепла располагаются горизонтально под землей ниже уровня промерзания, чтобы даже в самый сильный мороз получать энергию для подогрева теплоносителя в отопительной системе здания.
4. «Вода-вода». Коллектор раскладывают по дну водоема на глубине от трех метров, собранное тепло нагревает воду, циркулирующую в теплых полах внутри дома.

Существует вариант с открытым внешним коллектором, когда можно обойтись двумя скважинами: одна — для забора грунтовых вод, а вторая — для слива обратно в водоносный слой. Такой вариант возможен только при хорошем качестве жидкости, потому что фильтры быстро засоряются, если в составе теплоносителя имеется слишком много солей жесткости или взвешенных микрочастиц. Перед монтажом надо обязательно сделать анализ воды.

Если пробуренная скважина быстро заиливается или вода содержит много солей жесткости, тогда стабильная работа ТН обеспечивается бурением большего количества отверстий в земле. В них опускают петли герметичного внешнего контура. Затем скважины закупоривают с помощью тампонажа из смеси глины и песка.

Тепловые насосы типа «грунт – вода», «грунт – воздух»

На глубине ниже 10 м температура грунта практически постоянна в течение всего года. Насосы типа «грунт – вода» используют тепловую энергию земли и передают ее для обогрева дома через систему водяного отопления. В тепловых насосах, работающих по принципу «грунт – воздух», тепловая энергия также отбирается у грунта и через компрессор напрямую передается воздуху, который используется для отопления зданий.

Механизм теплообмена следующий:

• Энергия, отобранная от земли, аккумулируется носителем, в качестве которого чаще всего используется незамерзающая жидкость — антифриз («рассол»).
• Опускаясь вниз по теплообменнику, «рассол» отбирает у грунта тепло (примерно 3 — 4 °С) и передает его фреону, циркулирующему во внутреннем контуре теплового насоса.
• Фреон, проходя через каналы испарителя, закипает и испаряется.
• Образовавшийся при этом пар поступает в компрессор, сжимается там (при этом температура его повышается), после чего горячий и сжатый пар направляется в теплообменник конденсатора, где охлаждается, передавая тепло воде.
• Вода используется в системе отопления и горячего водоснабжения, а жидкий фреон стекает на дно конденсатора, откуда, за счет перепада давлений, через дроссель возвращается в испаритель.
• Данный порядок цикличен — повторяется снова и снова.

Теплообменник в тепловых насосах типа «грунт – вода» бывает двух видов:

1. Горизонтальный коллектор.
2. Вертикальный коллектор.

Горизонтальный коллектор

При данной реализации отбирается тепло, накопленное в верхних слоях почвы в результате солнечного излучения, и коллектор представляет собой несколько контуров пластиковых труб, уложенных под слоем грунта.

Для эффективной работы системы, исходя из особенностей грунта, его теплопроводности и геометрии участка, выбирается определенная схема укладки труб – петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм. Также, эффективность теплообмена увеличивается на влажных грунтах и уменьшается на сухих песчаных участках.

Для отопления дома площадью 70 — 100 м² достаточно уложить приблизительно 200 — 320 м трубопровода несколькими петлями-контурами. Для этого нужен участок площадью примерно 150 — 200 м², то есть в 1,5 — 2 раза больше, чем отапливаемая площадь дома. Дальнейшее использование такого участка над коллектором возможно только в качестве лужайки или цветника.

Главное преимущество использования горизонтального коллектора в связке с тепловым насосом — простота монтажа и то, что при прочих равных условиях работы по монтажу оборудования обойдутся немного дешевле, чем бурение скважин.

Вертикальный коллектор

Грунтовые зонды вертикального коллектора представляют собой систему длинных труб, опускаемых в скважины глубиной 50-200 м.

Пространство в скважине вокруг зонда заполняется буровым раствором или цементно-бетонной смесью для защиты труб от повреждений и улучшения теплопередачи. Для дома площадью 70 — 100 м² понадобится 2 — 3 скважины глубиной около 50 м. Располагать скважины следует не ближе 2 м от стены дома, чтобы не повредить фундамент. Также скважины не должны находиться на одной линии течения подземных вод — иначе эффективность теплового насоса уменьшится.

Для вертикального коллектора не требуется большой участок, а на глубинах от 50 м температура грунта выше, потому эффективность теплообмена при использовании данной системы выше на 15 — 20%, чем у горизонтального коллектора.

Воздушные — сплит и моно

Применять воздушные ТН выгоднее в южных регионах, где температура редко опускается ниже 0 °С, но современное оборудование способно работать и при —25 °С. Чаще всего устанавливают сплит-системы, состоящие из внутридомового и наружного блоков. Внешний комплект состоит из вентилятора, обдувающего радиаторную решетку, внутренний — из конденсаторного теплообменника и компрессора.

Конструкцией сплит-систем предусматривается реверсивное переключение режимов работы с помощью клапана. Зимой внешний блок является генератором тепла, а летом наоборот — отдает его наружному воздуху, работая как кондиционер. Воздушные ТН отличаются предельно простым монтажом внешнего блока.

Другие преимущества:

1. Высокая эффективность работы наружного блока обеспечивается большой площадью теплообмена радиаторной решетки испарителя.
2. Бесперебойная работа возможна при температуре наружного воздуха до —25 °С.
3. Вентилятор размещается за пределами помещения, поэтому уровень шума находится в допустимых пределах.
4. Летом сплит-система работает как кондиционер.
5. Автоматически поддерживается заданная температура внутри помещения.

Проектируя отопление зданий, расположенных в регионах с продолжительной и морозной зимой, необходимо учитывать низкую эффективность воздушных ТН при отрицательных температурах. На 1 кВт затраченной электроэнергии приходится 1,5–2 кВт тепла. Поэтому надо предусматривать дополнительные источники теплоснабжения.

Самый простой монтаж ТН возможен в случае применения моноблочных систем. Внутрь помещения заходят только трубки с теплоносителем, а все остальные механизмы находятся снаружи в одном корпусе. Такая конструкция существенно повышает надежность работы оборудования, а также снижает шум до величины менее 35 дБ — это на уровне обычного разговора двух человек.

Основные элементы конструкции тепловых насосов

Для того чтобы установка получения энергии работала согласно принципам работы теплового насоса, в его конструкции должны присутствовать 4 основных агрегата, это:

• Компрессор.
• Испаритель.
• Конденсатор.
• Дроссельный клапан.

Важным элементом конструкции теплового насоса является компрессор. Его основная функция — повышение давления и температуры паров, образующихся в результате кипения хладагента. Для климатической техники и тепловых насосов в частности применяются современные спиральные компрессоры.

В качестве рабочего тела, осуществляющего непосредственный перенос тепловой энергии, используются жидкости с низкой температурой кипения. Как правило, используется аммиак и фреоны (+)

Такие компрессоры рассчитаны на эксплуатацию при минусовых температурах. В отличие от других разновидностей спиральные компрессоры производят мало шума и работают, как при низких температурах кипения газа, так и при высоких температурах конденсации. Несомненным преимуществом считаются их компактные размеры и небольшой удельный вес.

Практически вся энергия теплового насоса затрачивается на транспортировку тепловой энергии извне внутрь помещения. Так на работу систем уходит около 1 энергетической единицы при производстве 4 — 6 единиц (+)

Испаритель как конструктивный элемент представляет собой емкость, в которой происходит превращение в пар жидкого хладагента. Хладагент, циркулируя по замкнутому контуру, проходит через испаритель. В нем хладагент разогревается и превращается в пар. Образующийся пар под низким давлением направляется в сторону компрессора.

В компрессоре пары хладагента подвергаются действию давления и их температура возрастает. Компрессор перекачивает под большим давлением разогретый пар в сторону конденсатора.

Компрессор сжимает циркулирующую по контуру среду, в результате чего увеличивается ее температура и давление. Затем сжатая среда поступает в теплообменник (конденсатор), где охлаждается, передавая тепло воде либо воздуху

Следующий конструктивный элемент системы — конденсатор. Его функция сводится к отдаче тепловой энергии внутреннему контуру отопительной системы.

Серийные образцы, изготавливаемые промышленными предприятиями, оснащаются пластинчатыми теплообменниками. Основным материалом для таких конденсаторов служит легированная сталь или медь.

Для самостоятельного изготовления теплообменника подойдет медная трубка диаметром полдюйма. Толщина стенок труб, используемых для изготовления теплообменника, должна быть не менее 1 мм

Терморегулирующий, или иначе дроссельный, клапан устанавливается в начале той части гидравлического контура, где циркулирующая среда высокого давления преобразуется в среду с низким давлением. Точнее дроссель в паре с компрессором делят контур теплового насоса на две части: одну с высокими параметрами давления, другую — с низкими.

При прохождении через расширительный дроссельный вентиль циркулирующая по замкнутому контуру жидкость частично испаряется, вследствие чего давление вместе с температурой падают. Затем поступает в теплообменник, сообщающийся с окружающей средой. Там захватывает энергию среды и переносит ее обратно в систему.

С помощью дроссельного клапана происходит регулирование потока хладагента в сторону испарителя. При выборе клапана нужно учитывать параметры системы. Клапан должен соответствовать этим параметрам.

При прохождении через теплорегулирующий клапан жидкий теплоноситель частично испаряется, а температура потока понижается (+)

Устройство и принцип действия теплового насоса

По мере погружения в земную кору, на поверхности которой мы живём и чья толщина составляет на суше около 50–80 км, повышается её температура — это связано с близостью верхнего слоя магмы, температура которого примерно равна 1300 °С. На глубине от 3 метров температура грунта в любое время года положительная, с каждым километром глубины она повышается в среднем на 3–10 °С. Рост температуры грунта с его глубиной зависит не только от климатической зоны, но и от геологии грунтов, а также эндогенной активности в данном районе Земли. К примеру, в южной части африканского континента рост температуры на километр глубины грунта составляет 8 °С, а в штате Орегон (США), на территории которого отмечена достаточно высокая эндогенная активность — 150 °С на каждый километр глубины. Однако для эффективной работы теплового насоса подводящий к нему тепло внешний контур вовсе не нужно зарывать на сотни метров под землю — источником тепловой энергии может быть любая среда, имеющая температуру больше 0 °С.

Тепловой насос осуществляет перенос тепловой энергии из воздуха, воды или грунта, повышая в процессе переноса температуру до необходимой за счёт компрессии (сжатия) хладагента. Существует два основных типа тепловых насосов — компрессионные и сорбционные.

Принципиальное устройство компрессионного теплового насоса: 1 — земля; 2 — циркуляция рассола; 3 — циркуляционный насос; 4 — испаритель; 5 — компрессор; 6 — конденсатор; 7 — система отопления; 8 — хладагент; 9 — дроссель

Несмотря на сбивающее с толку название, компрессионные тепловые насосы относятся не к отопительным, а к холодильным устройствам, поскольку работают по тому же принципу, что и любые холодильники или кондиционеры. Отличие теплового насоса от хорошо известных нам холодильных установок в том, что для его работы требуется, как правило, два контура — внутренний, в котором циркулирует хладагент, и внешний, с циркуляцией теплоносителя.

В процессе работы этого устройства хладагент внутреннего контура проходит следующие этапы:

• охлаждённый хладагент в жидком состоянии поступает по контуру через отверстие капилляра в испаритель. Под влиянием быстрого понижения давления хладагент испаряется и переходит в газообразное состояние. Двигаясь по изогнутым трубкам испарителя и контактируя в процессе движения с газообразным или жидким теплоносителем, хладагент получает от него низкотемпературную тепловую энергию, после чего поступает в компрессор;
• в камере компрессора хладагент сжимается, при этом резко возрастает его давление, что вызывает повышение температуры хладагента;
• из компрессора горячий хладагент следует по контуру в змеевик конденсатора, выступающий в роли теплообменника — здесь хладагент отдаёт тепло (порядка 80–130 °С) теплоносителю, циркулирующему в отопительном контуре дома. Утратив большую часть тепловой энергии, хладагент возвращается в жидкое состояние;
• при прохождении через расширительный клапан (капилляр) — он расположен во внутреннем контуре теплового насоса, следующим после теплообменника — остаточное давление в хладагенте снижается, после чего тот поступает в испаритель. С этого момента рабочий цикл повторяется вновь.

Принцип работы воздушного теплового насоса

Таким образом, внутреннее устройство теплового насоса состоит из капилляра (расширительного клапана), испарителя, компрессора и конденсатора. Работой компрессора управляет электронный терморегулятор, прекращающий подачу электропитания к компрессору и останавливающий тем самым процесс выработки тепла при достижении заданной температуры воздуха в доме. При снижении температуры ниже определённого уровня, терморегулятор в автоматическом режиме включает компрессор.

В качестве хладагента во внутреннем контуре теплового насоса циркулируют фреоны R-134а или R-600а — первый на основе тетрафторэтана, второй на основе изобутана. Оба данных хладагента — безопасны для озонового слоя Земли и экологически чисты. Компрессионные тепловые насосы могут иметь привод от электромотора или от двигателя внутреннего сгорания.

В сорбционных тепловых насосах используется абсорбция — физико-химический процесс, в ходе которого газ или жидкость увеличиваются в объёме за счёт другой жидкости под воздействием температуры и давления.

Принципиальная схема абсорбционного теплового насоса: 1 — нагреваемая вода; 2 — охлаждаемая вода; 3 — греющий пар; 4 — нагретая вода; 5 — испаритель; 6 — генератор; 7 — конденсатор; 8 — неконденсирующиеся газы; 9 — вакуумный насос; 10 — конденсат греющего пара; 11 — растворный теплообменник; 12 — газоотделитель; 13 — абсорбер; 14 — растворный насос; 15 — насос хладагента

Абсорбционные тепловые насосы оборудованы термическим компрессором, работающим на природном газе. В их контуре находится хладагент (обычно аммиак), испаряющийся при низкой температуре и давлении, поглощая при этом тепловую энергию из среды, окружающей циркуляционный контур. В парообразном состоянии хладагент поступает в теплообменник-абсорбер, где, в присутствии растворителя (как правило, воды), подвергается абсорбции и передаче теплоты растворителю. Подача растворителя производится при помощи термосифона, обеспечивающего циркуляцию за счёт разницы давлений между хладагентом и растворителем, или насоса с низким энергопотреблением в установках большой мощности.

В результате соединения хладагента и растворителя, температура кипения которых различна, тепло, доставленное хладагентом, вызывает испарение их обоих. Хладагент в парообразном состоянии, имеющий высокую температуру и давление, поступает по контуру в конденсатор, переходит в жидкое состояние и отдаёт тепло теплообменнику отопительной сети. После прохождения через расширительный клапан хладагент переходит в исходное термодинамическое состояние, аналогичным образом возвращается в исходное состояние растворитель.

Преимущества абсорбционных тепловых насосов — в возможности работы от любого источника тепловой энергии и полном отсутствии движущихся элементов, т. е. бесшумности. Недостатки — меньшая мощность, по сравнению с компрессионными агрегатами, высокая стоимость, объясняющаяся сложностью конструкции и потребностью в использовании устойчивых к коррозии материалов, сложно поддающихся обработке.

Абсорбционная теплонасосная установка

В адсорбционных тепловых насосах используются твёрдые материалы, как силикагель, активированный уголь или цеолит. В ходе первого рабочего этапа, называемого фазой десорбции, к камере теплообменника, покрытой изнутри сорбентом, подводится тепловая энергия, к примеру, от газовой горелки. Нагрев вызывает парообразование хладагента (воды), полученный пар доставляется ко второму теплообменнику, в первой фазе отдающему полученное при конденсации пара тепло в отопительную систему. Полное осушение сорбента и завершение конденсации воды во втором теплообменнике завершает первый этап работы — подача тепловой энергии в камеру первого теплообменника прекращается. На втором этапе теплообменник с конденсированной водой становится испарителем, доставляя хладагенту тепловую энергию из внешней среды. В результате соотношения давлений, достигающего 0,6 кПа, при контакте тепла из внешней среды хладагент выпаривается — водяной пар поступает обратно в первый теплообменник, где адсорбируется в сорбент. Тепло, которое отдаёт пар в процессе адсорбции, передаётся системе отопления, после чего цикл повторяется. Следует отметить, что адсорбционные тепловые насосы для использования в бытовых целях не подходят — предназначены лишь для зданий большой площади (от 400 м2), менее мощные модели находятся всё ещё в стадии разработки.

Использование тепловых установок в мире

Практика применения таких тепловых агрегатов в мире насчитывает уже более 50 лет. Главными движущими причинами такого явления стало удорожание традиционных энергетических ресурсов и повсеместная поддержка правительствами многих стран использования альтернативных источников энергии.

Поэтому количество тепловых насосов постоянно растет высокими темпами – до 10 — 30% в год, несмотря на высокую стоимость установки. Количество таких устройств в настоящее время составляет уже более 270 штук. Наиболее активно тепловые системы применяются в США и Канаде. На них приходится до половины установок, используемых во всем мире.

Россия, несмотря на положительные условия для применения тепловых насосов, отстает от мировых тенденций в их использовании. Здесь, по-видимому, играет роль наша убежденность в полной обеспеченности природными ресурсами. При этом, далеко не во всех населенных пунктах страны имеются газопроводы. Мировой опыт использования тепловых наcосов говорит о положительных тенденциях в развитии их использования.

Разновидности тепловых насосов: аэротермальные, гидротермальные, геотермальные

Существует три основных вида тепловых насосов. Они отличаются источником получения тепла, ценой оборудования и стоимостью монтажа, параметрами работы.

1. Аэротермальные -воздушные тепловые насосы. Используют тепло из окружающего воздуха, из атмосферы. Особенность этого вида тепловых насосов в том, что для их монтажа не нужно тратиться на бурение скважин, рыть траншеи и проводить какие-либо иные трудоёмкие земляные работы – все узлы агрегата располагаются на поверхности. Это важный плюс, так как сметная стоимость существенно снижается, как и затраты времени на монтаж.

При всех перечисленных преимуществах у аэротермальных насосов есть один важный недостаток – они перестают работать при серьезных морозах. На их стабильную работу можно рассчитывать только при температуре не ниже -25℃, по этой причине воздушные насосы не могут полностью обогреть помещение при похолодании в регионах с суровыми зимами.ТН не «тянет» сильные морозы. При падении температуры воздуха до -25° и ниже, он не будет справляться с отоплением дома, поэтому в этом случае необходимо иметь дополнительный теплогенератор – электрический обогреватель или камин. В этом случае чаще используют комбинацию теплового насоса и электрического котла. При достижении уличной температуры -18-22℃, воздушный тепловой насос отключается, а электрический тэн полностью его замещает.

Еще один важный фактор, который нужно учитывать при выборе такого оборудования – это средняя влажность воздуха в том районе, где находится ваш дом. Идеальный вариант для таких систем – низкий уровень влажности и мягкие зимы. Если климат влажный и холодный, то установка воздушных тепловых насосов нецелесообразна: тепловые установки будут обледеневать и большее время стоять в режиме оттайки.

2. Гидротермальные (водяные) насосы. Используют тепло воды близлежащего водоёма или грунтовых вод. Такие установки отличаются высокой стабильностью и эффективностью работы благодаря высокому коэффициенту теплоотдачи воды и низкому уровню температурных колебаний. Гидротермальный тепловой насос имеет смысл купить в следующих случаях:

• на участке, где расположен ваш дом, залегают грунтовые воды в достаточном объёме или есть водоём;
• глубина залегания грунтовых вод – не более 40 метров;
• вода обладает свойствами, необходимыми для стабильной работы оборудования (низкий уровень содержания железа и иных примесей)

Скважины. Вариант со скважинной водой в качестве источника тепла наиболее сложный в монтаже и затратный. Он предполагает бурение двух скважин: одна будет служить для забора воды, другая – для её сброса.

Водоёмы. Какие водоёмы могут использоваться? К их числу относятся море, река или озеро, которые должны быть расположены не далее 50 метров от дома. Коллектор (трубы с хладагентом) укладывают на дно водоёма и утяжеляют грузом. Благодаря высокой температуре рабочей жидкости обеспечивается высокий КПД установки и существенная экономия на отоплении. Тем, кто живёт в регионе с мягким климатом, на побережье моря, или неподалёку от глубокого озера или реки, водяной тепловой насос способен стать источником бесплатной энергии на долгие годы.

Стоки. Еще один источник воды, который может использоваться такими насосами – это канализационные стоки. Они успешно применяются в качестве источника тепла для систем горячего водоснабжения и отопления – как частных домов, так и многоэтажек.

3. Геотермальные (грунтовые) насосы. Такой агрегат для подогрева рабочей жидкости в испарителе использует тепло грунта. Это бесконечный источник энергии, так как температура грунта ниже уровня промерзания не меняется и не зависит от погодных условий. Уже на глубине 3 метра температура грунта варьируется от +5 до +8℃, а на 10 метрах она составляет уже +10 ℃.

Системы отопления, основой которых является геотермальный насос тепла, имеют высокую эффективность, могут круглогодично поддерживать в доме комфортный микроклимат.

Использование грунтового теплового насоса подразумевает закладку трубопровода с хладагентом в грунт рядом с домом. При этом существует два варианта размещения трубы системы.

Вертикальный геотермальный зонд. В этом случае трубы располагаются в вертикальной плоскости. Глубина их размещения может достигать 100 метров, что делает этот вариант достаточно затратным. Еще один нюанс – необходимость согласования с надзорными органами бурения скважин такой глубины. Преимуществом такого технического решения является экономия площади участка.

Альтернативой глубокой закладки труб является схема, при которой используются несколько геотермальных вертикальных зондов. Они заглубляются в грунт на 20 метров и располагаются на расстоянии 5-7 метров друг от друга. При использовании такого метода эффективность зондов (удельный теплосъём) определяется типом грунта. Наиболее выигрышный – это каменистая обводненная почва, которая хорошо проводит тепло (70 Вт/м). Влажные осадочные породы обеспечивают до 50 Вт/м. Наименее «эффективны» будут сухие осадочные породы – в этом случае теплосъём не будет превышать 30 Вт/м.

Подытожим: устройство геотермальных вертикальных зондов обходится дорого из-за глубокого бурения, однако имеет свои преимущества: высокий удельный теплосъем, гарантированная стабильность температуры, экономия площади участка и минимальные повреждения ландшафта.

Горизонтальный контур (коллектор). При такой схеме расположения труб они помещаются в грунт на незначительную глубину (ниже уровня промерзания грунта – от 1,2 до 3 метров), и располагаются на большой площади. Длина труб геоконтура в каждом отдельном случае рассчитывается индивидуально. Для этой цели могут быть использованы полиэтиленовые трубы разного диаметра (от 25 до 40 мм), которые располагаются на расстоянии 500-1000 мм друг от друга.

В зависимости от проекта коллектор может иметь разную форму (спираль, зигзаг, петли и т.д.). После закладки трубы коллектора заполняются рабочей жидкостью (антифризом), который вбирает тепло от грунта, перемещает его к тепловому насосу и отдаёт хладагенту. После этого охлажденный антифриз снова возвращается в подземный контур и цикл повторяется.

Эффективность насоса определяется характеристиками грунта, как источника тепла. К примеру, насыщенная влагой глина обеспечивает до 25 Вт на метр трубы, сухая глина 15-18 Вт/м, песок (сухой) — 10 Вт/м. Для примера – чтобы обеспечить отопление дома площадью 100 м2, потребуется свободная территория площадью в 400 квадратных метров. Из этого можно сделать вывод, что геотермальные насосы с горизонтальным коллектором подойдут владельцам участков с большой площадью, которая свободна от построек.