Этой осенью наблюдается обострение в сети по поводу тепловых насосов и их применения для отопления загородных домов и дач. В загородном доме, который я построил своими руками, с 2013 года установлен такой тепловой насос. Это полупромышленный кондиционер, способный эффективно работать на обогрев при уличной температуре до -25 градусов по Цельсию. Он является основным и единственным отопительным прибором в одноэтажном загородном доме общей площадью 72 квадратных метра.
2. Коротко напомню предысторию. Четыре года назад был куплен участок 6 соток в садовом товариществе, на котором, я, своими руками, без привлечения наемной рабочей силы, построил современный энергоэффективный загородный дом. Предназначение дома - вторая квартира, расположенная на природе. Круглогодичная, но не постоянная эксплуатация. Требовалась максимальная автономность в совокупности с простой инженерией. В районе расположения СНТ отсутствует магистральный газ и на него рассчитывать не стоит. Остается привозное твердое или жидкое топливо, но все эти системы требуют сложной инфраструктуры, стоимость возведения и содержания которой сопоставимо с прямым отоплением электричеством. Таким образом выбор уже был частично предопределен - электрическое отопление. Но здесь возникает второй, не менее важный момент: ограничение электрических мощностей в садовом товариществе, а также достаточно высокие тарифы на электроэнергию (на тот момент - не «сельский» тариф). По факту на участок выделено 5 квт электрической мощности. Единственный выход в данной ситуации - использовать тепловой насос, который позволит сэкономить на отоплении примерно в 2,5-3 раза, по сравнению с прямой конвертацией электрической энергии в тепловую.
Итак, переходим к тепловым насосам. Они различаются по тому, откуда они забирают тепло и по тому, куда его отдают. Важный момент, известный из законов термодинамики (8 класс средней школы) - тепловой насос не производит тепло, он его переносит. Именно поэтому его КОП (коэффициент преобразования энергии) всегда больше 1 (то есть тепловой насос всегда отдает тепла больше, чем потребляет из сети).
Классификация тепловых насосов следующая: «вода - вода», «вода - воздух», «воздух - воздух», «воздух - вода». Под «водой» указываемой в формуле слева подразумевается отбор тепла от жидкого циркулирующего теплоносителя проходящего по трубам находящимся в земле или водоеме. Эффективность таких систем практически не зависит от времени года и температуры окружающего воздуха, но они требуют дорогостоящих и трудоемких земляных работ, а также наличие достаточных свободных площадей под укладку грунтового теплообменника (на котором, впоследствии будет плохо что-либо расти летом, ввиду вымораживания грунта). Под «водой» указываемой в формуле справа подразумевается отоплительный контур, находящийся внутри здания. Это может быть как система радиаторов, так и жидкостные теплые полы. Такая система также потребует сложных инженерных работ внутри здания, но при этом имеет и свои плюсы - с помощью такого теплового насоса можно заодно получить горячую воду в доме.
Но самым интересной выглядит категория тепловых насосов класса «воздух - воздух». По сути это самые обычные кондиционеры. Во время работы на обогрев они забирают тепло из уличного воздуха и переносят его на воздушный теплобменник находящийся внутри дома. Несмотря на некоторые недостатки (серийные модели не могут работать при температурах окружающего воздуха ниже -30 градусов по Цельсию), они имеют колоссальное преимущество: такой тепловой насос очень легко установить и его стоимость сопоставима с обычным электрическим отоплением с помощью конвекторов или электрокотла.
3. На основании этих рассуждений был выбран канальный полупромышленный кондиционер Mitsubishi Heavy, модель FDUM71VNX. По состоянию на осень 2013 года, комплект состоящий из двух блоков (внешний и внутренний) стоил 120 тысяч рублей.
4. Внешний блок установлен на фасаде с северной стороны дома, там где меньше всего ветра (это важно).
5. Внутренний блок установлен в холле под потолком, от него с помощью гибких шумоизолированных воздуховодов обеспечена подача горячего воздуха во все жилые помещения внутри дома.
6. Т.к. подача воздуха находится под потолком (организовать подачу горячего воздуха около пола в каменном доме решительно невозможно), то очевидно, что забирать воздух нужно на полу. Для этого с помощью специального короба забор воздуха был опущен на пол в коридоре (во всех межкомнатных дверях также установлены переточные решетки в нижней части). Рабочий режим - 900 кубометров воздуха в час, за счет постоянной и стабильной циркуляции совершенно нет разницы по температуре воздуха между полом и потолком в любой части дома. Если быть точным, то разница составляет 1 градус по Цельсию, это даже меньше, чем при использовании настенных конвекторов под окнами (с ними перепад температуры между полом и потолком может достигать 5 градусов).
7. Кроме того, что внутренний блок кондиционера за счет мощной крыльчатки способен прогонять в режиме рециркуляции большие объемы воздуха по дому, не нужно забывать о том, что для людей наобходим свежий воздух в доме. Поэтому система отопления также выполняет роль системы вентиляции. По отдельному воздушному каналу с улицы в дом подается свежий воздух, который при необходимости подогревается (в холодное время года) с помощью автоматики и канального ТЭНа.
8. Раздача горячего воздуха осуществляется через вот такие решетки, расположенные в жилых комнатах. Также стоит обратить внимание на то, что в доме нет ни одной лампы накаливания и используются исключительно светодиоды (запомните этот момент, это важно).
9. Отработанный «грязный» воздух удаляется из дома через вытяжку в санузле и на кухне. Горячая вода готовится в обычном накопительном водонагревателе. Вообще, это достаточно большая статья расходов, т.к. колодезная вода очень холодна (от +4 до +10 градусов по Цельсию в зависимости от времени года) и кто-то может резонно заметить, что можно использовать солнечные коллекторы для нагрева воды. Да, можно, но стоимость вложений в инфраструктуру такова, что за эти деньги можно греть воду напрямую электричеством в течение 10 лет.
10. А это - «ЦУП». Главный и основной пульт управления воздушным тепловым насосом. У него есть различные таймеры и простейшая автоматика, но мы используем только два режима: вентиляция (в теплое время года) и нагрев (в холодное время года). Построенный дом оказался настолько энергоэффективным, что кондиционер в нём ни разу не использовался по прямому назначению - для охлаждения дома в жару. В этом большую роль сыграло и светодиодное освещение (теплоотдача от которого стремится к нулю) и очень качественное утепление (шутка ли, после обустройства газона на крыше нам даже пришлось этим летом использовать тепловой насос для обогрева дома - в дни, когда среднесуточная температура опускалась ниже +17 градусов по Цельсию). В доме круглогодично поддерживается температура не ниже +16 градусов по Цельсию, независимо от наличия в нём людей (когда в доме люди, то температура устанавливается +22 градуса по Цельсию) и никогда не выключается приточная вентиляция (потому, что лень).
11. Счетчик технического учета электроэнергии был установлен осенью 2013 года. То есть ровно 3 года назад. Нетрудно подсчитать, что среднегодовое потребление электрической энергии составляет 7000 квтч (на самом деле сейчас эта цифра немного меньше, т.к. в первый год расход был большим из-за использования осушителей во время отделочных работ).
12. В заводской комплектации кондиционер способен работать на обогрев при температуре окружающего воздуха не ниже -20 градусов по Цельсию. Для работы при более низких температурах требуется доработка (на самом деле она актуальна при эксплуатации даже при температуре -10, если на улице высокая влажность) - установка греющего кабеля в дренажный поддон. Это необходимо для того, чтобы после цикла разморозки внешнего блока вода в жидком состоянии успела покинуть дренажный поддон. Если она не успеет это сделать, то в поддоне будет намерзать лед, который впоследствии выдавит раму с вентилятором, что, вероятно, приведет к обламыванию лопастей на нём (можете посмотреть фотографии обломанных лопастей в интернете, я сам с этим чуть не столкнулся т.к. положил греющий кабель не сразу).
13. Как я уже упоминал выше - в доме везде используется исключительно светодиодное освещение. Это важно, когда речь заходит о кондиционировании помещения. Возьмем стандартную комнату, в которой расположено 2 светильника, по 4 лампы в каждом. Если это лампы накаливания мощностью 50 ватт, то суммарно они потребляют 400 ватт, в то время как светодиодные лампы будут потреблять менее 40 ватт. А вся энергия, как мы знаем из курса физики, в конечном итоге все равно превращается в тепловую. То есть освещение на лампах накаливания это такой неплохой обогреватель средней мощности.
14. Теперь поговорим о том, как работает тепловой насос. Всё, что он делает - переносит тепловую энергию из одного места в другое. Именно по такому принципу работают и холодильники. Они переносят тепло из холодильной камеры в помещение.
Есть такая хорошая загадка: Как изменится температура в комнате, если в ней оставить включенный в розетку холодильник с открытой дверцей?
Правильный ответ - температура в комнате будет расти. Для просты понимания это объяснить можно так: комната это замкнутый контур, в него по проводам поступает электричество. Как мы знаем энергия в конечном итоге превращается в тепловую. Именно поэтому температура в комнате и будет расти, ведь в замкнутый контур извне поступает электричество и в нём же остается.
Немного теории. Теплота это форма энергии, которая передается между двумя системами из-за разницы температур. При этом тепловая энергия переходит из места с высокой температурой к месту с более низкой температурой. Это естественный процесс. Перенос тепла может осуществляться за счет теплопроводности, теплового излучения или путём конвекции.
Существует три классических агрегатных состояния вещества, преобразование между которыми осуществляется в результате изменения температуры или давления: твердое, жидкое, газообразное.
Для изменения агрегатного состояния тело должно либо получить, либо отдать тепловую энергию.
При плавлении (переход из твердого состояния в жидкое) поглощается тепловая энергия.
При испарении (переход из жидкого состояния в газообразное) поглощается тепловая энергия.
При конденсации (переход из газообразного состояния в жидкое) выделяется тепловая энергия.
При кристаллизации (переход из жидкого состояния в твердое) выделяется тепловая энергия.
Тепловой насос использует в работе два переходных режима: испарение и конденсацию, то есть оперирует веществом, находящимся либо в жидком, либо в газообразном состоянии.
15. В качестве рабочего тела в контуре теплового насоса используется хладагент R410a. Это фторуглеводород, закипающий (переход из жидкого состояния в газообразное) при очень низкой температуре. А именно, при температуре - 48,5 градусов по Цельсию. То есть, если обычная вода при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре +100 градусов по Цельсию, то фреон R410a кипит при температуре почти на 150 градусов ниже. Более того, при сильно отрицательной температуре.
Именно это свойство хладагента используется в тепловом насосе. Путем целеправленного измерения давления и температуры ему можно придать необходимые свойства. Либо это будет испарение при температуре окружающей с поглощением тепла, либо конденсации при температуре окружающей среды с выделением тепла.
16. Вот как выглядит контур циркуляции теплового насоса. Его основные компоненты: компрессор, испаритель, расширительный клапан и конденсатор. Хладагент циркулирует в замкнутом контуре теплового насоса и попеременно меняет свое агрегатное состояние с жидкого на газообразное и обратно. Именно хладагент передает и переносит тепло. Давление в контуре всегда избыточно по сравнению с атмосферным.
Как это работает?
Компрессор всасывает холодный газообразный хладагент низкого давления поступающий из испарителя. Компрессор сжимает его под высоким давлением. Температура повышается (тепло от работы компрессора также добавляется к хладагенту). На этом этапе мы получается газообразный хладагент высокого давления и высокой температуры.
В таком виде он поступает в конденсатор, обдуваемый более холодным воздухом. Перегретый хладагент отдает свое тепло воздуху и конденсируется. На этом этапе хладагент находится в жидком состоянии, под высоким давлением и со средней температурой.
Далее хладагент поступает в расширительный клапан. В нём происходит резкое снижение давления, вследствие расширения объема, который занимает хладагент. Уменьшение давления приводит к частичному испарению хладагента, что в свою очередь снижает температуру хладагента ниже температуры окружающей среды.
В испарителе давление хладагента продолжает снижаться, он еще сильнее испаряется, а необходимое для этого процесса тепло отбирается от более теплого наружного воздуха, который при этом охлаждается.
Полностью газообразный хладагент снова поступает в компрессор и цикл замыкается.
17. Попробую еще раз объяснить попроще. Хладагент кипит уже при температуре -48,5 градусов по Цельсию. То есть, условно говоря при любой более высокой температуре окружающей среды он будет иметь избыточное давление и в процессе испарения забирать тепло из окружающей среды (то есть уличного воздуха). Есть хладагенты используемые в низкотемпературных холодильниках, у них температура кипения еще ниже, вплоть до -100 градусов по Цельсию, но его не получится использовать для работы теплового насоса на охлаждение помещения в жару из-за очень высокого давления при высоких температурах окружающей среды. Хладагент R410a это некий баланс между возможностью работы кондиционера как на нагрев, так и охлаждение.
Вот, кстати, хороший документальный фильм снятый в СССР и рассказывающий о том, как устроен тепловой насос. Рекомендую.
18. Любой ли кондиционер можно использовать для работы на обогрев? Нет, не любой. Хотя на фреоне R410a и работают почти все современные кондиционеры, не менее важны и другие характеристики. Во-первых кондиционер должен иметь четырехходовой клапан, позволяющий так сказать переключиться на «реверс», а именно поменять местами конденсатор и испаритель. Во-вторых, обратите внимание, что компрессор (он расположен справа снизу) находится в теплоизолированном кохуже и имеет электрический подогрев картера. Это нужно для того, чтобы всегда поддерживать положительную температуру масла в компрессоре. По факту, при температуре окружающей среды ниже +5 градусов по Цельсию даже в выключенном состоянии кондиционер потребляет 70 ватт электрической энергии. Второй, важнейший момент - кондиционер должен быть инверторным. То есть и компрессор и электромотор крыльчатки должны иметь возможность изменять производительность в процессе работы. Именно это позволяет тепловому насосу эффективно работать на обогрев при наружной температуре ниже -5 градусов по Цельсию.
19. Как мы знаем, на теплообменнике внешнего блока, который является испарителем во время работы на обогрев, происходит интенсивное испарение хладагента с поглощением тепла из окружающей среды. Но в уличном воздухе находятся пары воды в газообразном состоянии, которые конденсируются, а то и кристаллизуются на испарителе из-за резкого снижения температуры (уличный воздух отдает свою теплоту хладагенту). А интенсивное обмерзание теплообменника приведет к снижению эффективности теплоосъема. То есть, по мере снижения температуры окружающей среды необходимо «притормозить» и компрессор и крыльчатку, чтобы обеспечить наиболее эффективный теплосъем на поверхности испарителя.
Идеальный тепловой насос работающий только на обогрев должен иметь площадь поверхности внешнего теплообменника (испарителя) в несколько раз превышающую площадь поверхности внутреннего теплообменника (конденсатора). На практике мы возращаемся к тому самому балансу, что тепловой насос должен уметь работать как на обогрев, так и охлаждение.
20. Слева можно видеть практически полностью покрытый инеем внешний теплообменник, кроме двух секций. В верхней, не замерзшей, секции фреон имеет еще достаточно высокое давление, что не позволяет ему эффективно испаряться с поглощением тепла из окружающей среды, в нижней же секции он уже перегрет и не может больше забирать тепло извне. А фотография справа дает ответ на вопрос почему внешний блок кондиционера был установлен на фасаде, а не спрятан от глаз на плоской кровле. Именно из-за воды, которую нужно отводить от дренажного поддона в холодное время года. Отводить эту воду с кровли было бы значительно сложнее, чем с отмостки.
Как я уже писал, во время работы на обогрев при отрицательной температуре на улице испаритель на внешнем блоке обмерзает, на нём кристаллизуется вода из уличного воздуха. Эффективность обмерзшего испарителя заметно снижается, но электроника кондиционера в автоматическом режиме контролирует эффективность теплосъема и периодически переключает тепловой насос в режим разморозки. По сути режим разморозки это прямой режим кондиционирования. То есть из помещения забирается тепло и переносится на внешний, обмерзший теплообменник, что растопить на нём лед. В это время вентилятор внутреннего блока работает на минимальной скорости, а из воздуховодов внутри дома поступает прохладный воздух. Цикл разморозки обычно длится 5 минут и происходит каждые 45-50 минут. Ввиду высокой тепловой инерционности дома, никакого дискомфорта во время разморозки не ощущается.
21. Вот таблица теплопроизводительности данной модели теплового насоса. Напомню, что номинальное потребление энергии составляет чуть более 2 кВт (ток 10А), а теплоотдача колеблется от 4 кВт при -20 градусах на улице, до 8 кВт при уличной температуре +7 градусов. То есть коэффициент конвертации составляет от 2 до 4. Именно во сколько раз тепловой насос позволяет экономить энергию по сравнению с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую.
Кстати, есть еще один интересный момент. Ресурс у кондиционера при работе на обогрев в разы выше, чем при работе на охлаждение.
22. Осенью прошлого года я установил счетчик электрической энергии Smappee, который позволяет вести статистику энергопотребления по месячно и предоставляет более менее удобную визуализацию проведенных измерений.
23. Smappee был установлен ровно год назад, в последних числах сентября 2015 года. Он также пытается показать стоимость электрической энергии, но делает это исходя из заданных вручную тарифов. А с ними есть важный момент - как известно, у нас повышают цены на электроэнергию 2 раза в год. То есть за представленный период измерений тарифы менялись 3 раза. Поэтому не будем обращать внимание на стоимость, а подсчитаем количество потребленной энергии.
На самом деле с визуализацией графиков потребления у Smappee есть проблемы. Например, самый короткий столбец слева это потребление за сентябрь 2015 года (117 квтч), т.к. у разработчиков что-то пошло не так и на экране за год почему-то 11, а не 12 столбцов. Но суммарные цифры потребления подсчитаны безошибочно.
А именно, 1957 квтч за 4 месяца (включая сентябрь) в конце 2015 года и 4623 квтч за весь 2016 год с января по сентябрь включительно. То есть суммарно было израсходовано 6580 квтч на ВСЁ жизнеообеспечение загородного дома, который круглогодично отапливался, независимо от нахождения в нём людей. Напомню, что летом этого года впервые пришлось использовать тепловой насос для обогрева, а на охлаждение летом он не работал ни разу за все 3 года эксплуатации (кроме автоматических циклов разморозки, разумеется). В рублях, по текущим тарифам в Московской области это менее 20 тысяч рублей в год или около 1700 рублей в месяц. Напомню, что в эту сумму входит: отопление, вентиляция, нагрев воды, плита, холодильник, освещение, электроника и техника. То есть это фактически в 2 раза дешевле, чем ежемесячная плата за квартиру в Москве аналогичной площади (разумеется без учета взносов на содержание, а также сборов на капитальный ремонт).
24. А теперь давайте подсчитаем сколько же денег позволил сэкономить тепловой насос в моём случае. Сравнивать будем электрическим отоплением, на примере электрокотла и радиаторов. Считать буду по докризисным ценам, которые были на момент установки теплового насоса осенью 2013 года. Сейчас тепловые насосы подорожали из-за обвала курса рубля, а техника вся импортная (лидеры по производству тепловых насосов - японцы).
Электрическое отопление:
Электрический котел - 50 тыс рублей
Трубы, радиаторы, фитинги и т.д. - еще 30 тыс. рублей. Итого материалов на 80 тысяч рублей.
Тепловой насос:
Канальный кондиционер MHI FDUM71VNXVF (внешний и внутренний блок) - 120 тыс. рублей.
Воздуховоды, адаптеры, теплоизоляция и т.д. - еще 30 тыс. рублей. Итого материалов на 150 тысяч рублей.
Установка своими руками, но в обоих случаях по времени это примерно одинаково. Итого «переплата» за тепловой насос по сравнению с электрокотлом: 70 тысяч рублей.
Но это не всё. Воздушное отопление с помощью теплового насоса это заодно кондиционер в теплое время года (то есть кондиционер все равно нужно ставить, так ведь? значит добавим еще минимум 40 тысяч рублей) и вентиляция (обязательна в современных герметичных домах, еще минимум 20 тысяч рублей).
Что имеем? «Переплата» в комплексе составляет всего 10 тысяч рублей. Это еще только на стадии ввода системы отопления в эксплуатацию.
А дальше начинается эксплутация. Как я уже писал выше, в самые холодные зимние месяцы коэффициент преобразования составляет 2,5, а в межсезонье и летом можно принять его равным 3,5-4. Возьмем усредненный годовой СОР равный 3. Напомню, что за год в доме расходуется 6500 квтч электрической энергии. Это суммарное потребление на все электрические приборы. Возьмем для простоты расчетов по минимуму, что тепловой насос потребляет из этой суммы всего лишь половину. То есть 3000 квтч. При этом в среднем за год он отдал 9000 квтч тепловой энергии (6000 квтч «притащил» с улицы).
Переведем перенесенную энергию в рубли, предположив, что 1 квтч электрической энергии стоит 4,5 рубля (усредненный дневной/ночной тариф в Московской области). Получаем 27000 рублей экономии, по сравнению с электрическим отоплением только за первый год эксплуатации. Вспомним, что разница на стадии ввода системы в эксплуатацию составляла всего 10 тысяч рублей. То есть уже за первый год эксплуатации тепловой насос СЭКОНОМИЛ мне 17 тысяч рублей. То есть он окупился в первый же год эксплуатации. При этом напомню, что это не постоянное проживание, при котором экономия была бы еще больше!
Но не забываем про кондиционер, который конкретно в моем случае не потребовался ввиду того, что построенный мною дом оказался переутепленным (хотя и используется однослойная стена из газобетона без дополнительного утепления) и он просто не нагревается летом на солнце. То есть скинем 40 тысяч рублей из сметы. Что имеем? ЭКОНОМИТЬ на тепловом насосе в таком случае я стал не с первого года эксплуатации, а со второго. Не велика разница-то.
Но если мы возьмем тепловой насос класса «вода-вода» или даже «воздух-вода», то цифры в смете будут совершенно иными. Именно поэтому тепловой насос «воздух-воздух» это лучшее соотношение цена/эффективность на рынке.
25. И напоследок несколько слов про электрические отопительные приборы. Меня замучали вопросами о всяких инфракрасных обогревателях и нано-технологиях не сжигающих кислород. Отвечу коротко и по делу. Любой электрический обогреватель имеет КПД 100%, то есть вся электрическая энергия переходит в тепловую. На самом деле это касается любых электрических приборов, даже электрическая лампочка дает тепло ровно в том количестве, в котором она его получила из розетки. Если же говорить про инфракрасные обогреватели, то их преимущество заключается в том, что они греют предметы, а не воздух. Поэтому самое разумное применение для них - обогрев на открытых верандах в кафе и на автобусных остановках. Там, где есть необходимость передать тепло напрямую предметам/людям, минуя нагрев воздуха. Аналогичная история про сжигание кислорода. Если где-то в рекламном проспекте вы видите эту фразу, знайте - производитель держит покупателя за лоха. Горение это реакция окисления, а кислород это окислитель, то есть он сам себя сжечь не может. То есть это все бред дилетантов, прогулявших уроки физики в школе.
26. Еще одним вариантом экономии энергии при электрическом отоплении (не важно, прямой конвертацией или с помощью теплового насоса) является использование теплоемкости ограждающих конструкций (или же специального теплоаккумулятора) для накопления тепла при использовании дешевого ночного электрического тарифа. Именно с этим я и буду экспериментировать этой зимой. По моим предварительным расчетам (с учетом того, что в ближайший месяц я буду платить по сельскому тарифу на электроэнергию, т.к. строение уже зарегистрировано как жилой дом), даже несмотря на рост тарифов на электроэнергию, в следующем году я заплачу за содержание дома менее 20 тысяч рублей (за всю потребленную электрическую энергию на отопление, нагрев воды, вентиляцию и технику с учетом того, что в доме круглогодично поддерживается температура примерно 18-20 градусов тепла, независимо от того есть ли в нём люди).
Что в итоге? Тепловой насос в виде низкотемпературного кондиционера класса «воздух-воздух» это самый простой и доступный способ экономии на отоплении, что вдвойне может быть актуально при существовании лимита электрических мощностей. Я полностью доволен установленной отопительной системой и не испытываю какого-либо дискомфорта от её эксплуатации. В условиях Московской области использование воздушного теплового насоса полностью себя оправдывает и позволяет окупить инвестиции не позднее, чем через 2-3 года.
Кстати, не забывайте что у меня еще есть Instagram, в котором я публикую ход работ практически в реальном времени -
Тепловой насос воздух вода трансформирует энергию внешней среды в тепло, обогревающее внутреннее пространство. То есть, с помощью этого устройства жилище или строение можно «отапливать» обычным воздухом. Причем воздух не сгорает в топке, а просто отдает свои калории сложному агрегату – тепловому насосу, который транспортирует эту энергию в помещение и отдает ее системе отопления.
Согласитесь, подобные манипуляции с энергиями похожи на магию. Но ничего фантастического в тепловых насосах подобного типа нет. И в данной статье мы рассмотрим принципы работы и устройство такого агрегата.
Схема работы воздушного теплового насоса скопирована с холодильника или кондиционера, а именно:
- Низкокалорийный энергоноситель (воздух), кипятит хладагент, залитый в циклический контур, который соединяет испаритель (улавливатель тепла) с конденсатором (тепловым излучателем).
- В конденсаторе пары хладагента переходят в иное агрегатное состояние (жидкость) и отдают энергию отопительной системе.
- После этого жидкий хладагент вновь уходит к испарителю, где превращается в пар. И все начинается сначала.
То есть, в работе используется все тот же обратный принцип Карно, но главной частью установки является не испаритель, аккумулирующий тепло из окружающего пространства, а конденсатор, отдающий накопленные калории потребителю.
|
|
При этом цикличность работы установки обеспечивает особый компрессор, который не только прокачивает хладагент по контуру, но и сжимает его, увеличивая тем самым теплоотдачу на конденсаторе. Впрочем, это не единственный силовой агрегат установки – тепловой насос оборудован достаточно мощным вентилятором, который обдувает испаритель.
Ну а в качестве потребителя тепла выступает либо конвектор, разогревающий воздух внутри комнаты, либо система «теплый пол» или иные радиаторы с большой площадью.
А вот со стандартными батареями тепловые вентиляторы работают не очень эффективно.
Причем конвектор с конденсатором монтируют в помещении, а испаритель с вентилятором – либо снаружи, на фасаде, либо во внутренней части вытяжной ветви вентиляционной системы.
Достоинства и недостатки воздушных тепловых насосов
Отзывы о тепловом насосе воздух вода бывают как хорошими, так и плохими. Ведь это устройство при всех неоспоримых достоинствах не лишено и некоторых недостатков.
Причем к достоинствам относятся следующие факты:
- Во-первых, такой агрегат легко смонтировать. Ведь для первичного контура, замкнутого на испаритель, не нужны ни земляные работы, ни водоемы.
- Во-вторых, воздух ест везде, а вот земля, в личной собственности, только за городом, ну а с искусственными или естественными водоемами проблем еще больше. Поэтому воздушные тепловые насосы для отопления можно монтировать даже в городских условиях, не спрашивая разрешение контролирующих инстанций.
- В-третьих, воздушный насос можно объединить с системой вентиляции, используя мощности агрегата для повышения эффективности воздухообмена в помещении.
Кроме того, такой насос работает почти бесшумно и легко программируется.
Ну а неизбежные недостатки можно представить в виде такого списка:
- Эффективность агрегата зависит от температуры окружающего воздуха. Поэтому КПД устройства летом выше, чем в зимнее время.
- Воздушный насос можно включать лишь при относительно слабых морозах. Причем при -7 градусов Цельсия бытовой воздушный насос работать уже не будет. Хотя промышленные агрегаты включаются и при -25 градусах Цельсия.
Кроме того, воздушный насос – это не совсем автономная энергетическая установка. Агрегат потребляет электроэнергию, трансформируя 1 КВт/час в 11-14 МДж.
Воздушный тепловой насос своими руками: схема сборки
В отличие от достаточно сложных геотермальных и гидротермальных систем тепловой насос типа «воздух-вода» доступен для изготовления даже своими силами.
Причем для изготовления воздушной системы нам понадобится сравнительно дешевый набор, состоящий из следующих деталей и узлов:
- Компрессора сплит-системы – его можно приобрести в сервисном центре или в ремонтной мастерской
- 100-литрового бака из нержавейки – его можно снять с любой старой стиральной машины
- Полимерной емкости с широкой горловиной – подойдет обычный бидон или полипропилена.
- Медных труб, с пропускным диаметром более 1 миллиметра. Их придется купить, но это единственная дорогостоящая покупка во всем проекте.
- Набора запорно-регулирующей арматуры, в который войдут сливной кран, клапан для травления воздуха, предохранительный клапан.
- Крепежных элементов – кронштейнов, клипс для труб, хомутов и прочего.
Кроме того, нам понадобится самый дешевый хладагент – фреон и хотя бы простейший блок управления, без которого использование тепловых насосов будет весьма затруднительно, ввиду необходимости синхронизировать работу компрессора с температурой на поверхности испарителя и конденсатора.
Сборка агрегата
Ну а сам процесс сборки выглядит следующим образом:
- Из медной трубы изготавливаем змеевик, габариты которого должны соответствовать поперечному сечению и высоте стального бака.
- Монтируем змеевик в бак, оставляя выпуски медной трубы за его пределами. Далее герметизируем бак и оборудуем впускным (снизу) и выпускным (сверху) штуцером. В итоге, получается первый элемент системы – конденсатор – с готовыми отводами под прямую трубу отопления (верхний штуцер) и обратку (нижний штуцер)
- Монтируем на стене (с помощью кронштейна) компрессор. Соединяем напорный штуцер компрессора с верхним выпуском медной трубы.
- Из медной трубы изготавливаем второй змеевик, габариты которого совпадают с поперечным сечением и высотой полимерного бидона.
- Монтируем змеевик в бидон, установив на его торце вентилятор, нагнетающий воздух на змеевик. Причем из бидона должны выходить два выпуска. В итоге, вся эта конструкция, представляющая собой испаритель системы, монтируется на фасаде или в вентиляционной шахте.
- Соединяем нижний выпуск бака (конденсатора) с нижним выпуском бидона (испарителя), врезав в этот трубопровод управляющий дроссель.
- Соединяем верхний выпуск бидона с всасывающим патрубком компрессора.
Вот, в принципе, и все. Использующая принцип работы воздушного теплового насоса система уже практически готова. Остается только залить хладагент в компрессор и соединить вентиль дросселя с управляющим блоком.
Воздушное отопление тепловым насосом: расчет мощности установки
Мощность теплового насоса зависит от множества факторов, а именно: от объема хладагента, от площади поверхности змеевиков в испарителе и конденсаторе, от предполагаемого объема теплоотдачи системе отопления и так далее. Поэтому, в большинстве случаев, расчет мощности ведется в специальных программах, которые учитывают и другие вводные данные.
В упрощенной форме эти программы оформляются в виде он-лайн «калькуляторов», с открытыми полями для ввода следующих параметров:
- Площади помещения и высоты потолков – они используются для расчета объема.
- Региона, где расположено здание – с помощью этого параметра определяется среднегодовая температура воздуха, влияющая на производительность испарителя.
- Степени утепления задания – с помощью этого параметра определяется ожидаемая «калорийность» системы отопления.
На финальной стадии два последних параметра преобразуются в коэффициенты, на которые умножают объем помещения. Полученную в результате подобных манипуляций цифру сравнивают с табличными значениями, увязывающими мощность насоса с отапливаемым объемом.
В итоге получается, что на отопление дома площадью 100 квадратов, как правило, нужен 5-киловаттный тепловой насос, а жилище на 350 квадратных метров можно отопить 28-киловаттным насосом.
Воздушный тепловой насос: нюансы обслуживания агрегата
Тепловой насос воздух-вода не требует какого-то особого обслуживания, с частичной разборкой/сборкой.
Для поддержания работоспособности системы владельцу придется выполнять лишь следующие манипуляции:
- Периодическую чистку вентилятора и решетки на испарителе от забившегося мусора (листьев, пыли и так ладе).
- Периодическую смазку компрессора, выполняемую согласно предоставленной производителем схеме.
- Замену масла в силовых агрегатах (компрессоре, вентиляторе).
- Периодическую проверку целостности медного трубопровода с хладагентом и силового кабеля, питающего компрессор и вентилятор.
Имея в своем доме холодильники и кондиционеры, мало кто знает - принцип работы теплового насоса реализован именно в них.
Около 80% мощности, которую дает тепловой насос, приходится на тепло окружающей среды в виде рассеянного солнечного излучения. Именно его насос просто «перекачивает» с улицы в дом. Работа теплового насоса подобна принципу работы холодильника, вот только направление переноса тепла иное.
Проще говоря…
Чтобы охладить бутылку минеральной воды, Вы ее ставите в холодильник. Холодильник должен «забрать» у бутылки часть тепловой энергии и, согласно закону сохранения энергии, ее куда-то переместить, отдать. Холодильник переносит теплоту на радиатор, обычно расположенный на задней его стенке. При этом радиатор нагревается, отдавая свое тепло в помещение. Фактически он отапливает помещение. Это особенно заметно в маленьких минимаркетах летом, при нескольких включенных холодильниках в помещении.
Предлагаем пофантазировать. Предположим, что мы будем постоянно подкладывать теплые предметы в холодильник, а он будет, охлаждая их, нагревать воздух в помещении. Пойдем на «крайности»… Расположим холодильник в оконном проеме открытой дверкой «морозилки» наружу. Радиатор холодильника будет находиться в помещении. В процессе работы холодильник будет охлаждать воздух на улице, перенося в помещение «забранную» теплоту. Так и работает тепловой насос, забирая рассредоточенное тепло у окружающей среды и перенося его в помещение.
Где насос берет тепло?
Принцип работы теплового насоса базируется на «эксплуатации» естественных низкопотенциальных источников тепла из окружающей среды.
Ими могут быть:
- просто наружный воздух;
- тепло водоемов (озер, морей, рек);
- тепло грунта, грунтовых вод (термальных и артезианских).
Как устроен тепловой насос и система отопления с ним?
Тепловой насос интегрирован в систему отопления, которая состоит из 2-х контуров + третий контур - система самого насоса. По внешнему контуру циркулирует незамерзающий теплоноситель, который забирает на себя тепло из окружающего пространства.
Попадая в тепловой насос, точнее его испаритель, теплоноситель отдает в среднем от 4 до 7 °C хладагенту теплового насоса. А его температура кипения составляет -10 °C. Вследствие этого хладагент закипает с последующим переходом в газообразное состояние. Теплоноситель внешнего контура, уже охлажденный уходит на следующий «виток» по системе для набора температуры.
В составе функционального контура теплового насоса «числятся»:
- испаритель;
- компрессор (электрический);
- капилляр;
- конденсатор;
- хладагент;
- терморегулирующее управляющее устройство.
Процесс выглядит приблизительно так!
«Закипевший» в испарителе хладагент по трубопроводу поступает в компрессор, работающих от электроэнергии. Этот «трудяга» сжимает газообразный хладагент до высокого давления, что, соответственно, приводит к повышению его температуры.
Теперь уже горячий газ далее попадает во другой теплообменник, который называется конденсатором. Здесь тепло хладагента передается воздуху помещения или теплоносителю, который циркулирует по внутреннему контуру системы отопления.
Хладагент остывает, одновременно переходя в состояние жидкости. Затем он проходит через капиллярный редукционный клапан, где «теряет» давление и вновь попадает в испаритель.
Цикл замкнулся и готов к повтору!
Приблизительный расчет теплопроизводительности установки
В течении часа по внешнему коллектору через насос протекает до 2,5-3 м 3 теплоносителя, который земля способна нагреть на ∆t = 5-7 °C.
Для расчета тепловой мощности такого контура воспользуйтесь формулой:
Q = (T_1 — T_2)*V_тепл
V_тепл - объемный расход теплоносителя в час (м^3/час);
T_1 — T_2 - разница температур на входе и входе (°C) .
Разновидности тепловых насосов
По типу используемого вида рассеянного тепла различают тепловые насосы:
- грунт-вода (используют закрытые грунтовые контуры или глубокие геотермальные зонды и водяную систему отопления помещения);
- вода-вода (используют открытые скважины для забора и сброса грунтовых вод - внешний контур не закольцованный, внутренняя система отопления - водяная);
- вода-воздух (использование внешних водяных контуров и системы отопления воздушного типа);
- (использование рассеянного тепла внешних воздушных масс в комплекте с воздушной системой отопления дома).
Преимущества и достоинства тепловых насосов
Экономичная эффективность. Принцип работы теплового насоса базируется не на производстве, а на переносе (транспортировке) тепловой энергии, то можно утверждать, что его КПД больше единицы. Что за чушь? - скажете Вы.В теме тепловых насосов фигурирует величина - коэффициент преобразования (трансформации) тепла (КПТ). Именно по этому параметру сравнивают между собой агрегаты подобного типа. Его физический смысл – показать отношение полученного количества теплоты к величине, затраченной для этого, энергии. К примеру, при КПТ = 4,8 затраченная насосом электроэнергия в 1кВт позволит получить с его помощью 4,8 кВт тепла безвозмездно, то есть даром от природы.
Универсальная повсеместность применения. Даже при отсутствии доступных линий электропередач работа компрессора теплового насоса может быть обеспечена дизельным приводом. А «природное» тепло есть в любом уголке планеты - тепловой насос «голодным» не останется.
Экологическая чистота использования. В тепловом насосе отсутствуют продукты горения, а его малое энергопотребление меньше «эксплуатирует» электростанции, косвенно снижая вредные выбросы от них. Хладагент, используемый в тепловых насосах, озонобезопасен и не содержит хлоруглеродов.
Двунаправленный режим работы. Тепловой насос может в зимнее время обогревать помещение, а в летнее - охлаждать. Отобранную из помещения «теплоту» можно использовать эффективно, например, подогревать воду в бассейне или в системе ГВС.
Безопасность эксплуатации. В принципе работы теплового насоса Вы не рассмотрите опасных процессов. Отсутствие открытого огня и вредных опасных для человека выделений, низкая температура теплоносителей делают тепловой насос «безобидным», но полезным бытовым прибором.
Некоторые нюансы эксплуатации
Эффективное использование принципа работы теплового насоса требует соблюдения нескольких условий:
- помещение, которое обогревается должно быть хорошо утеплено (теплопотери до 100 Вт/м 2) - иначе, забирая тепло с улицы, будете греть улицу за свои же деньги;
- тепловые насосы выгодно применять для низкотемпературных систем отопления. Под такие критерии отлично подходят системы теплый пол (35-40 °C). Коэффициент преобразования тепла существенно зависит от соотношения температур входного и выходного контуров.
Подытожим сказанное!
Суть принципа работы теплового насоса не в производстве, а в переносе тепла. Это позволяет получить высокий коэффициент (от 3 до 5) преобразования тепловой энергии. Проще говоря, каждый использованный 1 кВт электроэнергии «перенесет» в дом 3-5 кВт тепла. Еще что-то нужно говорить?
На чтение 7 мин.
Под понятием тепловой насос подразумевается совокупность агрегатов, предназначенных для накопления энергии тепла от различных источников в окружающей среде и передача этой энергии потребителям.
Для примера, подобными источниками могут быть стояки канализации, отходы различных крупных производств, выделяемое при работе тепло от различных электростанций и т.д. В итоге, источником могут выступать различные среды и тела, имеющие температуру более одного градуса.
Задача теплового насоса — преобразовать естественную энергию воды, земли или воздуха в тепловую энергию для нужд потребителя. Так как данные виды энергии постоянно самовосстанавливаются, то можно считать их безграничным источником.
Тепловой насос для отопления дома принцип работы
Принцип работы тепловых насосов основан на возможности тел и сред отдавать свою тепловую энергию другим таким же телам и средам. По этой особенности различают различные виды тепловых насосов, в которых обязательно присутствуют поставщик энергии и её получатель.
В названии насоса на первом месте указывается источник тепловой энергии, а на втором тип носителя, которому передаётся энергия.
В конструкции каждого теплового насоса отопления дома выделяют 4 основных элемента:
- Компрессор, предназначенный для увеличения давления и температуры пара, возникающего вследствие кипения фреона.
- Испаритель, представляющий из себя бак, в котором фреон из жидкого состояния переходит в газообразное.
- В конденсаторе хладагент передаёт тепловую энергию внутреннему контуру.
- Посредством дроссельного клапана регулируется количество хладагента, поступающего в испаритель.
Тип теплового насоса воздух воздух обозначает, что тепловая энергия будет браться из внешней среды (атмосферы) и передаваться носителю, так же воздуху.
Тепловой насос воздух воздух: принцип работы
Принцип действия данной системы основан на следующем физическом явлении: среда в жидком состоянии, испаряясь, понижает температуру поверхности, откуда происходит её рассеивание.
Для наглядности кратко рассмотрим схему работы морозильной камеры холодильника. Фреон, циркулирующий по трубкам холодильника, забирает тепло из холодильника и сам при этом нагревается. В последствие собранное им тепло передаётся во внешнюю среду (то есть в помещение в котором расположен холодильник). Затем хладагент, сжимаясь в компрессоре, снова остывает и круговорот продолжается. Воздушный тепловой насос работает по тому же принципу — забирает тепло из уличного воздуха и обогревает дом.
Конструкция агрегата состоит из следующих частей:
- Внешний блок насоса представляют компрессор, испаритель с вентилятором и расширительный клапан.
- Теплоизолированные медные трубки служат для циркуляции фреона
- Конденсатор, с расположенным на нём вентилятором. Служит для рассеивания уже нагретого воздуха по площади помещений.
При работе воздушного теплового насоса при обогреве дома в определённом порядке происходят следующие процессы:
- Посредством вентилятора воздух с улицы втягивается в устройство и проходит через внешний испаритель. Фреон, совершающий круговорот в системе, собирает всю энергию тепла из уличного воздуха. В следствие этого из жидкого состояния он переходит в газообразное.
- В дальнейшем газообразный фреон сжимается в конденсаторе и переходит во внутренний блок.
- Затем газ переходит в жидкое состояние, при этом отдавая накопленное тепло воздуху комнаты. Этот процесс происходит в конденсаторе расположенном в помещении.
- Переизбыток давления уходит через расширительный клапан, а фреон в жидком состоянии уходит на новый круг.
Фреон постоянно будет забирать тепловую энергию из уличного воздуха, так как его температура всегда будет меньше. Исключением является тот случай, когда на улице сильные морозы. В таких условиях эффективность теплового насоса будет уменьшаться.
Для повышения мощности агрегата максимально увеличивают поверхности конденсатора и испарителя.
Как и у каждого сложного прибора у воздушного теплового насоса есть свои плюсы и минусы. Из плюсов стоит выделить:
1. В зависимости от потребности агрегат может повышать или понижать температуру обогрева дома.
2. Насос данного типа не засоряет окружающую среду вредными продуктами сгорания топлива.
3. Устройство легко устанавливается.
4. Воздушный насос абсолютно безопасен в плане возникновения пожара.
5. Коэффициент отдачи тепла насосом очень высок по сравнению с энергозатратами (на 1 кВт затраченной электроэнергии приходится от 4 до 5 кВт выделяемого тепла)
6. Отличаются доступной ценой.
7. Устройство удобно при использовании.
8. Система управляется автоматически.
Из минусов воздушной системы стоит упомянуть:
1. Небольшой шум, создаваемый при работе устройства.
2. Эффективность прибора зависит от температуры окружающей среды.
3. При низких уличных температурах возрастает потребление электричества. (ниже -10 градусов)
4. Система целиком зависит от наличия электричества. Проблема может быть решена установкой автономного генератора.
5. Воздушным насосом нельзя нагреть воду.
В целом приборы класса воздух-воздух идеально подойдут для обогрева деревянных домов, у которых, вследствие особенности материала, снижены естественные потери тепла.
Перед выбором воздушного насоса стоит выяснить следующие ключевые моменты:
- Показатель теплоизоляции помещений.
- Квадратуру всех комнат
- Число людей, живущих в частном доме
- Условия климата
В большинстве случаев на 10 кв. м. помещения должно приходится около 0,7 кВт мощности устройства.
Тепловые насосы для отопления дома вода вода.
При обустройстве отопительной системы в частном доме хорошо подойдут системы класса вода-вода. Помимо этого они смогут обеспечить жилище горячей водой. В качестве источников природного тепла подойдут различные водоёмы, подземные воды и т.д.
В основу работы насоса вода вода положен закон о том, что изменении агрегатного состояния (из жидкости в газ и наоборот) вещества, под воздействием различных факторов влечёт за собой высвобождение или поглощение энергии тепла.
Подобный тип насосов можно использовать для отопления дома даже при низких температурах окружающей среды, так как в глубоких слоях земли всё равно сохраняется плюсовая температура.
Принцип работы теплового насоса вода вода следующий:
- Специальный насос гонит воду по медным трубкам системы из внешнего источника в установку.
- В приборе вода из окружающей среды воздействует на хладагент (фреон), температура кипения которого от +2 до +3 градусов. Часть энергии тепла воды передаётся фреону.
- Компрессор всасывает газообразный хладагент и сжимает его. В результате этого процесса температура хладагента ещё больше возрастает.
- Затем фреон направляется в конденсатор, где и нагревает воду до необходимой температуры (40-80 градусов). Нагретая вода поступает в трубопровод отопительной системы. Здесь фреон возвращается в жидкое состояние и цикл начинается заново.
Стоит отметить, что приборы вода-вода используются для отопления дома площадью 50-150 кв.м.
Тепловой насос вода вода: принцип работы
При выборе устройства данного класса стоит обратить внимание на определённые условия:
- В качестве источника энергии предпочтение следует отдать открытым водоёмам (легче монтаж труб), на расстоянии не более 100 м. К тому же глубина водоёма для более северных районов должна быть не менее 3 метров (на такой глубине вода обычно не промерзает). Трубы, подводимые к воде должны быть утеплены.
- Жёсткость воды сильно влияет на работу насоса. Не каждая модель способна функционировать при высоких показателях жёсткости. Вследствие этого до приобретения устройства берётся проба воды и исходя из полученных результатов подбирается насос.
- По типу работы агрегаты делятся на моновалентные и бивалентные. Первые отлично справятся с ролью основного источника тепла (вследствие своей большой мощности). Вторые могут выступать дополнительным источником обогрева.
- С мощностью насоса возрастает его кпд, но в то же время и увеличивается потребление электричества.
- Дополнительные возможности прибора. Например: корпус с шумоизоляцией, функция нагрева воды для бытовых нужд, автоматическое управление и др.
- Для расчёта необходимой мощности прибора нужно общую площадь помещений умножить на 0,07 кВт (показатель энергии на 1 кв.м.). Эта формула действительна для стандартных помещений, с высотой не более 2,7 м.
