Что такое тепловой насос и для чего он нужен?

В повседневной жизни мы привыкли сталкиваться с различными типами теплогенераторов, работающих от электрической сети, на дизельном топливе или природном газе. Тем не менее, прогресс не стоит на месте, и на данный момент необходимо выделить такое изобретение, как тепловой насос. Его особенность заключается в отсутствии необходимости закупки источников питания для функционирования агрегата. Конструкция насоса позволяет использовать природную энергию, накапливающуюся непосредственно в почве или даже в водоёмах.

Почему стоит выбирать тепловой насос?

В первую очередь мы заботимся о своём комфорте, а использование теплового насоса позволит забыть о таких проблемах, как необходимость постоянного контроля горючего, если вы выбрали систему, работающую на жидком топливе. Кроме того, нет необходимости в установке вытяжных труб. А, главное, таким образом вы обезопасите себя от пожаров.

Преимущество теплового насоса относительно систем, работающих от электрических сетей, – малый уровень энергопотребления. По сравнению с обычными электрическими комплексами отопления тепловой насос потребляет примерно в пять раза меньше энергии. Выходит, что при прочих преимуществах этот агрегат позволяет экономить средства. Отопление помещения напрямую зависит от стоимости того или иного вида топлива, используемого для генерирования тепла, будь то электричество, жидкое топливо или природный газ. Окупаемость теплового насоса составляет от 3 до 5 лет.      

Принцип работы теплового насоса

Тепло «выкачивается» непосредственно из воздуха, воды, земли и даже скалистых пород. В контуре, уложенном в почве или на дне водоема, находится вещество, применяемое для передачи тепловой энергии. При прохождении внешнего контура оно повышает свою температуру. В тепловом насосе теплоноситель, проходя сквозь теплообменник, передаёт накопленную энергию в виде тепла контуру, расположенному внутри насоса. Во внутреннем контуре находится хладагент с низким давлением и температурой кипения -5 градусов Цельсия, который, попадая в теплообменник, переходит в газообразное состояние. Далее он оказывается в компрессоре, который необходим для повышения давления и температуры, после чего газообразный хладагент переходит в следующий испаритель. Последний называется конденсатором. Именно в нем хладагент передаёт энергию теплоносителю непосредственно находящемуся в системе отопления помещения. Передавая энергию, хладагент остывает и возвращается в жидкое состояние. При необходимости температуру теплоносителя системы отопления дома можно увеличить, дополнительно установив сабкулер. Для того, чтобы хладагент стал снова пригоден для повторного использования в цикле, необходимо понизить его давление с помощью редуктора, после чего он снова поступает в теплообменник.

Не стоит забывать и о требованиях к источникам энергии. Для теплового насоса подходит любой источник энергии, температура которого в зимний период выше 1 градуса Цельсия. В качестве него может выступать грунт, вода в озёрах, реках, морях, а также тёплый воздух, находящийся в системах вентиляции или каком-либо промышленном оборудовании.

В тепловых насосах используются вещество для передачи тепловой энергии, состоящее из 30%-го этиленгликоля или этилового спирта. Непосредственно контур, конденсирующий тепловую энергию, состоит из ПВХ-труб, установленных в земле или воде.

Источники тепловой энергии

Более подробно остановимся на нескольких типах источников тепла, таких как скалистые породы, грунт, водоёмы и воздух.

• Для получения энергии из скалистых пород необходимо пробурить скважину, в которую опускается внешний контур теплового насоса. При этом не обязательно проделывать одну глубокую скважину, можно обойтись несколькими мелкими отверстиями. В первую очередь, важно получить необходимую расчётную глубину. Для этого условно принимается, что с каждого метра скважины выходит 50-60 Вт энергии. Таким образом, для того, чтобы тепловой насос имел производительность порядка 10 кВт, глубина скважины должна составлять около 170 метров.
• Вторым хорошо распространённым источником энергии является непосредственно земля. Рекомендуется для улучшения теплообмена располагать контур во влажном грунте. Использовать сухую почву также возможно, но для получения необходимого количества энергии необходимо увеличить длину трубопровода. Глубина, на которую зарывается контур, должна составлять около 1 метра, интервал укладки труб – около 0,8-1,0 м.
• Учитывая удельную тепловую мощность контура, находящегося под землей, равную 20-30 Вт/м, следует, что для производства теплового насоса мощностью 10 кВт нужно проложить 350-450 метров трубопровода. Уместить такое количество труб можно на небольшом участке размером 20х20 метров. Важно отметить, что при правильной установке внешний контур насоса не влияет на почву и растения, кроме того, сам грунт не нуждается в какой-либо подготовке перед укладкой труб.
• Отличными источниками тепловой энергии являются водоёмы. В этом случае трубы внешнего контура закрепляются на дне. Данный способ удобен тем, что в зимнее время температура воды выше 1 градуса Цельсия, кроме того, общая длина труб меньше, чем необходимо для других источников тепловой энергии благодаря высокому коэффициенту ее преобразования системой теплового насоса. В этом варианте около 30 Вт энергии тепла приходится на каждый метр контура системы. Не стоит забывать, что контур будет всплывать. Чтобы этого не происходило, требуется крепить груз из расчёта 5 кг на 1 м. п. труб контура теплового насоса.
• Отдельно стоит отметить вариант насоса, в котором теплообмен происходит непосредственно с воздухом. Он подходит для установки теплообменника в вентиляционные системы. Как правило, такие системы используются на производствах с высоким уровнем выделения тепла, например, при изготовлении керамических изделий или хлебобулочной продукции. Кроме того, данный вариант теплового насоса отлично подойдёт для дачи, где таким образом будет осуществляться нагрев воды в летние месяцы.    

Определение и назначение пикового электродогрева

В подавляющем большинстве тепловых насосов предустановлены электронагревательные элементы. Необходимость в них заключается в том, что при выборе отопительной техники рассчитывается номинальная мощность, учитывая покрытие тепловой нагрузки в наиболее холодный период. Например, в городе Санкт-Петербург минимальная расчётная температура составляет -26 градусов по Цельсию.

Нужно понимать, что столь низкая температура бывает крайне редко, таким образом, максимальный потенциал теплового насоса будет раскрыт всего несколько раз в году. С экономической точки зрения целесообразнее установить менее мощный тепловой насос, а в дни с наиболее холодной погодой использовать электрообогреватели. Комбинируя два источника тепла: вырабатывающий энергию с низкой стоимостью, но достаточно дорогой, и дешевый, но с дорогостоящей энергией, например, электронагреватель, можно сократить общие затраты с увеличением срока окупаемости теплового насоса. Для правильного выбора мощности двух установок необходимо использовать интегральный график, этот метод можно применять во всех регионах России.        

Как осуществляется кондиционирование?

В зимний период тепловой насос поглощает из внешней среды тепло, необходимое для функционирования системы отопления дома. Летом происходит несколько иной процесс: в скважине хладагент охлаждается до температуры 7-9 градусов Цельсия, и тепловой насос направляет его в комнаты жилища. В случае использования теплового насоса с целью кондиционирования помещения используют не отопительный радиатор, а фанкойлы.

Можно выделить два типа охлаждения помещения: пассивное и активное.

• При пассивном охлаждении хладагент непосредственно перемещается от скважины к фанкойлам, при этом компрессор тепловой установки не участвует в процессе кондиционирования.
• При активном охлаждении без использования компрессора тепловой установки не обойтись, но необходимость в нём возникает лишь в том случае, если при пассивном охлаждении температура недостаточно низкая.

Система водяного теплого пола с использованием теплового насоса

Используя систему отопления помещений «Теплый пол» и тепловой насос, можно существенно сократить затраты на обогрев дома. Обусловлено это не только экономным производством тепловой энергии от насоса, но и не менее экономным распределением тепла. По сравнению с традиционными источниками обогрева экономия при использовании теплового насоса достигает 80% энергии. Кроме того, использование теплого пола вместо обычных радиаторов позволяет экономить 10-15% энергоресурсов.

Также преимущество использования теплого пола относительно традиционных источников тепла заключается в температуре теплоносителя. При подаче в отопительную систему она, как правило, не поднимается выше 55 градусов Цельсия, а на выходе должна составлять максимум 50 градусов. При таких условиях нужно тщательно проводить расчет необходимого количества радиаторов, а для системы «Теплый пол» эти значения температур оптимальны.