Виды и принцип работы тепловых насосов для отопления дома

Запасы привычных энергоносителей постепенно истощаются, что заставляет людей обращать внимание на альтернативные источники энергии. Теплонасосы являются весьма эффективным средством обогрева строений, но заводские модели отличаются высокой стоимостью. Чтобы сделать тепловой насос своими руками для отопления дома, необходимо разобраться с его принципом работы и конструкцией.

Как видим, основная сложность монтажа для циркуляционного насоса состоит в необходимости сварки, разрезании труб, нарезки резьбы. Сама же сборка элементарная: нужно тщательно замерить все расстояния и вкрутить элементы. Соединения при этом герметизируют паклей с герметиком.

На что обратить внимание при эксплуатации:

Виды и принцип работы тепловых насосов для отопления дома
  • надо периодически чистить фильтр, проверять показания манометра;
  • не всегда издающийся прибором шум свидетельствует о поломке, часто причиной тому воздух, скапливающийся в контуре. Проблема решается просто — стравливанием специальными клапанами;
  • для сухих помп может требоваться периодическая смазка.

Что собой представляет циркуляционный насос

Циркуляционный отопительный насос представляет собой компактное устройство, которое врезается непосредственно в трубопровод системы автономного отопления. Благодаря электрическому двигателю, который приводит в движение сферический ротор с рабочим колесом, такой агрегат позволяет существенно увеличить скорость обращения теплоносителя в замкнутом контуре. А это, в свою очередь, позволяет ускорять прогрев достаточно больших площадей.

Что собой представляет циркуляционный насос

Конструкция циркуляционного нагнетательного агрегата может быть различной, но как правило, он включает в себя следующие основные узлы и детали:

Что собой представляет циркуляционный насос
  1. Электродвигатель.
  2. Сферический ротор.
  3. Запорный клапан.
  4. Обратный клапан.
  5. Корпус.
  6. Теплоизолирующий кожух.
  7. Термостат.
  8. Штекерный разъем электропитания.
Что собой представляет циркуляционный насос

Помимо этого, устройство может оснащаться индикатором рабочего состояния, таймером и некоторыми другими сервисными приспособлениями и приборами.

Что собой представляет циркуляционный насос

Как работают «трансформаторы тепла»

Из школьного курса физики, каждому россиянину (а также особо одаренным европейским жителям) известно: все, что окружает нас и имеет температуру выше 0°С обладает энергией. Трансформаторы тепла «выкачивают» ее из внешних источников и отдают в отопительный контур дома.

Что может считаться потенциальным и бесплатным источником энергии? Тепло солнца, земных недр, воды в водоемах, окружающего нас воздуха. Многие спросят, почему при температуре воздуха, например, + 5°С будет происходить обогрев дома. Для того чтобы понять данный принцип нужно как можно более пристально рассмотреть работу сплит-системы или холодильника. В момент перехода фреона из жидкой фазы в газообразную происходит поглощение огромного количества энергии. При обратном превращении, энергия выделяется.

Теоретически, работа теплового насоса для отопления дома в первом приближении выглядит так:

Как работают «трансформаторы тепла»
  • В земле, воде или на открытом воздухе устанавливается коллектор-теплообменник (змеевик из полимерных труб) по которому перемещается антифриз или рассол. При циркуляции он отбирает тепло у окружающей среды, нагреваясь на несколько градусов, после чего поступает во внутренний теплообменник (испаритель), где отдает тепло фреону, (антифризу, аммиаку).
  • Далее, компрессор сжимает нагретый хладагент, что приводит к его переходу в газообразное состояние и перемещению в следующий теплообменник-конденсатор в котором, фреон отдает накопленное тепло в водяную СО дома или напрямую воздуху в отапливаемом помещении.

Несложно догадаться, что принцип работы теплового насоса для отопления дома знаком каждому современному жителю нашей необъятной, который пользуется холодильником или кондиционером.

Принцип действия

Теплонасос представляет собой комплект оборудования, задачей которого является сбор тепловой энергии и ее доставка к потребителю. Источником теплоэнергии может быть любая среда либо тело с температурой выше 1 градуса. Чтобы глубже разобраться с принципом работы этих устройств, следует познакомиться с их функциональными особенностями:

  • Агрегат не производит теплоэнергию самостоятельно.
  • Для работы теплонасоса необходима электроэнергия.
  • В основе принципа работы аппарата лежит цикл Карно, используемый во всех холодильных установках.
Принцип действия

За последнее время технология изготовления тепловых насосов значительно улучшилась. Современные агрегаты способны забирать тепловую энергию из воздуха с температурой до -30 градусов, а также воды и почвы – до 2 градусов. В цикле Карно рабочим телом является фреон. Это газообразное вещество начинает кипеть при минусовой температуре. Хладагент последовательно испаряется и конденсируется в двух теплообменных камерах, поглощая при этом энергию из окружающей среды. Затем он транспортирует ее к потребителю.

Читайте также:  12 лучших газовых котлов конденсационного типа

Схема теплового насоса аналогична принципу действия кондиционера, работающего на обогрев:

  • Пока фреон находится в жидком состоянии, хладагент циркулирует по трубам теплообменника. Забирая теплоэнергию из окружающей среды, фреон закипает и начинает испаряться.
  • Затем газ попадает в компрессор, который повышает давление до нужного значения. В результате точка кипения хладагента повышается, и вещество конденсируется при более высокой температуре.
  • Проходя через внутреннюю теплообменную камеру, фреон отдает накопленную энергию теплоносителю и снова переходит в жидкое состояние.
  • После этого газ поступает в ресивер и дроссель. Когда давление вещества снижается, рабочий цикл повторяется.
Принцип действия

Чтобы понять принцип действия агрегата и узнать, как устроен тепловой насос, должна быть изучена схема.

Типы тепловых насосов

Принцип работы насоса заключается в следующем:  тепловой источник, энергопотенциал которого достаточно низок, передает свое тепло носителю с высшей температурой. Как это работает на практике, можно увидеть на рисунке. К слову, холодильные устройства работают по тому же принципу, поэтому летом тепловой насос успешно может функционировать в роли кондиционера.

Типы тепловых насосов

Схема теплового насоса

Типы тепловых насосов

Классификаций насосов может быть несколько, но правильно было бы разделить их по типу теплоносителя, в роли которого могут выступать:

Типы тепловых насосов
  • Вода;
  • Грунт;
  • Воздух.
Типы тепловых насосов

Принцип работы теплового насоса

Типы тепловых насосов

Энергия, полученная с использованием такой системы, может быть использована для различных целей: обогрева помещения, кондиционирования, нагрева воды. Сочетание типов теплоносителей и выполняемых функций тоже может быть разным. Исходя из этого, насосы делятся на три группы.

  1. Оборудование класса «вода-вода». Весьма эффективный способ получения тепла, ведь при значительной глубине вода может достаточно долго оставаться в перманентном состоянии, сохраняя необходимую температуру. В данном случае источником тепловой энергии являются открытые водоемы, подземные или сточные воды, а теплоносителем выступает специальное экологическое вещество.

    Стоит отметить, что проще будет соорудить насос для использования в озерах и реках (водоемов открытого типа), в то время как для подземных потребуются дополнительные работы и затраты. Конструкция устройства будет усложненной, потребуется специальный резервуар для сосредоточения влаги  из теплообменника.  Для контура используются пластиковые трубы, которые можно установить как в вертикальном, так и в горизонтальном положении под землей. Вертикальный коллектор является более эффективным, поскольку для него бурятся скважины по 100-150 метров глубиной, а там температура может держаться дольше.

    Как устроить тепловой насос вода-вода

    Важно! Горизонтальные коллекторы запрещается применять в хозяйственных целях, только для посадки растений и газона. На один киловатт мощности устройства может потребоваться примерно 20-50 метров квадратных.

  2. Оборудование класса «грунт-вода» являются самыми удобными, ведь уже на глубине 5 м можно наблюдать постоянную температуру почвы, а погодные изменения на нее практически не влияют. Конструкция данных насосов практически та же, что в предыдущем варианте.

    Принцип работы тепловых насосов грунт-вода

  3. Тепловые насосы класса «вода-воздух» менее эффективны потому, что зимой их мощность существенно падает. Зато при монтаже никаких трудностей нет – не потребуются ни глубокие скважины, ни земляные работы. Все, что нужно сделать – установить оборудование в подходящее место. Это может быть, к примеру, крыша дома. Преимущество такой системы в том, что использованную тепловую энергию можно применять повторно, она будет покидать здание в виде газа, дыма, воздуха или даже воды. Но полноценного обогрева дома она дать не может ввиду низкой мощности, поэтому на зимнее время нужно позаботиться об альтернативном отоплении.

    Тепловой насос своими руками

Принцип работы и составные части теплового насоса

В принципе, работа теплового насоса представляет собой совместное функционирование трех замкнутых контуров, которые взаимодействуют между собой:

Принцип работы и составные части теплового насоса
  • Первый, по которому циркулирует теплоноситель, забирающий тепловую энергию из низкотемпературной окружающей среды (почвы, воды, воздуха);
  • Второй, в котором циркулирует жидкость с низкой температурой испарения (например, фреон), забирает эту энергию, с помощью процессов испарения и конденсации увеличивает температуру и отдает тепло третьему контуру;
  • Третий контур представляет собой ни что иное, как систему отопления дома (чаще всего теплые полы), он забирает тепловую энергию из конденсатора и отдает помещению.
  • По такому принципу работают все тепловые насосы, но в устройствах типа «грунт, вода/вода» в первом и третьем контурах жидкий теплоноситель, в устройствах «воздух/вода» — вместо первого контура наружный воздух, а в устройствах «воздух/воздух» и вместо первого и третьего контуров воздух наружный и помещения соответственно.
Принцип работы и составные части теплового насоса

Для того чтобы такая система работала необходимы такие основные элементы:

Принцип работы и составные части теплового насоса
  • Испаритель –в котором под воздействием тепловой энергии теплоносителя первого контура , через теплообменник, происходит нагревание и испарение жидкого хладагента (фреона);
  • Компрессор, который сжимает парообразный хладагент (при этом происходит выделение тепловой энергии);
  • Конденсатор, в котором теплый сжатый хладагент с помощью теплообменника отдает свою энергию теплоносителю третьего контура, а сам конденсируется (превращается в жидкость).
  • Терморегулирующий вентиль или клапан (ТРВ).
Принцип работы и составные части теплового насоса

Все эти элементы соединены между собой герметичным трубопроводом второго контура. Испаритель, кроме того, должен иметь возможность подсоединения к первому контуру, а конденсатор – к системе отопления дома.

Принцип работы и составные части теплового насоса

Принцип работы и составные части теплового насоса

Рис. 1 Основные элементы теплового насоса

Преимущества тепловых насосов

Главным достоинством тепловых насосов является их высокая эффективность. 1кВт электроэнергии, которую потребляет устройство такого типа, способно дать для отопления дома дополнительно 4-5кВт тепловой энергии. Это значит, что производительность тепловых помп по сравнению с традиционными электрическими отопительными приборами, составляет 400-500%.

Не менее важным преимуществом приборов, работающих по циклу Карно, является их высокая надёжность и долговечность (достаточно вспомнить советские холодильники ЗИЛ, работающие более полувека). Современные компрессоры тепловых агрегатов не менее надёжны, но более экономичны.

Тепловые насосы практически не требуют никакого обслуживания и способны работать на протяжении многих лет.

 И последнее: несмотря на высокую стоимость установки, данные отопительные агрегаты имеют срок самоокупаемости 2-3 года. Это один из самых низких показателей среди всех типов устройств, используемых в системах отопления.

Принцип работы теплового насоса «воздух-воздух»

Тепловой насос для отопления дома устроен так же, как и в обычном кондиционере, но функции блоков противоположны. Внутренний блок является конденсатором хладагента, который отдаёт ему тепловую энергию, за счёт чего происходит нагрев окружающего воздуха, а наружный блок выполняет функцию испарителя. Сама тепловая энергия образуется за счёт периодического сжатия и расширения находящихся в трубах хладагента. Следует заметить, что используемый в настоящее время хладагент R410 не содержит фреона, а значит, полностью безопасен для озонового слоя планеты.

Более подробную информацию можно получить у наших менеджеров .

Плюсы и минусы отопительной системы, основанной на тепловом насосе

К положительным свойствам тепловых насосов можно отнести:

  • Максимальную экономию энергоресурсов. Если при обычно схеме отопления загородного дома вся затраченная энергия (причем с КПД максимум 60–70 процентов) преобразуется в тепловую, то в случае применения теплового насоса осуществляется транспортировка внешней рассеянной энергии в локальные участки, обозначенные внутренними радиаторами отопления. Таким образом, вся потребляемая электроэнергия расходуется исключительно на сжатие, транспортировку хладагента и циркуляцию промежуточного теплоносителя во внешнем контуре.
  • Обратимость. Большинство конструкций современных приборов способны функционировать и в обратном направлении, то есть при превышении температуры внутри здания определенного предела, заданного значением температуры среды, в которой расположен внешний контур агрегата, возможна работа оборудования на охлаждение внутренних замкнутых пространств.
  • Абсолютная безопасность. В отличие от традиционных средств отопления – котлов газовых, твердотопливных, при функционировании теплового насоса не происходит совершенно никаких вредных выделений в окружающую среду. Для работы теплового оборудования, основанного на аккумуляции внешней рассеянной тепловой энергии и переносе ее в конкретную точку, необходимо лишь сравнительно небольшое потребление электрической энергии. А в сравнении с аналогичными показателями электрических котлов отопления, тепловые насосы могут дать многократную фору.
Плюсы и минусы отопительной системы, основанной на тепловом насосе

Отзыв: В прошлом году приобрел тепловой насос моноблок системы «воздух — вода» для отопления загородного дома. Дорого, конечно, но надеюсь, лет за 10 окупится. Поставщик сам установил насос и подключил к системе отопления, все работает практически без моего участия. Выбором доволен.

К недостаткам теплового насоса относят:

  • Высокую стоимость монтажа. Для нормальной работы теплового оборудования необходимо приложить значительные усилия – вырыть траншеи большой продолжительности, проложить глубокие скважины либо преодолеть зачастую значительные расстояния до ближайшего водоема.
  • Необходимость качественной реализации системы. Малейшая утечка хладагента либо промежуточного теплоносителя способна свести на нет все старания. Поэтому при закладке схемы любой вариации необходимо использовать труд исключительно квалифицированных специалистов и в процессе эксплуатации системы исключить риск ее разгерметизации.
Плюсы и минусы отопительной системы, основанной на тепловом насосе

Самостоятельное изготовление теплового насоса

Учитывая достаточно высокую стоимость данного оборудования у многих самодельщиков возникает соблазн собрать его своими руками, используя подручные агрегаты и комплектующие. Что следует сказать по этому поводу?

Теперь посмотрим, можно ли собрать тепловой насос своими руками. Для этого нужен практический опыт мастера-холодильщика, поскольку заполнение системы фреоном и ее опрессовку новичок выполнить не сможет.

Изготовление установки на базе агрегатов от старого холодильника или кондиционера можно рассматривать лишь как демонстрационный вариант, не имеющий практической ценности из-за низкой эффективности.

В интернете тиражируется руководство по сборке теплового насоса на базе компрессора от кондиционера, емкости из нержавейки (конденсатор) и пластиковой бочки (испаритель). Назвать эту инструкцию серьезным подспорьем для самостоятельной работы нельзя.