Тепловой насос что это: принцип работы, типы, применение и эффективность тепловых насосов для отопления дома

Мнение экспертов: Тепловой насос — выбор и характеристики

 

Тепловой насос – это устройство, которое «поглощает» тепловую энергию окружающей среды и «производит» ресурс для нагрева воды и воздуха в помещениях. Принцип работы похож с принципом работы кондиционера или холодильника, цель которых – перенести тепло с одного места в другое.

Основные элементы конструкции:

• Помпа.
• Теплообменники.
• Испаритель.
• Компрессор.
• Расширительный клапан.

Чтобы купить тепловой насос и не разочароваться в работе системы, нужно хорошенько ознакомиться со всеми нюансами работы устройства.

Как работает тепловой насос

• Изъятое из внешней среды тепло проходит через нагревательный контур и нагревается до определённой температуры. Затем попадает во внутренний контур устройства, заполненный хладагентом и отдает тепло.
• Хладагент имеет низкую температуру кипения, проходя через испаритель он превращается из жидкого в газообразный.
• После испарителя газ попадает в компрессор, где давление увеличивается в 10-12 раз, растет и температура.
• После горячий газ поступает в конденсатор.
• Тепло передается отопительным приборам.
• После конденсации, когда температура хладагента опустилась, он опять начинает передвигаться к наружному блоку. Чтобы снизить давление хладагента предусмотрен расширительный клапан.
• Давление снижено, тепло из окружающей среды поглощено и опять начинается новый рабочий цикл.

Откуда тепловой насос берет тепло зимой?

Как получить +25°С в доме, если за окном -25°С?

Источник тепла – любой объект с температурой выше +1°С:

• Незамерзающий грунт.
• Вода в реке.
• Озеро под льдом.
• Вода из скважин.

Внутренний и наружный блок соединяются трубками, по которым перемещается хладагент. На каждом участке фреоновой магистрали своя температура и давление.

Управляя давлением можно контролировать процессы конденсации и испарения.

Когда тепло «всасывается» из окружающей среды, фреон испаряется, а в процессе конденсации «выбрасывается» уже в нужном месте. Поменяли направление движения хладагента и получили обогрев воздуха вместо охлаждения.

Корректировка давления системы – способ снизить температуру теплообменника до уровня, который будет ниже температуры на улице. То есть даже суровые условия позволяют устройству забрать тепло с улицы и передать хладагенту.

Некоторые установки способны работать и при -30°С.

Даже если тепловой насос не рассчитан на низкие температуры, без отопления и горячей воды дом не останется. Для этого в гидромодуле предусмотрен дополнительный электронагреватель.

Как выбрать тепловой насос

• Вначале определитесь, для чего нужна техника – вода, отопление или и то, и то.
• Тепловые насосы только на отопление
• Недорогие тепловые насосы предназначены для обогрева помещений. Такие модели применяются в домах и промышленных зданиях.
• Многофункциональные модели

Универсальные модели, способны:

• Нагревать воздух.
• Охлаждать воздух.
• Нагревать воду.
• Подогревать воду и охлаждать или греть воздух.

Установка эффективно работает при уличной температуре:

• Если на охлаждение: до +40°С.
• Если на обогрев: до -30°С.

*В технических характеристиках каждой модели указана граничная температура.

Чтобы реализовать функцию подогрева воды тепловой насос нужно укомплектовать накопительным бойлером косвенного нагрева. Бойлер может идти в комплекте или приобретаться отдельно.

Тепловой насос для отопления и воды

Если тепловой насос работает в комплексном режиме (вода+отопление), то нужно выбрать приоритетный режим. Если приоритет отопление, то вначале система работает на набор определенной температуры в помещении и только затем нагревает воду в бойлере.

В каких помещениях выгодно использовать тепловой насос

Устройства работают в паре не только с бойлерами, но и с теплыми полами, чиллерами-фанкойлами, солнечными батареями и другими термосистемами.

Тепловой насос для загородного дома

Это хорошее решение для частных домов, где проблемы с горячей водой или центральными системами отопления возникают часто. Поскольку тепловой насос работает за счет тепла, которое получает из окружающей среды, то такое решение получается довольно экономным.

Устанавливают тепловые насосы в домах площадью до 80-ти м². Отопить такое помещение за счет твердотопливного или газового котла – намного дороже. Простые электрические обогреватели потребляют много электроэнергии и создают некомфортные условия в помещении, поскольку сильно сушат воздух.

Тепловой насос для бассейна

Из-за высокой влажности поддерживать постоянную температуру в бассейне вдвойне сложно. К тому же количество посетителей в бассейне постоянно меняется, а значит, температура и воздуха, и воды колеблется. Тепловой насос позволяет постоянно корректировать этот параметр без вмешательства «оператора». Особенно удобно это, если оценивать объемы воды, температуру которой нужно поддерживать постоянно.

Для ресторанов и других заведений развлекательного характера

Установка таких климатических систем в ресторанах позволяет снизить затраты на отопление или охлаждение в 2-3 раза. Также тепловой насос помогает утилизировать тепло, которое выделяется в процессе приготовления еды, а значит, создает комфортные условия труда сотрудников.

Помимо этого, устройства можно объединять в комплексы и снабжать горячей водой и теплом или холодом строения разной этажности, разного назначения. В том числе и промышленные предприятия. Мощные модели стоят дорого и окупаются не сразу, но окупаются.

Какой тепловой насос лучше

Отзывы не всегда расскажут, какой тепловой насос лучше, ведь для каждого здания, помещения нужно искать свое решение. Однако самые популярные тепловые насосы в 2019 году это:

• Cooper & Hunter CH-HP12SINM.
• Cooper & Hunter CH-HP8.0SINK3.
• Cooper & Hunter CH-HP14SINK.

Что нужно оценивать при выборе теплового насоса

Мощность и площадь обработки

Если поставить тепловой насос мощностью, рассчитанной на помещение 30 м2 в дом, где площадь в 2 раза больше, то эффективность не будет ожидаемой. Чем выше мощность, тем дороже установка. Многие забывают об этом, обращая внимание на дешевые модели и думая, что и такие подойдут.

Также плохо выбирать мощный тепловой насос для небольших помещений. Такие модели более дорогие, а покупка просто не будет оправданной.

КПД

Этот параметр показывает соотношение взятого из окружающей среды тепла и тепла (или холода), полученного на выходе. Выше КПД – эффективнее работа установки.

Возможность работы и на воду, и на отопление

Поскольку не все модели способны подогревать воду, этот момент стоит уточнять. Хотя, если вы приходите к профессиональному консультанту, то вас и так спросят об этом.

Фирма производителя

На сайте «Холод-Сервис» представлены только американские модели. Это не значит, что другие бренды не выпускают оборудование. Однако предложения именно американских компаний собирает лучшие отклики пользователей.

Сколько стоит насос – не тот параметр, на который нужно ориентироваться при выборе. Пытаясь сэкономить и покупая не совсем то, что необходимо на самом деле, в итоге вы потратите больше.

Кто должен и как установить тепловой насос

Установка тепловых насосов – дело специалиста, знающего, где установить лучше, как провести фреоновую магистраль, как закрепить. Лучше покупать и заказывать монтаж у одной фирмы. Почему? Если вдруг с оборудованием что-то случается и в работе происходит сбой, то компания несет полную ответственность за проданный и установленный продукт. Если кто-то один продает, а другой устанавливает, то определить чья вина в поломке климатической системы уже сложнее.

Монтаж таких систем проще установки иного оборудования. Нет затрат на бурение скважин, а также траты времени на получение разрешений, монтаж дымоходов и вентиляционных коробов.

Для наибольшей эффективности системы важно правильно обустроить геотермические источники тепла.

Кто проводит обслуживание тепловых насосов

Ремонт оборудования дорогой и легче позаботиться о «профилактике» – своевременном обслуживании техники. Компания «Холод-Сервис», например, проводит ежегодное обслуживание климатических систем, проверяя: герметичность соединений, состояние хладагента, степень износа компрессора и много других моментов. Благодаря таким проверкам обнаружить “слабые места” техники можно еще до того, как проблема станет серьезной. И провести мелкие работы по обслуживанию – намного дешевле, чем заменить компрессор или починить другой важный элемент.

Сколько стоит тепловой насос

Цена теплового насоса – не самый приятный момент при выборе установки. Стоимость оборудования зависит от сложности конструкции, наличия определенных функций, мощности, КПД, фирмы-производителя.

Самые популярные модели – Cooper&Hunter, американского производства. Цену «продукта» этого производителя нужно уточнять.

7 причин купить тепловой насос

1. Возможность получить горячую воду и теплый воздух в домах, где нельзя провести горячее водоснабжение.
2. Отменная альтернатива котлам, которые сильно загрязняют окружающую среду угарным газом, копотью.
3. Экономное потребление электричества, не только из-за низкого потребления электричества, но и благодаря наличию уникальных функций. Например, опции: «Выходной день», которая срабатывает за отсутствия жителей дома (компрессор переходит в энергосберегающий режим).
4. Для монтажа не нужно много места. Установки не отнимают квадратные метры участка. Наружный блок крепится на стене здания, а гидромодуль размером с обычный котел присоединяется к стене в помещении.
5. Монтаж не требует согласований и бумажной волокиты.
6. Взрыво- и пожаробезопасность.
7. Работой климатической системы можно управлять на расстоянии, используя для этого телефон и интернет.

Перед тем, как приобрести тепловой насос у компании “Холод-Сервис”, вы можете заказать бесплатный выезд на замеры. Предложение действительно для Хмельницкой, Черновицкой и Тернопольской областей.

Зачем нужен тепловой насос? Как выбрать тепловой насос и в чем его преимущества?

Тепловой насос — это источник энергии для вашей системы отопления и горячего водоснабжения, а также одновременно может служить источником для системы кондиционирования. Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии (электрических, газовых и дизельных) заключается в том, что при производстве тепла до 80% энергии извлекается из окружающей среды. Тепловой насос «выкачивает» солнечную энергию из воздуха, грунта или озера, накопленную за теплое время года.

В каком случае стоит сделать выбор в пользу теплового насоса как основного источника тепла в доме? Какие положительные стороны? Прежде всего, выбирая тепловой насос, вы выбираете комфорт:

• К вам на участок не приезжает топливозаправщик, оставляющий на газонах и дорожках радужные пятна от топлива.
• Вы избавляетесь от топливного хозяйства, создающего повышенную пожароопасность вашего дома, топливных емкостей не будет ни в цокольном этаже, ни в гараже, ни в саду.
• Нигде в доме не пахнет дизельным топливом, вы не думаете о том, что оно скоро закончится и надо заказывать еще.
• Вы не зависите от качества дизельного топлива, и горелка не останавливается под Новый год.
• У вас нет дымовой трубы, шумящей по ночам и проходящей сквозь весь дом.
• Дымовая труба — она будет нужна только для камина.
• Если вам не хватает подключенной электрической мощности на отопление — может быть 25% от необходимой мощности для работы теплового насоса все-таки можно выделить?

И, конечно, это экономия энергии и денег. На сегодняшний день в России стоимость производства тепловой энергии значительно зависит от вида «топлива»: самым дешевым является природный газ, затем дрова, электроэнергия и дизельное топливо. Однако, это только сегодняшняя ситуация, цена на энергоносители все время меняется.

• Охлажденный теплоноситель, проходя по внешнему трубопроводу, нагревается на несколько градусов.
• Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.
• Внутренний контур теплового насоса заполнен хладоагентом. Хладоагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при низком давлении и температуре -5°C.
• Из испарителя газообразный хладоагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и высокой температуры.
• Далее горячий газ поступает во второй теплообменник, конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладоагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.
• При прохождении хладоагента через редукционный клапан давление понижается, хладоагент попадает в испаритель и цикл повторяется снова.

Система отопления в комплексе: геотермальный тепловой насос «Грунт-Вода» и водяной теплый пол

Источником энергии может быть грунт, скальная порода, озеро, вообще любой источник тепла с температурой от 1°C и выше, доступный в зимнее время. Это может быть река, море, сточные воды, выход теплого воздуха из системы вентиляции или система охлаждения какого-либо промышленного оборудования. Внешний контур, собирающий тепло окружающей среды, представляет собой полиэтиленовый трубопровод, уложенный в землю или в воду. Материал трубопровода — ПНД. Диаметр трубопровода — 40 мм. Теплоноситель — 30% раствор пропиленгликоля (либо этилового спирта). Необходимая длина трубопровода, уложенного в землю или опущенного в скважину, рассчитывается по специальной программе.

При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько не глубоких, более дешевых скважин, главное получить общую расчетную глубину. Для предварительных расчетов можно использовать следующее соотношение: на 1 метр скважины приходится 50–60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 200–170 метров.

При использовании в качестве источника тепла участка земли трубопровод зарывается в землю на глубину промерзания грунта (выбирается для конкретного региона). Минимальное расстояние между соседними трубопроводами — 0,8…1,2 м. Специальной подготовки почвы, засыпок и т. п. не требуется. Предпочтения к грунту — желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой — это приводит лишь к увеличению длины контура.

Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 20…30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 333–500 метров. Для укладки такого контура потребуется участок земли площадью около 400–600 кв. метров соответственно. При правильном расчете контур, уложенный в землю, не оказывает влияния на садовые насаждения, и участок может использоваться для выращивания культур точно также, как и при отсутствии внешнего коллектора.

При использовании в качестве источника тепла воды ближайшего водоема, реки, моря контур укладывается на дно. Этот вариант является идеальным с любой точки зрения: короткий внешний контур, «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом. Главное условие — водоём должен быть проточным и достаточным по размерам.

Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 333 метра. Для того чтобы трубопровод не всплывал, на 1 погонный метр трубопровода устанавливается около 5 кг груза.

Водяной теплый пол и геотермальный тепловой насос — это наиболее эффективное сочетание. Энергия не только «производится» экономно, но и экономно используется! Водяной теплый пол — низкотемпературная система отопления (температура теплоносителя 35…50°C). Если же сравнивать ее с традиционной «радиаторной» (температура теплоносителя 70…90°C) системой отопления, то экономия тепловой энергии может достигать до 30–40%. Отношение затраченной электроэнергии к выработанной тепловой энергии тепловым насосом («КПД теплового насоса») во многом зависит от системы отопления, для которой поставляет тепло тепловой насос: чем меньше расчетная температура теплоносителя, тем больше эффективность теплового насоса. В силу технических ограничений температура, подаваемая в систему отопления из геотермального теплового насоса, не превышает 55°С, причем температура обратной воды не должна превышать 50°C.

Система отопления в комплексе: воздушный тепловой насос «Воздух-Вода» и водяной теплый пол

Воздушный контур — вместо того, чтобы извлекать энергию из скважин, земли или водоема теплонасосная установка собирает энергию из окружающего воздуха и сокращает потребление энергии до 75%. Однако, в силу технических причин, теплонасосные установки с воздушным контуром имеют ограничение в применении: минимальная температура наружного воздуха, гарантирующая работу установки -25°C, хотя на практике они работают и при температуре минус 30, и при минус 35 градусов. Есть модели, которые имеют стабильный коэффициент преобразования 5,64 (КПД теплового насоса) вплоть до -14°C.

Теплый пол и воздушный тепловой насос — это идеальное сочетание с точки зрения соотношения первоначальных затрат к эксплуатационным и, как следствие, к окупаемости. В этом случае не нужны дорогостоящие работы по укладке труб наружного контура, которые зачастую превышают стоимость самого теплового насоса.

На современном этапе развития воздушные тепловые насосы шагнули намного вперед по сравнению с геотермальными по количеству тепловой энергии, полученной за отопительный период в целом или за год, если установка эксплуатируется в круглогодичном режиме. Причем есть готовые решения, позволяющие получить на выходе из теплового насоса высокую температуру — 70 градусов, а это значит, что установку можно интегрировать в существующую радиаторную систему отопления, а также подогревать горячую воду до необходимой температуры без ТЭНа.

Кстати, тепловой насос вырабатывает тепло не только в отопительный период, тепло для системы горячего водоснабжения вырабатывается круглый год. А для среднего загородного дома затраты на приготовление горячей воды составляют около 15–20%.

Объяснение тепловых насосов — Как работают тепловые насосы?

Простое объяснение тепловых насосов

Когда дело доходит до жилых систем отопления и охлаждения, немногие типы систем отопления столь же энергоэффективны, как тепловые насосы. Но что такое тепловые насосы и как они работают? Короче говоря, тепловой насос — это просто устройство с электрическим приводом, способное очень эффективно передавать тепло из одного места в другое, что также означает, что они могут охлаждать помещения, если направление теплопередачи изменено на противоположное. Хотя поначалу это может показаться нелогичным, на самом деле тепло можно извлекать из холодного воздуха и добавлять к более теплому воздуху.

Чтобы объяснить тепловые насосы в более практической форме, давайте немного вернемся назад, чтобы понять основы теплопередачи. Во-первых, для аналогии представим теплоту в виде большого водоема. Логично, что вода будет течь из более высокого места в более низкое. Точно так же тепло естественным образом перетекает из более горячего места в более холодное.

Так как же мы можем извлекать тепло из холодного места и направлять его в более теплое место? Ну, это немного похоже на перемещение воды из низкого места в высокое. Все, что вам нужно, это насос! На самом деле тепло определяется движением молекул, из которых состоит материя. Таким образом, весь воздух в мире, который теплее абсолютного нуля (-273 °C, температура, при которой молекулы фактически перестают двигаться), содержит некоторое количество тепла. Так что технически можно извлекать тепло из воздуха любой температуры и направлять его куда-то еще, нужно лишь немного энергии, чтобы накачать тепло туда, куда мы хотим.

Объяснение того, как работают тепловые насосы — большая и дорогая коробка, полная алхимии и магии! Не совсем, но почти!

Как работают тепловые насосы, чтобы быть более эффективными, чем другие виды электрического отопления?

Позвольте мне использовать другую аналогию, которую я недавно услышал, чтобы более подробно объяснить, почему тепловые насосы работают более эффективно, чем электрические печи или плинтусные обогреватели — представьте на мгновение лифт в высотном здании. Лифты используют электродвигатель и редуктор для подъема пассажиров, но гравитация — это то, что возвращает кабину лифта в нижнюю часть здания, поэтому лифты потребляют гораздо больше электроэнергии при подъеме (путь наибольшего сопротивления — эквивалентно электрическому). нагрев сопротивлением, используемый в электрических печах и плинтусных нагревателях) по сравнению с возвратом вниз (путь наименьшего сопротивления — эквивалентно использованию электричества для привода компрессора в тепловом насосе).

По совпадению и в качестве интересного примечания исследователи из Международного института прикладного системного анализа (IIASA) разработали гравитационную систему, которая будет использовать лифты в высотных зданиях для производства и хранения электроэнергии. А в Буллит-центре в Сиэтле уже работает модифицированный лифт с рекуперативным торможением, который потребляет на 60% меньше электроэнергии — как же это круто?!

Чтобы объяснить эффективность теплового насоса, подумайте об этом как о системе регенеративного лифта, где энергия восстанавливается из массы, движущейся в плоскости наименьшего сопротивления

Так часто ли используются тепловые насосы? Являются ли они проверенной технологией?

Тепловые насосы очень часто используются в нашей повседневной жизни. На самом деле, именно этот процесс передачи тепла из того места, где он не нужен, туда, где он нужен, происходит в наших домах прямо сейчас, каждый день, поскольку холодильники на самом деле являются типичной формой теплового насоса.

Цикл охлаждения/обогрева в тепловых насосах

Что касается охлаждения, то тепловые насосы и холодильники работают примерно одинаково. Тепло извлекается из воздуха там, где оно не нужно, и перемещается за пределы охлаждаемого помещения. Тепловые насосы состоят из трех основных компонентов: испарителя, компрессора и конденсатора. Каждый из них играет решающую роль в том, как тепловые насосы перемещают тепло из одного места в другое. Тепловые насосы способны извлекать тепло из воздуха, используя жидкий хладагент (подробнее об этом позже) для поглощения и отвода тепла.

Четырехэтапный процесс в холодильнике или тепловом насосе работает путем преобразования жидкого хладагента в газ, а затем обратно в жидкость, а затем с помощью вентилятора эффективно распределяет холодный воздух (как в системах более высокого класса). вентилятор помогает холодильникам). Этот процесс правильно называется «фазовым преобразованием», или, говоря простым языком, парокомпрессионным холодильным циклом, что является причудливым названием термодинамического процесса, который обычно используется для теплопередачи.

Для пояснения четыре основных этапа теплового насоса работают следующим образом: 

1. Процесс начинается, когда хладагент находится в состоянии, известном как насыщенный пар. Этот насыщенный пар поступает в компрессор , где повышается давление и, соответственно, температура.
2. Затем горячий пар проходит через конденсатор, где он конденсируется обратно в жидкую форму. Результатом этой конденсации является потеря тепла хладагентом. Это то, что сейчас происходит в каждом бытовом холодильнике, и почему сзади тепло, так как тепло рассеивается через охлаждающие ребра.
3. Затем жидкий хладагент проходит через расширительный клапан, где давление падает, и жидкость становится намного холоднее. В этот момент жидкость обычно холоднее, чем пространство, которое необходимо охладить.
4. Наконец, холодная жидкость, которая теперь частично испаряется из-за перепада давления, проходит через испаритель, который обычно состоит из змеевика или длинных трубок. Затем вентилятор обдувает змеевик или трубки воздухом, охлаждая воздух. Это заставляет хладагент испаряться внутри трубок, возвращая его в исходное состояние насыщенного пара.

По сути, хладагент вынужден проходить циклы конденсации и испарения, при которых температура и давление значительно повышаются и падают. Эти колебания температуры затем используются для нагрева или охлаждения потока воздуха или воды, в зависимости от применения.

Объяснение тепловых насосов — как работает цикл хладагента в тепловых насосах или холодильниках

Чем тепловой насос отличается от холодильника?

Бытовые тепловые насосы, оснащенные реверсивным режимом работы, могут обеспечивать как отопление, так и охлаждение, реверсируя поток тепла снаружи внутрь – не то, что обычно полезно для холодильника! Некоторые модели можно даже использовать для эффективного и экономичного нагрева горячей воды для бытовых нужд. Принцип работы тепловых насосов в холодную погоду и их эффективность зависят от выбранного типа установки теплового насоса.

1. Центральные тепловые насосы типа «воздух-воздух» извлекают тепло из наружного воздуха и конденсируют эту энергию, пока не станет достаточно жарко, чтобы всем было комфортно тепло внутри дома зимой, или наоборот летом, поддерживая комфортную прохладу внутри дома в жару погода.
2. Геотермальные тепловые насосы используют тепловую энергию, хранящуюся в воде под поверхностью земли, для обогрева домов и предприятий, но из-за стоимости и сложностей, которые могут привести к проблемам с надежностью, мы обычно рекомендуем использовать их для большей площади поверхности. использовать.
3. Бесканальные тепловые насосы  в отличие от центральных систем тепловых насосов, подают теплый или холодный воздух непосредственно в жилые помещения в доме через отдельные воздухообрабатывающие агрегаты. Чаще всего их модернизируют в традиционных домах с неканальным отоплением, и их, вероятно, лучше всего зарезервировать для дополнительного использования в качестве реконструкции отопления, когда исходная вторая система отопления остается в качестве резервного источника тепла для теплового насоса в очень холодную погоду или при отключении электроэнергии.

Если дом уже отапливается печью центрального отопления, работающей на ископаемом топливе, которая подлежит замене, замена высокоэффективного центрального теплового насоса предлагает энергоэффективный и более устойчивый способ согреться зимой или охладиться в разгар лета. .

Итак, это немного объясняет науку о тепловых насосах, но что именно делает тепловые насосы такими интересными для отопления и охлаждения жилых помещений? И какие тепловые насосы являются лучшими по эффективности и надежности и какие лучше всего работают в холодном климате? Преимущества тепловых насосов довольно многочисленны, давайте сейчас рассмотрим некоторые из них.

Каковы преимущества отопления тепловым насосом?

Прежде всего, количество энергии, обычно необходимое для работы компрессора и вентиляторов или насосов в тепловом насосе, обычно значительно меньше, чем количество тепла, которое может быть перемещено или, с практической точки зрения, «генерировано». Производительность теплового насоса обычно измеряется так называемым «коэффициентом производительности» или COP. COP — это количество переданного или перемещенного тепла, деленное на количество энергии, необходимой для перемещения этого тепла. COP среднего теплового насоса для жилых помещений обычно составляет около 3, что означает, что на каждую единицу энергии, подаваемой в систему отопления, передается 3 единицы. По сравнению с электрическим нагревателем плинтуса, КПД которого равен 1 (каждая единица энергии, вложенная в электрический плинтус, выходит в виде тепла), тепловые насосы внезапно становятся весьма привлекательными!

Еще одно интересное преимущество тепловых насосов по сравнению с другими системами отопления или охлаждения жилых помещений заключается в том, что тепловой насос можно настроить как для обогрева, так и для охлаждения. Описанный выше термодинамический цикл можно обратить вспять, чтобы переключить его с одной функции на другую. Вместо того, чтобы брать тепло снаружи для обогрева дома внутри зимой, реверсивный тепловой насос также может брать тепло изнутри и выбрасывать его наружу для охлаждения дома летом.

Это может помочь сэкономить деньги на закупочной цене и затратах на техническое обслуживание, поскольку теперь у нас есть одна машина, выполняющая работу, которую раньше выполняли две. Это также может помочь сэкономить место для хранения в подвале, поскольку центральные тепловые насосы обычно меньше, чем эквивалентная комбинация газовой печи и кондиционера.

Другие интересные преимущества включают улучшенное качество воздуха в помещении, так как топливо не сжигается и не выбрасывается, а система всегда подает свежий воздух в дом. Тепловые насосы также весьма универсальны; их можно использовать для нагрева поступающего снаружи воздуха или в качестве теплового насоса типа «воздух-вода» для производства горячей воды в жилых помещениях. Тепловые насосы также используются в сочетании с геотермальным отоплением и охлаждением, когда тепло либо берется из земли, либо возвращается обратно в землю.

Тепловые насосы могут звучать как довольно волшебное устройство, которое может выполнить все; однако у них есть несколько важных недостатков. Во-первых, их производительность очень сильно зависит от климата. В очень холодном климате, где температура часто опускается ниже -10 градусов по Цельсию, тепловые насосы могут стать менее эффективными, если не выбирать тепловые насосы последнего поколения для холодного климата.

Хотя тепло по-прежнему можно извлекать из холодного воздуха, только самые лучшие тепловые насосы подходят для очень низких температур по двум причинам: 1) COP имеет тенденцию значительно падать в очень холодную погоду, что сводит на нет преимущество эффективности; 2) В более холодном климате, таком как большая часть Канады и северных штатов, потребность дома в отоплении, как правило, намного выше, чем потребность в охлаждении. Настолько, что в домах с умеренной изоляцией использование теплового насоса в качестве единственного источника тепла может оказаться нецелесообразным.

Работают ли тепловые насосы в холодном климате?

Вообще говоря, в более холодном климате, если дом не отличается исключительной эффективностью, традиционно рекомендуется использовать тепловой насос с электрическими плинтусами или какой-либо другой формой отопления, чтобы дом оставался теплым в самые холодные зимние дни. Однако можно привести аргумент в пользу инвестирования в дополнительную изоляцию в новых домах, а не в дополнительное производство тепла, чтобы тепловой насос мог работать с более оптимальной эффективностью, поскольку для этого потребуется меньшая мощность.

Кроме того, при правильном утеплении и правильно спроектированном доме для пассивного получения солнечного тепла можно даже безопасно обогреть дом в самые холодные зимние дни, используя только тепловой насос. Обратите внимание, что, хотя система может сэкономить деньги в долгосрочной перспективе, первоначальные затраты на тепловые насосы, как правило, немного выше, чем на другие системы, особенно если также требуется вторая резервная система отопления.

Наконец, тепло, выделяемое тепловым насосом, обычно менее интенсивно, чем в обычной печи. Например, тепловой насос обычно вырабатывает тепло при температуре от 32 до 37 градусов по Цельсию, что немного ниже температуры тела. Для сравнения, типичная печь на ископаемом газе будет генерировать тепло при температуре около 50 градусов по Цельсию, что намного комфортнее в холодный зимний день. Некоторые люди находят низкотемпературный нагрев немного неудобным в холодную погоду, особенно в плохо изолированном доме.

Таким образом, когда вы ищете новую систему центрального отопления и охлаждения для дома, обязательно следует рассмотреть вопрос о тепловом насосе, тем более, что многие штаты стремятся запретить системы отопления на ископаемом топливе. Насколько это целесообразно, будет зависеть от того, насколько хорошо утеплен дом, от климатической зоны и от того, насколько рациональны будущие владельцы.

В доме с суперизоляцией тепловой насос может обеспечить все необходимое тепло и комфорт, но в доме, построенном по минимальным нормам, может быть разумным использовать резервный источник тепла. Таким образом, домовладелец или строитель должен найти компромисс между инвестициями в изоляцию или дополнительную систему отопления. В любом случае, тепловые насосы, безусловно, являются очень эффективным источником тепла и охлаждения для домов, и во многих случаях преимущества могут перевешивать недостатки.

У нас также есть руководство по нагревателю горячей воды с гибридным электрическим тепловым насосом типа воздух-вода, который заимствует эту эффективность и значительно сокращает потребление энергии, необходимой для удовлетворения наших потребностей в горячей воде для бытовых нужд.

Теперь мы объяснили тепловые насосы и принцип их работы , узнайте больше о эффективном отоплении дома  и о том, как уменьшить углеродный след домов  на следующих страницах и в EcoHome   Руководство по экологическому строительству . Отопление дома. Как спроектировать дом с учетом теплового комфорта и эффективности Электрическое отопление дома — какие типы лучше? Лучшие советы по энергосбережению для «зеленых» домов — 10 советов Возобновляемые источники энергии. Каковы наилучшие способы получения энергии дома? Какие марки тепловых насосов лучше? Узнайте больше о строительстве и ремонте экологически чистых домов и получите преимущества бесплатного членства в сети Ecohome Network здесь.

Все, что вам нужно знать о диком мире тепловых насосов

Объяснения технического обзора

Тепловые насосы могут помочь решить проблему изменения климата и сэкономить ваши деньги. Вот как они работают.

By

• Кейси Краунхарт Страница архива

14 февраля 2023 г.

Marijan Murat/picture-alliance/dpa/AP Images

Концепция тепловых насосов проста: работая от электричества, они перемещают тепло для охлаждения или обогрева зданий. Это не новая идея — они были изобретены в 1850-х годах и используются в домах с 1960-х годов. Но внезапно они стали самым популярным бытовым прибором, оказавшись в центре внимания благодаря потенциалу экономии средств и преимуществам для климата, а также недавним политическим стимулам.

Несмотря на простоту основной идеи, детали работы тепловых насосов поражают воображение. Во имя контроля температуры в вашем доме это устройство может показаться чуть ли не нарушением законов физики. Тепловые насосы также совершенствуются: новые модели более эффективны и лучше справляются с холодной погодой.

Итак, давайте погрузимся и узнаем, что делает работу теплового насоса.

Как работает тепловой насос?

На высоком уровне тепловой насос собирает тепло из одного места и отдает его в другое место. В основном мы будем говорить о тепловых насосах в контексте отопления, но их также можно использовать для охлаждения, собирая тепло изнутри и отправляя его наружу, как кондиционер. Многие тепловые насосы могут работать в обратном направлении, либо нагревая, либо охлаждая, в зависимости от того, что необходимо.

Главным героем теплового насоса является хладагент: жидкость, которая движется по контуру, поглощая и выделяя тепло по ходу. Электричество питает систему, продвигая хладагент по циклу.

По мере того, как хладагент проходит через тепловой насос, он сжимается и расширяется, переключаясь между жидкой и газообразной формами, что позволяет ему собирать и выделять тепло в разные моменты цикла. (Если для вас достаточно подробностей, можете перейти к следующему вопросу. В противном случае присоединяйтесь ко мне в путешествии внутри теплового насоса, чтобы понять, как все это работает.)

МЕЖДУНАРОДНОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО

Представьте себе: холодный зимний день, скажем, 25 °F (-5 °C). Вы сидите на диване в своей гостиной с хорошей книгой, а рядом свернулась калачиком ваша кошка. Вы смотрите на термостат, который установлен на 68 °F. Разумно, но немного прохладно. Вы подходите и немного повышаете температуру до 70 °F.

Ваш тепловой насос тихо жужжал на заднем плане. Теперь он поднимает температуру на ступеньку выше: вентилятор и компрессор внутри ускоряются, а хладагент начинает двигаться быстрее, чтобы передавать больше тепла снаружи внутрь.

Может показаться нелогичным собирать тепло снаружи, когда на улице так холодно, поэтому давайте проследим за хладагентом в течение одного цикла, чтобы увидеть, как он работает. Для большинства тепловых насосов поездка занимает всего несколько минут.

Хладагенты для тепловых насосов имеют очень низкую температуру кипения, обычно ниже -15 °F (-25 °C). Итак, в начале нашего пути хладагент находится примерно при этой температуре и находится в жидкой форме. Даже в самых холодных местах хладагент в таком состоянии обычно значительно холоднее наружного воздуха (в нашем случае более чем на 40 градусов холоднее).

На первом этапе своего пути хладагент проходит через теплообменник, мимо наружного воздуха и нагревается настолько, что начинает кипеть, превращаясь из жидкости в газ.

Второй этап его путешествия — путешествие через компрессор. Компрессор сжимает хладагент в меньший объем, повышая его давление и температуру кипения (через минуту это станет важным). Это также дополнительно нагревает его, поэтому к тому времени, когда хладагент проходит мимо компрессора, он теплее, чем в помещении.

Третий этап пути хладагента проходит через другой теплообменник. Но к настоящему времени хладагент представляет собой теплый газ с температурой выше 100 °F, и он проходит через относительно более холодное помещение. Передавая часть этого тепла в комнату с помощью вентилятора, он начинает снова превращаться в жидкость.

Наконец, на четвертом этапе жидкий хладагент проходит через расширительный клапан, сбрасывая давление. Точно так же, как сжатие материала нагревает его, а расширение позволяет ему снова остыть, так что теперь жидкость вернулась к низкой температуре и готова поглотить больше тепла, чтобы принести внутрь.

Работают ли тепловые насосы на морозе?

Заявление о том, что тепловые насосы плохо работают в на самом деле холодную погоду, часто повторяют компании, работающие на ископаемом топливе, которые продают конкурирующий продукт.

В этом есть доля правды — тепловые насосы могут быть менее эффективными в сильные морозы. По мере увеличения разницы температур внутри и снаружи тепловому насосу придется работать больше, чтобы собирать тепло из этого наружного воздуха и рассеивать его в помещении, поэтому эффективность падает.

Но даже если тепловые насосы не работают с максимальной эффективностью в более холодном климате, «они работают везде», — говорит Сэм Калиш, руководитель специальных проектов Rewiring America, некоммерческой группы, занимающейся электрификацией.

Тепловые насосы работают повсюду от Аляски до штата Мэн в США. Около 60 % зданий в Норвегии отапливаются тепловыми насосами, а в Швеции и Финляндии — 40 %.

Тепловые насосы могут эффективно работать даже в самых холодных местах. Тем не менее, выбор правильного теплового насоса является ключом к тому, чтобы он работал хорошо при понижении температуры, говорит Энди Мейер, старший менеджер программы Efficiency Maine, агентства, которое реализует программы энергоэффективности в штате.

Некоторые тепловые насосы не приспособлены для обогрева помещения при температуре ниже нуля, но есть модели, которые эффективно работают при более низких температурах, говорит Мейер. Небольшие обогреватели могут помочь в случае похолодания, но если вы выберете систему хорошего размера, они вам не понадобятся, добавляет он.

Что же нового в технологии тепловых насосов?

Улучшения в некоторых из их основных компонентов помогли повысить эффективность и производительность тепловых насосов, особенно в холода, говорит Мейер.

Одно важное усовершенствование касается хладагентов. Раньше на рынке доминировал фреон, также называемый R-22, но в США и на других крупных рынках его использование было прекращено из-за его озоноразрушающего действия.

В настоящее время смесь химических веществ, называемая R-410A, является одним из наиболее широко используемых хладагентов в тепловых насосах. Помимо того, что R-410A немного менее вреден для озонового слоя, он имеет более низкую температуру кипения, чем R-22, а это означает, что он может поглощать больше тепла при более низких температурах, повышая эффективность на холоде.

Улучшены и другие компоненты. Новые компрессоры, используемые сегодня в тепловых насосах, могут доводить хладагенты до более высокого давления с меньшими затратами энергии. Существуют также новые так называемые компрессоры с переменной скоростью, которые позволяют тепловым насосам увеличивать и уменьшать свою мощность. Наконец, теплообменники, которые передают тепло между воздухом и хладагентом, становятся все больше и лучше, поэтому они могут перемещать тепло более эффективно.

Сегодня уже доступен широкий ассортимент тепловых насосов. Около 85% установленных тепловых насосов — это воздушные тепловые насосы, подобные описанному мной. Они бывают самых разных форм и размеров. Но другие модели — так называемые геотермальные тепловые насосы — собирают тепло из-под земли, а не из воздуха.

Как тепловые насосы помогают бороться с изменением климата?

Отопление зданий часто зависит от природного газа или мазута, поэтому сегодня на этот сектор приходится около 10% глобальных выбросов. Тепловые насосы станут основной технологией, используемой для снижения воздействия отопления на климат, прогнозирует Янник Моншауэр, энергетический аналитик Международного энергетического агентства.

Тепловые насосы работают на электричестве из сети. В то время как электростанции, работающие на ископаемом топливе, по-прежнему помогают энергосистемам по всему миру, возобновляемые источники энергии и низкоуглеродные источники энергии также вносят свой вклад. Таким образом, с текущим энергетическим балансом на всех основных рынках тепловые насосы лучше для климата, чем отопление, работающее непосредственно на ископаемом топливе, говорит Моншауэр.

Настоящая климатическая суперспособность тепловых насосов заключается в их эффективности. Тепловые насосы сегодня могут достигать эффективности от 300% до 400% или даже выше, а это означает, что они производят в три-четыре раза больше энергии в виде тепла, чем используют в виде электричества. Для обогревателя теоретическим максимумом будет КПД 100%, а сегодня лучшие модели достигают КПД около 95%.

Разница в эффективности между тепловыми насосами и обогревателями зависит от того, как они работают. Обогреватели работают, преобразовывая энергию из формы электричества в другую форму, тепло.

Тепловые насосы, с другой стороны, не превращают электричество в тепло — они используют электричество для сбора тепла и его перемещения. Это небольшая разница, но в основном она означает, что тепловой насос может возвращать значительно больше тепла, используя то же количество электроэнергии.

Максимальная эффективность теплового насоса будет зависеть от хладагента и установленной системы, а также от разницы температур между обогреваемым помещением и наружной температурой.

Что еще мне следует знать, если я рассматриваю возможность приобретения теплового насоса?

Первоначальные затраты на тепловые насосы являются основным препятствием для внедрения: покупка и установка одного блока сегодня может стоить от 3000 до 6000 долларов, а в больших домах часто требуется несколько блоков.

Но за 15-летний срок службы тепловые насосы уже дешевле покупать и эксплуатировать, чем другие системы для некоторых потребителей, особенно если они используются для обогрева и охлаждения дома в разные периоды года, говорит Моншауэр.

Более чем в 30 странах мира действуют программы поощрения использования тепловых насосов, часто с бонусами для домохозяйств с низким доходом или тех, кто покупает высокоэффективное оборудование. В Италии действуют особенно щедрые субсидии на тепловые насосы, которые устанавливаются при модернизации зданий для повышения энергоэффективности, при этом клиенты получают до 110% покупной цены в качестве налогового кредита.

В США Закон о снижении инфляции предлагает налоговый кредит в размере 30% от покупной цены теплового насоса с дополнительными скидками для домохозяйств с низким и средним доходом. Для некоторых домохозяйств финансирование может покрыть 100% стоимости. В Rewiring America есть калькулятор, который помогает людям определить, на какие субсидии IRA они имеют право.

Что дальше для тепловых насосов?

Несмотря на то, что тепловые насосы значительно лучше, чем десять лет назад, у этой технологии еще есть потенциал для роста.

Новые конструкции, такие как автономные оконные блоки от стартапа Gradient, могут сократить затраты на установку. Другие компании, такие как Midea и LG, также начали предлагать небольшие портативные устройства. Эти новые опции могут позволить тепловым насосам внедряться в новые пространства, например, в старые многоквартирные дома, где установка в противном случае была бы дорогой или невозможной.

Одной из перспективных областей для дальнейшего прогресса являются хладагенты. В то время как современные хладагенты являются улучшением по сравнению со старыми вариантами, даже более новые являются мощными парниковыми газами. Во избежание утечек требуется осторожное обращение и точное изготовление. Климатические выгоды от тепловых насосов перевешивают потенциал потепления от утечек хладагентов, но альтернативы могут помочь еще больше снизить этот риск.

Gradient, например, использует хладагент R-32, который имеет более низкий потенциал глобального потепления, чем R-410A. Другие классы хладагентов, такие как углеводороды пропан и бутан, представляют еще меньший риск для климата. Тем не менее, некоторые из этих более безопасных для климата хладагентов, как правило, легко воспламеняются, поэтому необходимы системы безопасности.

Новые технологические достижения помогут расширить и без того огромный ассортимент тепловых насосов на рынке. И затраты должны со временем снижаться по мере того, как технология становится все более распространенной.

Мировые продажи тепловых насосов выросли на 15 % в 2021 году. В Европе наблюдался один из самых высоких темпов роста: в 2021 году продажи выросли на 35 %, и эта тенденция, вероятно, сохранится из-за энергетического кризиса. Сегодня в Северной Америке по-прежнему самое большое количество домов с установленными тепловыми насосами, но Китай получает приз за самые новые продажи.

Куда ни глянь, эра тепловых насосов официально началась.

Обновление: эта история была обновлена, чтобы добавить дополнительную информацию о стоимости установки теплового насоса для всего дома.

Кейси Краунхарт

Глубокое погружение

Объяснения технического обзора

Как выйти из системы

Надоело тратить все свое время, глядя на свои устройства? Вот как достичь более здорового баланса.

Как Китай стал доминировать в мире электромобилей?

От щедрых государственных субсидий до поддержки литиевых аккумуляторов — вот ключи к пониманию того, как Китаю удалось создать ведущую в мире индустрию электромобилей.