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

Что такое тепловой насос

Тепловой насос — это компактная отопительная установка, предназначенная для автономного обогрева и горячего водоснабжения жилых, производственных и прочих помещений за счет отбора тепла из окружающей среды. Одновременно, такая система может служить источником холода и для системы кондиционирования.

Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии, например, электрических или газовых, заключается в том, что при производстве тепла до 80% энергии извлекается из возобновляемых источников. Тепловой насос способен «выкачивать» энергию, накопленную за теплое время года из грунта, воды и даже воздуха.

Тепловой насос отличается особой энергоэффективностью, например, при потреблении 1 кВт электроэнергии, в зависимости от режима работы и условий эксплуатации, производит до 4 — 5 кВт тепловой энергии. Такая высокая эффективность обеспечивается тем, что электрическая энергия используется только на перенос тепла, например, от грунта в помещение. Поэтому, данный способ отопления можно считать одним из самых эффективных.

Как мы знаем из школьного курса физики, внутренняя энергия (или тепло) содержится в любом предмете или веществе, температура которого выше –273 °С (0°К). Например, имея кусок льда, допустим 1 м3 с температурой -10 °С, мы также имеем какое-то определенное количество энергии, которая находится в этом льде. Представим также себе, что рядом с нашим льдом находиться бочка с водой с температурой +10 °С. А теперь полезно вспомнить закон сохранения энергии, в котором говорится, что энергия не может взяться из неоткуда и исчезнуть в никуда, а только переходит из одного вида в другой.

Следовательно, имея способ переноса тепла, мы можем начать отбирать тепло у льда и переносить его к воде в нашей бочке. Соответственно температура льда начнет понижаться, а температура воды в бочке повышаться. И если наш способ переноса тепла достаточно совершенен, а масса льда и воды в бочке подобраны в соответствии с удельной теплоёмкостью веществ, то в теории, мы можем охладить лед до -273 °С, а воду в бочке довести до кипения, или даже превратить в пар.

Тоже самое выполняет тепловой насос, являясь как-раз тем самым механизмом для переноса тепла (внутренней энергии) от одного тела к другому. И если у нас вместо льда, например — озеро, а вместо бочки с водой – вода системы отопления, то мы получаем полноценную рабочую систему отопления с источником низкопотенциального тепла (воды озера) и получателем высокопотенциального тепла (воды системы отопления).
Как уже отмечалось, для работы теплового насоса необходима электроэнергия. Отношение количества тепловой энергии, «выданной» тепловым насосом, к потреблённой электрической энергии, называют коэффициентом преобразования теплового насоса (СОР — coefficient of performance).

Коэффициент преобразования теплового насоса, в зависимости от условий, может быть доведён и до 10-12. В реальных же условиях, при решении стандартных задач отопления, СОР обычно составляет от 3 до 5.

 

История тепловых насосов

Концепция тепловых насосов была разработана на базе известного Цикла Карно еще в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином), и в дальнейшем усовершенствована, и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером (Peter Ritter von Rittinger).

Петера Риттера фон Риттингера считают изобретателем теплового насоса, ведь как раз он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 году. Но практическое применение тепловой насос приобрел значительно позже, а точнее в 40-х годах ХХ столетия, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) экспериментировал с морозильной камерой. Как-то раз Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе морозильной камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу.

Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В итоге Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух.

Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал свое изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления.

Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не сильно изменяется в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» тепло земли. Газ конденсировался, отдавал свое тепло в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию тепла. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому. В следующем году Вебер продал свою старую угольную печь.

В 40-х годах тепловой насос был известен благодаря своей чрезвычайной эффективности, но реальная потребность в нем возникла в период Арабского нефтяного эмбарго в 70-х годах, когда несмотря на низкие цены на энергоносители появился интерес к энергосбережению.

Что такое тепловой насос? Какие бывают тепловые насосы и принцип их работы.

Содержание

• Что такое тепловой насос
• Принцип работы теплового насоса
• Какие бывают тепловые насосы

Комментарии

Тепловые насосы – это устройства, предназначенные для переноса тепловой энергии от источника с низкой температурой, по направлению к теплоносителю с более высокой температурой. Это значит, что данные агрегаты способны преобразовывать низкопотенциальное тепло воды, воздуха или грунта, а затем передавать его жидкости, циркулирующей в системах отопления или горячего водоснабжения. Если же говорить максимально упрощенно, то тепловой насос переносит энергию от менее нагретого тела к более нагретому, благодаря чему температура последнего увеличивается. А основная ценность таких машин заключается в том, что используя альтернативные источники энергии, они позволяют получать недорогое и постоянно доступное тепло без вреда для окружающей среды. Это качество делает их все более востребованными во всем мире, в том числе – и в нашей стране. Поэтому в данном материале мы собрали краткие ответы на основные вопросы, касающиеся применения бытовых тепловых насосов.

Как работает тепловой насос?

Принцип работы теплового насоса любой модификации основывается на том факте, что все тела с температурой выше абсолютного нуля имеют некий запас энергии. При этом, он прямо пропорционален массе, а также удельной теплоемкости тела. Несложно догадаться, что грунты, водоемы и подземные воды, имеющие огромную массу, можно использовать для получения почти бесплатного тепла. Но, для того, чтобы отобрать тепловую энергию какого-либо тела, его нужно охладить. Рассчитать примерное количество выделяемого при этом тепла можно по упрощенной формуле: Q = C · M · (T2 − T1), в которой Q − полученное тепло, C − теплоемкость, M – масса, а T2 – T1 – разница температур тела до его охлаждения и после. Эта формула позволяет сделать важное наблюдение о том, что охлаждая 1 кг теплоносителя от 1000 до 0 oС, можно получить столько же тепла, сколько даст охлаждение 1000 кг от 1 до 0 oС.

Говоря о том, что такое тепловой насос, нельзя не отметить, что в термодинамическом плане он аналогичен обыкновенному холодильнику, только работает по обратному принципу. Если цель холодильной машины – производство холода путем отбора тепла из какого-либо объема при помощи испарителя, при сбросе конденсатором теплоты в окружающую среду, то в случае с телонасосом, конденсатор является теплообменником, выделяющим тепло для потребителя, а испаритель – теплообменником, утилизирующим низкопотенциальное тепло. Ну а, поскольку перечисленные выше источники тепла – грунт, вода или воздух, доступны повсеместно, системы отопления и горячего водоснабжения с тепловыми насосами становятся эффективными, простыми в монтаже, экологичными и экономичными решениями, позволяющими сократить расходы на производство тепла для зданий любого назначения.

 

Какие преимущества есть у тепловых насосов?

Постоянно возрастающая популярность данных агрегатов, как в бытовой, так и в производственной сферах, обусловлена немалым количеством достоинств, которыми они обладают. Главные преимущества теплонасосов таковы:

• Простота эксплуатации – вполне сравнимая с легкостью использования обычного домашнего кондиционера;
• Экономичность – для передачи в систему обогрева 1 кВт·ч тепловой энергии такому аппарату требуется затратить, в среднем, всего 0,2-0,35 кВт·ч электрической энергии;
• Неприхотливость к условиям работы – а также, упрощение требований к системам вентиляции помещений и повышение общего уровня их пожарной безопасности;
• Многофункциональность – выражающаяся в возможности переключения с зимнего режима отопления помещений на летний режим кондиционирования воздуха;
• Бесшумность и относительная компактность – делающие подобные установки идеально подходящими для отопления частных домов.

В свою очередь, единственным существенным недостатком тепловых насосов всех модификаций является не слишком высокая температура нагреваемой воды, которая, как правило, не превышает 50-60 oС. Тем не менее, даже таких показателей почти всегда вполне хватает для успешного функционирования низкотемпературных систем отопления, а также бытовых сетей горячего водоснабжения.

Какие бывают тепловые насосы?

Классификация тепловых насосов подразумевает их разделение на несколько групп, исходя из различных характеристик. Так, в зависимости от способа передачи энергии, существуют такие типы тепловых насосов:

• Компрессионные тепловые насосы – используют в работе цикл сжатия-расширения теплоносителя с параллельным выделением тепловой энергии. Основные комплектующие таких устройств – конденсатор, компрессор, испаритель и расширитель. Теплонасосы компрессионного типа отличаются простотой эксплуатации и высокой эффективностью, благодаря чему они заслужили большую популярность;
• Абсорбционные тепловые насосы – используют в работе сочетание абсорбент-хладон. Они являются устройствами нового поколения с высокой производительностью. И именно применение абсорбента делает теплонасосы абсорбционного типа максимально эффективными.

В зависимости от задействованного источника тепла, существуют такие типы теплонасосов:

• Геотермальные тепловые насосы – извлекают энергию из грунта или воды;
• Воздушные тепловые насосы – извлекают энергию из атмосферы;
• Использующие вторичное тепло тепловые насосы – извлекают энергию из воздуха, воды или даже канализационных стоков.

В свою очередь, в зависимости от вида теплоносителя входного и выходного контуров, существуют такие типы тепловых насосов:

• Тепловые насосы «воздух-воздух» – отбирают энергию у наружного воздуха с более низкой температурой, а затем передают полученное тепло в отапливаемые при помощи нагретого воздуха помещения;
• Тепловые насосы «вода-вода» – отбирают энергию у грунтовых вод, а затем передают полученное тепло воде, циркулирующей в системах отопления и горячего водоснабжения;
• Тепловые насосы «вода-воздух» – отбирают энергию у грунтовых вод, используя зонды или скважины для воды, а затем передают полученное тепло в воздушную систему отопления;
• Тепловые насосы «воздух-вода» – отбирают энергию у атмосферного воздуха, а затем передают полученное тепло воде, циркулирующей в системах отопления и горячего водоснабжения;
• Тепловые насосы «грунт-вода» – отбирают энергию у грунта при помощи проложенных под землей труб, по которым циркулирует вода, а затем передают полученное тепло воде, циркулирующей в системах отопления и горячего водоснабжения;
• Тепловые насосы «лед-вода» – отбирают энергию у воздуха, которая высвобождается при получении льда, а затем передают полученное тепло воде, циркулирующей в системах отопления и горячего водоснабжения.

Какие тепловые насосы наиболее эффективны?

Определить общую эффективность геотермального теплонасоса довольно просто. Для успешной реализации своих функций любой подобный агрегат должен продуцировать больше тепловой энергии, чем потреблять энергии электрической. Данное соотношение называется коэффициентом преобразования, а его значение может меняться, исходя из разницы температур во входном и выходном контурах. При этом, чем ниже температура снаружи здания, тем подобная система является менее эффективной. В зависимости от модификации теплового насоса, его коэффициент преобразования варьируется от 1 до 5. А для более точной оценки такого аппарата используется дополнительный параметр годовой производительности.

Однако, в случае с теплонасосами, к сожалению, легко определяется только их общая эффективность. Определить этот параметр для конкретного теплового насоса довольно сложно. Дело в том, что его собственная эффективность зависит от многих факторов, а потому рассчитать ее без специальной подготовки почти невозможно. Поэтому для подсчетов данной величины не существует универсальной формулы или алгоритма. Ну а для того, чтобы правильно выбрать тепловой насос, желательно обратиться к специалистам, которые смогут подобрать его оптимальную разновидность и объем необходимого хладагента, исходя из существующих условий применения.

Каковы перспективы использования тепловых насосов?

Немалые преимущества применения теплонасосов давно оценили во всех наиболее развитых западных странах. Именно поэтому в расположенных там домохозяйствах уже в ближайшие 5 лет доля систем отопления и горячего водоснабжения с данными устройствами в составе будет составлять не менее 75%. А по прогнозам мирового энергетического совета (World Energy Council), в 2020 году 3/4 общего теплоснабжения в мире будет обеспечиваться тепловыми насосами различных модификаций. Скандинавские страны уже вышли на эти цифры, в США законодательно закреплено оборудование всех новых общественных зданий тепловыми насосами, а правительство Германии датирует каждый кВт мощности новых энергосберегающих систем в размере порядка € 200. А с учетом постоянной модернизации и снижения стоимости тепловых насосов, их популярность будет постоянно расти и в Украине.Стоит отметить, что в нашем магазине есть возможность купить по выгодной цене  тепловые насосы.

Что такое тепловой насос и как он нагревает и охлаждает?

Что такое тепловой насос?

Тепловой насос, являющийся частью системы центрального отопления и охлаждения, использует наружный воздух как для обогрева дома зимой, так и для его охлаждения летом.

Как работает тепловой насос?

Технически тепловой насос представляет собой холодильную систему с циклом механического сжатия, которая может быть реверсирована для обогрева или охлаждения контролируемого помещения. Думайте о тепловом насосе как о переносчике тепла, постоянно перемещающем теплый воздух из одного места в другое, туда, где он нужен или не нужен, в зависимости от сезона. Даже в воздухе, который кажется слишком холодным, присутствует тепловая энергия. Когда на улице холодно, тепловой насос извлекает доступное снаружи тепло и передает его внутрь. Когда на улице тепло, он меняет направление и действует как кондиционер, удаляя тепло из вашего дома.

Обратите внимание, что тепловые насосы лучше всего подходят для умеренного климата, а для более низких температур может потребоваться дополнительный источник тепла. В качестве круглогодичного решения для домашнего комфорта тепловые насосы Trane могут стать ключевой частью согласованной системы. Независимый дилер Trane может помочь вам решить, подходит ли вам система теплового насоса.

Компоненты теплового насоса

Тепловой насос состоит из двух основных компонентов: внутреннего блока обработки воздуха и наружного блока, аналогичного центральному кондиционеру, но называемого тепловым насосом. Наружный блок содержит компрессор, обеспечивающий циркуляцию хладагента, который поглощает и выделяет тепло при перемещении между внутренним и наружным блоками.

Кондиционер и тепловой насос: в чем разница?

Тепловые насосы и кондиционеры используют одну и ту же технологию для охлаждения вашего дома. Они обладают одинаковыми энергосберегающими характеристиками. За исключением нескольких небольших технических отличий, тепловые насосы и кондиционеры охлаждают ваш дом одинаково, без реальной разницы в качестве комфорта, энергоэффективности или стоимости энергии.

Основное различие между тепловыми насосами и кондиционерами заключается в том, что тепловой насос также может обогревать ваш дом, а кондиционер — нет. Кондиционер должен быть соединен с печью, чтобы в доме было полноценное центральное отопление и охлаждение.

Газовая печь или тепловой насос? Какая разница?

Основное различие между ними заключается в том, как они выделяют тепло. Тепловой насос использует электричество для перемещения тепла из одного места в другое. Печь сжигает топливо для создания тепла. Из-за этого тепловой насос будет более энергоэффективным. Например, тепловой насос Trane XV20i является одним из самых эффективных в отрасли HVAC с рейтингом до 20,00 SEER и 10,00 HSPF

Еще одно различие между тепловыми насосами и печами заключается в энергоэффективности и воздействии на окружающую среду. Поскольку он работает на электричестве, 9 Тепловые насосы 0027 не производят вредных выбросов, которые, как было доказано, способствуют изменению климата.

Кроме того, тепловой насос будет охлаждать ваш дом летом, избавляя вас от необходимости покупать отдельный кондиционер.

Узнайте, подходит ли тепловой насос для вашего дома. (Где вы живете имеет значение).

Что такое система теплового насоса? Что нужно знать

Тепловой насос не производит тепло; он переносит его из одного места в другое. У этого прибора большое будущее в стране, заботящейся об экологии.

Если вы не знакомы с тепловыми насосами, самое подходящее время изменить это. В 2023 году вступят в силу федеральные льготы, чтобы облегчить бюджету покупку и установку. А в 2030 году Калифорния начнет поэтапный отказ от газовых печей.

Поскольку тепловые насосы потребляют на 50 процентов меньше энергии, чем электрические печи сопротивления, по данным Агентства по охране окружающей среды (EPA), они готовы стать наиболее экономичным вариантом отопления для калифорнийцев, а также жителей любых других штатов, которые последуют примеру Калифорнии. .

Так что же это за бытовой прибор, который «качает тепло»? Идея не экзотична. Переверните ваш оконный кондиционер, и он может работать как рудиментарный тепловой насос. Но, как и следовало ожидать, настоящие тепловые насосы более сложны.

Что такое система теплового насоса?

Тепловой насос представляет собой электроприбор, передающий тепло снаружи внутрь помещения и наоборот.

Большинство тепловых насосов имеют реверсивные клапаны, которые позволяют им также функционировать в качестве кондиционеров. Основными рабочими частями являются компрессор, обеспечивающий циркуляцию хладагента через систему медных змеевиков, и вентилятор, обеспечивающий подачу воздуха в жилое помещение.

Системы тепловых насосов обычно состоят из двух агрегатов, одного наружного и одного внутреннего, соединенных медной трубкой, проходящей через стену здания. Компрессор обычно снаружи.

Как работает тепловой насос?

Система охлаждения состоит из двух змеевиков (конденсатора и испарителя), разделенных расширительным клапаном, через который непрерывно циркулирует хладагент. В змеевике конденсатора компрессор сжимает хладагент, превращая его в жидкость. Поскольку при этом процессе выделяется тепло, змеевик конденсатора всегда горячий.

Жидкость под давлением давит на расширительный клапан на конце змеевика. Когда давление достаточно велико, клапан открывается и распыляет хладагент в змеевики испарителя, где резкое снижение давления превращает хладагент в пар.

При испарении энергия извлекается из окружающей среды (воздуха, почвы или воды). Это возвращается в змеевик конденсатора, чтобы выделяться в виде тепла, когда хладагент снова нагнетается.

Типы систем тепловых насосов

Тепловые насосы можно разделить на категории в зависимости от среды, в которой они обмениваются теплом.

Воздушный насос получает тепло от окружающего воздуха. Насос с грунтовым источником (или геотермальный) получает его из земли, а насос с источником воды из близлежащего водоема. Геотермальные и водяные тепловые насосы используют стабильные температурные условия под землей или в водоеме. Они лучше работают в холодном климате, чем модели с воздушным источником.

Другой способ классификации тепловых насосов — по размеру. Установки для всего дома с мощными компрессорами могут заменить печь и кондиционер в системе центрального отопления/охлаждения. Змеевик конденсатора установлен в системе обработки воздуха, в которой также находится вентилятор.

Меньшие тепловые насосы, известные как мини-сплит-системы без воздуховодов , имеют один или несколько настенных внутренних блоков, каждый со своим вентилятором. Мини-сплиты производят достаточно тепла для одной комнаты. Существуют также мини-сплит-системы с одним компрессором, который питает до восьми или девяти настенных блоков.

Где чаще всего используются тепловые насосы?

Вы найдете их в основном в регионах с умеренными зимними температурами.

Согласно данным Национальной ассоциации домостроителей, они есть в 75–77% домов в штатах Восточно-Южно-Центральной и Южной Атлантики, а в штатах Западно-Южно-Центральная — в 20% домов. Они не так распространены в северных штатах, потому что температура воздуха слишком низкая, а модели с наземным или водным источником дороги в установке.

Однако ситуация не статична. Производители работают над созданием более эффективных моделей, которые работают в холодном климате. Кроме того, агрегаты могут быть оснащены дополнительными резистивными нагревателями для обеспечения дополнительного тепла в холодные дни.

Покупка теплового насоса

Наиболее важными характеристиками, которые следует учитывать, являются тепловая мощность, измеряемая в британских тепловых единицах (БТЕ), и сезонный рейтинг энергоэффективности (SEER). Тепловая мощность также часто измеряется в тоннах, где одна тонна = 12 000 БТЕ.

Существует два основных правила выбора теплового насоса. Один из них — обеспечить 30 БТЕ тепла на квадратный фут площади. Другой способ — разделить общую площадь пола на 500, чтобы определить необходимое количество тонн. Для подрядчика HVAC важно провести испытания, чтобы точно определить размер блока для конкретного дома, чтобы он производил нужное количество тепла.

Числа SEER начинаются с 13 (низкая эффективность) и увеличиваются до 21 или 22 (высокая эффективность). Блок с высоким числом SEER потребляет меньше электроэнергии, но имеет больше движущихся частей и требует больших затрат на покупку и обслуживание.

На практике системы с 16 SEER должно хватить в умеренном климате. Чтобы максимизировать производительность в более холодном климате или минимизировать энергопотребление, используйте более высокий SEER. Вы можете рассчитать энергию, которую использует конкретный блок, и ее ежемесячную стоимость, разделив тепловую мощность в британских тепловых единицах на SEER. Вы получите результат в ваттах в час. Затем умножьте это на местный тариф на электроэнергию.

Установка теплового насоса

Некоторые мини-сплит-системы, такие как Mr. Cool DIY, могут быть установлены домовладельцами. Если вас это не устраивает, наймите лицензированного специалиста по HVAC.

Наружный блок устанавливается на бетонную подушку или нижние опоры, чтобы он оставался высоким и сухим.