Тепловой насос: принцип работы — особенности и виды

Содержание: 1. Откуда насос получает тепло? 2. Система отопления с тепловым насосом 3. Ориентировочный расчет тепловой мощности 4. Виды тепловых насосов 5. Преимущества тепловых насосов 6. Некоторые особенности работы насосов Такой агрегат, как тепловой насос, имеет принцип работы аналогичный бытовым приборам : холодильник и кондиционер. Примерно 80% своей энергии он заимствует из окружающей среды. Насос перекачивает тепло с улицы в помещение. Его работа аналогична принципу работы холодильника, отличается только направление теплопередачи.

Например, чтобы охладить бутылку с водой, люди кладут ее в холодильник, затем прибор частично «забирает» у этого предмета тепло и теперь по закону сохранения энергии должен его вернуть. Но где? Все просто, для этого в холодильнике есть радиатор, обычно расположенный на его задней стенке. В свою очередь радиатор, нагреваясь, отдает тепло помещению, в котором находится. Таким образом, холодильник обогревает помещение. Насколько он нагревается, это можно почувствовать в небольших магазинах жарким летом, когда включаются различные холодильные установки. А теперь немного фантазии. Предположим, что в холодильнике постоянно находятся горячие предметы, и он обогревает помещение или ставится в оконный проем, дверь морозильной камеры открывается наружу, пока радиатор стоит в комнате. В процессе своей работы бытовой прибор, охлаждая воздух с улицы, будет одновременно передавать тепловую энергию, находящуюся снаружи, в здание. Принцип работы теплового насоса точно такой же.

Откуда насос берет тепло?

Тепловой насос работает за счет работы низкопотенциальных природных источников тепловой энергии, в том числе:

• окружающий воздух;
• водоемы (реки, озера, моря);
• грунт и грунтовые артезианские и термальные воды.

Система отопления с тепловым насосом

Когда тепловой насос используется для отопления, принцип его работы основан на интеграции в систему отопления. Он состоит из двух контуров, к которым добавляется третий, представляющий собой конструкцию насоса.

Хладагент, забирающий тепло из окружающей среды, циркулирует по внешнему контуру. Он поступает в испаритель насоса и отдает около 4-7°C хладагенту, несмотря на то, что его температура кипения составляет -10°C. В результате хладагент закипает, а затем переходит в газообразное состояние. Уже охлажденный во внешнем контуре хладагент направляется в следующий змеевик для установления температуры. Функциональная схема теплового насоса состоит из:

• испаритель;
• хладагент;
• электрический компрессор;
• конденсатор;
• капилляр;
• устройство термостатического контроля.

Процесс работы теплового насоса выглядит примерно так:

• теплоноситель после закипания, двигаясь по трубе, попадает в компрессор, который работает с помощью электричества. Это устройство сжимает хладагент в газообразном состоянии под высоким давлением, что вызывает повышение его температуры;
• горячий газ поступает в другой теплообменник (конденсатор), в котором тепло от теплоносителя передается теплоносителю, циркулирующему во внутреннем контуре системы отопления, или воздуху в помещении;
• при охлаждении хладагент переходит в жидкое состояние, после чего проходит через капиллярный редукционный клапан, теряет давление, после чего возвращается в испаритель;
• таким образом, цикл завершается, и процесс готов повториться.

Примерный расчет теплопроизводительности

За час насосом через внешний коллектор проходит 2,5-3 м3 теплоносителя, который может нагреваться землей на ∆t = 5-7 °С. Для расчета тепловой мощности этого контура используйте формулу: Q = (T1 — T2) x V, где: V — расход теплоносителя в час (м3/ч); T1 — T2 — разница температур на входе и выходе (°C) .

Виды тепловых насосов

В зависимости от вида потребляемого рассеянного тепла тепловые насосы бывают:

• подземные воды – для их работы в системе водяного отопления используются замкнутые контуры грунта или геотермальные зонды, расположенные на глубине;
• вода-вода — принцип работы теплового насоса для отопления дома в данном случае основан на использовании открытых скважин для забора и отвода грунтовых вод (читайте: «Как выбрать водяной насос для отопления»). При этом внешний контур не закольцован, а система отопления дома водяная;
• вода-воздух – установить наружные водяные контуры и использовать отопительные конструкции воздушного типа;
• воздушно-воздушные – для своей работы они используют тепло, отводимое от наружных воздушных масс плюс система воздушного отопления дома.

Преимущества тепловых насосов

1. Экономичность и эффективность. Принцип работы тепловых насосов, показанных на фото, основан не на производстве тепловой энергии, а на ее передаче. Следовательно, КПД теплового насоса должен быть больше единицы. Но как это возможно? В связи с работой тепловых насосов используется величина, которая называется коэффициентом преобразования тепла, или сокращенно КТК. Характеристики агрегатов этого типа сравниваются именно по этому параметру. Физический смысл величины заключается в определении зависимости между количеством полученной теплоты и энергией, затраченной на ее получение. Например, если коэффициент КПТ равен 4,8, это означает, что 1 кВт потребляемой насосом электроэнергии позволяет получить 4,8 кВт тепла, причем бесплатно по природе.
2. Универсальное универсальное приложение. При отсутствии линий электропередач, доступных потребителям, работа насос-компрессора осуществляется от дизельного привода. Так как природное тепло есть везде, принцип работы этого прибора позволяет использовать его везде.
3. Доброта к окружающей среде. Принцип работы теплового насоса основан на низком потреблении электроэнергии и отсутствии продуктов сгорания. Используемый агрегатом хладагент не содержит хлоруглеродов и полностью безопасен для озона.
4. Двунаправленный режим работы. В отопительный период тепловой насос может обогревать здание, а летом охлаждать его. Извлекаемое из помещения тепло можно использовать для обеспечения горячей водой дома, а при наличии бассейна – подогрева воды в нем.
5. Безопасная эксплуатация. В работе тепловых насосов нет опасных процессов: нет открытого огня, не выделяются вредные для здоровья человека вещества. Теплоноситель не имеет высокой температуры, что делает устройство безопасным и в то же время полезным в быту.
6. Автоматическое управление процессом обогрева помещения.

Принцип работы теплового насоса, достаточно подробное видео:

Некоторые особенности эксплуатации насосов

Для обеспечения эффективной работы теплового насоса необходимо выполнение ряда условий:

• помещение должно быть хорошо утеплено (теплопотери не могут превышать 100 Вт/м²);
• тепловой насос выгодно использовать для низкотемпературных систем отопления. Этому критерию соответствует система теплого пола, так как ее температура составляет 35-40°С. КПП во многом зависит от соотношения температур входного и выходного контуров.

Принцип работы тепловых насосов – теплопередача, что позволяет получить коэффициент преобразования энергии от 3 до 5. Другими словами, каждый 1 кВт потребляемой электроэнергии обеспечивает дом 3-5 кВт тепла.