Тепловой насос воздух-воздух для отопления: оборудование для частного дома и виды

Устройство воздушной системы отопления

Для воздушного отопления лучше использовать тепловой насос, а не водяные дорогостоящие батареи. Применяя тепловой насос, теплый воздух будет распространяться в помещение через воздуховод, а значит, тепловые потери будут незначительными. При движении горячей воды потери тепла будут большими, поэтому тепловой насос выгоднее применять, нежели водяные радиаторы. Воздух, который нагрелся в теплообменники проходит через фильтр, а лишь потом поступает в систему воздуховодов. Поэтому в помещение будет не только тепло, но обмен воздуха будет правильным.

Для подачи теплого воздуха необходимо использовать мощный вентилятор. Воздуховод можно проложить вдоль стен, таким образом, воздух будет поступать из решеток, которые обычно размещают рядом с окнами. Для того чтобы установить такую воздушную систему необходимо приобрести: набор решеток, крепежные элементы, воздуховоды, алюминиевый армированный скотч, а также инструменты, которые понадобятся для работы с оцинкованной сталью.

Если вначале строительство дома вы уже определились с системой отопления и решили использовать воздушную систему отопления, то можно запроектировать воздуховоды в стенах или подвесном потолке. Таким образом, вся отопительная система будет скрыта и не испортит интерьер вашего дома.

Что такое тепловой насос для отопления частного дома? Как работает?

Специальное устройство, которое способно извлекать тепло из окружающей среды называется тепловой насос.

Применяются такие приборы в качестве основного или дополнительного метода обогрева помещений. Некоторые устройства также работают на пассивное охлаждение здания — при этом насос применяется как для летнего охлаждения, так и для зимнего обогрева.

В качестве топлива используется энергия окружающей среды. Такой обогреватель извлекает тепло из воздуха, воды, грунтовых вод и так далее, поэтому это устройство относят к классу возобновляемых источников энергии.

Важно! Для работы таких насосов требуется подключение к электросети. В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан

В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан. В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло).

Большинство приспособлений работают как при положительных, так и при отрицательных температурах, однако КПД устройства напрямую зависит от внешних условий (т. е. чем выше температура окружающей среды, тем мощнее будет устройство). В общем случае прибор работает следующий образом:

Тепловой насос вступает в контакт с окружающими условиями. Обычно аппарат извлекает тепло из земли, воздуха или воды (в зависимости от типа устройства).
Внутри прибора установлен специальный испаритель, который заполнен хладагентом.
При контакте с внешней средой хладагент закипает и испаряется.
После этого хладагент в виде пара поступает в компрессор.
Там он сжимается — благодаря этому серьёзно повышается его температура.
После этого разогретый газ поступает в систему отопления, что приводит к нагреванию основного теплоносителя, который и используется для отопления помещений.
Хладагент понемногу охлаждается. В конце он превращается обратно в жидкость.
Потом жидкий хладагент поступает в специальный клапан, который серьёзно понижает его температуру.
В конце хладагент вновь попадает в испаритель, после чего цикл нагрева повторяется.

Фото 1. Принцип работы теплового насоса типа грунт-вода. Синим цветом показан холодный теплоноситель, красным — горячий.

Преимущества:

Экологичность. Такие устройства относятся к возобновляемым источникам энергии, которые не загрязняют атмосферу своими выбросами (тогда как в случае использования природного газа образуются вредные парниковые испарения, а для производства электроэнергии часто применяется сжигание угля, из-за чего также загрязняется воздух).
Хорошая альтернатива газу. Тепловой насос идеально подойдёт для отопления помещений в случаях, когда использование газа затруднительно по тем или иным причинам (например, когда дом находится вдали ото всех основных инженерных сетей). Насос также выгодно отличается от газового отопления тем, что для установки такого прибора не требуется получать государственное разрешение (но при бурении глубокой скважины его все же придётся получить).
Недорогой дополнительный источник тепла. Насос идеально подойдёт в качестве дешёвого вспомогательного источника питания (оптимальный вариант — применение газа зимой и насоса — весной и осенью).

Недостатки:

Тепловые ограничения в случае использования водяных насосов. Все тепловые аппараты хорошо функционируют при положительных температурах, тогда как в случае работы при отрицательных температурах многие насосы перестают работать. В основном это связано с тем, что при этом вода замерзает, что делает невозможным её применение как источника тепла.
Могут появиться проблемы с устройствами, которые в качестве тепла используют воду. Если для нагрева применяется вода, то потребуется найти её стабильный источник. Чаще всего для этого следует пробурить скважину, благодаря чему расходы на монтаж устройства могут возрасти.

Внимание! Насосы обычно стоят в 5—10 раз дороже газового котла, следовательно использование таких приборов в целях экономии в ряде случаев может быть нецелесообразно (чтобы насос окупился, потребуется подождать несколько лет)

Рентабельность и целесообразность использования тепловых насосов

Чтобы достигнуть существенной экономии на отопительном бюджете на долгие годы, необходимо затратить значительные средства на этапе проектирования и установки. Окупаемость такой отопительной системы отложена во времени, она зависит от условий эксплуатации.

Если в доме пол и стены утеплены правильно, то тепловой насос будет работать максимально эффективно. Потери тепла не должны превышать 100 Вт на 1 кв. метр.

Ниже представлено сравнение затрат на отопление при использовании различных энергоносителей.

Чтобы экономить на отоплении, придётся потратить немалую сумму на установку теплового насоса

Очень выгодно включать насос в систему теплых полов или стен, где рабочая температура составляет примерно 40 градусов. Показателем экономии можно считать отсутствие перегрева отопительного контура и замерзания теплоносителя при отключении насоса, что позволяет повысить надежность системы и снизить риск аварии и частоту профилактических и ремонтных работ.

Стоимость установки такой системы, зависит от нескольких факторов:

площадь отапливаемых помещений дома;
разновидность конструкции насоса;
системы отопления и трубы, проложенные в доме;
показатели потерь тепла.

Для небольшого дома площадью 130 кв. м при установке насоса с грунтовым забором тепла, стоимость оборудования составит 450 000 р., а монтаж потянет на 300 000 р.

Насос «воздух-вода» будет стоить 300 00 р., установка составит 80 000 р., это самый недорогой вариант.

Стоимость установок начинается от 450 тыс. руб.

Максимальные затраты потребуются при глубоком бурении с низкой точкой промерзания и при большой площади дома, например, 400 кв. м. Оборудование обойдется в 800 000 р., а установка – в 360 000 р. Затраты включают в себя все проектные и земляные, наземные работы и все элементы насоса и отопительной системы.

Материал актуализирован 29.03.2018

Что такое тепловой насос для отопления частного дома? Как работает?

Специальное устройство, которое способно извлекать тепло из окружающей среды называется тепловой насос.

Важно! Для работы таких насосов требуется подключение к электросети. В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан. В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства

Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

Тепловой насос вступает в контакт с окружающими условиями. Обычно аппарат извлекает тепло из земли, воздуха или воды (в зависимости от типа устройства).
Внутри прибора установлен специальный испаритель, который заполнен хладагентом.
При контакте с внешней средой хладагент закипает и испаряется.
После этого хладагент в виде пара поступает в компрессор.
Там он сжимается — благодаря этому серьёзно повышается его температура.
После этого разогретый газ поступает в систему отопления, что приводит к нагреванию основного теплоносителя, который и используется для отопления помещений.
Хладагент понемногу охлаждается. В конце он превращается обратно в жидкость.
Потом жидкий хладагент поступает в специальный клапан, который серьёзно понижает его температуру.
В конце хладагент вновь попадает в испаритель, после чего цикл нагрева повторяется.

Преимущества:

Экологичность. Такие устройства относятся к возобновляемым источникам энергии, которые не загрязняют атмосферу своими выбросами (тогда как в случае использования природного газа образуются вредные парниковые испарения, а для производства электроэнергии часто применяется сжигание угля, из-за чего также загрязняется воздух).
Хорошая альтернатива газу. Тепловой насос идеально подойдёт для отопления помещений в случаях, когда использование газа затруднительно по тем или иным причинам (например, когда дом находится вдали ото всех основных инженерных сетей). Насос также выгодно отличается от газового отопления тем, что для установки такого прибора не требуется получать государственное разрешение (но при бурении глубокой скважины его все же придётся получить).
Недорогой дополнительный источник тепла. Насос идеально подойдёт в качестве дешёвого вспомогательного источника питания (оптимальный вариант — применение газа зимой и насоса — весной и осенью).

Недостатки:

Тепловые ограничения в случае использования водяных насосов. Все тепловые аппараты хорошо функционируют при положительных температурах, тогда как в случае работы при отрицательных температурах многие насосы перестают работать. В основном это связано с тем, что при этом вода замерзает, что делает невозможным её применение как источника тепла.
Могут появиться проблемы с устройствами, которые в качестве тепла используют воду. Если для нагрева применяется вода, то потребуется найти её стабильный источник. Чаще всего для этого следует пробурить скважину, благодаря чему расходы на монтаж устройства могут возрасти.

Перспектива применения геотермальных тепловых насосов

Поскольку работа теплового насоса для частного дома не сопровождается горением, то эта система абсолютно пожаробезопасна. Высокая экологичность, так как при функционировании системы исключены образование и выброс в атмосферу вредных веществ.

Уровень шума и вибрации не превышает тех, что производит обычный бытовой холодильник. Легкость обслуживания теплового насоса. Эксплуатация теплового насоса не сопряжена с большими расходами и окупается в течение 1,5–2 лет. Долговечность. Тепловой насос способен работать 25–30 лет и более. Несмотря на наличие серьезных плюсов, отопление домов с помощью теплового насоса в нашей стране – явление довольно редкое (для сравнения – в Швеции 70 % домов обогреваются таким способом), что объясняется тем, что первоначальная стоимость оборудования достаточно высокая (порядка 300 000–350 000 рублей), потребуются масштабные земляные работы, которые обойдутся не дешево. Кроме того, есть немало относительно недорогих видов топлива, которые могут быть применены для целей отопления жилых домов.

Тем не менее перспектива применения геотермальной системы вполне оптимистичная, тем более что есть реальная возможность нивелировать затраты.

Практика показывает, что примерно 1 месяц в году насос работает на полную мощность, в остальное время его нагрузка не превышает 70–80 % от максимальной. Поэтому можно купить менее мощный насос, который обеспечит потребности в тепле до конкретного температурного показателя, а когда температура достигнет расчетного значении, следует использовать второй теплогенератор, например, электронагреватель, котел, работающий на каком-либо виде топлива, гелиоколлектор. Но, чтобы рассчитать и правильно подобрать тепловой насос, необходимо привлечь специалиста, хотя сделать приблизительные расчеты можно и самостоятельно.

Для этого надо знать тепловую потребность дома (для старой постройки и некачественной теплоизоляцией составит 75 Вт/м, для нового дома с качественной теплоизоляцией – 50 Вт/м, для низкоэнергетического дома – всего 30 Вт/м) и умножить ее на общую площадь.

Отопление дома с помощью теплового насоса будет полноценным только тогда, когда теплоизоляция постройки обеспечена на высоком уровне, что минимизирует энергопотери.

И последнее замечание: монтировать тепловой насос можно либо перед закладкой фундамента, либо в процессе выполнения строительных работ.

Подробно об отоплении домов тепловыми насосами рассказывается в этом видео :

Принцип работы и составные части теплового насоса

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

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.

Для того чтобы такая система работала необходимы такие основные элементы:

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).

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.

Рис. 1 Основные элементы теплового насоса

Рабочие параметры оборудования

Сильные морозы в Подмосковье — редкость, опыт показал, что температура редко опускается ниже -25℃. Подсчитали — в таких условиях для дома имеющейся площади будет достаточно насоса, выдающего 15 кВт тепла. Бюджет системы обошелся нам примерно в 150 000 рублей.

КПД у воздушных насосов тоже меняется в зависимости от внешних условий. В нашем случае оказалось, что при потреблении 1 киловатт-часа электроэнергии система выдавала 2-2,5 кВт тепла. Это минимум. Если на улице легкая оттепель с температурой чуть выше нуля, то она выдает 3,5 кВт тепла.

Дом равномерно прогревается именно теплым воздухом, радиаторов или теплых полов нет. В систему постоянно через рекуператор добавляется свежий уличный воздух.

Задача рекуператора — в дополнительной экономии тепла. С его помощью поступающий с улицы воздух подогревается тем, который принудительно выбрасывается из дома, например, из санузлов. Желаемая температура в помещении выставляется на пульте.

Управление автоматическое, на ночь температура снижается для большего комфорта.

Принцип работы теплового насоса воздух-воздух

Общий принцип работы ТН во многом напоминает тот, что используется в кондиционере, в режиме «обогрев помещения», с единственным отличием. Теплонасос «заточен» на отопление, а кондиционер на охлаждение комнат. Во время работы используется низкопотенциальная энергия воздуха. В результате расход электроэнергии сократился более чем в 3 раза.Принцип действия тепловой насосной установки воздух-воздух, если не вдаваться в технические подробности, следующий:

Воздух, даже при отрицательной температуре, сохраняет определенное количество тепловой энергии. Это происходит до тех пор, пока температурные показатели не достигнут абсолютного нуля. Большинство моделей ТН способны извлекать тепло при достижении температуры -15°С. Несколько известных производителей выпустило станции, сохраняющие работоспособность при -25°С и даже -32°С.
Забор низкопотенциального тепла происходит благодаря испарению фреона, циркулирующего по внутреннему контуру ТН. Для этого используется испаритель – блок, в котором создаются оптимальные условия для преобразования хладагента из жидкого в газообразное состояние. При этом, согласно физическим законам, поглощается большое количество тепла.
Следующим блоком, расположенным в системе теплоснабжения воздух-воздух, является компрессор. Именно сюда подается хладагент в газообразном состоянии. В камере нагнетается давление, что приводит к резкому и существенному нагреву фреона. Через форсунку, хладагент впрыскивается в конденсатор. Компрессор для теплового насоса имеет спиралевидное исполнение, что облегчает запуск при низких температурах.
Во внутреннем блоке, располагающемся непосредственно в помещении, находится конденсатор, выполняющий одновременно функцию теплообменника. Газообразный разогретый фреон, целенаправленно конденсируется на стенках модуля, отдавая при этом тепловую энергию. ТН распределяет полученное тепло, подобным к сплит-системе образом.
Допускается канальное распределение нагретого воздуха. Особенно практично такое решение при нагреве больших многоквартирных зданий, складских и промышленных помещений.

Принцип работы теплового насоса воздух-воздух и его эффективность напрямую связаны с температурой окружающей среды. Чем холоднее «за окном», тем ниже производительность станции. Работа теплового насоса воздух-воздух при температуре минус -25°С (в большинстве моделей) полностью прекращается. Чтобы компенсировать недостаток тепла, устанавливают резервный котел. Оптимально одновременное использование электрического тэна.

Тепловые насосы воздух-воздух состоят из двух блоков наружного и внутреннего размещения. Конструкция во многом напоминает сплит-систему и устанавливается подобным образом. Внутренний блок монтируется на стену или потолок. Настройки выставляются с помощью дистанционного управления.

Чем отличается ТН воздух-воздух от кондиционера

ТН воздух-воздух работает как кондиционер, но имеет существенные отличия, заключающиеся в особенностях конструкции и производительности

Хотя существует внешнее сходство, на самом деле, отличия, если обратить внимание на технически характеристики, существенны:

Производительность – тепловой насос воздух-воздух для отопления дома, максимально эффективно работает на нагрев помещения. Некоторые модели способны охлаждать воздух. Во время кондиционирования помещения, энергоэффективность существенно уступает обычным кондиционерам.
Экономичность – даже инверторные кондиционеры, во время работы тратят больше электроэнергии, чем требует отопление тепловым насосом типа воздух – воздух. При переходе в режим обогрева, затраты электричества еще больше увеличиваются.
У ТН коэффициент энергоэффективности определяется согласно СОР. Средние показатели станций равняются 3-5 единицам. Затраты электричества в таком случае составляют 1 кВт на каждые 3-5 кВт полученного тепла.
Сфера применения – кондиционеры используют для вентиляции и дополнительного обогрева помещения, при условии, что температура окружающей среды не будет меньше +5°С. Тепловые насосы воздух-воздух, применяются в качестве основного источника отопления в течение всего года в средних широтах. При определенной модификации, могут использоваться для охлаждения комнат.

Мировой опыт использования тепловых отопительных насосов системы воздух-воздух, убедительно доказал, что использование возобновляемых источников энергии не только возможно, но и экономически выгодно, несмотря на необходимость первичных капиталовложений.

Настало время предметно изучать зарубежный опыт

О тепловых насосах, способных отобрать тепло окружающей среды для отопления зданий, теперь уже знают почти все, и, если еще недавно потенциальный заказчик, как правило, задавал недоуменный вопрос «как это возможно?», то теперь все чаще звучит вопрос «как это правильно сделать?».

Ответить на этот вопрос непросто.

В поисках ответа на многочисленные вопросы, которые неизбежно возникают при попытке проектировать системы отопления с тепловыми насосами, целесообразно обратиться к опыту специалистов тех стран, где тепловые насосы на грунтовых теплообменниках применяются уже давно.

Посещение* американской выставки AHR ЕХРО-2008, которое было предпринято, главным образом, с целью получения информации о методах инженерных расчетов грунтовых теплообменников, прямых результатов в этом направлении не принесло, но на выставочном стенде ASHRAE продавалась книга , некоторые положения которой послужили основой для этой публикации.

Следует сразу сказать, что перенос американской методики на отечественную почву – дело непростое. У американцев все не так, как принято в Европе. Только время они измеряют в тех же единицах, что и мы. Все остальные единицы измерения – чисто американские, а точнее – британские. Особенно не повезло американцам с тепловым потоком, который может измеряться как в британских тепловых единицах, отнесенных к единице времени, так и в тоннах охлаждения, которые придуманы, вероятно, в Америке.

Главная проблема, однако, состояла не в техническом неудобстве пересчета принятых в США единиц измерения, к которым со временем можно и привыкнуть, а в отсутствии в упомянутой книге четкой методической основы построения алгоритма вычислений. Рутинным и широко известным расчетным приемам там уделяется слишком много места, в то время как некоторые важные положения остаются вовсе нераскрытыми.

В частности, такими физически связанными исходными данными для расчета вертикальных грунтовых теплообменников, как температура циркулирующей в теплообменнике жидкости и коэффициент преобразования теплового насоса, нельзя задаваться произвольно, и, прежде чем приступать к вычислениям, связанным с нестационарным теплообменом в грунте, необходимо определить зависимости, связывающие эти параметры.

Критерием эффективности теплового насоса служит коэффициент преобразования ?, величина которого определяется отношением его тепловой мощности к мощности электропривода компрессора. Эта величина является функцией температур кипения в испарителе t_u и конденсации t_k, а применительно к тепловым насосам «вода-вода» можно говорить о температурах жидкости на выходе из испарителя t_2Ии на выходе из конденсатора t₂_K:

? = ?(t_2И,t₂_K). (1)

Анализ каталожных характеристик серийных холодильных машин и тепловых насосов «вода-вода» позволил отобразить эту функцию в виде диаграммы (рис. 1).

При помощи диаграммы нетрудно определиться с параметрами теплового насоса на самых начальных стадиях проектирования. Очевидно, например, что, если система отопления, присоединенная к тепловому насосу, рассчитана на подачу теплоносителя с температурой в подающем трубопроводе 50°C, то максимально возможный коэффициент преобразования теплового насоса будет около 3,5. При этом температура гликоля на выходе из испарителя не должна быть ниже +3°С, а это означает, что потребуется дорогой грунтовый теплообменник.

В то же время, если дом обогревается посредством теплого пола, из конденсатора теплового насоса будет поступать в систему отопления теплоноситель с температурой 35°С. В этом случае тепловой насос сможет работать более эффективно, например, с коэффициентом преобразования 4,3, если температура охлажденного в испарителе гликоля будет около –2°С.

Пользуясь электронными таблицами Excel, можно выразить функцию (1) в виде уравнения:

? = 0,1729 • (41,5 + t_2И – 0,015t_2И • t₂_K – 0,437 • t₂_K (2)

Если при желаемом коэффициенте преобразования и заданном значении температуры теплоносителя в системе отопления, работающей от теплового насоса, нужно определить температуру охлажденной в испарителе жидкости, то уравнение (2) можно представить в виде:

(3)

Выбрать температуру теплоносителя в системе отопления при заданных величинах коэффициента преобразования теплового насоса и температуры жидкости на выходе из испарителя можно по формуле:

(4)

В формулах (2)…(4) температуры выражены в градусах Цельсия.

Определив эти зависимости, можно теперь перейти непосредственно к американскому опыту.