Тепловой насос для дома: принцип действия, особенности природных теплоисточников, плюсы и минусы

Комплекс теплового насоса способен преобразовывать низкопотенциальную теплоту из природных источников, а также тепловые отходы различного происхождения в тепловую энергию с температурой, пригодной для отопления дома.

Теплонасос работает полностью автономно, поэтому подходит для основного источника теплоты в удаленных от газовых магистралей населенных пунктах, не имеющих или имеющих ограниченный доступ к обычным источникам энергии.

Безусловно, тепловые насосы наиболее эффективны в регионах с высокой среднегодовой температурой. Однако даже в Финляндии эти комплексы обеспечивают приемлемую выработку теплоты и популярны в частных домовладениях. На 2020 год там установлено более миллиона теплонасосных комплексов.

Отметим, что «воздушный» тип теплового насоса отлично знаком каждому из вас – кондиционирующая сплит-система. Подобно любому теплонасосу, сплит-кондиционер способен переносить теплоту как на улицу (режим охлаждения), так и в помещение (режим обогрева).

Как работает тепловой насос

Учеными принцип отопления тепловым насосом был открыт в начале XX века. По сути, он базируется на втором законе термодинамики, утверждающем переход тепловой энергии между температурными уровнями (от низкого к высокому). И чтобы получить полноценный теплонасосный цикл, требуется внешняя приводная энергия (см. изображение схемы).

Перенос теплоты тепловой насос выполняет при помощи хладагента – вещества, способного закипать при низкой температуре. После отбора теплоты от низкопотенциального источника жидкий энергоноситель (хладагент) поступает в испаритель, где под воздействием тепла обращается в пар.

Парообразный хладагент всасывается компрессором и сжимается, достигая высоких значений по давлению и температуре. Следом горячий и парообразный энергоноситель направляется в конденсатор. Там теплота передается другому теплоносителю, отопительному (к примеру, воде или воздуху), являющемуся теплоприемником.

На этапе конденсации хладагент отдает тепловую энергию (охлаждается) и переходит в жидкое состояние. Затем энергоноситель проходит регулировочный вентиль дроссель-клапана, давление хладагента понижается и он вновь поступает в испаритель. Далее рабочий цикл повторяется снова и снова.

Как показано на схеме теплового насоса (см. изображение), полная производительность теплового насоса складывается из теплоты источника низкопотенциальной энергии (Q₀) и приводной мощности (P), задействованной для повышения температуры хладагента.

Компрессионные и абсорбционные теплонасосы

Теплонасосные системы, базирующие на компрессоре, также называются парокомпрессионными. В зависимости от типа компрессорного оборудования они подразделяются на поршневые, спиральные, турбокомпрессорные и винтовые. Привод компрессора может осуществляться от газовой турбины, двигателя внутреннего сгорания и от электропривода.

Согласно вида низкопотенциального источника теплоты и принимающего теплоту энергоносителя компрессионные тепловые насосы бывают следующих типов: «вода-вода», «грунт-вода», «воздух-вода», «вода-воздух» и «воздух-воздух».

Принцип работы абсорбционных теплонасосов одинаков с парокомпрессионными системами. Их отличие – в замене механического компрессора дополнительным термическим контуром, содержащим генератор и раствор абсорбента.

Абсорбционный тепловой насос работает благодаря поглощению низкотемпературных водяных паров более теплым раствором абсорбента. Хладагентом здесь служит вода, поступающая в трубный пучок испарителя и закипающая под вакуумом от теплоты, извлекаемой из низкотемпературного источника.

На трубном пучке абсорбера раствор абсорбента поглощает водяные пары, а выделяемая теплота отводится водой, что циркулирует в трубках. Затем разбавленный раствор перекачивается в генератор, где регенерирует на трубном пучке – греющий теплоноситель своей теплотой выпаривает из раствора абсорбента водяные пары. Их жидкий конденсат возвращается в испаритель, а раствор концентрата поступает обратно в абсорбер.

Существует два основных типа абсорбционных теплонасосов – водоаммиачные и солевые. В последних хладагентом служит вода, а абсорбентом является водный раствор соли. Что касается водоаммиачных теплонасосных систем – аммиак в них выступает хладагентом, а вода «работает» абсорбентом.

Виды тепловых насосов по источнику теплоты

Отбор теплоты может выполняться из геотермальных и воздушных, а также промышленных (вторичных) источников.

Геотермальные тепловые насосы

Эти системы извлекают теплоту из толщи земли или водоема (наземного, подземного). Такие теплонасосы подразделяются на замкнутые и открытые.

Коллектор замкнутого горизонтального теплового насоса укладывается в траншеи кольцами или извилисто. Откопка траншей выполняется горизонтально, с их заглублением более чем на 1,2 м (т.е. ниже глубины промерзания). Этот вариант экономически выгоден под систему обогрева жилых зданий, однако потребует значительной площади земельного участка под размещение контура.

Под вертикальный теплонасосный коллектор замкнутого типа бурится скважина глубиной не более 200 м. Трубка коллектора сворачивается спиралью, ее положение фиксируется крепежными стойками, а после коллектор помещается в скважину. Этот способ закладки коллекторного теплосъемника применяется, если горизонтальная закладка контура невозможна из-за малых размеров участка или недопустимости повреждения ландшафта.

Водный коллектор замкнутого типа закладывается кольцами или извилистыми сегментами в водоем (реку, пруд, озеро) ниже глубины промерзания. С позиции затрат на укладку коллектора это наиболее дешевый способ его размещения. Однако водоем должен соответствовать минимальным требованиям по объему (значение зависит от тепловой потребности объекта и, соответственно, общей протяженности коллектора) и глубине (более 2-х м) к эффективности теплонасоса в данном регионе.

Коллектор замкнутого типа с непосредственным теплообменом, отличающийся использованием фреона в качестве хладагента. Прокачка фреона по медным трубкам в нем выполняется вертикально (скважина 30 м глубины и 80 мм диаметра), под углом (скважина 15 м длины и 80 мм диаметра) или горизонтально (закладка в грунт ниже уровня промерзания).

Благодаря поддерживаемой компрессором циркуляции хладагента и медным трубам с высокой теплопроводность отбор фреоном теплоты из грунта происходит достаточно интенсивно. Использование фреонового хладагента дает сокращение необходимой длины скважины, что удешевляет стоимость монтажа теплового насоса.

В теплонасосе с открытым коллектором используется циркуляция воды через систему геотермальной установки в рамках открытого цикла – прошедшая по системе вода уходит обратно в землю. Этот способ циркуляции теплообменной жидкости допустимо практически реализовать, если достаточно чистой грунтовой воды и если ее применение в тепловом насосе не запрещается законодательством.

Тепловые насосы, извлекающие теплоту из воздуха или производных источников

В воздушных теплонасосах извлечение теплоты происходит из воздуха. Типичными представителями таких устройств являются сплит-системы кондиционирования. К примеру, в регионах с достаточно высокой среднегодовой температурой (к примеру, в Японии) частные дома обогреваются именно сплит-системами.

Тепловые насосы могут собирать теплоту из вторично-производных источников, например, от магистрального трубопровода центрального теплоснабжения. Этот вариант обогрева тепловым насосом в большей степени подходит промышленным объектам, имеющим источники лишнего тепла (паразитного), которое нужно утилизировать.

Особенности отбора тепла от геотермальных источников

В зависимости от применяемого во входном и выходном контуре теплоносителя тепловые насосы подразделяются на восемь видов: «вода-вода», «грунт-вода», «воздух-вода», «вода-воздух», «грунт-воздух», «воздух-воздух», «фреон-воздух» и «фреон-вода».

Как отмечалось выше, извлекающие теплоту из воздуха системы особенно зависят от климатических условий и обычно используются для кондиционирования воздуха в помещениях. Т.е. эти теплонасосы в основном не снабжают теплом дома, а отводят его наружу.

В принципе, некоторые отопительные системы «воздух-вода и «воздух-воздух» допустимо применять для обогрева зимой при заморозках не более 25^оС. Однако их эффективность будет крайне низка в сравнении с электрообогревателями – к примеру, инфракрасными или масляными обогревателями – при схожих затратах электроэнергии. Поэтому в России воздушные тепловые насосы в качестве отопительных систем не применяются.

Сбор теплоты из горной породы

Требуется пробурить одну скважину глубиной свыше 100 м, но не глубже 200 м. Либо несколько скважин меньшей глубины. В подготовленную скважину опускается контур из пластиковых трубок, снабженный U-образным грузом на конце. Хладагентом в контуре служит антифриз, обычно экологически безопасный раствор этилового спирта 30%.

Ствол скважины заполнят грунтовые воды, это естественный процесс. И вода будет проводить теплоту от скальной породы к теплоносителю. Каждый погонный метр скважины даст тепловую мощность примерно в 50-60 Вт. Т.е. чтобы достичь производительности теплового насоса в объеме 10 кВт, нужна 170 м скважина.

Если требуется более высокая производительность, то рациональнее пробурить несколько менее глубоких скважин с дистанцией 10-20 м между ними, чем выбуривать 300 метровую скважину.

Тепловую мощность «каменного» теплового насоса необходимо тщательно просчитать. Попытки извлечь сверхрасчетную мощность вызовут замерзание грунтовой воды в скважине и даже антифриза в контуре. Заметим, что именно температура возвращаемого в контур антифриза является важным показателем для АСУ теплового насоса.

Сбор теплоты из грунта

Тепловые насосы, предназначенные для добычи теплоты из толщи грунта, являются наиболее эффективными. Однако эти системы также самые дорогие. Главное преимущество коллекторного извлечения тепла из грунта – его температура круглогодично сохраняется на одинаковом уровне уже на глубине 3-4 м.

Чтобы добыть низкопотенциальную тепловую энергию из грунта, трубопроводный коллектор с циркулирующим антифризом закладывается в землю на 500 мм глубже уровня зимнего промерзания. Между рядами коллекторных трубок выдерживается дистанция более 1,2 м (оптимально – 1,5-1,7 м).

Недостаток грунтового сбора теплоты связан с большим масштабом земельных работ на значительной площади. И после закладки трубопровода сохраняется достаточно высокий риск его повреждения. Если расчет контура выполнен правильно, то его работа не повредит корням зеленых насаждений.

По эффективности отбор тепла из грунта совпадает со сбором теплоты из скважины. Специально готовить почву не нужно, однако наибольшую производительность дает участок с влажным грунтом. Если коллекторный контур размещается в сухом грунте, то его протяженность следует увеличить на 25-30%.

Погонный метр «грунтового» трубопровода дает ориентировочно такую тепловую мощность в умеренных широтах: 50-60 Вт в глине; 30-40 Вт в песке. Т.е. для 10 кВт теплонасоса понадобится земляной контур длиной порядка 350-450 м. Соответственно, площадь участка для его закладки составит около 400 м² (квадрат со стенкой 20 м).

Взамен траншейного размещения теплового коллектора можно воспользоваться водоснабжающей скважиной. При диаметре 218-324 мм достаточной глубиной скважины будет 50-70 м, при этом отбор тепла составит не менее 700 Вт с погонного метра скважинного колодца.

Если скважина используется круглогодично, оснащена погружным насосом и устройством беструбного подъема воды (т.е. имеется стабильная проточность жидкости в скважинном стволе), то установка в водозаборную скважину активного контура (первичное преобразование) теплового насоса позволит хладагенту снимать тепло не только от массива грунта за обсадом скважины, но и от перекачиваемой воды.

Сбор теплоты из водоема

Контур помещается на дно находящегося поблизости водоема, на глубину более 2 м. Чтобы исключить всплытие трубок, на каждый погонный метр контура крепится пятикилограммовый груз.

По эффективности отбор тепла из водоема совпадает со сбором теплоты из грунта. Примерная тепловая мощность составит 30 Вт на метр трубопровода. Для теплового насоса с 10-ти киловаттной производительностью требуется контур протяженностью 300 м.

Плюсы отопления тепловым насосом

Такие системы являются самыми экономичными. Перенос 1 кВт тепловой энергии в отопительную систему дома выполняется с расходованием лишь 200-350 Вт электроэнергии за час работы теплонасоса.

Комплексы тепловых насосов осуществляют работу в замкнутом контуре, т.е. эксплуатационные затраты по ним минимальны. Единственные затраты – на электроэнергию, необходимую геотермальному оборудованию. Возможность смены отопительного режима на кондиционирующий, чтобы охлаждать помещения летними месяцами. Потребуется лишь отсоединить отопительную систему дома от внешнего коллектора, подключив взамен систему «холодный потолок» или потолочные фанкойлы.

Надежность работы системе извлечения низкопотенциальной теплоты обеспечивается автоматикой. За срок эксплуатации теплонасосный комплекс не требует какого-либо спецобслуживания. Все необходимые операции легко выполняются самим пользователем, поскольку не требуют особой специализации и подробно рассмотрены в инструкции.

Габариты основного блок-модуля компресссионного теплонасоса не превышают размеры обычного холодильника. Прибор работает с минимальной шумностью (т.е. практически бесшумно).

Система теплового насоса выстраивается под нужды конкретного потребителя. Выбирается наиболее стабильный источник низкопотенциальной тепловой энергии вблизи отапливаемого объекта, рассчитывается коэффициент преобразования, окупаемость комплекса и др.

Минусы отопления тепловым насосом

Оборудование для сбора геотермальной теплоты стоит намного дороже «топливных» отопительных приборов. Комплект теплонасоса и его установка обойдутся примерно в 19-75 тысяч рублей на киловатт отопительной мощности (дешевле извлекать тепло из водоема, дороже всего – из скальной породы). На окупаемость системы уйдет 9-15 лет.

Воздушные тепловые насосы (например, сплит-кондиционеры) характеризуются достаточно низким коэффициентом преобразования теплоты, поскольку фреоновый хладагент закипает во внешнем блоке (воздушном) при низкой температуре.

Теплонасосы способны прогреть воду до сравнительно невысоких температур – не более 50-60^оС. Заметим, что чем сильнее нагревается вода, тем слабее надежность и ниже эффективность геотермального комплекса. Поэтому отопительную систему жилых помещений, снабжаемый тепловой энергией от теплонасоса, правильнее выстраивать на низкотемпературных «теплых полах».

Видеоролики о тепловых насосах

Как работает теплонасос с фреоновым хладагентом:

Хозяин дома рассказывает об опыте эксплуатации заправленного антифризом теплового насоса в российской глубинке:

Укладка грунтового коллектора для геотермального теплонасоса в Ленинградской области:

Как создается искусственное озеро специально под геотермальное отопления жилых объектов:

Приобретение теплового насоса полной тепловой мощности (т.е. свыше 25 кВт) для обогрева коттеджа даже обеспечит полноценный обогрев даже в яварские морозы, однако окажется маловыгодным домовладельцу. Наиболее рациональным будет использование бивалентной отопительной схемы – теплонасоса (75% отопительной мощности от расчетной) и дополнительного теплогенератора (15% отопительной мощности от расчетной). Последним может быть, например, пиролизный котел.

Ежегодно количество наиболее холодных дней не превышает 15% общей продолжительности «отопительного» периода. Поэтому дополнительному котлу для компенсации морозов «за окном» работать придется не более месяца в году – все прочие дни производительности теплового насоса будет предостаточно.

Наконец, оправдать затраты на теплонасос получится, только если отапливаемый им дом будет идеально утеплен – с теплопотерями ниже 100 Вт с квадратного метра.