Что такое тепловой насос и принцип его работы

Что такое тепловой насос? Это оборудование, которое позволяет эффективно преобразовывать электрическую энергию в тепловую или холодильную. Главная особенность теплового насоса в том, что он способен вырабатывать высоко потенциальную энергию взамен минимально затраченных ресурсов.

При этом он может выполнять три функции:

Подробнее о том, какие существуют типы тепловых насосов и как они работает, рассмотрим ниже.

Классическая конструкция теплонасоса

Конструкция теплового насоса состоит из двух блоков – наружного и внутреннего. В геотермальном теплонасосе или насосе вода-вода функцию наружного блока выполняют грунт и вода, соответственно.     

Тепловые насосы работают по циклу Карно: 

Благодаря такому принципу теплообмена, коэффициент выработанной энергии (СОР) намного выше, чем затраченной. Экономия при этом очевидная – средний коэффициент преобразования энергии воздушного теплового 3,5, а для геотермального – 5.

Типы тепловых насосов

Что такое тепловой насос разобрали. Рассмотрим их типы, которые отличаются источником энергии. 

Тепловой насос воздух-воздух

Любой кондиционер, по сути, и есть тепловым насосом воздух-воздух. В чём разница? Обычный кондиционер справляется с теплообменом, если внешняя температура воздуха до – 15°C. А тепловой насос воздух-воздух работает при низких температурах, до – 25°C. 

В этих теплонасосах нужно учитывать:

Тип насоса	Преимущества:	Недостатки:
Тепловой насос воздух-воздух	✓ работает при температуре – 25°C,  ✓ не требует проектирования системы отопления, ✓ простая установка, ✓ низкая стоимость.	✓ не работает на ГВС, только на обогрев и охлаждение воздуха, ✓ слышен шум от работы двигателя, ✓ не аккумулирует теплый воздух.

Тип насоса

• Тепловой насос воздух-воздух
  Тепловой насос воздух-воздух

Преимущества:

• Тепловой насос воздух-воздух
  ✓ работает при температуре – 25°C, 
  ✓ не требует проектирования системы отопления,
  ✓ простая установка,
  ✓ низкая стоимость.

Недостатки: 

• Тепловой насос воздух-воздух
  ✓ не работает на ГВС, только на обогрев и охлаждение воздуха,
  ✓ слышен шум от работы двигателя,
  ✓ не аккумулирует теплый воздух. 

Тепловой насос воздух-вода

Распространён в Европе, где дома строят компактные и высокотехнологичные. Такой тепловой насос использует тепло внешнего воздуха, нагревает его сжатием фреона в компрессоре и передаёт его воде через конденсатор. Может охлаждать и нагревать воздух, а также подогревать воду.

При устройстве теплового насоса воздух-вода нужно обеспечить низкотемпературную систему отопления, которая предполагает максимальную площадь покрытия водяным теплым полом и наличие вспомогательных элементов – внутрипольных конвекторов, фанкойлов, радиаторов.

Для высокой эффективности такой системы важно учесть такие факторы:

Тип насоса	Преимущества:	Недостатки:
Тепловой насос воздух-вода	✓ обеспечивает охлаждение и обогрев воздуха, а также нагрев воды, ✓ энергоэффективность – СОР 3,5, ✓ доступная цена.	✓ нужно использовать с резервным источником тепла, если площадь помещения больше 190 м2

Тип насоса

• Тепловой насос воздух-вода
  Тепловой насос воздух-вода

Преимущества:

• Тепловой насос воздух-вода
  ✓ обеспечивает охлаждение и обогрев воздуха, а также нагрев воды,
  ✓ энергоэффективность – СОР 3,5,
  ✓ доступная цена.

Недостатки:

• Тепловой насос воздух-вода
  ✓ нужно использовать с резервным источником тепла, если площадь помещения больше 190 м²
  

Тепловой насос грунт-вода (геотермальный)

Источник энергии для геотермального теплового насоса – тепло земли. Температура грунта независимо от поры года +14-15°C на глубине 70 м, поэтому и СОР тут равен 5 (СОР воздушного насоса – 3,5). Это самодостаточное и высокоэффективное оборудование, которое способствует стабильному и постоянному теплообмену. Зимой дом отапливается, забирая холод в землю, а летом аккумулированный холод используется для охлаждения.

Тип насоса	Преимущества:	Недостатки:
Грунт-вода	✓ обеспечивает охлаждение и обогрев воздуха, а также нагрев воды, ✓ высокие и стабильные показатели СОР	✓ высокая стоимость ✓ необходима большая площадь участка.

Тип насоса

• Грунт-вода
  Грунт-вода

Преимущества:

• Грунт-вода
  ✓ обеспечивает охлаждение и обогрев воздуха, а также нагрев воды,
  ✓ высокие и стабильные показатели СОР 

Недостатки:

• Грунт-вода
  ✓ высокая стоимость
  ✓ необходима большая площадь участка. 

В бытовом использовании разница между насосом воздух-вода и геотермальным в двух факторах: показатель СОР и площадь применения, поскольку воздушный насос используют до 250 м², а геотермальный – 250 м² и выше. Но в любом типе насоса всегда учитывается фактор погодозависимости, когда теплонасос оптимизируется под определённые климатические условия конкретной местности. 

Что такое тепловой насос вода-вода

Используется в промышленном секторе, поскольку нужен доступ к большим водоёмам. Эти теплонасосы преобразовывают энергию за счёт перекачивания воды (реки, озера), где температура на дне водоёма стабильная круглогодично.  Устройство теплового насоса укладывается на дно водоёма и чем его длина больше, тем мощнее насос. Как пример, такой насос может работать в системе с гидроэлектростанциями. Когда  ГЭС сбрасывает выработанное тепло в воду, его можно использовать, разводя по близлежащим городам.

Тип насоса	Преимущества:	Недостатки:
Тепловой насос вода-вода	✓ обеспечивает охлаждение и обогрев воздуха, а также нагрев воды, ✓ высокий СОР целый год.	✓ затратная установка, ✓ сложность в обслуживании.

Тип насоса

• Тепловой насос вода-вода
  Тепловой насос вода-вода

Преимущества:

• Тепловой насос вода-вода
  ✓ обеспечивает охлаждение и обогрев воздуха, а также нагрев воды,
  ✓ высокий СОР целый год.

Недостатки:

• Тепловой насос вода-вода
  ✓ затратная установка,
  ✓ сложность в обслуживании.

Спиральный коллектор

Также получает энергию от воды, подходит тем, у кого есть собственный водоём. Теплообменник погружается в воду и удерживается на специальных поплавках. Важно, чтобы коллектор не заиливался, а площади водоёма было достаточно, чтоб он не замерзал зимой.

Тип насоса	Преимущества:	Недостатки:
Спиральный коллектор	✓ обеспечивает обогрев и охлаждения воздуха, а также нагрев воды, ✓ высокий показатель СОР.	✓ сложность монтажа и обслуживания.

Тип насоса

• Спиральный коллектор
  Спиральный коллектор

Преимущества: 

• Спиральный коллектор
  ✓ обеспечивает обогрев и охлаждения воздуха, а также нагрев воды,
  ✓ высокий показатель СОР.

Недостатки:

• Спиральный коллектор
  ✓ сложность монтажа и обслуживания.

Требования к источникам энергии

У каждого альтернативного источника энергии есть свои особенности. 

Кондиционирование тепловым насосом

Воздушные тепловые насосы всегда работают в активном режиме, тогда как геотермальные теплонасосы могут охлаждать воздух в пассивном режиме.  

Что такое тепловой насос с активным охлаждением

Под активным охлаждением любого теплового насоса подразумевается его фактическая работа – когда запускается компрессор и потребляет электричество для охлаждения жидкости внутри системы до температуры + 7°C. Затем, в зависимости от типа насоса, охлаждённый хладоноситель подаётся в помещения через фанкойлы или полы, стены. 

Пассивное охлаждение

Пассивное охлаждение может реализовывать геотермальный тепловой насос. Это происходит за счёт холода, который зимой поступает под дом в землю. Весной холодная вода поднимается наверх, и напрямую через фанкойлы охлаждает помещения. Когда температура земли начнёт увеличиваться и достигнет выше +10°C, тогда наступит активное охлаждение с помощью компрессора.

Как рассчитывается эффективность теплового насоса для отопления

При расчёте эффективности нужно учесть несколько факторов. 

Также рассчитывают два главных коэффициента: 

Согласно ДБН, по Киеву и Киевской области отопление нужно рассчитывать на температуру до – 22°C.  Воздушный тепловой насос может работать самостоятельно при температуре до – 7-10°C, но важно учесть квадратуру и качество утепления здания. Если температура ниже, используют вспомогательные устройства.  Геотермальные тепловые насосы могут самодостаточно работать под заданную температуру и не требуют дополнительных источников энергии. 

Плюсы и минусы теплонасосов

У тепловых насосов нет существенных недостатков. Эффективность использования зависит от типа насоса, который подбирается для конкретного помещения. 

Главные преимущества тепловых насосов:

Особенности эксплуатации тепловых насосов воздух-воздух и воздух-вода:

Особенности эксплуатации тепловых насосов грунт-вода:

Особенности эксплуатации тепловых насосов вода-вода:

Когда использовать тепловой насос в Украине

Последние два года Украина догоняет Европу в технологичном плане. Европейцы уже десятки лет работают над тем, чтобы отказаться от дорогого газа и перейти на новое высокоэффективное оборудование. Кроме того, европейцы получают 40 % дотаций при отказе от конвекционного котла в пользу теплового насоса. 

Украинцы долгое время пользовались дешевым газом из россии, как основным источником тепла. На данный момент дотационной системы нет, хотя до 2020 года на дом выделялось 3000 киловатт-часов со скидкой 50 % и ещё 50 % скидки на ночной тариф. Возможно такая система снова появиться в будущем. 

Поэтому тепловые насосы важно и нужно использовать в Украине всегда. В 2014 году произошёл толчок, способствующий переходу на альтернативные источники энергии. В отношении энергоресурсов Украина самодостаточная страна, которая сейчас пребывает в фазе отказа от зависимости от природных ископаемых и перехода на более эффективные способы получения энергии – электрокотлы или тепловые насосы.