Що таке тепловий насос та принцип його роботи

Що таке тепловий насос? Це обладнання, яке дозволяє ефективно перетворювати електричну енергію на теплову або холодильну. Головна особливість теплового насоса в тому, що він здатний виробляти високо потенційну енергію замість мінімально витрачених ресурсів.

При цьому він може виконувати три функції:

Докладніше про те, які існують теплові насоси і як вони працюють, розглянемо нижче.

Класична конструкція теплонасосу

Конструкція теплового насоса складається з двох блоків – зовнішнього та внутрішнього. У геотермальному теплонасосі або насосі вода-вода функцію зовнішнього блоку виконують ґрунт і вода відповідно.

Теплові насоси працюють за циклом Карно:

Завдяки такому принципу теплообміну, коефіцієнт виробленої енергії (СОР) набагато вищий, ніж витраченої. Економія очевидна – середній коефіцієнт перетворення енергії повітряного теплового 3,5, а геотермального – 5.

Типи теплових насосів

Що таке тепловий насос розібрали. Розглянемо їхні типи, що відрізняються джерелом енергії.

Будь-який кондиціонер, по суті, є тепловим насосом повітря-повітря. У чому різниця? Звичайний кондиціонер справляється із теплообміном, якщо зовнішня температура повітря до – 15°C.

А тепловий насос повітря-повітря працює за низьких температур, до – 25°C.

У цих теплонасосах слід враховувати:

Тип насоса	Переваги:	Недоліки:
Тепловий насос повітря-повітря	✓ працює при температурі – 25°C, ✓ не вимагає проєктування системи опалення, ✓ проста установка, ✓ низька вартість.	✓ не працює на ГВП, тільки на обігрів та охолодження повітря, ✓ відчутний шум від роботи двигуна, ✓ не акумулює тепле повітря.

Тип насоса

• Тепловий насос повітря-повітря
  Тепловий насос повітря-повітря

Переваги:

• Тепловий насос повітря-повітря
  ✓ працює при температурі – 25°C,
  ✓ не вимагає проєктування системи опалення,
  ✓ проста установка,
  ✓ низька вартість.

Недоліки: 

• Тепловий насос повітря-повітря
  ✓ не працює на ГВП, тільки на обігрів та охолодження повітря,
  ✓ відчутний шум від роботи двигуна,
  ✓ не акумулює тепле повітря.

Тепловий насос повітря-вода

Поширений у Європі, де будинки будують компактні та високотехнологічні. Такий тепловий насос використовує тепло зовнішнього повітря, нагріває його стисненням фреону в компресорі та передає його воді через конденсатор. Може охолоджувати та нагрівати повітря, а також підігрівати воду.

При влаштуванні теплового насоса повітря-вода потрібно забезпечити низькотемпературну систему опалення, яка передбачає максимальну площу покриття водяною теплою підлогою та наявність допоміжних елементів – внутрішньопідлогових конвекторів, фанкойлів, радіаторів.

Для високої ефективності такої системи важливо врахувати такі фактори:

Тип насоса	Переваги:	Недоліки:
Тепловий насос повітря-вода	✓ забезпечує охолодження та обігрів повітря, а також нагрівання води, ✓ енергоефективність – СОР 3,5, ✓ доступна ціна.	✓ потрібно використовувати з резервним джерелом тепла, якщо площа приміщення більша за 190 м2

Тип насоса

• Тепловий насос повітря-вода
  Тепловий насос повітря-вода

Переваги:

• Тепловий насос повітря-вода
  ✓ забезпечує охолодження та обігрів повітря, а також нагрівання води,
  ✓ енергоефективність – СОР 3,5,
  ✓ доступна ціна.

Недоліки:

• Тепловий насос повітря-вода
  ✓ потрібно використовувати з резервним джерелом тепла, якщо площа приміщення більша за 190 м²
  

Тепловий насос ґрунт-вода (геотермальний)

Джерело енергії для геотермального теплового насоса – тепло землі. Температура ґрунту незалежно від пори року +14-15 ° C на глибині 70 м, тому і СОР тут дорівнює 5 (СОР повітряного насоса – 3,5). Це самодостатнє та високоефективне обладнання, яке сприяє стабільному та постійному теплообміну. Взимку будинок опалюється, забираючи холод у землю, а влітку акумульований холод використовується для охолодження.

Тип насоса	Переваги:	Недоліки:
Тепловий насос ґрунт-вода	✓ забезпечує охолодження та обігрів повітря, а також нагрівання води, ✓ високі та стабільні показники СОР.	✓ висока вартість, ✓ необхідна велика площа ділянки.

Тип насоса

• Тепловий насос ґрунт-вода
  Тепловий насос ґрунт-вода

Переваги:

• Тепловий насос ґрунт-вода
  ✓ забезпечує охолодження та обігрів повітря, а також нагрівання води,
  ✓ високі та стабільні показники СОР.

Недоліки:

• Тепловий насос ґрунт-вода
  ✓ висока вартість,
  ✓ необхідна велика площа ділянки.

У побутовому використанні різниця між насосом повітря-вода та геотермальним у двох факторах: показник СОР і площа застосування, оскільки повітряний насос використовують до 250 м², а геотермальний – 250 м² та вище. Але в будь-якому типі насоса завжди враховується фактор погодозалежності, коли теплонасос оптимізується під певні погодні умови конкретної території.

Що таке тепловий насос вода-вода

Використовується в промисловому секторі, оскільки потрібний доступ до великих водоймищ. Ці теплонасоси перетворюють енергію рахунок перекачування води (річки, озера), де температура на дні водоймища стабільна цілий рік. Пристрій теплового насоса укладається на дно водоймища і чим його довжина більша, тим потужніший насос. Як приклад, такий насос може працювати в системі з гідроелектростанціями. Коли ГЕС скидає вироблене тепло у воду, його можна використовувати, розводячи по сусідніх містах.

Тип насоса	Переваги:	Недоліки:
Тепловий насос вода-вода	✓ забезпечує охолодження та обігрів повітря, а також нагрівання води, ✓ високий СОР цілий рік..	✓ витратна установка, ✓ складність в обслуговуванні.

Тип насоса

• Тепловий насос вода-вода
  Тепловий насос вода-вода

Переваги:

• Тепловий насос вода-вода
  ✓ забезпечує охолодження та обігрів повітря, а також нагрівання води,
  ✓ високий СОР цілий рік..

Недоліки:

• Тепловий насос вода-вода
  ✓ витратна установка,
  ✓ складність в обслуговуванні.

Спіральний колектор

Також отримує енергію від води; підходить тим, у кого є власне водоймище. Теплообмінник занурюється у воду та утримується на спеціальних поплавцях. Важливо, щоб колектор не замулювався, а площі водоймища було достатньо, щоб він не замерзав узимку.

Тип насоса	Переваги:	Недоліки:
Спіральний колектор	✓ забезпечує обігрів та охолодження повітря, а також нагрівання води, ✓ високий показник СОР.	✓ складність монтажу та обслуговування.

Тип насоса

• Спіральний колектор
  Спіральний колектор

Переваги: 

• Спіральний колектор
  ✓ забезпечує обігрів та охолодження повітря, а також нагрівання води,
  ✓ високий показник СОР.

Недоліки:

• Спіральний колектор
  ✓ складність монтажу та обслуговування.

Вимоги до джерел енергії

Кожне альтернативне джерело енергії має свої особливості.

Кондиціювання тепловим насосом

Повітряні теплові насоси завжди працюють в активному режимі, тоді як геотермальні теплонасоси можуть охолоджувати повітря пасивному режимі.

Що таке тепловий насос з активним охолодженням

Під активним охолодженням будь-якого теплового насоса мається на увазі його фактична робота – коли компресор запускається і споживає електрику для охолодження рідини всередині системи до температури + 7°C. Потім, залежно від типу насоса, охолоджений холодоносій подається до помешкань через фанкойли або підлогу чи стіни.

Пасивне охолодження

Пасивне охолодження може здійснювати геотермальний тепловий насос. Це відбувається завдяки холоду, який узимку надходить під будинок у землю. Навесні холодна вода піднімається нагору, і через фанкойли охолоджує приміщення. Коли температура землі почне збільшуватись і досягне вище +10°C, тоді настане активне охолодження за допомогою компресора.

Як розраховується ефективність теплового насоса для опалення

При розрахунку ефективності необхідно враховувати кілька чинників.

Також розраховують два головні коефіцієнти:

Згідно з ДБН, по Києву та Київській області опалення потрібно розраховувати на температуру до –22°C. Повітряний тепловий насос може працювати самостійно за температури до – 7-10°C, але важливо врахувати квадратуру та якість утеплення будівлі. Якщо температура нижча, використовують допоміжні пристрої. Геотермальні теплові насоси можуть самодостатньо працювати під задану температуру та не вимагають додаткових джерел енергії.

Плюси та мінуси теплонасосів

Теплові насоси не мають істотних недоліків. Ефективність використання залежить від типу насоса, що підбирається для конкретного приміщення.

Головні переваги теплових насосів:

Особливості експлуатації теплових насосів повітря-повітря та повітря-вода:

Особливості експлуатації теплових насосів ґрунт-вода:

Особливості експлуатації теплових насосів вода-вода:

Коли використовувати тепловий насос в Україні

Останні два роки Україна наздоганяє Європу у технологічному плані. Європейці вже десятки років працюють над тим, щоб відмовитися від дорогого газу та перейти на нове високоефективне обладнання. Крім того, європейці отримують 40% дотацій при відмові конвекційного котла на користь теплового насоса.

Українці довгий час користувалися дешевим газом із росії, як основним джерелом тепла. На цей час дотаційної системи на електроенергію немає, хоча до 2020 року на будинок виділялося 3000 кіловат-годин зі знижкою 50% та ще 50% знижки на нічний тариф. Можливо, така система знову з'явиться в майбутньому.

Тому теплові насоси є важливо і потрібно використовувати в Україні завжди. У 2014 році стався поштовх, який сприятиме переходу на альтернативні джерела енергії. Щодо енергоресурсів Україна є самодостатньою країною, яка зараз перебуває у фазі відмови від залежності від природних копалин та переходу на більш ефективні способи отримання енергії – електрокотли або теплові насоси.