Теплонасосное отопление: принцип работы и разновидности

Существует множество вариантов отопления загородного дома. Но в последнее время все большее число людей обращают свои взоры на системы, источниками тепла для которых служат земля, вода и воздух. Оно и понятно: идея использовать себе во благо бесплатную энергию - весьма привлекательна.

Тепловыми насосами называются агрегаты, которые обеспечивают передачу теплоэнергии от менее нагретых предметов к более нагретым и при этом увеличивают их температуру. Принцип работы насосных изделий схож с функционалом кондиционеров, холодильников и прочей техники, способной переносить теплоэнергию из окружающей среды во внутрь помещений.

В контексте отопления дома тепловой насос работает по принципу, позволяющему извлекать тепло из окружающей среды (воздуха, воды или земли) и переносить его внутрь помещения. Тепловой насос использует энергию возобновляемых источников - нагретого воздуха, земли, скальных пород или воды - для производства тепловой энергии. Первоначальным источником этой тепловой энергии служит Солнце.

Как работает тепловой насос: принцип действия и установка

Как работает тепловой насос

Принцип действия тепловых насосов основан на базовых физико-химических процессах. Назначение данных устройств в том, чтобы извлекать низкотемпературное тепло из воздуха, воды и грунта и преобразовывать его в высокотемпературное. В последующем оно используется для горячего водоснабжения и отопления помещений.

Принцип работы теплового насоса очень напоминает по своей сути работу холодильника. Тепловой насос - это хоть и ключевой, но не единственный ее компонент. Помимо него, в систему входит также еще два контура.

Рассмотрим основные этапы работы теплового насоса:

1. Извлечение тепла. Тепловой насос использует хладагент - жидкость с низкой температурой кипения. На первом этапе хладагент, находясь в испарителе, поглощает тепло из окружающей среды (например, воздуха или грунта). При попадании в испаритель носитель передает около 4-7 °C хладагенту теплового насоса. После закипания он обретает газообразное состояние. Это тепло затем используется теплообменником -испарителем, для превращения хладагента в тепловом насосе в газ.
2. Сжатие. После закипания в испарителе пары хладагента подаются в компрессор, работающий от электроэнергии. Тот многократно повышает давление газообразной среды, вследствие чего повышается ее температура. Газообразный хладагент поступает в компрессор, где под воздействием давления температура хладагента значительно возрастает. Также для привода компрессора необходима дополнительная энергия.
3. Конденсация. Нагретый газ подается в конденсатор. Далее горячий газ попадает в конденсатор, где он передает тепло в систему отопления дома (например, в радиаторы или водяные трубы). После этого хладагент конденсируется, в результате чего вновь обретает жидкую форму. Также этот горячий пар может применяться с системой теплый пол.
4. Расширение. Жидкий хладагент проходит через устройство, называемое расширительным клапаном, где давление резко снижается. Теперь жидкий хладагент низкого давления может снова начать цикл.

Типы тепловых насосов

В зависимости от типа источника, у которого отбирают энергию тепловые насосы, их можно разделить на два класса - воздушные и геотермальные. По источнику тепла и нагреваемой среде тепловые насосы делятся на следующие типы: «воздух-вода», «грунт-вода», «вода-вода», «воздух-воздух», «грунт-воздух», «вода-воздух». То есть тепловой насос может передавать тепло от воздуха, грунта и воды воздуху в отапливаемом помещении, рабочей жидкости (вода, антифриз) отопительной системы или воде в системе горячего водоснабжения.

Существует несколько основных типов тепловых насосов, которые используются для отопления домов. Их можно классифицировать по типу источника тепла и системе распределения:

• Воздушные тепловые насосы. Воздушные тепловые насосы, как следует из их названия, отбирают тепло у воздуха. Воздушные тепловые насосы используют энергию наружного воздуха или воздуха из системы вентиляции для отопления, охлаждения и нагрева воды. Они состоят из двух блоков: наружного и внутреннего.
  • Воздух-воздух. Переносит тепло из наружного воздуха в воздух внутри помещения. Нагревает воздух и распределяет его по помещению. Обычно более эффективен в небольших помещениях или для точечного обогрева.
  • Воздух-вода. Нагревает воду, которая затем используется для систем отопления, таких как радиаторы или теплые полы.
• Геотермальные тепловые насосы (земля-вода). Геотермальные - используют тепло грунта, подземных (грунтовых, артезианских, термальных) и поверхностных (море, озеро, река, пруд) вод. Геотермальные тепловые насосы используют энергию, запасенную в земле. Они извлекают тепло из земли с помощью вертикального или горизонтального коллектора. Принцип работы схожий с воздушными тепловыми насосами, но ключевое отличие данного типа теплового насоса - это теплоноситель. В тепловом насосе воздух - воздух, помещения обогреваются воздухом, а здесь - водой. Данные тепловые насосы отлично работают в тандеме с водяными теплыми полами. Используют тепло из земли.
• Водяные тепловые насосы. Тепловые насосы с водным источником используют энергию, накопленную в грунтовых, поверхностных, морских или сточных водах. Тепловой насос забирает тепло из воды и делает его доступным для нагрева, охлаждения и приготовления горячей воды. Используют тепло из водоемов (озер, рек) или подземных вод.

Преимущества и недостатки тепловых насосов

Главное преимущество теплового насоса перед традиционными системами отопления заключается в высокоэкономичной работе. Главный пункт в списке достоинств тепловых насосов - экономичность. Тепловой насос не может работать без электропитания, но, потребляя 1 кВт электрической энергии, он выдает до 5 кВт энергии тепловой (у электрокотла, например, это соотношение 1:1). Столь эффективная работа теплового насоса объясняется тем, что потребляемая электрическая энергия не преобразуется в тепловую (как в случаях с электрокотлом и электроотопительными приборами), а используется для переноса тепла «с улицы» в дом.

Преимущества тепловых насосов:

• Экономичность.
• Универсальность. Возможность работы в двунаправленном режиме.
• Автономность. Для работы оборудования не требуется подача органического топлива, потому нет необходимости в прокладке тепловых коммуникаций. Нужно только подключение к электричеству. В случае перебоев в электроснабжении агрегат может работать от дизельного генератора. Автоматизация отопления.
• Безопасность. По сравнению с котлами, насосы не воспламеняются и не взрываются, не выделяют угарный ядовитый газ.
• Длительный срок эксплуатации.
• Экологичность.
• Надежность.
• Преимущества тепловых насосов включают их высокую энергоэффективность и возможность работы в качестве кондиционеров летом, так как они могут также извлекать тепло из помещений и отдавать его наружу.

Тема тепловых насосов не обходится без упоминания их главного недостатка - высокой стоимости оборудования и монтажных работ. Действительно, первоначальные затраты на тепловой насос маленькими не назовешь, но все, как говорится, познается в сравнении. Основную конкуренцию тепловому насосу составляет газовый котел. Если газопровод, к которому вам необходимо подключиться, проложен в метре от вашего участка, то выбор очевиден - газовый котел. Что касается других видов традиционных отопительных систем, то они проигрывают тепловому насосу либо в экономичности работы, либо в уровне автоматизации. Например, электрокотел - это большой расход дорогостоящей электрической энергии, а твердотопливный теплогенератор довольно часто надо «подкармливать» дровами или углем. Постоянного контроля со стороны человека требует и система отопления на жидком топливе (пожароопасность). Из дома же с работающим тепловым насосом можно уехать на довольно продолжительное время, не опасаясь временных перебоев в электроснабжении (после возобновления электроподачи тепловой насос продолжит работу, сохранив все прежние настройки).

В таблице ниже представлены сравнительные характеристики различных типов тепловых насосов:

Тип теплового насоса	Источник тепла	Эффективность	Первоначальные затраты	Применение
Воздух-воздух	Наружный воздух	Зависит от температуры воздуха	Низкие	Небольшие помещения, точечный обогрев
Воздух-вода	Наружный воздух	Зависит от температуры воздуха	Средние	Системы отопления с радиаторами или теплыми полами
Геотермальный (земля-вода)	Земля	Высокая, стабильная	Высокие	Дома с круглогодичным отоплением
Водяной	Водоемы, подземные воды	Высокая, стабильная	Высокие	При наличии доступа к водоему