Тепловий насос: історія, функціонал, переваги

603

Статті та огляди

Тепловий насос: історія, функціонал, переваги

Настя Васильєва

ЗберегтиДодано до збережених0

Історія теплових насосів
Переваги та недоліки теплових насосів
Купувати чи ні?
Компоненти теплового насоса
Як працює тепловий насос
Типи теплових насосів
Підсумки

Історія теплових насосів

1948 рік став відправною точкою для історії теплових насосів.

Глибока заморозка для отримання тепла

Все почалося з морозильної камери Роберта С. Веббера . Домашнє охолодження не було чимось новим і, по суті, існувало роками. Роберт ж поставив собі за мету поліпшити свою електричну морозильну камеру. Він прагнув зробити її настільки холодною, щоб можна було зберігати м’ясо роками без псування.

В процесі вдосконалення трапився інтригуючий інцидент – чоловік обпік руку на морозильній камері. Здавалося б, морозильна камера повинна виробляти холодну воду, а не гарячу. І йдеться не про той тип тепла, який ми відчуваємо, затишно згорнувшись калачиком біля каміна холодним зимовим ранком з улюбленою книгою і смачним чаєм. Це така температура, при якій закипає вода, яка змушує вас кричати від болю при зіткненні.

Так яким чином це сталося? Процес абсолютно зворотний принципу роботи холодильного обладнання. Відповідь на це питання швидше за все не знає навіть сам Веббер.

Що було далі?

Аби не допустити марнотратства, Роберт ламав голову над єдиним питанням: як використовувати отримане тепло? Багато ідей приходило йому в голову, і, коли всі, здавалося, зазнали невдачі, він вирішив відправити отриману гарячу воду в свій котел. З чим же було пов’язано таке рішення? Справа була в тому, що водонагрівач Роберта не міг підтримувати генерацію достатнього кількість гарячої води необхідної для душа, миття рук тощо. А ця проблема, до речі, дуже актуальна і в сучасному світі.

Так, Веббер, відправивши нагріту воду від морозильника в котел свого підвалу, позбавив усіх мешканців будинку від такої неприємної ситуації, як холодний душ.

Звичайно ж, на цьому проблеми не закінчилися. Запас гарячої води все ще залишався надто великим. Роберт не хотів втрачати ні краплі виробленого тепла. Він думав, бурчав, ламав голову, малював ескізи. І рішення прийшло.

Опалення для всього будинку

Винахідник пустив нагріту воду, що залишилася, в мідну трубку з маленьким електричним вентилятором. Рідина нагрівала теплообмінник, а вентилятор потужним потоком повітря розносив отримане тепло, якого вистачало на опалення всього будинку. Таким чином в 1948 році Роберт С. Веббер створив перший у всьому світі електричний тепловий насос, повторно використавши киплячу воду з холодильної камери глибокої заморозки.

У наступному році він замінив вугільну піч у своєму будинку на винайдений агрегат, а через десятиліття теплові насоси почали з’являтися в різних куточках світу.

З плином часу і стрімким розвитком науки і техніки ефективність теплових насосів в рази зросла. Вода була замінена на фреон, а сама конструкція стала більш компактною і мобільною. Все це дозволило тепловим насосам завоювати популярність на ринку кліматичних технологій і отримати схвалення користувачів по всьому світу.

Читайте також: Тепловий насос як система опалення для приватного будинку

Переваги та недоліки теплових насосів

Перед тим, як прийняти рішення про покупку системи з тепловим насосом, необхідно ознайомитися з усіма її перевагами і недоліками. Теплові насоси мають безліч переваг, які допомагають суттєво зменшити грошові витрати для домовласників. Але в той же час є деякі проблеми, які необхідно враховувати.

Переваги:

Зниження експлуатаційних витрат. Теплові насоси дешевші в експлуатації, ніж системи, засновані на спалюванні. Чим більш енергоефективні системи, тим більша економія енергії в довгостроковій перспективі.
Зменшення технічного обслуговування. Регулярно, раз на рік, певні деталі системи повинні перевірятися, що може бути легко виконано власне споживачем. Спеціаліст повинен перевіряти обладнання кожні 3-5 років.
Безпека. Теплові насоси мають надійну конструкцію і герметичний корпус, що забезпечує їх повну безпеку для користувачів, на відміну від котлів зі спалюванням газу, вугілля, дров.
Скорочення викидів. Система теплового насоса знижує викиди вуглекислого газу і забезпечує високий рівень ефективного коефіцієнта перетворення енергії в тепло.
Можливість охолодження. У жарку пору року теплові насоси здатні звернути процес назад і, таким чином, діяти як кондиціонер на охолодження приміщень.
Довгий термін служби. Термін служби теплових насосів відносно великий, до 50 років, проте в середньому вони розраховані на 15-20 років. Незважаючи на ці цифри, вони є виключно надійним і стійким джерелом тепла.

Недоліки:

Висока початкова вартість. Теплові насоси мають великі початкові витрати тільки в проектах з модернізації. Але в більшості випадків при новому будівництві котельна система опалення і вартість кондиціонерів на об’єкті дорівнюють вартості теплового насоса, який виконує обидві функції – опалення та охолодження. Правда, навіть при модернізації, якщо розглядати питання в довгостроковій перспективі, то картина не така плачевна. Експлуатаційні витрати в результаті призводять до стійкої економії на рахунках за електроенергію.
Складність монтажу. Теплові насоси досить складно встановити, враховуючи, що необхідно провести дослідження, щоб зрозуміти рух тепла, місцеву геологію, а також вимоги до опалення і охолодження для користувача. Також процес установки тягне за собою значне порушення роботи і цілісності самого будинку і прилеглої території. Тому над питанням установки геотермальної системи рекомендується замислюватися ще на початковому етапі будівництва будинку. Але при установці теплового насоса типу повітря-вода або повітря-повітря ніяких обмежень немає. Такі теплові насоси легко інтегруються в будь-які приміщення і будинки. Установка сучасного теплового насоса не багатьом складніше установки спліт-кондиціонера.
Залежність від погодних умов. Деякі теплові насоси мають проблеми при роботі в холодних районах, що часто призводить до пошкодження системи. Саме тому немає можливості досягти повної ефективності подібних агрегатів в холодну погоду. Така проблема може вирішитися шляхом модернізації установки. Але в кліматичних умовах України такими обмеження можна нівелювати, встановивши сучасний тепловий насос. Існують моделі обладнання, які втрачають свою номінальну теплову потужність тільки при температурі зовнішнього середовища -15 °C. Є моделі, які зберігають свою номінальну теплову потужність навіть при -20 °C.

Купувати чи ні?

Переваги теплових насосів вказують на те, що вони є розумною інвестицією в довгостроковій перспективі. Значна економія на електроенергії, використання альтернативних джерел енергії, безпека і довгостроковість системи вказують на те, що первісна вартість в майбутньому повністю окупиться.

Зручність використання, повна автоматизація та управління віддалено, робота в режимі охолодження, забезпечення ГВП та дуже економний нагрів басейну – це те, чому більше половини нових будівельних проектів вибирають теплові насоси як «інженерне серце» нового об’єкта.

Читайте також: Рейтинг кращих теплових насосів повітря-вода на ринку України

Компоненти теплового насоса

Холодоагент. Рідина (або газ), яка циркулює по системі, поперемінно поглинаючи, транспортуючи і виділяючи тепло.
Реверсивний клапан. Регулює напрямок потоку холодоагенту в тепловому насосі, змінює режим з нагріву на охолодження і навпаки.
Теплообмінник. Являє собою петлю (або кілька петель) трубки, де відбувається теплопередача. Трубка може мати ребра, які встановлюють для збільшення площі поверхні, доступної для теплообміну.
Випарник. Змійовик, в якому холодоагент поглинає тепло з навколишнього середовища, закипає і перетворюється в газ з низькою температурою.
Компресор. Нагнітає газоподібний холодоагент, збільшуючи при цьому його температуру.
Конденсатор. Змійовик, в якому холодоагент віддає тепло зовнішнього повітря і конденсується.
Розширювальний клапан. Пристрій знижує тиск, що створюється компресором. Це призводить до падіння температури і перетворення холодоагенту в низькотемпературну суміш пари з рідиною.
Камера статичного тиску. Це повітряний відсік, який служить для розподілу холодного або теплого повітря по площі всього будинку. Зазвичай він знаходиться над або навколо теплообмінника.

Як працює тепловий насос

Тепловий насос – це універсальна, ефективна система охолодження та опалення. Завдяки реверсивному клапану тепловий насос може змінювати потік холодоагенту і нагрівати або охолоджувати будинок.

Повітря продувається через змійовик випарника, передаючи теплову енергію холодоагенту. Ця теплова енергія циркулює в холодоагенті в змійовику конденсатора, де вона виділяється, коли вентилятор обдуває повітря через змійовик. Завдяки цьому процесу тепло перекачується з одного місця в інше.

Режим охолодження

Одна з найбільш важливих речей, які потрібно зрозуміти про роботу теплового насоса і процесі передачі тепла, полягає в наступному. Теплова енергія природним шляхом завжди переміщається в області з більш низькими температурою і тиском. Теплові насоси, покладаючись на це фізичне явище, дозволяють теплу контактувати з більш прохолодними середовищами і більш низьким тиском, щоб тепло могло передаватися природним чином. Послідовність роботи теплового насоса в режимі охолодження має таку схему.

Крок 1

Рідкий холодильний агент перекачується через розширювальний пристрій на внутрішньому теплообміннику, який функціонує як випарник. Повітря зсередини будинку продувається через змійовики, де теплова енергія поглинається холодоагентом. Внаслідок поглинання він нагрівається і переходить в газоподібний стан. В результаті холодне повітря надходить в приміщення.

Крок 2

Газоподібний теплоносій тепер проходить через компресор, який його нагнітає (стискає). Процес підвищення тиску газу викликає його нагрівання (фізична властивість стислих газів). Гарячий стиснений холодоагент проходить через систему до змійовика (теплообміннику) зовнішнього блоку.

Крок 3

Вентилятор в зовнішньому блоці переміщує зовнішнє повітря через теплообмінник, який служать в якості конденсатора в режимі охолодження. Оскільки повітря зовні будинку холодніше, ніж холодоагент з гарячим стисненим газом в змійовику, тепло передається від холодоагенту до зовнішнього повітря. Під час цього процесу теплоносій конденсується назад в рідкий стан (охолоджується). У теплому рідкому стані він прокачується через систему до розширювального клапану на внутрішній блок.

Крок 4

Розширювальний клапан знижує тиск теплоносія, що значно його охолоджує. Потім холодоагент назад перекачується в змійовик випарника у внутрішній блок, і цикл починається знову.

Режим опалення

Тепловий насос в режимі обігріву працює так само, як і в режимі охолодження, за винятком того, що потік холодоагенту реверсивно змінює напрямок. Це означає, що джерелом нагріву стає зовнішнє повітря (навіть при низькій температурі), а теплова енергія виділяється всередині будинку. Зовнішній теплообмінник тепер виконує функцію випарника, а внутрішній – конденсатора.

Фізика процесу однакова. Теплова енергія поглинається в зовнішньому блоці холодним холодоагентом в рідкому стані, перетворюючи його в холодний газ. Потім в компресорі він стискається і нагрівається. Гарячий газ охолоджується у внутрішньому блоці, нагріваючи повітря і конденсуючи газ до теплої рідини. Теплий холодоагент поступово охолоджується, надходить в зовнішній блок, і цикл відновлюється.

Типи теплових насосів

Теплові насоси, що працюють як на обігрів, так і на охолодження, функціонують за принципом холодильника. Вони використовують електрику для перекачування енергії з холодного простору в тепле. Таким чином взимку тепле повітря надходить в приміщення, а влітку – в зворотному напрямку. Оскільки дані агрегати переміщують тепло, а не генерують його, експлуатаційні витрати значно знижуються.

Існує 3 основних типи теплових насосів:

повітряні;
водяні;
наземні.

Кожен із запропонованих варіантів ми детально розглянемо нижче.

Повітряні теплові насоси

Повітряні теплові насоси сьогодні є найпопулярнішими, енергоефективними і дешевими на ринку. Тому останнім часом вони стали масовим рішенням завдань опалення та кондиціонування об’єктів будь-якого типу: приватні будинки, квартири, офісні будівлі, торгові центри, виробничі приміщення, склади, будь-яка комерційна нерухомість і т. д.

Як випливає з назви, повітряні теплові насоси передають тепло від зовнішнього повітря всередину будівлі. Вони доступні в вигляді реверсивних систем, які можуть нагрівати і охолоджувати повітря в приміщенні.

Конструкція складається з внутрішнього блоку, розташованого в приміщенні, і зовнішнього, розміщеного над землею на відкритому повітрі. Між собою вони з’єднані за допомогою фреонової траси з мідних труб.

Теплові насоси «повітря-повітря» зазвичай більш ефективні, ніж інші системи опалення. Вони також дешевші в установці, ніж інші види теплових насосів, так як знаходяться над землею і не вимагають проведення додаткових монтажних робіт.

Системи теплових насосів з повітряним джерелом можуть бути ідеальними для об’єктів у відносно помірному кліматі. Вони можуть забезпечити достатню кількість тепла, а нові сучасні моделі здатні ефективно функціонувати навіть при температурах до -25 °C.

Оскільки системи знаходяться над землею, вони можуть мати проблеми з блокуванням. Листя, трава, сніг і лід можуть впливати на повітряний потік і внутрішні рухомі частини. Наземні системи часто вимагають установки фільтрів і пристроїв проти обмерзання. При правильному плануванні і проектуванні всіх цих проблем в майбутньому можна уникнути. Зате простота і зручність обслуговування у повітряних теплових насосів незаперечні.

Водяні теплові насоси

Теплові насоси повітря-вода можуть стати відмінним варіантом для споруд, досить близьких до глибоководних джерел. Вони працюють за тим же принципом, що і повітряні, за винятком того, що в якості середовища для теплообміну використовуються порції води. Вони поглинають тепло від води, щоб нагріти внутрішню частину конструкції, а виділяють – для охолодження.

Вода протікає через мережу труб, розташовану глибоко під водним джерелом. Там вона нагрівається або охолоджується до тих пір, поки її температура не стане рівною температурі навколишнього середовища проточної води. Потім вода закачується в конструкцію. Влітку вона поглинає тепло всередині приміщення, а взимку виділяє його в більш холодний простір.

Оскільки температура глибоко під водою відносно стабільна протягом усього року, ця система може використовуватися в більш екстремальних кліматичних умовах. Це є основною перевагою в порівнянні з повітряними системами.

Найбільшим недоліком підводних теплових насосів є необхідність знаходиться дуже близько до водойми. Хоча є можливість використовувати і штучні свердловини, більш ефективними є природні комплекси (озера, річки, моря тощо).

Геотермальні теплові насоси

Ці системи, також звані геотермальними тепловими насосами, використовують постійні температури глибоко під землею для нагріву або охолодження конструкцій. Подібно глибоководним насосам, вони часто використовують воду в якості холодоагенту і не вимагають процесів конденсації і випаровування. Однак існують також стандартні варіанти.

Як і в глибоководних версіях, водяний холодоагент протікає по мережі глибоких підземних труб. Вода тече по трубах, виділяючи або поглинаючи тепло, поки її температура не буде відповідати температурі навколишнього середовища на землі. Потім теплоносій закачується в наземну конструкцію для опалення або охолодження.

Поки глибоководні труби зазвичай лежать горизонтально на дні води, підземні типи мають ряд конфігурацій. Там, де горизонтальний простір обмежений, труби можуть укладатися в вертикальні петлі. У земляному настилі роблять ряд глибоких отворів. Труби утворюють ланцюжок глибоких вертикальних U-образних форм. Кожне з бурових отворів може бути заповнене ґрунтовою водою або будь-якої іншої середовищем, щоб краще сприяти обміну температур.

Горизонтальні труби також можуть бути розташовані радіально, при цьому процес називається горизонтально спрямованим бурінням. Цей процес кращий, тому що його можна використовувати, не порушуючи проїжджої частини та інших елементів поверхні.

Підсумки

Тепловий насос створений для забезпечення цілорічного комфорту і постійної економії енергоресурсів. Саме з цієї причини сучасні надефективні теплові насоси будуть відмінним вибором для всіх, кому потрібне універсальне рішення для опалення та охолодження.

Наші фахівці готові запропонувати інженерне рішення по тепловим насосам, яке максимально підходить під ваші завдання і бюджет.

Питання та відповіді: Тепловий насос: історія, функціонал, переваги

Як працює тепловий насос/Звідки тепловий насос бере тепло?

Тепловий насос відбирає тепло з навколишнього середовища і переносить його в приміщення, витрачаючи при цьому електроенергію. Звідки воно береться взимку? Зовнішнє повітря, вода і земля отримують тепло від сонячних променів, також, як і влітку. Але це тепло є низькопотенційним, або іншими словами, «холодним» теплом, його температура недостатня для нормального функціонування людини. З точки зору науки тепло – це не зовсім те, що ми звикли уявляти, і навіть при -15 °C, воно існує, просто в менших кількостях ніж при +20 °C. Повна відсутність тепла можлива тільки при -273 °C, коли припиняється рух молекул і атомів.

Антифриз або холодоагент, проходячи через контур теплового насоса, при низькому тиску закипає і переходить з рідкого в газоподібний стан, при цьому забираючи низькопотенційне тепло з навколишнього середовища. Уже нагрітий до певної температури холодоагент нагріває воду в системі опалення, або іншими словами віддає тепло і перетворюється знову в рідину. Вода в свою чергу розподіляється по опалювальних приладам: низькотемпературним радіаторам і конвекторам, фанкойлам або до теплої підлоги. Тепловий насос може нагрівати воду до +55 °C.

Як тепловий насос заощаджує кошти?

Головною перевагою теплового насоса перед іншим обладнанням є висока ефективність: при використанні 1 кВт вони можуть видавати 3-7 кВт тепла, в залежності від коефіцієнта СОР. Якщо порівнювати електричний котел, то співвідношення споживаної і виданої потужностей становить 1: 1. З газовим котлом справи йдуть інакше. З 1 куб. м газу можна отримати приблизно 8 кВт тепла.

Візьмемо для порівняння тепловий насос з СОР = 4. Газовий котел витратить 1 куб. м палива і подасть 8 кВт тепла, і тепловий насос витратить 2 кВт електроенергії і подасть 8 кВт тепла. А тепер порівняємо витрати. Для побутових споживачів на період 1.10.2020 р ціна на газ за 1 куб. м – 6,5 грн., за 1 кВт електроенергії до 100 кВт споживання – 0,9 грн., вище 100 кВт – 1,68 грн. У підсумку, використовуючи різне устаткування, за 8 кВт ми заплатимо: від газового котла – 6,5 грн., від теплового насоса 1,8/3,36 грн., від електричного котла – 7,2/13,44 грн.

Яка середня окупність системи з тепловим насосом?

Окупність теплового насоса приблизно становить 2-5 років. Строк служби при регулярному обслуговуванні і постійній роботі – 15-20 років. Ми також можемо розрахувати точну окупність під Ваш об’єкт.

Якщо я хочу встановити в будинку тепловий насос, обов’язково купувати додатково котел?

Якщо встановити котел до теплового насосу, то перший буде працювати як резервне джерело тепла, якщо другий зламається. Але така схема не обов’язкова. Сучасні моделі теплових насосів можуть працювати на тепло при температурі -20 °C на вулиці без втрати ефективності; і до -28 °C – з меншою ефективністю, тобто тепловий насос буде споживати більше електроенергії. Також в комплекті вже йдуть електричні нагрівачі, які й служать в якості резерву.

Чи сушать теплові насоси повітря?

Так, як і будь-який інший опалювальний прилад. Чим вище температура, тим нижче відносна вологість, і по-іншому не буває. Закони фізики змінити не можна.

Визначимо для початку, що таке вологість. Грубо кажучи, це наявність води в повітрі. Параметр вологості строго залежить від температури. Коли вона знижується, молекули води стискаються і в повітрі утворюються краплі води. І навпаки. Якщо вранці на вулиці був туман, удень він пропадає, коли волога в повітрі випаровується через підвищення температури. Або, наприклад, восени, коли починається опалювальний сезон, якщо в квартирі не включають опалення, з’являється вогкість. Тільки в радіатори подають тепло, і відразу все нормалізується.

Що таке СОР і EER?

СОР – коефіцієнт продуктивності або коефіцієнт ефективності теплового насоса. Показує співвідношення виданої потужності обігріву і споживаної потужності. Наприклад, якщо СОР = 4, то це означає, що тепловий насос при споживанні 1 кВт електроенергії переносить 4 кВт тепла з навколишнього середовища в приміщення. Для різних зовнішніх температур один і той самий тепловий насос має різні значення СОР. У характеристиках пишуть усереднені показники.

EER – коефіцієнт енергетичної ефективності. Схожий на СОР, тільки розраховується по холоду.

Потрібна професійна допомога?Замовте консультацію. Фахівці Термал зв'яжуться з вами найближчим часом.

Замовити консультацію