Тепловой насос “воздух-воздух”: принцип действия, устройство, подбор и расчеты

Водяное отопление с естественной циркуляцией

Отопительные системы без насоса обычно классифицируются в соответствии с определенными характеристиками, отражающими их функциональность.

В зависимости от типа уравнительного бака, естественное циркуляционное отопление обычно подразделяется на следующие типы:

1. Открытая система отопления. В этом исполнении расширительный бачок расположен как можно выше для создания избыточного давления и обеспечения откачки воздуха. В этом случае бак также используется для подачи жидкости в систему.
2. Закрытая система отопления с естественной циркуляцией отличается тем, что вместо расширительного бачка устанавливается диафрагменный аккумулятор, с помощью которого создается дополнительное давление не более 1,5 атмосфер. Из соображений безопасности система имеет встроенный манометр, который регулирует внутреннее давление.

Нагревательные конструкции с естественной циркуляцией также разделены в зависимости от способа соединения нагревательных элементов. В соответствии с данной классификацией, существуют следующие виды отопления

1. Монотрубная система отопления. Принцип действия этого типа отопления заключается в том, что все нагреватели соединены последовательно с системой, т.е. охлаждающая жидкость циркулирует от одного элемента к другому. Несомненным преимуществом этого типа отопления является то, что его установка достаточно проста и требует минимального количества материалов.
2. Двухтрубная система отопления с естественной циркуляцией. В этом варианте нагревательные элементы соединяются параллельно с главной трубой. Другими словами, каждый агрегат поставляется с одинаковой температурой, и охлажденная жидкость возвращается в котел по трубе, обычно называемой «обратная труба».

Эта схема отопления является оптимальной для отопления жилых помещений. Единственным недостатком является то, что для монтажа такой отопительной системы требуется большое количество труб и другой сантехнической арматуры.

Совет по строительству: При выборе отопительной системы для вашего дома, вы должны учитывать ваши характеристики при покупке всех расходных материалов для отопительной установки.

Особенности тепловой системы воздух-вода

Тепловой насос, которому посвящена эта статья, в отличие от других модификаций подобного устройства (в частности, вода-вода и грунт-вода), обладает рядом достоинств:

• экономит электричество;
• для установки не потребуются масштабные земельные работы, бурение скважин, получение специальных разрешений;
• если подключить систему к солнечным батареям, то можно обеспечить полную ее автономность.

Веское преимущество тепловой системы, извлекающей энергию ветра и передающей ее воде, заключается в стопроцентной экологической безопасности.

Перед тем, как приступать к конструированию насоса, необходимо выяснить, в каких случаях система проявляет себя максимально эффективно, а когда ее использование нецелесообразно.

Тепловая насосная система, извлекающая энергию из воздушной массы, может использоваться для подогрева всех видов теплоносителей, применяющихся на территории СНГ: воды, воздуха, пара

Специфика применения и работы

Тепловой насос продуктивно работает исключительно в температурном диапазоне от -5 до +7 градусов. При температуре воздуха от +7 система будет вырабатывать больше тепла, чем необходимо, а при показателе ниже -5 – недостаточно для обогрева. Это связано с тем, что концентрированный фреон, находящийся в конструкции, закипает при температуре -55 градусов.

Теоретически система может вырабатывать тепло и в 30-градусный мороз, но его будет недостаточно для обогрева, ведь теплопроизводительность напрямую зависит от разности температуры кипения хладагента и температуры воздуха.

Поэтому жителям Северных регионов, где холода наступают раньше, эта система не подойдет, а в домах Южных областей она сможет эффективно прослужить несколько холодных месяцев.

Если в помещении установлены стандартные батареи, то тепловой насос будет работать менее эффективно. Лучше всего устройство воздух-вода сочетается с конвекторами и иными радиаторами с большой площадью, а также с системами «теплый пол», «теплые стены» водного типа.

Также само помещение должно быть хорошо утеплено снаружи, обладать встроенными многокамерными окнами, обеспечивающими лучшую теплоизоляцию, чем обычные деревянные или пластиковые.

Тепловой насос лучше всего взаимодействует с водяной системой «теплый пол», не требующей нагрева теплоносителя свыше 40 – 45º С

Самодельный тепловой насос сможет эффективно обогревать дома площадью до 100 кв. м и гарантировано выдавать мощность в 5 кВт. Следует понимать, что фреон невозможно залить достаточно качественно в конструкцию, созданную в бытовых условиях, поэтому следует рассчитывать на температуру его кипения до -22 градусов.

Устройство домашней сборки идеально подойдет для снабжения теплом гаража, теплицы, подсобных помещений, небольшого частного бассейна и др. Система обычно используется в качестве дополнительного обогрева.

Электрокотел или иное традиционное оборудование для отопительного сезона потребуется в любом случае. Во время сильных морозов (-15-30 градусов) тепловой насос рекомендуется выключать, чтобы избежать растрат электроэнергии, ведь в этот период его эффективность составляет не больше 10%.

Тепловые насосы поставляют достаточное количество энергии для обогрева воды в крытых частных бассейнах (+)

Принцип действия системы

Рабочее вещество в конструкции – воздух. Через наружный блок, устанавливающийся на улице, кислород по трубам поступает в испаритель, где взаимодействует с хладагентом.

Фреон под действием температуры становится газообразным (поскольку закипает при -55 градусах) и в нагретом виде под давлением поступает в компрессор. Устройство сжимает газ, тем самым увеличивая его температуру.

Горячий фреон поступает в контур накопительного бака (конденсатора), где происходит отдача тепла воде, которую впоследствии можно использовать для организации отопления и ГСВ. В конденсаторе фреон лишается только части своего тепла, и все еще находится в газообразном состоянии.

Проходя через дроссель, хладагент распрыскивается, в результате чего его температура понижается. Фреон становится жидким и в таком виде переходит в испаритель. Цикл повторяется.

На рисунке схематически показана реализация принципа элементарного теплового насоса, разделенного компрессором и расширителем на два контура – высокого и низкого давления

Желающим самостоятельно соорудить тепловой насос из бросовых материалов и отслужившей техники, к примеру, из старого холодильника, поможет информация, изложенная в рекомендуемой нами статье.

Преимущества тепловых насосов и целесообразность их установки

Как заявлено в рекламе, главное преимущество тепловых насосов — экономичность отопления. В какой-то мере все работает именно так. Если теплонасос имеет среду отбора энергии, обеспечивающую оптимальные показатели температуры, установка работает эффективно, расходы на отопление снижаются примерно на 70-80%. Однако всегда есть случаи, когда теплонасос может быть нерациональным вложением средств.

Эффективность работы теплового насоса обуславливается следующими технологическими характеристиками:

• параметр граничного предела снижения температуры рабочим телом;
• минимальная разница в температурах внешнего обменника и окружающей среды, при которой отбор тепла крайне мал;
• уровень потребления энергии и отдачи полезной тепловой мощности.

Целесообразность применения теплонасоса зависит от нескольких факторов.

1. Территории, где такое оборудование не показывает хороших результатов — регионы с морозными зимами и низкими среднесуточными температурами. В этом случае, теплонасос просто не способен отобрать достаточно тепла из окружающей среды, вплотную приближаясь к зоне нулевой эффективности. В первую очередь, это касается систем воздух-воздух.
2. При росте объемов отапливаемого пространства технологические параметры теплонасоса увеличиваются почти в геометрической прогрессии. Становятся габаритнее теплообменники, размер и количество зондов погружения в воду или землю увеличиваются. В определенной точке стоимость теплонасоса для отопления, необходимые траты на его монтаж и обслуживание, а также оплату потребленной мощности становятся просто нерациональными вложениями. Гораздо дешевле создать классическую газовую схему отопления с котлом.
3. Чем сложнее система, тем дороже и проблематичнее ее ремонт в случае поломки. Это негативное дополнение к размеру отапливаемой площади и характеристикам климатической зоны.

Совет! В целом, использование теплового насоса в качестве единственного источника тепла для дома может рассматриваться только в ограниченном числе ситуаций. Всегда разумно применять систему комплексного обеспечения. Здесь количество возможных комбинаций ограничено только доступными источниками энергии и финансовыми возможностями владельца.

Классика — это тепловой насос и газовый/твердотопливный котел, работающие в связке. Идея проста: продукты сгорания топлива выводятся по широкой трубе. В ней располагается обменник теплонасоса. В системе отопления и горячего водоснабжения устанавливаются накопительные емкости и бойлер косвенного нагрева. Оборудование (котел и насос) активируется одновременно при падении температуры жидкости в распределительной сети. Работая в паре, они практически полностью утилизируют энергию сгорающего топлива, показывая близкие к максимуму показатели эффективности.

Система с адаптацией к характеристикам окружающей среды построена на термонасосе, вентиляторном блоке, тепловой пушке любого класса. При достаточно высокой температуре воздуха на улице (до -5…-10 градусов Цельсия) теплонасос работает в штатном режиме, обеспечивая достаточную отдачу мощности для отопления. Особенность конструкции системы — расположение его внешнего теплообменника в отдельном вентиляционном канале. При падении температуры на улице ниже оптимальной отметки подаваемый воздух нагревается тепловой пушкой (дизельной, электрической или газовой).

Принцип работы теплового насоса воздух-воздух

Общий принцип работы ТН во многом напоминает тот, что используется в кондиционере, в режиме «обогрев помещения», с единственным отличием. Теплонасос «заточен» на отопление, а кондиционер на охлаждение комнат. Во время работы используется низкопотенциальная энергия воздуха. В результате расход электроэнергии сократился более чем в 3 раза.Принцип действия тепловой насосной установки воздух-воздух, если не вдаваться в технические подробности, следующий:

• Воздух, даже при отрицательной температуре, сохраняет определенное количество тепловой энергии. Это происходит до тех пор, пока температурные показатели не достигнут абсолютного нуля. Большинство моделей ТН способны извлекать тепло при достижении температуры -15°С. Несколько известных производителей выпустило станции, сохраняющие работоспособность при -25°С и даже -32°С.
• Забор низкопотенциального тепла происходит благодаря испарению фреона, циркулирующего по внутреннему контуру ТН. Для этого используется испаритель – блок, в котором создаются оптимальные условия для преобразования хладагента из жидкого в газообразное состояние. При этом, согласно физическим законам, поглощается большое количество тепла.
• Следующим блоком, расположенным в системе теплоснабжения воздух-воздух, является компрессор. Именно сюда подается хладагент в газообразном состоянии. В камере нагнетается давление, что приводит к резкому и существенному нагреву фреона. Через форсунку, хладагент впрыскивается в конденсатор. Компрессор для теплового насоса имеет спиралевидное исполнение, что облегчает запуск при низких температурах.
• Во внутреннем блоке, располагающемся непосредственно в помещении, находится конденсатор, выполняющий одновременно функцию теплообменника. Газообразный разогретый фреон, целенаправленно конденсируется на стенках модуля, отдавая при этом тепловую энергию. ТН распределяет полученное тепло, подобным к сплит-системе образом.
  Допускается канальное распределение нагретого воздуха. Особенно практично такое решение при нагреве больших многоквартирных зданий, складских и промышленных помещений.

Принцип работы теплового насоса воздух-воздух и его эффективность напрямую связаны с температурой окружающей среды. Чем холоднее «за окном», тем ниже производительность станции. Работа теплового насоса воздух-воздух при температуре минус -25°С (в большинстве моделей) полностью прекращается. Чтобы компенсировать недостаток тепла, устанавливают резервный котел. Оптимально одновременное использование электрического тэна.

Тепловые насосы воздух-воздух состоят из двух блоков наружного и внутреннего размещения. Конструкция во многом напоминает сплит-систему и устанавливается подобным образом. Внутренний блок монтируется на стену или потолок. Настройки выставляются с помощью дистанционного управления.

Чем отличается ТН воздух-воздух от кондиционера

ТН воздух-воздух работает как кондиционер, но имеет существенные отличия, заключающиеся в особенностях конструкции и производительности

Хотя существует внешнее сходство, на самом деле, отличия, если обратить внимание на технически характеристики, существенны:

• Производительность – тепловой насос воздух-воздух для отопления дома, максимально эффективно работает на нагрев помещения. Некоторые модели способны охлаждать воздух. Во время кондиционирования помещения, энергоэффективность существенно уступает обычным кондиционерам.
• Экономичность – даже инверторные кондиционеры, во время работы тратят больше электроэнергии, чем требует отопление тепловым насосом типа воздух – воздух. При переходе в режим обогрева, затраты электричества еще больше увеличиваются.
  У ТН коэффициент энергоэффективности определяется согласно СОР. Средние показатели станций равняются 3-5 единицам. Затраты электричества в таком случае составляют 1 кВт на каждые 3-5 кВт полученного тепла.
• Сфера применения – кондиционеры используют для вентиляции и дополнительного обогрева помещения, при условии, что температура окружающей среды не будет меньше +5°С. Тепловые насосы воздух-воздух, применяются в качестве основного источника отопления в течение всего года в средних широтах. При определенной модификации, могут использоваться для охлаждения комнат.

Мировой опыт использования тепловых отопительных насосов системы воздух-воздух, убедительно доказал, что использование возобновляемых источников энергии не только возможно, но и экономически выгодно, несмотря на необходимость первичных капиталовложений.

Особенности установки и эксплуатации

Иногда внутренний блок ставят именно так — чтобы прогревать нижнюю часть помещения, а теплый воздух потом сам будет подниматься наверх. Это оборудование мало чем отличается от кондиционера, как и по принципу монтажных работ. Как и в случае с другими климатическими системами ТН может быть с одним внутренним блоком или с несколькими (мультизональным).

Как и в случае с кондиционером, тепловому насосу нужно проводить периодическую профилактику, желательно один раз в год – чистить или менять фильтра, проверять наличие и давление теплоносителя в системе, соответствие режимам работы.

Распределение тепла по комнатам

В каждое помещение нужно свое количество тепла. Например, в угловые комнаты его всегда требуется больше, потому что у них две холодные стены. Задачу распределения мы решили при помощи задвижек.

В остальных местах подача регулируется клапанами на решетках. Они стоят не только в потолке, но и в полу

Для равномерного прогрева и комфорта это очень важно — все знают о том, что теплый воздух поднимается вверх. Аналогично устроен и забор воздуха для отвода из помещений — он производится и от потолка, и от пола

О том, как отводится воздух из санузлов, уже упоминалось: на улицу через рекуператор, поэтому распространения запахов по дому не происходит.

Принцип работы и слабые места

Воздушные тепловые насосы могут служить как простейшим средством локального обогрева, так и являться ядром централизованной системы отопления. Их главное преимущество — полная независимость от других инженерных коммуникаций дома за исключением разве что электрической сети. Таким образом, монтаж системы воздушного обогрева возможен на любом этапе строительства, и даже после его окончательного завершения.

Основную работу внутри тепловых насосов выполняет хладагент. Это вещество имеет очень низкую температуру кипения, вплоть до -30 ºС. При испарении жидкость поглощает энергию, при конденсации — выделяет её во внешнюю среду. Конденсироваться естественным путём пары хладагента не могут, для этого в работу включается компрессор, повышающий давление и «выжимающий» температуру. Таким образом происходит переохлаждение уличного воздуха, к примеру, от -5 до -15 ºС, а оставшаяся дельта в 10 ºС возвращается внутрь дома в виде полезного тепла.

Устройство теплового насоса «воздух-воздух»: 1 — наружный воздух; 2 — внешний теплообменник; 3 — наружный блок; 4 — компрессор; 5 — внутренний блок; 6 — тёплый внутренний воздух; 7 — внутренний теплообменник; 8 — терморегулирующий вентиль

Конечно, всё не так радужно, как описывают производители отопительного оборудования. Реальная эффективность системы ограничена двумя факторами:

Температура кипения хладагента определяет границу, при которой тепловой насос в принципе способен работать. Большинство устройств способны генерировать при уличной температуре от -5 до -15 ºС, наиболее дорогостоящие (Zubadan) работают вплоть до -25 ºС. В сложных нагревательных комплексах на основе тепловых насосов может использоваться дополнительный испаритель во внешнем блоке.

Коэффициент преобразования (COP) определяет отношение выдаваемой тепловой мощности к приложенной электрической. Реальное значение коэффициента обратно пропорционально разнице температур воздуха внутри здания и на улице. Таким образом, при сильном морозе производительность ТН существенно ниже.

Недостатки и преимущества тепловых насосов «воздух-вода»

Главное преимущество теплоэнергетических установок «воздух-вода», помимо использования возобновляемых источников энергии, заключается в их простоте установки. Каждому, кто решит приобрести, не нужно беспокоиться о разрешениях от муниципалитета или об обширных строительных работах.

Этот факт, а также небольшая занимаемая площадь в несколько квадратных метров делают воздушно-водяные машины идеальными для городских районов и для модернизации старых зданий

Однако для оптимальной работы важно обеспечить надлежащую теплоизоляцию ограждающей конструкции

Из-за компрессора и вентилятора теплопомпы производят определенное количество шума: от 30 до 60 децибел. Однако они не громче, чем холодильник. Поскольку вентилятор вызывает дополнительный шум в устройствах этого типа, то являются громкими представителями.

Благодаря стратегическому выбору местоположения уровень шума может быть снижен до минимума. Другой недостаток воздушно-водяных аппаратов связан с колебаниями наружной температуры. Чем холоднее наружный воздух, тем больше теплопомпе требуется электроэнергии для выработки достаточного количества тепла. Теплонасосы воздух-вода не подходят для регионов с температурой ниже минус 20 градусов Цельсия.

Как подобрать тепловой отопительный насос воздух-вода

Правильно выбрав тепловой насос для отопления дома воздух-вода, можно раз и навсегда решить вопрос обогрева жилых и промышленных помещений. Подбор подходящей тепловой станции выполняют следующим образом:

• Тип корпуса – производители предлагают две базовых конструкции. Низкотемпературный моноблочный тепловой насос типа воздух-вода примечателен тем, что в помещении не устанавливается никакого оборудования, все необходимые узлы расположены на улице (либо в отдельном изолированном помещении). В дом входит только подающий и обратный трубопровод отопления. Сплит – системы, больше предназначены для бытового использования. Внешний блок устанавливается на улице и подключается к емкости накопителю. Разогретый фреон разогревает конденсатор, который методом косвенного нагрева передает тепло жидкости, используемой в качестве теплоносителя.
• Функциональные возможности – некоторые модели предназначены для подключения только к системе водяного обогрева здания. Применение других теплонасосов воздух-вода, подходит для отопления и горячего водоснабжения.
• Зависимость производительности от температуры окружающей среды – бытовые модели обычно ограничены температурой от +45°С до -15°С, можно приобрести оборудование, способное вырабатывать тепловую энергию даже при -25-32°С. Эффективность системы отопления дома с ТН воздух – вода, напрямую зависит от этого параметра.

Дополнительно, к параметрам при выборе, обращают внимание на мощность оборудования, компанию производителя, выпускающую теплонасос и себестоимость установки, включая проведение монтажных работ

Как сделать расчет необходимой мощности ТН воздух-вода

Существует два понятия, предварительный (в первом приближении) и проектный расчёт мощности. Первый можно выполнить самостоятельно, второй делает специализированное учреждение. В первом приближении, на каждый квадратный метр рассчитывают 70 Вт мощности ТН. Дальнейшие расчеты выполняют следующим образом:

1. Подсчитывают общую отапливаемую площадь.
2. Умножают полученную сумму на 0,7.
3. Полученный результат будет соответствовать минимально необходимой мощности оборудования.

Чтобы обеспечить максимальную экономичность отопления дома с помощью теплового насоса системы воздух-вода, потребуется грамотная проектная документация и квалифицированное выполнение монтажных работ.

Производители тепловых насосов отопления воздух-вода

Буквально 10 лет назад, на рынке предлагались всего несколько моделей тепловых насосов. Сегодня выбор стал намного больше. Ведущие немецкие производители, российские, японские и китайские компании, выпускают оборудование, с той или иной долей теплоэффективности.

Судя по отзывам покупателей, наиболее востребованными являются насосы следующих компаний:

• Viessmann – более 30 лет занимается выпуском тепловых насосов. С тех пор, продукция компании существенно изменилась. Были учтены пожелания потребителей, внедрены новые технологии. В ТН Viessmann используется инновационная автоматика, полностью регулирующая весь процесс работы, оптимизирующая процесс обогрева, в согласии с погодными условиями.
• Buderus – модели отличаются высокой производительностью. Предназначены для бытового и промышленного применения. Полностью соответствуют особенностям отечественной эксплуатации. В серии Buderus предлагаются насосы для обогрева площади до 500 м² и выше.
• Stiebel Eltron – еще одна немецкая компания, пользующаяся неизменным спросом у отечественного потребителя. В качестве достоинств можно выделить большой ассортимент предлагаемого оборудования, функциональность устройств и возможность подбора по индивидуальным запросам. Модели Stiebel Eltron имеют высокий уровень СОР и отличаются экономичностью.
• Heliotherm – австрийские теплонасосы, имеющие один из лучших показателей СОР среди всего термального оборудования. Имеют официальное представительство в РФ, что во многом облегчает монтаж, обслуживание систем и выполнение гарантийных обязательств. Теплонасосами Heliotherm оснащены более 15 000 различных объектов.

Стоимость установки ТН воздух-вода

Последние модели тепловых насосов обойдутся в 160-1200 тыс. руб. Цена варьируется, в зависимости от производителя. На стоимость сильно влияет «раскрученность» бренда. Китайские модели, имеют меньшую цену, но и уступают по надежности и показателям СОР.

Монтаж теплонасосов воздух-вода обычно входит в стоимость. Большинство производителей, дополнительно, бесплатно делают проект и предоставляют другие услуги по обслуживанию. Рассчитать полную стоимость, включая покупку ТН и его установку можно с помощью он-лайн калькуляторов.