Схема работы теплового насоса

Основные рабочие агрегаты тепловых насосов

В теплонасосах всех видов используется термодинамический цикл Карно, представляющий идеальный круговой процесс, обеспечивающий получение высоких показателей КПД.  Основным «участником» этого процесса выступает хладагент. Это особая жидкость, способная кипеть под воздействием низких температур.  Как правило, в таком отопительном оборудовании применяют:

• хлорфторуглерод CFC-12 (R12) или CFC-114 (R114);
• фреон R500 (R500) или R502 (R502);
• хлорфторуглеводород HCFC-22 (R22). 

Применяемость той или иной рабочей жидкости зависит от условий эксплуатации и используемого источника тепла. 
Помимо рабочей жидкости, обязательными элементами устройства теплонасоса является следующее оборудование:

• компрессор;
• расширительный клапан;
• испаритель;
• конденсатор. 

Их параметры определяются на этапе расчетов и напрямую зависят от планируемой произвольности теплонасоса. 

Основные источники тепла

Тепло теплонасосы получают из окружающей среды.  Его источником может быть:

• грунт;
• воздух;
• вода.

По используемому источнику, теплонасосы делятся на:

• грунтовые (геотермальные);
• водяные;
• воздушные.

Основные схемы передачи энергии:

• грунт-вода;
• вода-вода;
• воздух-вода;
• воздух-воздух. 

Грунтовые тепловые насосы

Источником тепла, используемого для нагрева хладагента, в геотермальных теплонасосах является грунт. Его температура на глубине в пару метров почти неизменна, что делает такую систему эффективной круглый год. Тепло грунта забирается с помощью замкнутой системы труб, помещенных ниже уровня естественного промерзания. При этом, теплообменник может быть создан в виде горизонтального коллектора или геотермального зонда (горизонтальное и вертикальное размещение соответственно). 
Схема горизонтального коллектора подразумевает укладывает теплообменных труб на глубине до 2-2.5 метров. При этом, теплообменник может занимать довольно большую территорию. К примеру, для полноценного обеспечения жилья площадью около 200 м2 для размещения теплообменника может понадобится выделить участов в 4-5 соток. Важно учесть, что эта земля остается пригодной для высаживания кустов и деревьев с небольшой корневой системой. 
Геотермальный зонд - более компактный с точки зрения размещения вариант, поскольку трубы его теплообменника устанавливаются вертикально в предварительно подготовленные скважины (глубина может достигать 200 м). Длина труб и их число также зависит только от необходимой мощности. К примеру, для обогрева аналогичного дома площадью 200 м2 понадобится 4 зонда длиной около 160 м. Основной минус такого варианта геотермального теплонасоса - высокая стоимость бурения скважин. Но такие первоначальные вложения с лихвой оправдываются экономичностью такого варианта отопления. 

Водяные тепловые насосы

Для функционирования водяных теплонасосов используется энергия вод водоемов, передаваемая испарителю системы. Этот вариант системы демонстрирует высокую эффективность и достаточную стабильность, что обусловлено высоким коэффициентом теплоотдачи воды, а также неизменностью температуры воды на большой глубине.  Главные условия для рационального применения такой системы:

• близкое расположение водоема водоема;
• достаточные площадь и глубина водоема. 

Воздушные тепловые насосы

Как и следует из названия, в оборудовании данного типа основным источником низкопотенциальной тепловой энергии является воздух. Для его “втягивания” в систему используются внешние блоки, устанавливаемые снаружи здания. При этом, внешние блоки могут быть оборудованы ТЭНами, позволяющими нагревать воздух для бесперебойной работы теплонасоса даже в сильные холода.  Этот вариант теплонасоса самый простой с точки зрения монтажа, поскольку не требует проведения земляных работ и создания сложной системы трубопровода. 

Принцип работы теплового насоса

Функционирование теплонасосов базируется на способности рабочей жидкости отдавать или поглощать тепловую энергию при переходе из одного агрегатного состояния в другое. Подобный принцип, например, используется в холодильниках. 

Схема контуров

В общем виде теплонасос представляет собой три независимых замкнутых контура:

• в первом заключен теплоноситель, который выполняет работу по транспортировке энергии от источника тепла;
• во втором двигается хладагент, отбирающий тепло у первого контура, испаряется, продолжает движение по гидродинамическому принципу и конденсирует, передавая тепло на третий контур;
• в третьем циркулирует вода, заполняющая радиаторы и используемая для горячего водоснабжения.

Схема работы

Весь рабочий цикл теплонасосов можно разделить на основные этапы:

• Хладагент в жидком виде подается в испаритель, где под действием высоких температур (выше температуры его кипения), отбираемых у теплоносителя из первого контура, становится газом.
• В газообразном состоянии он подается в компрессор, который выполняет его сжатие. Из-за повышения давления температура газа возрастает примерно в 10 раз (с 6-10 градусов после первого этапа до 55-60 градусов после второго).
• Перегретый газ перемещается в конденсатор, где его тепло передается на третий контур (воде в отопительной системе). Вместе с этим, газ конденсирует, возвращаясь в исходное жидкое состояние.
• Избыточное давление через дроссельный клапан сбрасывается.
• Рабочий цикл выполняется повторно.

Конденсатор используется в качестве теплообменного аппарата, передающего тепловую энергию отопительной системе. А через испаритель утилизируется низкопотенциальное тепло вторичных энергоресурсов. 
В результате такой работы, тепловые насосы эффективно поглощают холод и заменяют его теплом, получаемым от внешних источников. Это позволяет им обогревать дом без сжигания топлива и топлива в целом.  Фактически, все этапы рабочего цикла происходят отлажено и не требуют вмешательства человека. Это значит, что владельцу теплового насоса не придется его часто обслуживать и контролировать, как это может потребоваться при использовании твердотопливных котлов. 
При этом, коэффициент эффективности теплонасосов (соотношение произведенного тепла к затраченной электроэнергии) выше, чем у любого другого отопительного оборудования. Например:

• водяные теплонасосы вырабатывают до 5 кВт тепла, потребляя 1 кВт электричества;
• грунтовые теплонасосы производят 4-4.5 кВт тепла на 1 кВт электричества;
• воздухные системы вырабатывают 2-3 кВт тепла на 1 кВт электричества. 

Заключение

Современные теплонасосы, независимо от их вида и источника тепла, работают по простому, четко отлаженному принципу. 


Это позволяет гарантировать производительность системы и ее стабильность, а также является залогом надежности использования тепловых насосов для обогрева дома.