Принцип роботи теплового насосу
Як працює тепловий насос
Принцип роботи теплового насоса такий самий, як у холодильника, тільки навпаки. Холодильник забирає тепло з камери з продуктами і віддає його назовні через решітку на задній стінці. Тепловий насос робить зворотне: він відбирає теплову енергію з довкілля — зі свердловин, ґрунтових вод або повітря за межами будинку — і перетворює її на корисне тепло для опалення.
Принцип роботи теплового насоса побудований на зворотному циклі Карно:
(1.) Зовнішній контур теплового насоса називається колектором. Це система спеціальних трубопроводів, закладених у середовище, з якого відбиратиметься тепло, — у водойму або ґрунт. Проходячи трубами зовнішнього контуру, незамерзаюча суміш («розсіл») нагрівається до 1–10 градусів.
(2.) Потрапляючи в тепловий насос, розсіл віддає зібрану теплову енергію внутрішньому фреоновому контуру у випарнику. Фреон має низьку температуру кипіння, тому приймає це тепло й змінює свій агрегатний стан із рідкого на газоподібний.
(3.) Фреон уже у вигляді газу прямує до компресора, де стискається. Тиск зростає, а разом із ним і температура — а отже, й тепловий потенціал для передавання тепла далі, холоднішому тілу (зворотній лінії опалення).
(4.) Гарячий газоподібний фреон (до +120 градусів) потрапляє в конденсатор і віддає тепло в систему опалення — радіатори, теплу підлогу, змійовик бойлера. Так тепловий насос переносить низькопотенційне тепло з довкілля в систему опалення, забезпечуючи економію. Після цього фреон охолоджується й повертається в рідкий стан.
(5.) Перехід у рідкий стан і зниження тиску регулює спеціальний дросельний клапан (ТРВ). Після нього фреон знову потрапляє у випарник — і цикл повторюється.
Види теплових насосів
Які бувають види теплових насосів залежно від джерела тепла? Вони поділяються за способом відбору тепла з довкілля.
- Геотермальні. Переносять тепло ґрунту та/або ґрунтових вод у будинок
- Повітря-вода. Переносять тепло атмосферного повітря в систему опалення
- Рекуператори вторинного тепла: відбір тепла витяжного повітря, каналізаційних стоків, іншого скидного тепла
Тепловий насос із вертикальними свердловинами (зондами)
Коли вільної площі навколо будинку небагато, встановлюють вертикальний теплообмінник (зонд) для роботи з геотермальним тепловим насосом. Це найкомпактніший і найпопулярніший спосіб, який дозволяє зберегти ландшафт недоторканим. Температура ґрунту на глибині буріння стабільно тримається на рівні +10 ºС, тому ефективність теплових насосів із вертикальним теплообмінником вища. Недолік — потреба в бурильних роботах, що підвищує ціну системи. Коли джерелом тепла є свердловина, у неї опускають зонд із поліетиленової труби U-подібної форми. Не обов’язково робити одну дуже глибоку свердловину — можна пробурити кілька неглибоких і дешевших, головне вийти на загальну розрахункову глибину.
Переваги:
- Компактна система, не потребує великої ділянки
- Найефективніша з погляду температур: стабільний рівень протягом усього року
- Можна реалізувати пасивне кондиціювання, скидаючи влітку тепло у свердловини
- Не змінює вигляд ділянки — газон і насадження лишаються недоторканими
Ґрунтовий тепловий насос
Тепловий насос збирає тепло ґрунту за допомогою колектора, укладеного поруч із будинком на глибині близько метра. Горизонтальний контур збирає сонячну енергію, що накопичилася в ґрунті за літо. Колектор геотермальної системи розміщують горизонтально, нижче за рівень промерзання ґрунту. Такий спосіб дає високу енергоефективність, бо температура на глибині залягання колектора коливається від 3 до 12 ºС. Але монтаж горизонтального теплообмінника потребує значної земельної площі й може пошкодити вже облаштовану прибудинкову територію. Ще з можливих мінусів: ваш газон позеленіє після зими на пару тижнів пізніше, ніж у сусіда 🙂
Переваги:
- Нижча вартість встановлення порівняно з вертикальним контуром
- Може використовуватися також для відбору тепла з озер
- Контур тримає стабільну температуру протягом року
- Для кондиціювання тепловим насосом у деяких випадках потрібен активний блок охолодження
Спіральний колектор
Спіральний колектор — це компроміс між вертикальними свердловинами та горизонтальним контуром. Його застосовують там, де через геологію буріння коштує надто дорого, — наприклад, коли близько залягає гранітна плита. Він дорожчий за горизонтальний колектор, бо потребує попереднього виготовлення спіралей із тоншої труби (зазвичай 25 мм) заввишки від 2 до 3 метрів. Також з’являється потреба у збірних колодязях: через менший діаметр загальна довжина труби в системі зростає.
Тепловий насос вода-вода
Воду викачують із першої свердловини за течією та проводять через проміжний теплообмінник, де в неї відбирають тепло (різниця температур 3–4 градуси). Потім воду скидають у другу свердловину — нижче за течією ґрунтових вод.
До мінусів належать постійне обслуговування системи та непрогнозована зміна геологічних і водоносних параметрів: дебіт і склад води у свердловині можуть змінитися на гірше.
Схожу систему можна використати з глибоководною річкою. Із морем — теж, але це вже складніша система з дорогим титановим теплообмінником і фільтрацією, і виправдана вона лише в промислових масштабах.
Принцип роботи теплового насоса повітря-вода
Найпоширеніший тип «повітря-повітря» — це звичайні кондиціонери. А для роботи з водяною системою опалення (радіатори або тепла підлога) застосовують тепловий насос повітря-вода Thermia iTec. Він видобуває тепло, обдуваючи атмосферним повітрям теплообмінник у зовнішньому блоці. Усередині теплообмінника циркулює холодніший фреон — саме через цю різницю температур і відбувається відбір тепла з повітря. Ця модель працює до −25 градусів зовнішнього повітря.
Рекуперація тепла витяжного повітря
Енергію відбирають від теплого витяжного повітря з будівлі. Це може бути тепло як із витяжного повітроводу (чи шахти) природної витяжки, так і з примусової системи вентиляції з рекуперацією. У другому випадку це буде вже другий ступінь рекуперації тепла — після основного рекуператора.
Які бувають схеми утилізації (рекуперації) тепла витяжного повітря з тепловим насосом?
Для невеликих будівель, зокрема приватних будинків, на додачу до геотермального теплового насоса встановлюють спеціальний аксесуар Thermia Vent — теплообмінник типу «повітря-вода». Обдуваний витяжним повітрям, він додатково нагріває вхідний теплоносій зі свердловин і підвищує COP теплового насоса.
Для великих будівель, де об’єм тепла у витяжному повітрі суттєвий, можна встановити промисловий тепловий насос Thermia Mega — він повністю забезпечить будівлю гарячою водою або частково її опалюватиме. Ця система актуальна й для підприємств зі скидним теплом від технологічних процесів. Особливо добре тут працює інверторний тепловий насос: він підлаштовує свою потужність під поточну кількість тепла, яке можна відібрати з витяжки саме зараз.
Переваги:
- Знижує вартість встановлення загалом — потрібно менше свердловин
- Вбудовується в наявну систему вентиляції
- Покращує COP теплового насоса
- Підвищує категорію будівлі до позначки енергоефективності «А»
Якщо коротко, як це працює?
Тепловий насос просто переносить тепло з одного місця в інше. За принципом холодильника він переносить тепло із землі або повітря у ваш будинок, а Сонце знову відновлює це тепло.
🧐 Що таке колектор?
Це система трубопроводів, укладених у ґрунт вертикально (свердловина) або горизонтально.
У повітряному тепловому насосі колектор замінює теплообмінник, який обдуває вентилятор.✔️ Як тепло переноситься з моєї ділянки в будинок?
Ґрунти та ґрунтові води здатні поглинати й зберігати сонячну енергію. Це тепло видобуває колектор — система трубопроводів, укладена на вашій ділянці. У трубах циркулює вода з незамерзаючою рідиною, яка вбирає тепло з навколишнього ґрунту. Далі ця рідина передає тепло фреону в тепловому насосі.
🤯 Якщо температура у свердловині впаде нижче нуля, ґрунтовий тепловий насос перестане працювати?
Ні. При нулі замерзає вода, а теплова енергія є в усьому, що тепліше за −273 °C. Геотермальний тепловий насос працюватиме аж до −10 °C у колекторі. Найкращий варіант — вертикальний колектор: температура у свердловинах украй рідко опускається нижче нуля, що дозволяє досягати максимального COP.
Розрахувати вартість теплового насоса з монтажем
Принцип роботи однаковий у всіх моделей, а от добір під конкретний будинок залежить від тепловтрат і контуру опалення. Подивитися, які теплові насоси Thermia підійдуть вашому об’єкту, можна в каталозі, а розрахувати потужність допоможуть наші інженери.
Продовження теми: огляд технології опалення тепловим насосом — від фізики до практики, і як звести енергоефективний будинок, у якому насос розкривається повністю.