Принцип работы теплового насоса аналогичен работе холодильника. В то время как холодильник отводит тепловую энергию из камеры с продуктами и направляет ее на заднюю “решетку”, тепловой насос делает наоборот: он забирает тепловую энергию из окружающей среды (скважин, грунтовых вод или воздуха) за пределами здания и преобразует ее в полезное тепло для отопления.

Как работает тепловой насос

Принцип работы теплового насоса основан на обратном цикле Карно:

(1. ) Наружный контур теплового насоса называется коллектор. Это система специальных трубопроводов, помещенных в среду, из которой будет извлекаться тепло – водоём или грунт (почвы). Проходя по трубам внешнего контура, незамерзающая смесь (“рассол”) нагревается до 1-10 градусов.

(2. ) Попадая в тепловой насос, в испарителе рассол отдаёт собранную тепловую энергию внутреннему фреоновому контуру. Фреон, имеющий низкую температуру кипения, принимает в испарителе от рассола накопленное тепло, меняя своё агрегатное состояние с жидкого на газообразное.

(3.) Фреон уже в виде газа направляется к компрессору, где он сжимается, повышается его давление, а значит и температура. Следовательно, и тепловой потенциал для передачи этого тепла далее более холодному телу (обратной линии отопления).

(4.) Горячий, газообразный горячий фреон (до +120 градусов) осуществляет отдачу тепла в отопительную систему (радиаторы, теплые полы, змеевик бойлера), попадая в конденсатор. Таким образом, тепловой насос перемещает низко-потенциальное тепло из окружающей среды и направляет его в систему отопления, обеспечивая экономию. После этого, он остывает и принимает жидкое агрегатное состояние.

(5.) Переход в жидкое состояние и снижение давления регулируется контролем сечения специальным дроссельным клапаном (ТРВ клапан). Фреон после клапана ТРВ попадает в испаритель для повторения цикла.

Как устроен геотермальный тепловой насос внутри

Виды тепловых насосов

Какие бывают виды тепловых насосов в в зависимости от источника тепла? Они делятся по способу отбора тепла из окружающей среды.

  • Геотермальные. Переносят тепло грунта и\или грунтовых вод в дом
  • Воздух-вода. Переносят тепло атмосферного воздуха в систему отопления.
  • Рекуператоры вторичного тепла: отбор тепла вытяжного воздуха, стоков канализации, другого бросового тепла

Тепловой насос с вертикальными скважинами (зондами)

скважинный тепловой насос
Отбор тепла скважины

При отсутствии большой площади прилегающей территории, устанавливается вертикальный теплообменник (зонд) для работы с геотермальным тепловым насосом. Это наиболее компактный и популярный способ, который позволяет сохранить целостность ландшафта. Температура грунта на глубине бурения скважины стабильно находится на уровне +10ºС, поэтому эффективность таких тепловых насосов с вертикальным теплообменником выше. Недостатком является необходимость проведения бурильных работ, что повышает цену данного вида системы. При использовании в качестве источника тепла скважины, в нее опускается зонд из полиэтиленовой трубы, имеющий U-образную форму. Не обязательно использовать одну очень глубокую скважину, можно пробурить несколько неглубоких, более дешевых скважин, главное получить общую расчетную глубину.

Преимущества:

  • Компактная система, не требующая большого участка
  • Самая эффективная с точки зрения температур. Стабильная температура на протяжении всего года.
  • Возможно реализация пассивного кондиционирования путем сброса летом тепла в скважин
  • Нет необходимости в большом участке
  • Не влияет на участок
Бурение скважин под тепловой насос

Грунтовый тепловой насос

грунтовый тепловой насос
Грунтовый горизонтальный коллектор

Тепловой насос собирает тепло грунта с помощью коллектора, уложенного рядом со зданием на глубину около метра. Горизонтальный контур собирает солнечную энергию, накопившуюся за лето в грунте. Коллектор геотермальной отопительной системы размещается горизонтально глубже уровня промерзания почвы. Такой способ позволяет добиться высокой энергоэффективности, так как температура на глубине залегания коллектора колеблется от 3 до 12ºС. Но монтаж горизонтального теплообменника требует наличия значительной земельной площади и может повредить уже обустроенную придомовую территорию. Также из возможных минусов: Ваш газон позеленеет после зимы на пару недель позже, чем у соседа 🙂
Преимущества:

  • Более низкая стоимость установки по сравнению с вертикальным контуром заземления
  • Может также использоваться для извлечения тепла из озер
  • Контур поддерживает постоянную температуру в течение года
  • При реализации кондиционирования с помощью теплового насоса, в некоторых случаях, нужно устанавливать активный блок кондиионирования
Горизонтальный коллектор

Спиральный коллектор

Спиральный коллектор является комбинацией между вертикальными скважинами и горизонтальным коллектором. Применяется там, где в силу геологических причин бурение очень дорогое (например, залегание гранитной плиты). Дороже чем вариант горизонтального коллектора, так как требует предварительного изготовления спиралей более тонкой трубы (обычно 25 мм) высотой от 2 до 3 метров. Также возникает необходимость сборных колодцев, так как из-за уменьшения диаметра увеличивается общая длинна трубы в системе.

Тепловой насос вода-вода

тепловой насос вода-вода
Тепло грунтовых вод, тепло реки, тепло моря

Вода выкачивается с первой скважины по течению, через промежуточный теплообменник, отбирается тепло у воды (дельта температур 3-4 градуса). Затем вода сбрасывается во вторую скважину ниже по течению грунтовых вод.
К минусам можно отнести постоянное обслуживание системы, а также непрогнозируемое изменение геологических и водоносных параметров (дебит и состав воды в скважине может меняться в худшую сторону).

Аналогичная система может использоваться с глубоководной рекой. А также с морем, но это уже более сложная система с дорогим титановым теплообменником и фильтрацией, данная система оправдана только в промышленных масштабах.


Принцип работы теплового насоса воздух вода

Отбор тепла наружного воздуха

Наиболее часто встречающийся тип “воздух-воздух” – это традиционные кондиционеры. А для работы с водяной системой отопления (радиаторы или теплые полы) применяются тепловые насосы воздух вода Thermia iTec. Они извлекают тепло посредством обдува атмосферным воздухом теплообменника в наружном блоке. Внутри теплообменнника циркулирует более холодный фреон. За счет того, что фреон более холодный, чем атмосферный воздух, происходит отбор тепла из воздуха. Данная модель может работать до -25 градусов наружного воздуха.


Рекуперация тепла вытяжного воздуха

Отбор тепла вытяжного воздух
Утилизация тепла вытяжки

Энергия отбирается от теплого вытяжного воздуха из здания. Это может быть тепло, как с вытяжного воздуховода (или шахты) естественной вытяжки, так и с принудительной системы вентиляции с рекуперацией. В таком случае это будет вторая ступень рекуперации тепла после основного рекуператора.

Какие могут быть схемы утилизации (рекуперации) тепла вытяжного воздуха с тепловым насосом?

Для небольших зданий, в том числе частных домов, в дополнение к геотермальному тепловому насосу устанавливается специальный аксессуар Thermia Vent, который является теплообменником типа “воздух-вода”. Обдуваемый вытяжным воздухом, он дополнительно нагревает входящий теплоноситель со скважин, повышая COP теплового насоса.

Для больших зданий, где объем тепла в вытяжном воздухе существенный, можно установить промышленный тепловой насос Thermia Mega, полноценно обеспечивающий горячей водой здание или частично его отапливая. Также данная система актуальна для предприятий с бросовым теплом от технологических процессов. Особенно эффективно работает с такой системой инверторный тепловой насос, который подстраивают свою мощность под текущее количество отбираемого технологического тепла вытяжки в данной момент.

Преимущества:

  • Снижает стоимость установки в целом (меньше скважин)
  • Встраивается в существующую систему вентиляции
  • Улучшает COP теплового насоса
  • Повышает категорию здания до отметки энергоэффективности “А”

👉 Если коротко, как это работает?

Тепловой насос просто переносит тепло из одного места в другое. Используя принцип холодильника, тепловой насос переносит тепло из земли или воздуха в Ваш дом, а Солнце снова восстанавливает это тепло.

🧐 Что такое коллектор?

Это система трубопроводов, уложенных в грунт вертикально (скважина) или горизонтально.
В воздушном тепловом насосе коллектор заменяется теплообменником, обдуваемым вентилятором.

✔️ Как тепло переносится из моего участка в дом?

Грунты и грунтовые воды имеют свойство поглощать и хранить солнечную энергию. Это тепло извлекается из коллектором (системой трубопроводов), уложенного на Вашем участке. Вода с незамерзающей жидкостью циркулирует в этих трубах, абсорбируя тепло из окружающего его грунта. Эта жидкость передает тепло фреону в тепловом насосе.

🤯 Если температура в скважине упадет ниже нуля, грунтовый тепловой насос не будет работать и извлекать тепло?

Нет, при нуле замерзает вода. А тепловая энергия есть во всем, температура чего выше -273 °C. Геотермальный тепловой насос будет работать вплоть до -10 °C в коллекторе. Самый оптимальный вариант – вертикальный коллектор. Температура в скважинах крайне редко опускается ниже нуля, что позволяет добиваться максимального показателя СОР.