Как устроен 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.

(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 низкопотенциальное 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 так же регулируется контролем сечения специальным дроссельным клапаном (ТРВ клапан). Фреон после клапана ТРВ попадает в испаритель для повторения цикла.

Как устроен геотермальный тепловой насос внутри

Принцип работы геотермального теплового насоса

Скважинный тепловой насос

скважинный тепловой насос
Отбор тепла скважины

При отсутствии достаточной площади прилегающей территории, устанавливается вертикальный теплообменник (зонд). Это наиболее компактный способ, который позволяет сохранить целостность ландшафта. Температура грунта на глубине бурения скважины стабильно находится на уровне +10ºС, поэтому эффективность теплового насоса Thermia Atlas 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. Некоторые модели могут 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.