Одержання тепла за допомогою теплового насоса докорінно відрізняється від традиційних методів обігріву, що базуються на спалюванні газу чи рідкого палива, а також прямого перетворення електричної енергії в теплову.
В звичайних системах опалення одиниця енергії енергоносія перетворюється в неповну одиницю теплової енергії. Тепловий насос, витрачаючи одиницю електричної енергії, "переносить" в приміщення від 2 до 6 одиниць теплової енергії, забираючи її із зовнішнього повітря. Замкнений контур утилізації тепла в рамках єдиної системи охолодження, опалення і нагріву води дає додатковий енергетичний і економічний ефект.
Завдяки високій енергоефективності теплових насосів все більше людей роблять вибір на користь таких систем для опалення приміщень і нагріву води.
Принцип роботи теплового насоса
Тепловий насос складається з таких основних компонентів: компресор, конденсатор, розширювальний вентиль і випаровувач.
Газоподібний холодоагент надходить на вхід компресора. Компресор стискає газ, при цьому його тиск і температура збільшуються. Нагрітий газ подається в теплообмінник (конденсатор), в якому він охолоджується, передаючи своє тепло повітрю чи воді, і конденсується - переходить в рідкий стан. Далі на шляху рідини високого тиску встановлений розширювальний вентиль, який знижує тиск холодоагента. Компресор і розширювальний вентиль ділять замкнений гідравлічний контур на дві частини: високого тиску і низького тиску. Під час проходження через розширювальний вентиль, частина рідини випаровується, і температура потоку знижується.
Далі цей потік надходить в теплообмінник (випаровувач), який пов'язаний із навколишнім середовищем (наприклад, повітряний теплообмінник на вулиці). При низькому тиску рідина випаровується (перетворюється на газ) при температурі нижчій, ніж температура зовнішнього повітря або грунту. Внаслідок цього частина тепла зовнішнього повітря перетворюється у внутрішню енергію холодоагента. Газоподібний холодоагент знову надходить в компресор - контур замикається.
Робота компресора іде не стільки на вироблення теплоти, скільки на її переміщення. Тому, витративши всього 1 кВт електричної потужності на привід компресора, можна отримати теплопродуктивність конденсатора близько 5 кВт.
Тепловий насос можна змусити працювати і в зворотньому напрямку, тобто використовувати його для охолодження повітря в приміщенні влітку.
Типи теплових насосів
теплові насоси «повітря – повітря»;
теплові насоси «повітря – вода»;
теплові насоси «грунт-вода».
Основна відмінність між тепловими насосами перших двох типів – конструкція внутрішнього агрегату.
Для систем «повітря-повітря» вони аналогічні настінним, касетним, канальним та іншим типам внутрішніх блоків звичайних кондиціонерів. За їх допомогою нагрівається повітря у приміщенні.
Теплові насоси «повітря-вода» при роботі передають тепло зовнішнього середовища воді, з подальшим використанням її як теплоносія для опалення або для побутових потреб. У такому разі для обігріву можна використовувати системи теплих підлог, радіаторів, фанкойлів.
Третій тип – геотермальні теплові насоси, джерелом видобутку тепла у них є грунт або вода (озеро, море, річка).
Переваги і недоліки теплових насосів
Переваги:
Економічність. Від 65 до 80% економії коштів, що ідуть на опалення, гаряче водопостачання та кондиціонування приміщень.
Надійність.
Високий рівень пожежної безпеки в порівнянні з іншими системами опалення.
Низькі експлуатаційні витрати за рахунок того, що основні системи теплового насоса функціонують з використанням замкнених контурів.
Можливість перемикання в теплу пору року з режиму опалення в режим кондиціонування.
Можливість застосування автоматики в системі управління.
Компактність і безшумність.
Екологічність. Теплові насоси не дають шкідливих викидів в атмосферу.
Недоліки:
Висока вартість обладнання. Але слід зазначити, що вкладені в установку кошти повністю окупаються за 4-6 років.
Оскільки теплові насоси живляться за допомогою електроенергії, то при перебоях електропостачання використовувати їх неможливо. Але цю проблему можна вирішити, підключивши установку до дизельного електрогенератора.
Як підібрати тепловий насос
У більшості теплових насосів при температурі за вікном -20°С теплопродуктивність знижується на 40% порівняно із номінальною, яка вказана в паспорті продукту і виміряна при +7°С. Саме тому в країнах з холодним кліматом теплові насоси довгий час сприймалися лише як додаткове джерело тепла. Ситуація кардинально змінилася з появою Mitsubishi Electric Zubadan Inverter. Їх випускають в побутовій, напівпромисловій і мультизональній модифікаціях. Теплопродуктивність даних тепових насосів зберігає номінальне значення аж до позначки -15°С за вікном. При подальшому зниженні температури (виробник гарантує стабільну роботу системи до температури -25°С) теплопродуктивність починає зменшуватись.
Щоб підібрати необхідну потужність теплового насоса для приміщення, існує таблиця коефіцієнтів корекції, яка показує як змінюється теплопродуктивність системи із зниженням температури.
Необхідну теплову потужність для приміщення можна розрахувати за формулою V x T x k = ккал/год, де:
V — об'єм приміщення;
T — різниця між температурами повітря, зовні і всередині приміщення;
k — коефіцієнт теплових втрат, коливається от 4,0 (для будівель з дуже поганою теплоізоляцією) до 0,6 (висока теплоізоляція);
При розрахунках необхідно враховувати формулу переводу кілокалорій в кВт: 1кВт = 860 ккал/год. Наприклад, для приміщення площею 20 кв.м і висотою стелі 3 м, коефіцієнтом теплоізоляції k=1 (висока теплоізоляція), необхідна потужність обігріву при температурі -25°С за вікном становить 3,14 кВт. Отже, враховуючи коефіцієнт корекції, тепловий насос потрібно підбирати з теплопродуктивністю не менше 3.14 кВт / 0,8 = 3,925 кВт
Коефіцієнт теплоізоляції, k | Конструкція та ізоляція приміщення |
3,0 - 4,0 | Теплоізоляція відсутня. Прості дерев'яні конструкції. |
2,0 - 2,9 | Невелика теплоізоляція. Одинарна цегляна кладка. |
1,0 - 1,9 | Середня теплоізоляція. Подвійна цегляна кладка. |
0,6 - 0,9 | Висока теплоізоляція. Стіни з подвійною ізоляцією. Підлога, дах і вікна утеплені. |
Теплові насоси - це перспективний, надійний і високоефективний спосіб опалення. В Європі вони застосовуються вже більше 30 років. У Японії таких установок налічується більше 3 мільйонів. У Швеції близько півмільйона будинків опалюються за допомогою теплових насосів. Потенційними споживачами є усі, кому необхідна температура води до 55 градусів (при потреб до вищих температур можна догріти електричним теном, або іншим джерелом тепла).
Теплові насоси забезпечують:
опалення;
гаряче водопостачання;
підігрів води в басейнах;
кондиціонування.