Принцип действия теплового насоса | Viessmann
Принцип работы теплового насоса очень напоминает по своей сути работу холодильника. В то время как холодильник отводит тепловую энергию и направляет ее наружу, то есть из внутренней части холодильника, тепловой насос делает наоборот: он забирает тепловую энергию от окружающей среды за пределами помещения и преобразует ее в полезную для отопления. Тепловой насос может забирать тепловую энергию как из воздуха внутри помещения или снаружи, так и из грунтовых вод и почвы. И поскольку температура полученного тепла, как правило, не достаточна для того, чтобы отапливать здание или обеспечивать его горячей водой, в дело вступает термодинамический процесс.
В независимости от того, какой тип теплового насоса используется для отопления, в функционал теплового насоса также входит процесс охлаждения, который происходит в четыре этапа.
1. Испарение
Для того, чтобы начать процесс испарения жидкости, необходима энергия. Этот процесс можно наблюдать на примере с водой.
Если емкость с водой нагревается до 100 градусов Цельсия (тепловая энергия подается) вода начинает испаряться. При дальнейшем подаче тепловой энергии температура воды не повышается. Вместо этого вода полностью преобразуется в пар.
2. Сжатие газа
При сжатии газа, например воздуха (давление увеличивается), также повышается температура. Вы можете наблюдать это например, если вы придержите отверстие в велосипедном воздушном насосе и начнете процесс “накачки” воздуха, вы почувствуете тепло.
3. Конденсация
Согласно закону сохранения энергии при конденсации водяного пара, высвобождается тепловая энергия, которая ранее использовалась для испарения.
4. Расширение
При резком снижении давления в жидкости, находящейся под давлением, температура снижается в несколько раз. Это можно наблюдать на примере баллона с сжиженным газом для кемпинговой горелки. Открытие клапана может привести к образованию льда на клапане баллона с жидким газом даже летом.
(Здесь давление снижается с 30 бар до 1 бар.)
Постоянное повторение процесса
Эти процессы происходят внутри теплового насоса в замкнутом контуре. Для транспортировки тепла используется жидкость (хладагент), которая испаряется при очень низких температурах. Чтобы испарить эту жидкость, используется тепловая энергия из земли или наружного воздуха. Для этого достаточно даже температуры в минус 20 градусов по Цельсию. Холодные пары хладагента затем очень сильно сжимаются компрессором. При этом их температура возрастает до 100 градусов Цельсия. Эти пары хладагента конденсируются и отдают тепло в систему отопления. Затем давление жидкого хладагента на расширительном клапане сильно снижается. При этом температура жидкости снижается до исходного уровня. Процесс может начинаться заново.
Процесс на примере воздушно-водяного теплового насоса
Проще всего объяснить этот процесс на примере воздушно-водяного теплового насоса: тепловой насос “воздух-вода” может состоять из одной или двух составляющих.
В обоих случаях встроенный вентилятор активно направляет окружающий воздух в теплообменник. Через теплообменник проходит хладагент, который переходит из одного состояния в другое при очень низких температурах. Внутри теплообменника хладагент нагревается воздухом из окружающей среды и постепенно переходит в газообразное состояние. Для повышения температуры, возникающих при этом паров, используется компрессор. Он сжимает пары хладагента и увеличивает как давление, так и их температуру до требуемого значения.
Другой теплообменник (конденсатор) затем передает тепло от нагретых паров хладагента на отопление (теплые полы, радиаторы, буферная емкость или водонагреватель). Хладагент, находящийся под давлением отдает тепло, его температура падает и он снова переходит в жидкое состояние. Перед тем, как поступить обратно в контур, хладагент сначала расширяется в расширительном клапане. После того, как он достигнет своего исходного состояния, процесс процесс в холодильном контуре может начинаться с самого начала.
Принцип работы теплового насоса. Как работает тепловой насос?
Все больше и больше интернет пользователей интересуются альтернативами способами отопления: тепловыми насосами.
Для большинства это абсолютно новая и неизвестная технология, поэтому и возникают вопросы типа: «Что такое тепловой насос?», «Как выглядит тепловой насос?», «Как работает тепловой насос?» и пр.
Здесь мы постараемся просто и доступно дать ответы на все эти и еще много других вопросов, связанных с тепловыми насосами.
Что такое Тепловой Насос?
Тепловой насос — устройство (другими словами «тепловой котел»), которое отбирает рассеянное тепло из окружающей среды (грунт, вода или воздух) и переносит его в отопительный контур вашего дома.
Тепловой насос Грунт-Вода
Благодаря солнечным лучам, которые непрерывно поступают в атмосферу и на поверхность земли происходит постоянная отдача тепла. Именно таким образом поверхность земли круглый год получает тепловую энергию.
Воздух частично поглощает тепло от энергии солнечных лучей. Остатки солнечной тепловой энергии почти полностью поглощается землей.
Кроме того, геотермальное тепло из недр земли постоянно обеспечивает температуру грунта +8°С (начиная с глубины 1,5-2 метра и ниже). Даже холодной зимой температура на глубине водоемов остается в диапазоне +4-6°С.
Именно это низкопотенциальное тепло грунта, воды и воздуха переносит тепловой насос из окружающей среды в отопительный контур частного дома, предварительно повысив температурный уровень теплоносителя до необходимых +35-80°С.
ВИДЕО: Как работает тепловой насос Грунт-Вода?
Что делает Тепловой Насос?
Тепловые насосы — тепловые машины, которые предназначены для производства тепла с использованием обратного термодинамического цикла. Тепловые насосы переносят тепловую энергию от источника с низкой температурой в систему отопления с более высокой температурой.
В процессе работы теплового насоса происходят затраты энергии, не превышающие объем произведенной энергии.
В процессе работы теплового насоса происходят затраты энергии, не превышающие объем произведенной энергии.Прямой цикл Карно
В основе работы теплового насоса лежит обратный термодинамический цикл (обратный цикл Карно), состоящий из двух изотерм и двух адиабат, но в отличии от прямого термодинамического цикла (прямого цикла Карно) процесс протекает в обратном направлении: против часовой стрелки.
В обратном цикле Карно окружающая среда выступает в роли холодного источника тепла. При работе теплового насоса тепло внешней среды благодаря совершению работы передается потребителю, но с уже более высокой температурой.
Передать тепло от холодного тела (грунт, вода, воздух) возможно только при затрате работы (в случае с тепловым насосом — затраты электрической энергии на работу компрессора, циркуляционных насосов и пр.) или другого компенсационного процесса.
Еще тепловой насос можно назвать «холодильником наоборот», так как тепловой насос это та же холодильная машина, только в отличии холодильника тепловой насос забирает тепло снаружи и переносит его в помещение, то есть обогревает помещение (холодильник же охлаждает путем отбора тепла из холодильной камеры и выбрасывает его через конденсатор наружу).
Как работает Тепловой Насос?
Теперь поговори о том как работает тепловой насос. Для того, что понять принцип работы теплового насоса нам нужно разобраться в нескольких вещах.
1. Тепловой насос способен извлекать тепло даже при отрицательной температуре.
Большинство будущих домовладельцев не могут понять принцип работы теплового насоса Воздух-Вода (в принципе любого воздушного теплового насоса), так как не понимают каким образом может извлекаться тепло из воздуха при отрицательной температуре зимой. Вернемся к основам термодинамики и вспомни определение теплоты.
Теплота — форма движения материи, представляющая собой беспорядочное движение образующих тело частиц (атомов, молекул, электронов и др.).
Даже при температуре 0˚С (ноль градусов по Цельсию), когда замерзает вода, в воздухе все еще есть теплота. Ее значительно меньше чем, например при температуре +36˚С, но тем не менее и при нулевой и при отрицательной температуре происходит движение атомов, а значит и происходит выделение теплоты.
Движение молекул и атомов полностью прекращается при температуре -273˚С (минус двести семьдесят три градуса по Цельсию), что соответствует абсолютному нулю температуры (ноль градусов по шкале Кельвина). То есть и зимой при минусовой температуре в воздухе есть низкопотенциальное тепло, которое можно извлекать и переносить в дом.
2. Рабочая жидкость в тепловых насосах — хладагент (фреон).
Хладагент R-410А, используемый в тепловых насосах
Что такое холодильный агент? Хладагент — рабочее вещество в тепловом насосе, которое отбирает теплоту от охлаждаемого объекта при испарении и передает тепло рабочей среде (например, воде или воздуху) при конденсации.
Особенность хладагентов в том, что они способны закипать и при отрицательных и при относительно низких температурах. Кроме того хладагенты могут переходить из жидкого состояния в газообразное и наоборот. Именно во время перехода из жидкого состояния в газообразное (испарения) происходит поглощение теплоты, а во время перехода из газообразного в жидкое (конденсации) происходит передача теплоты (отделение тепла).
3. Работа теплового насоса возможна благодаря его четырем ключевым компонентам.
Для того, чтобы понять принцип работы теплового насоса его устройство можно разделить на 4 основные элементы:
- Компрессор, который сжимает хладагент для повышения его давления и температуры.
- Расширительный клапан — терморегулирующий вентиль, который резко понижает давление хладагента.
- Испаритель — теплообменник, в котором хладагент с низкой температурой поглощает тепло от окружающей среды.
- Конденсатор — теплообменник, в котором уже горячий хладагент после сжатия передает тепло в рабочую среду отопительного контура.
Именно эти четыре компонента позволяют холодильным машинам производить холод, а тепловым насосам — тепло. Для того, чтобы разобраться как работает каждый компонент теплового насоса и для чего он нужен предлагаем просмотреть видео о принципе работы грунтового теплового насоса.
ВИДЕО: Принцип работы теплового насоса Грунт-Вода
Принцип работы теплового насоса
Теперь попытаемся подробно описать каждый этап работы теплового насоса. Как уже говорилось ранее — в основе работы тепловых насосов лежит термодинамический цикл. Это значит, что работа теплового насоса состоит из нескольких этапов цикла, которые повторяются снова и снова в определенной последовательности.
Рабочий цикл теплового насоса можно разделить на четыре следующие этапы:
1. Поглощение тепла из окружающей среды (кипение хладагента).
В испаритель (теплообменник) поступает хладагент, который находиться в жидком состоянии и имеет низкое давление. Как мы уже знаем при низкой температуре хладагент способен закипать и испаряться. Процесс испарения необходим для того, чтобы вещество поглотило тепло.
Согласно второму закону термодинамики тепло передается от тела с высокой температурой к телу с более низкой температурой.
Именно на этом этапе работы теплового насоса хладагент с низкой температурой проходя по теплообменнику отбирает тепло от теплоносителя (рассола), который ранее поднялся из скважин, где отобрал низкопотенциальное тепло грунта (в случаи с грунтовыми тепловым насосами Грунт-Вода).
Дело в том, что температура грунта под землей в любое время года составляет +7-8°С. При использовании геотермального теплового насоса типа Грунт-Вода устанавливаются вертикальные зонды, по которым циркулирует рассол (теплоноситель). Задача теплоносителя — нагреться до максимально возмножной температуры во время циркуляции по глубинным зондам.
Когда теплоноситель отобрал тепло из грунта, он поступает в теплообменник теплового насоса (испаритель) где «встречается» с хладагентом, который имеет более низкую температуру. И согласно второму закону термодинамики происходит теплообмен: тепло от более нагретого рассола передается менее нагретому хладагенту.
Здесь очень важный момент: поглощение тепла возможно во время испарения вещества и наоборот, отдача теплоты происходит при конденсации.
Во время нагрева хладагента от теплоносителя он меняет свое фазовое состояние: хладагент переходит из жидкого состояния в газообразное (происходит процесс закипания хладагента, он испаряется).
Пройдя через испаритель хладагент находиться в газообразной фазе. Это уже не жидкость, но газ, который отобрал тепло у теплоносителя (рассола).
2. Сжатие хладагента компрессором.
На следующем этапе хладагент в газообразном состоянии попадает в компрессор. Здесь компрессор сжимает фреон, который за счет резкого увеличения давления нагревается до определенной температуры.
Аналогичным образом работает и компрессор обычного бытового холодильника. Единственное существенное отличие компрессора холодильника от компрессора теплового насоса — значительно меньшая производительность.
ВИДЕО: Как работает холодильник с компрессором
3.
Передача тепла в систему отопления (конденсация).После сжатия в компрессоре хладагент, который имеет высокую температуру поступает в конденсатор. В данном случае конденсатор — это тоже теплообменник, в котором во время конденсации происходит отдача теплоты от хладагента к рабочей среде отопительного контура (например воде в системе теплых полов, или радиаторов отопления).
В конденсаторе хладагент из газовой фазы снова переходит в жидкую. Этот процесс сопровождается выделением тепла, которое используется для системы отопления в доме и горячего водоснабжения (ГВС).
4. Понижение давления хладагента (расширение).
Теперь жидкий хладагент нужно подготовить к повторению рабочего цикла. Для этого хладагент проходит через узкое отверстие термо-регулирующего вентиля (расширительного клапана). После «продавливания» через узкое отверстие дросселя хладагент расширяется, вследствие чего падает его температура и давление.
Этот процесс сравним с распылением аэрозоля из балончика.
После распыления балончик на короткое время становиться холоднее. То есть произошло резкое падение давления аэрозоля вследствие продавливания наружу, температура соответственно тоже падает.
Теперь хладагент снова находиться под таким давлением, при котором он способен закипеть и испаряться, что необходимо нам для поглощения тепла от теплоносителя.
Задача ТРВ (термо-регулирующий вентиль) — снизить давление фреона путем расширения его на выходе из узкого отверстия. Теперь фреон снова готов закипать и поглощать тепло.
Цикл снова повторяется до тех пор, пока система отопления и ГВС не получит от теплового насоса необходимый объем тепла.
ENERGY STAR Спросите экспертов | Продукты
Если вы хотите заменить систему кондиционирования воздуха или отопления в своем доме, вы можете подумать о тепловом насосе с воздушным источником. Эти продукты обеспечивают прохладу летом, как и стандартные кондиционеры, но также обеспечивают тепло зимой.
Но как именно они делают и то, и другое?
В летние месяцы тепловой насос работает так же, как обычный кондиционер. В стандартных кондиционерах используется хладагент для поглощения нежелательного тепла в вашем доме и передачи его в воздух снаружи. Это происходит путем изменения давления охлаждающей жидкости. При низком давлении хладагент легко поглощает любое тепло, имеющееся в воздухе, и испаряется из жидкого состояния в газообразное. При высоком давлении газообразный хладагент имеет более высокую энергию, чем наружный воздух, поэтому он передает тепло окружающему воздуху, а хладагент снова конденсируется в жидкость при охлаждении. Контролируя давление хладагента, кондиционер может отводить тепло из вашего дома даже в очень жаркие дни.
Как работают тепловые насосы зимой Тепловой насос использует тот же самый цикл «работы в обратном направлении» зимой, чтобы извлекать тепловую энергию извне и передавать ее в ваш дом.
Даже когда на улице очень холодно, в воздухе все еще остается некоторое количество тепловой энергии. Поскольку наружный воздух обладает большей энергией, чем холодный хладагент низкого давления, хладагент поглощает это тепло и испаряется. Как и в цикле кондиционирования воздуха, газовый хладагент может находиться под давлением, что повышает температуру. Когда хладагент возвращается в ваш дом по трубопроводу, он используется для нагревания воздуха внутри, пока тепло не будет извлечено и не сконденсируется обратно в жидкость, после чего цикл продолжится.
Как тепловой насос экономит энергию?
Поскольку он перемещает тепло из одного места в другое, а не производит его, тепловой насос использует меньше энергии для обогрева вашего дома, чем обычная электрическая или газовая система. На самом деле, многие из них достаточно эффективны, чтобы получить маркировку ENERGY STAR.
Если вы заменяете центральную систему кондиционирования воздуха, тепловые насосы могут работать с существующими воздуховодами в вашем доме или доступны в виде мини-сплит или «без воздуховодов», если в вашем доме нет воздуховодов.
Даже если вы не заменяете существующую систему отопления, а добавляете кондиционер, тепловой насос может обеспечить охлаждение летом и более эффективно покрыть часть отопительной нагрузки вашего дома. В самые холодные зимние дни даже небольшая система может компенсировать эксплуатационные расходы вашей основной системы отопления. Если вы хотите модернизировать или заменить домашнюю систему отопления и охлаждения, узнайте у своего подрядчика о тепловых насосах, сертифицированных ENERGY STAR.
Автор: Эбигейл Дакен, сертифицированная продукция ENERGY STAR
Что такое тепловой насос и как работает тепловой насос?
Фото: istockphoto.com
В: Мы ищем замену нашей системе вентиляции и кондиционирования и увидели возможность приобрести тепловой насос вместо кондиционера и печи.
Что такое тепловой насос и как он будет работать в нашем доме? A: Проще говоря, тепловой насос перемещает тепло из одного места в другое. Он отличается от других систем HVAC тем, что использует энергию для извлечения тепла извне и передачи его внутрь. Он проходит через процесс сжатия и обмена для повышения температуры воздуха и обратный процесс для снижения температуры воздуха.
Отличительной чертой теплового насоса является его способность охлаждать дом в жаркую погоду и обогревать в холодную. Эта двойная и энергоэффективная система может сэкономить много денег в долгосрочной перспективе вместо того, чтобы инвестировать в отдельные системы отопления и охлаждения.
Считаете, что тепловой насос подходит для вашего дома?
Опытный профессионал может установить его для вас. Получите бесплатные оценки без обязательств от ближайших к вам экспертов.
Find a Pro
+ Тепловой насос является частью системы отопления и охлаждения и устанавливается снаружи дома.
Фото: istockphoto.com
Кондиционеры, печи и тепловые насосы — все это системы HVAC. Однако тепловой насос может работать в одиночку и выполнять как нагрев, так и охлаждение. В определенных ситуациях он может быть идеальным для сопряжения с резервной системой, такой как печь, но у него достаточно электроэнергии для передачи тепла и холодного воздуха в дом.
На рынке представлено несколько типов тепловых насосов, но большинство моделей имеют более крупный блок, устанавливаемый снаружи дома, и меньший, более компактный или настенный блок внутри. Такие типы тепловых насосов называются безнапорными. Другие насосы имеют только один внешний блок или петлевые трубы под землей.
Тепловой насос может использовать воздух для охлаждения или обогрева вашего дома путем перераспределения тепла. Независимо от того, какая температура на улице, тепловой насос может собирать тепло, находящееся в земле или воздухе за пределами дома.
Насос забирает тепло в систему, сжимает его для повышения температуры хладагента, а затем нагнетает горячий воздух в дом. Когда погода становится жарче, система реверсирует и действует как кондиционер; он перемещает тепло изнутри дома и передает его наружу.
Считаете, что тепловой насос подходит для вашего дома?
Опытный профессионал может установить его для вас. Получите бесплатные оценки без обязательств от ближайших к вам экспертов.
Найти Pro
+Для работы тепловых насосов используются различные детали. Существует два типа компрессоров: двухскоростной и спиральный. Двухскоростные компрессоры помогают насосу достичь идеальной температуры, а спиральные компрессоры сжимают хладагент для нагревания воздуха. Кроме того, двигатели с регулируемой скоростью расположены на вентиляторах системы, как внутри, так и снаружи, и они помогают поддерживать постоянный поток воздуха от устройства к дому.
Фото: istockphoto.com
Двумя наиболее распространенными типами тепловых насосов являются воздушные и грунтовые.
Основное различие между воздушным насосом и наземным (или геотермальным) насосом заключается в источнике тепла. Насосы с воздушным источником имеют блок вне дома и внутреннюю систему трубопроводов, которая извлекает тепло из наружного воздуха и перемещает его в помещение. Этот тип теплового насоса также можно использовать в паре с тепловым насосом с воздушным источником горячей воды для обеспечения домовладельцев горячей водой.
Геотермальные тепловые насосы используют систему подземных петлевых труб для сбора и передачи тепла из земли. Эти типы насосов лучше подходят для больших владений, где есть достаточно места для установки труб в землю. Насосы с грунтовым источником также более эффективны зимой, потому что они получают постоянную тепловую энергию под землей.
Объявление
Наиболее эффективный тепловой насос для дома определяется конкретным назначением насоса, уровнем энергопотребления, уровнем шума, затратами на установку и техническое обслуживание, а также количеством места на участке.
Считаете, что тепловой насос подходит для вашего дома?
Опытный профессионал может установить его для вас. Получите бесплатные оценки без обязательств от ближайших к вам экспертов.
Find a Pro
+ Тепловые насосы чаще всего используются в более мягком климате, где температура редко опускается ниже нуля.Несмотря на то, что тепловые насосы, безусловно, могут сохранять тепло в вашем доме зимой, они могут работать дольше в районах с более холодным климатом, где температура может опускаться ниже нуля. Когда тепловой насос собирает тепло извне, это становится затруднительным, когда температура воздуха падает до достаточно низкой. Геотермальные тепловые насосы будут более эффективны зимой, чем воздушные насосы, но домовладельцы могут захотеть рассмотреть возможность использования дополнительного теплового насоса, если они живут в более холодном климате.
Для этих областей тепловой насос должен быть соединен с печью. В дни, когда температура падает слишком низко для теплового насоса, печь будет использоваться для обогрева дома.
Это может сэкономить деньги зимой, если цены на газ ниже, чем на электроэнергию.
Фото: istockphoto.com
Как и любая часть системы отопления и охлаждения, тепловые насосы нуждаются в регулярном обслуживании.Грязные компоненты теплового насоса, такие как змеевики, фильтры и вентиляторы, могут изменить качество воздуха в доме. Крайне важно поддерживать чистоту теплового насоса и обеспечивать правильную работу всех частей. Если насос не будет регулярно обслуживаться, система может быть повреждена и в конечном итоге перестанет работать должным образом, в результате чего домовладельцы заменят ее.
Фильтры теплового насоса необходимо менять примерно раз в месяц или чаще, если необходимо, чтобы поступающий воздух был чистым и стабильным. Кроме того, вентиляторы, возможно, потребуется очистить от пыли и очистить как внутри, так и снаружи, а также змеевики.
Будьте осторожны при очистке насоса, чтобы ничего не было повреждено или заменено неправильно.