Пусковой ток теплового насоса

Тепловой насос: принцип работы и эффективность

Тепловые насосы (ТН) – новый способ применения альтернативных источников энергии для экономного нагрева воды в бассейне. Такие установки нагрева воды оптимально использовать в случае отсутствия доступа к магистральному газу и нагрев воды производится за счёт электричества. Использование электричества всегда дорого + нередко не хватает выделенной электрической мощности.

Тепловой насос извлекает бесплатную тепловую энергию из земли, воздуха или воды. Поэтому тепловой насос можно считать открытием среди систем отопления.

От классического отопления ТН отличаются отсутствием горения. Конвертация низких температур +2 °C . +10 °C в высокие +50 °C . +65 °C происходит за счёт замкнутого фреонового цикла.

Классификация тепловых насосов

ТН классифицируются по 2 показателям: среда добывания тепловой энергии, и среда перераспределения энергии:

• «земля — вода»;
• «вода — вода»;
• «воздух — вода»;
• «воздух — воздух».

Нагрев воды предпочтительнее осуществлять геотермальными («земля – вода», «вода – вода») или воздушными («воздух – вода») насосами. Большинство владельцев бассейнов используют теплонасосы воздушного типа. От геотермальных они отличаются отсутствием внешнего контура. Поэтому воздушные тепловые насосы стоят меньше, т.к. бурение и подвод коммуникаций для внешнего контура не требуется.

Принцип работы тепловых насосов воздушного типа

Энергию привычно ассоциировать с теплом. На самом деле энергия присутствует везде – даже в холодных объектах (строго говоря – во всём, что теплее -273°C). Дело в разнице потенциалов. Среда с отрицательной температурой обладает энергией с низким потенциалом. Конструкция устроена так, что тепловой насос извлекает низко потенциальную энергию и конвертирует в высокопотенциальную энергию.

Принцип работы схожий с холодильником. В термодинамике этот процесс называется обратным циклом Карно. Если в холодильнике тепло транспортируется из камеры в пространство для создания холодильного эффекта, то ТН устроены наоборот: собирается холод и трансформируется в тепло.

Система тепловых насосов устроена из 2 частей: наружной и внутренней. Между частями расположены компрессор и испаритель. Цикл трансформации энергии состоит из нескольких этапов. На первом этапе теплоноситель циркулирует по системе наружных труб и собирает рассеянную снаружи энергию.

Следующий этап цикла – проход теплоносителя через камеру испарителя, который заполнен хладагентом. В качестве хладагента используется фреон. При отрицательной температуре хладагент начинает кипеть. При соприкосновении с тепловой энергией низкого потенциала, хладагент превращается в газ и передвигается в компрессор.

Внутри компрессора газ снова нагревается и движется в конденсатор. Там он остывает и из газообразного состояния трансформируется в жидкость, а собранное тепло переходит в систему отопления. Далее происходит повторение цикла.

Для обеспечения непрерывности цикла требуется небольшое количество электроэнергии. Она нужна для привода в действие компрессора.

Условия эксплуатации и эффективность ТН

Определить эффективность теплонасосов можно по специальному коэффициенту СОР (англ. Coefficient of Perfomance). COP – коэффициент преобразования, который позволяет соотнести количество производимого тепла к затрачиваемой энергии.

Современные насосы могут иметь значение COP от 2 до 5. Тепловой насос с коэффициентом преобразования 5 способен трансформировать 1 кВт электроэнергии в 5 кВт тепла.

Теоретически для расчёта СОР необходимы 2 показателя: температура источника энергии (T1) и температура воды в системе (T2).

При расчёте используют измерение температуры в Кельвинах. Чтобы перевести градусы по Цельсию в Кельвины нужно прибавить 273,15. Например, температура воздуха составляет 5 °C, а в тепловом контуре 55 °С. Произведём расчёты:

55 °C + 273,15 = 328,15 К

5 °C + 273,15 = 278,15 K

COP = 328,15 / (328,15 – 278,15) = 6,563

На практике все сложнее и величина COP может быть ниже, чем в расчётах. Расчёт СОР зависима от многих исходных данных. Тут важно учитывать и температуру источника, и температуру теплоносителя, и параметры хладагента, и эффективность цикла работы, и потребление энергии насосом, и многое другое. Поэтому при сравнении СОР разных ТН следует знать при каких входных данных будет производиться сравнение.

Знание коэффициента преобразования позволяет оценить насколько эффективно применение теплового насоса. А также имея данную величину, легче сравнивать модификации насосов.

Преимущества тепловых насосов

1. Снижение эксплуатационных расходов
   Если сравнивать тепловые насосы с другими источниками тепла в купальный сезон по цене нагрева воды – у ТН цена будет ниже.
2. Автономность работа
   Когда подвести газ к участку нельзя, подогрев воды в бассейне тепловым насосом сохранит автономность тепловой энергии.
3. Автоматизация управления
   Для удобства и исключения человеческого ресурса теплонасосам можно программировать нужные режимы, а контролировать работу можно из любой точки.
4. Пожаробезопасность
   Принцип работы ТН не связан с горением, поэтому такие системы пожаробезопасны. Это значит, что не нужно согласовывать установку и использование тепловых насосов с МЧС.
5. Комбинирование с кондиционером
   Тепловые насосы комбинируются с системами кондиционирования воздуха. Такие модификации могут одновременно подогревать воду и регулировать температуру воздуха в бассейне.

Как выбрать ТН

Тепловые насосы стоят много: чем мощнее и оснащённее агрегат – тем цена выше. Покупать большой и навороченный насос неправильный ход. При покупке ТН стоит учитывать такие факторы, как:

• расположение бассейна – находится ли он на улице или в помещении;
• объём бассейна – показатель, учитывать который следует в первую очередь;
• температура воды – важно знать значения исходной и целевой температуры;
• техническая оснащённость ТН – одна модель теплонасоса может использоваться исключительно для подогрева воды, либо также обогревать помещение.

Выбрать и купить оптимальный тепловой насос можно здесь.

Пример расчёта мощности ТН

Для расчёта необходимой мощности ТН для бассейна существует формула:

• P — мощность (кВт);
• 1,16 — коэффициент поправки потери тепла водой при испарении;
• ΔT — разница между исходной и конечной температурой воды;
• t — время, необходимое для подогрева воды (ч);
• V — объем воды (м 3 ).

Произведём расчёт для бассейна объёмом 30 м 3 с разницей в температуре T=10 за 36 часов (первичный нагрев).

P = 1,16 × 10 × 30 / 36 = 9,67

Таким образом, для бассейна с такими параметрами нужен тепловой насос тепловой мощностью не менее 9,7 кВт.

Такой расчёт усреднён, это важно осознавать. В формуле не учитывается ряд факторов, которые напрямую или косвенно могут влиять на функционирование насоса: температура окружающей среды на улице или в помещение, наличие вентиляции, теплосберегающих покрытий и т. д. Плюс – одно дело первичный нагрев, другое – поддержание нужной температуры.

Для корректного расчёта мощности теплонасоса стоит проконсультироваться с инженером или продавцом оборудования по телефону 8 (499) 923-32-62.

Пусковые токи двигателей скважинных насосов

Любой скважинный насос требует профессионального расчёта относительно сети питания. Это значит, что в расчётах должна быть учтена поправка на пусковые токи. Встречаются разные схемы таких расчётов (обычно всё зависит от мощности и конструкции самого насоса). Чаще всего пусковой ток соответствует рабочему значению, умноженному на коэффициент от 3 до 7. Намного реже встречается показатель увеличения в 9 раз.

Разобраться в этом вопросе не так уж сложно. Прежде всего, нужно понять, от каких критериев зависит пусковой показатель. Наибольшее влияние всегда оказывает тип двигателя. Чем устройство крупнее и чем выше его мощность, тем сильнее момент роторной инерции. То есть, для того, чтобы раскрутить более мощный ротор, понадобится больше энергии. В качестве примера можно привести двигатель на половину и на два киловатта. В первом случае рабочий показатель умножают на 3, во втором – на 4. Второй критерий – действующая нагрузка. Чем свободнее вращается ротор, тем меньше будет значение пусковых токов. Это значение стремительно увеличится, как только в систему трубопроводов попадёт мощный водяной столб.

Система множителей

Это примерная зависимость для двигателей устанавливаемых после бурения скважины на одну и три фазы с разной мощностью и периодом разгона 1/10 с.

Исходя из данных таблицы, сначала может показаться странным, что количество потребления электричества не соответствует мощности. На самом деле, компании, которые занимаются производством двигателей, обычно указывают ту мощность, которая характеризует вал насоса. На эту мощность, в первую очередь, влияет КПД, а её значение меньше, чем мощность потребляемого электричества. При этом берётся то значение силы тока, которое характеризует работу с полной нагрузкой.

Обычно насос можно включать только определённое количество раз за 60 мин. Это связано с тем, что на обмотке при включении выделяется большое количество тепловой энергии. Если проигнорировать это правило, произойдёт перегрев. Когда перегрев станет критическим, изоляция потеряет свои свойства, между витками произойдёт замыкание и насос станет полностью нерабочим.

Противодействие пусковому току

Конечно, проще всего выполнить запуск при непосредственном подключении к электросети. Однако пусковые токи ставят серьёзные ограничения в работе. Это большой недостаток, с которым вполне возможно бороться.

1. Можно использовать устройство, которое обеспечивает плавный пуск – это самый простой и эффективный способ. Единственный его минус – высокая стоимость преобразователей. Существуют даже модели насосов, в которые уже встроен этот механизм. Принцип его работы заключается в том, что напряжение нарастает постепенно. Таким образом ротор раскручивается, а нагрузка на электросеть практически не изменяется.
2. Установка трансформатора, в котором используется несколько обмоток. Подразумевается поэтапное включение (для стандартных насосов хватает одной-двух секций, ограничивающих токи). После того, как насос начинает работать быстрее, они поочерёдно выходят из цепи. Первое уменьшение напряжения выполняется максимум на половину от общего.
3. Если применяется трёхфазный двигатель, мощность которого превышает 300 Вт, допускается использование схемы пуска «звезда-треугольник». При запуске подключается «звезда», уменьшающая пусковые токи в 3 р., а после того, как устройство разогналось, включается «треугольник».

Правда и мифы о КПД теплового насоса

Преимуществом альтернативных источников энергии является их доступность и дешевизна. Тепловые насосы (тн) используют преобразованную энергию воздуха, воды или грунта, которые являются бесплатными в отличие от газа или угля. Но следует учитывать, что при установке тепловых насосов большие капитальные вложения, которые требуют времени, чтобы окупиться.

Расчет КПД теплового насоса может привести к абсурдным значениям, когда он будет больше 100%. Стандартная формула вычисления КПД некорректна и ошибкой обычно является неучтенный источник энергии (воздух, вода или грунт). У тепловых насосов 2 источника энергии — это электричество и внешний источник тепла (энергия воды, грунта, воздуха), а обычные формулы учитывают только электроэнергию, поэтому получаются значения больше 100%.

Некорректный расчет КПД тн:

• потребление электричества 2 КВт;
• отдает в систему 5 Квт;
• из внешнего источника 6 Квт.

Pпотр./Pсети = 5/2 = 2,5

Такой расчет неправильный, так как здесь нет данных второго источника энергии.

Корректный расчет КПД тн:

Pпотр. /(Pсети + Pист.) = 5 /(2 + 6) = 0,63

Узнать количество низкопотенциальной энергии довольно затруднительно, что и приводит к ошибке.

Чтобы избежать неправильных расчётов были введены специальные коэффициенты:

• COP — определяет во сколько раз тепловая энергия, которую получил потребитель, превышает количество работы необходимой для переноса тепла от низкопотенциального источника;
• степень термодинамического совершенства — оценивает насколько действительный тепловой цикл насоса приближен к идеальному.

В поисках теплонасоса можно наткнуться на рекламное объявление, содержащее неправильную характеристику устройства. Продавцов, распространяющих подобные данные, следует остерегаться. Ведь заявлять, что КПД теплового насоса составляет 300 – 1000% – не только безграмотно, но и некорректно по отношению к покупателям.

Сравнение КПД тепловых насосов: вода, грунт, воздух

Поскольку реально оценить количество энергии, извлекаемой из альтернативного источника, задача достаточно сложная, сделать сравнение КПД тепловых насосов вода, грунт, воздух так же затруднительно. Разумнее сопоставить расходы на эксплуатацию оборудования и эффективность обогрева объекта.

Воздушный тепловой насос

Установка воздушного тн обходится дешевле, но он будет потреблять много электроэнергии. Его эффективность напрямую зависит от температуры окружающей среды. В сильные морозы — ниже -25°С — такое устройство обогрев помещения не обеспечит, есть модели до -40°С.

Водяной тепловой насос

Водяные тн начнут терять эффективность в сильные морозы, внешней энергии будет недостаточно и потребуется дополнительный источник тепла.

Грунтовые тепловые насосы

Грунтовые тн работают стабильно круглый год. Температура земли на глубине является неизменной, поэтому эффективность таких устройств от поры года не зависит. Однако, для бурения скважин и обустройства коллектора необходимо вложение крупных сумм денег, поэтому установка геотермального теплового оборудования оправдана только в расчете на долгосрочную перспективу.

Расчет COP теплового насоса

СОР рассчитывают на основании показателей температуры источника (Т1) и воды в системе обогрева (Т2), по формуле: СОР = Т2/(Т2 – Т1). Следует учитывать, что tº в этом случае измеряется в Кельвинах. К принятому у нас показателю в Цельсиях добавляют число 273 и производят дальнейшие расчеты.

Для примера: если tº земли составляет 5 градусов Цельсия, а в отопительном контуре она держится на уровне 55, сперва следует преобразовать данные в другую систему измерения: 5+273 = 278 К, 55+273 = 328 К. СОР = 328 / (328 – 278) = 6,56.

Производя расчет COP теплового насоса, необходимо помнить, что он предполагает работу оборудования без учета потерь (при идеальных условиях). На практике значение COP будет гораздо ниже.

Температуру источника изменить невозможно, поэтому для повышения эффективности следует позаботиться о низкотемпературной системе отопления.

Тепловые насосы для отопления дома своими руками: виды и принцип работы

Дата публикации: 8 декабря 2014

• Принцип действия теплового насоса
• Типы тепловых насосов
• Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками
• Что вы получите

Постоянно возрастающая стоимость энергоносителей приводит к необходимости искать другие источники энергии. Основная проблема возникает в холодный период года, когда дома требуется отапливать. Отопление дома и подогрев воды являются одним из самых крупных расходов в содержании дома, поэтому многих интересует, как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками. Установка такого устройства является выходом из положения: оборудование позволяет получить полную автономию от внешних источников энергии и, следовательно, существенно сэкономить.

Фактически единственным препятствием для массового использования тепловых насосов для отопления дома является их высокая стоимость. Только оборудование обходится в весьма приличную сумму – от $7 тыс. до $10 тыс. (например, шведский тепловой насос Nibe F1245-8 стоит 8700 Euro). Немало стоит и установка, так как приходится учитывать немаленькую стоимость земляных работ. А ведь в систему отопления входят еще и радиаторы, теплые полы и так далее. Конечно, подобное оборудование окупается за несколько лет, но ведь сначала необходимую сумму нужно где-то найти!

Для тех, кто умеет работать руками, имеется альтернативный вариант: самому сделать тепловой насос.

Принцип действия теплового насоса

Фактически принцип действия такой же, как и у обычного бытового холодильника, лишь с той разницей, что холодильник берет тепло во внутреннем объеме и передает его во внешний, а насос наоборот – берет тепло извне и передает вовнутрь.

Принцип действия работы теплового насоса для отопления дома простой. Устройство представляет собой двухконтурную систему, внешний контур которой предназначен для отбора тепла у окружающей среды, а внутренний – для передачи тепла в систему отопления дома. Оба контура связаны между собой испарителем, в котором циркулирует хладагент – жидкость с очень низкой температурой кипения. Под воздействием тепла из внешнего контура хладагент переходит в газообразное состояние и поступает в компрессор, где сжимается и перегревается. Затем перегретый газ нагревает теплоноситель внутреннего контура и, отдав тепло, конденсируется. После этого процесс повторяется вновь.

Типы тепловых насосов

В зависимости от источников тепла, которые используются во внешнем контуре, различают три основных типа тепловых насосов, которые можно использовать в системе отопления жилого частного дома или коттеджа:

• тепловой насос грунт-вода (внешний контур использует разницу температур на поверхности и в глубине грунта);
• тепловой насос вода-вода (внешний контур использует тепло грунтовых вод или на дне водоема);
• тепловой насос воздух-вода (внешний контур использует тепло воздуха).

Чаще всего используются тепловые насосы типа вода-вода, которые берут тепло у грунтовых вод. Такие устройства обходятся дешевле, если имеется доступ к открытому водоему, чтобы расположить внешний контур насоса в нем. При этом обязательно предварительно нужно уточнить глубину промерзания такого водоема, чтобы внешний контур не оказался вмороженным в лед – в этом случае тепловой насос работать не будет.

Также нередко используется вариант грунт-вода. Их основной недостаток: большая площадь, которую приходится отводить на участке под внешний контур. При вертикальном расположении контура эта площадь значительно сокращается, но существенно удорожаются земляные работы. Так же, как и в случае насосов вода-вода, следует уточнять глубину промерзания – контур должен располагаться ниже, чтобы работа установки была эффективной в любое время года.

Для обеспечения полноценного отопления дома в любое время, в том числе в холодный период, наименее пригодны тепловые насосы типа воздух-вода – в большинстве регионов России они не в состоянии обеспечить зимой достаточное поступление тепловой энергии. Насосы подобного типа могут быть использованы круглый год лишь в тех регионах, где в холодное время года температура не падает ниже нуля.

Следует заметить, что устройства типа воздух-вода сохраняют работоспособность до -25ºС, и при наличии дополнительных отопительных систем (к примеру, твердотопливного котла), могут быть использованы и в холодных районах России. При этом их установка и монтаж обходятся дешевле всего, так как не требуют земляных работ.

Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками

До того, как приступать к изготовлению или даже расчету теплового насоса для отопления дома, следует проверить имеющуюся электропроводку или, если дом находится на стадии строительства, внести соответствующие коррективы в проект электрообеспечения. Дело в том, что у насоса достаточно высокие пусковые токи – около 40 А. Если электросчетчик и проводка не в состоянии выдержать такие напряжения, то от идеи установки придется отказаться до того, как электропроводка не будет приведена в соответствие с требованиями. Это касается не только самодельных тепловых установок, но и насосов промышленного производства.

Еще одно, что необходимо сделать до начала работ и закупки комплектующих: составить проект и рассчитать необходимую мощность и конфигурацию теплового насоса. Обычно для старых построек, в которых не использовались современные теплоизоляционные материалы, требуется 75 Вт/м2, при наличии современной теплоизоляции тепловая потребность существенно падает и составляет примерно 50 Вт/м2. Лучше всего, если здание строилось с применением специальных технологий, ориентированных на максимальное снижение теплопотерь и экономию энергии: в этом случае тепловая потребность составит всего лишь 30 Вт/м2.

Когда все необходимые расчеты проведены, а проект составлен, можно приступать к изготовлению теплового насоса для обогрева дачи или дома своими руками. Некоторое оборудование придется купить (как, например, компрессор от кондиционера), некоторое – изготовить (как, к примеру, конденсатор). Потребуется и бак из нержавеющей стали, и медные трубки, и умение осуществлять сварочные работы. В Интернете имеется много описаний изготовления теплового насоса, которые снабжены подробными схемами, пошаговыми фотографиями и даже видео – для человека, умеющего обращаться с инструментами, не составит труда, используя такое видео или пошаговые фотографии, изготовить нужное оборудование.

Максимальные затраты ожидают тех, кто пожелает установить насос грунт-вода с вертикальным исполнением – тут придется заплатить за использование буровой установки, так как минимальная необходимая глубина скважины составляет 50 м, но может доходить и до 150 м. При горизонтальном исполнении такого устройства земляные работы можно выполнить и самостоятельно. Правда, придется перекопать значительную территорию, но зато бесплатно.

Проще всего будет тем, кто решит обойтись насосом воздух-вода: тут потребуется всего лишь выбрать место на придомовой территории и установить на нем оборудование.

Практика показывает, что большинство умельцев прекрасно справляются с самостоятельным изготовлением теплового насоса даже самой сложной конфигурации, а некоторые даже умудряются сами закачивать фреон в систему. Однако, если вы не являетесь настоящим специалистом в этой области, то лучше для закачки фреона вызывать настоящего мастера по холодильному оборудованию. За его услуги придется заплатить, но зато вы будете точно уверены в качестве выполненных работ – а это один из очень важных моментов при использовании подобных устройств.

Что вы получите

Первое, разумеется, экономию. Стоимость теплового насоса при сборке его своими руками сразу падает до $1000-$1500, а особые умельцы ухитряются обойтись суммой до $500.

Установив оборудование, вы сразу получаете все плюсы, которые дает тепловой насос: экологичность, независимость от внешних источников тепловой энергии, значительную экономию в содержании дома. Правильно рассчитанный и изготовленный тепловой насос обеспечит вас теплом круглый год, а при желании может в жаркое время перенастраиваться и на работу в качестве кондиционера.

Для еще большей экономии можно рассмотреть альтернативные источники энергии для дома и выбрать подходящий вариант.

Два примера видео сборки теплового насоса своими руками: