Тепловой насос «воздух-воздух»: принципы работы, устройство, выбор и расчеты

Хотите организовать в своем доме отопление с помощью конвекторов, используя тепловой насос «воздух-воздух», который поможет значительно сократить затраты на обогрев? Согласитесь, возможность получить полноценное отопление вместе с горячей водой почти бесплатно — это очень привлекательная перспектива.

Не знаете, как создать такую систему, чтобы осуществлять альтернативный обогрев помещений и иметь горячую воду для дома?

Мы поможем вам разобраться в этом вопросе — в данной статье подробно объясняется принцип работы и конструкция теплового насоса. Энергия будет расходоваться лишь на работу компрессора, а основной объем тепла будет извлекаться из внешней среды, которая пока бесплатна.

Мы также обсудим плюсы и минусы его внедрения в систему, уделяя особое внимание вопросам подбора и расчетов насоса.

Тем, кто предпочитает заниматься всем самостоятельно, мы предлагаем возможность собрать подобный насос своими руками, используя доступные материалы. В качестве помощи мы предоставляем фотографии и видеоинструкции по конструкции и работе теплового воздушного насоса.

Характеристики теплового насоса воздух-воздух

Каждый тепловой насос входит в категорию оборудования, относящегося к альтернативным источникам энергии. Он извлекает тепловую энергию из воздуха на улице и передает ее для обогрева жилых и нежилых помещений.

Для этого не требуется сжигание традиционных видов топлива.

Внешний вид теплового насоса (ТН) воздух-воздух напоминает инверторный кондиционер или сплит-систему, состоящую из внутреннего и наружного блока.

По своему принципу работы он чем-то схож с холодильником, только функционирует «в обратном направлении». В отличие от этих устройств, данный тепловой насос способен как нагревать, так и охлаждать воздух внутри помещений.

Тепловой насос использует низкопотенциальную тепловую энергию из окружения, чтобы подогреть воздух в помещениях до комфортных значений.

Принцип работы и внутреннее устройство

Основой работы ТН воздух-воздух является простой физический принцип термодинамики — процесс охлаждения поверхности при испарении жидкости. Это можно проиллюстрировать паром над чашкой горячего чая.

Настоящий холодильник работает по аналогичному принципу. Внутри него расположены трубки с хладагентом, который находится под высоким давлением. Он поглощает тепло из внутреннего объема морозильной камеры и при этом немного нагревается.

Собранное тепло затем передается в воздух комнаты через теплообменник (металлическую решетку на задней стенке холодильника).

Тепловой насос воздух-воздух зимой нагревает воздух в помещении, а летом охлаждает его.

Чтобы хладагент охладился до рабочих температур, он сжимается в компрессоре. Процесс работы фреона в системе компрессор-конденсатор-испаритель включает постоянные переходы из газообразного состояния в жидкое и обратно.

Воздушный тепловой насос работает по аналогичной схеме. Он забирает тепло с улицы, даже если на улице сильный мороз — в атмосфере всегда сохраняются запасы тепловой энергии.

Чтобы обеспечить выработку тепла, тепловому насосу необходима лишь энергия для работы компрессора. На диаграмме показан процесс передачи тепла.

Тепловой насос воздух-воздух состоит из следующих компонентов:

• компрессор;
• испаритель с вентилятором для принудительной подачи воздуха;
• расширительный клапан;
• медные трубки для перекачки фреона между улицей и помещением;
• конденсатор с вентилятором для подачи нагретого воздуха внутрь.

Три первых компонента представляют собой внешний блок, а последний является частью внутреннего модуля теплового насоса. Теплоизолированные медные трубки предназначены для беспрерывной передачи теплоносителя между этими модулями.

Фреон перемещается по замкнутой системе насоса, что вызывает его постоянные изменения в объеме и состоянии.

Алгоритм работы теплового насоса воздух-воздух можно описать следующим образом:

1. Воздушный поток всасывается вентилятором в наружный блок и проходит через ребра внешнего испарителя. Фреон, циркулирующий по теплообменнику, поглощает имеющуюся в воздухе тепловую энергию, переходя в газ.
2. Затем газ направляется в конденсатор, где сжимается и через медные трубки подается в внутренний блок.
3. Внутренний конденсатор возвращает газ в жидкое состояние, передавая тепло внутреннему воздуху.
4. Излишнее давление сбрасывается через расширительный клапан, и жидкий фреон снова поступает в первичный испаритель.

Температура фреона, поступающего во внешний блок, всегда ниже температуры окружающей среды, что позволяет ему забирать тепло из атмосферы.

При этом уровень «охлаждения» теплоносителя имеет фиксированное значение, а внешняя температура постоянно меняется. В связи с этим, при сильных холодах эффективность ТН снижается.

Цикл движения теплоносителя в тепловом насосе воздух-воздух можно описать так: 1. Сжатие в компрессоре, 2. Конденсация в теплообменнике, 3. Поступление в наружный блок в виде жидкости, 4. Испарение в наружном теплообменнике, поглощая тепловую энергию из окружающей среды, 5. Возвращение в конденсатор.

Для повышения мощности насосов, поверхности конденсатора и испарителя должны быть максимально широкими. Чтобы гарантировать эффективную работу в зимний период, наружный теплообменник обычно оснащается индивидуальной системой оттаивания.

Плюсы и минусы теплового насоса воздух-воздух

Как и у любых сложных технических систем, у тепловых насосов существуют свои преимущества и недостатки. Рекламные материалы часто отличаются от реальности, и владельцы таких установок могут столкнуться с различными проблемами.

Тепловой насос воздух-воздух можно использовать круглогодично. Зимой он обеспечивает теплый воздух для помещений, а летом — охлажденный.

Одним из главных преимуществ тепловых насосов воздух-воздух является простота установки. Для их монтажа не требуется бурить скважины или укладывать крупногабаритные системы в землю или водоем.

Эти системы подают обработанный воздух непосредственно в помещения, поэтому внутренний модуль отличается компактными размерами и занимает минимум пространства.

К недостаткам такого типа насосов можно отнести неспособность подогревать воду. Они предназначены только для решения задач воздушного отопления.

Установки типа «воздух-воздух» имеют множество преимуществ.

К основным положительным аспектам относятся:

• Универсальность. Эти системы могут как отапливать, так и охлаждать помещения в зависимости от назначения, потребностей и климатических условий.
• Экологичность. Они позволяют полностью отказаться от сжигания природного газа, угля, дров и других загрязняющих веществ.
• Простота монтажа. Создание системы из готовых компонентов не представляет сложности. Есть возможность собрать тепловой насос из подручных материалов самостоятельно.
• Пожарная безопасность. Процесс получения тепла не связан с использованием горючих материалов. Даже в случае поломок риск возгораний крайне мал.
• Экономичность. Эти системы отличаются высоким коэффициентом полезного действия при низких эксплуатационных затратах (на 1 кВт потребленной электроэнергии они выдают 4–5 кВт тепла). С ними несложно быстро окупить инвестиции.
• Доступность. Цена на заводские системы позволяет многим желающим приобрести тепловой насос. А сделанная своими руками установка вообще будет минимально затратной.
• Удобство в эксплуатации. Наиболее сложным компонентом является компрессор, уход за которым не представляет сложности. Подобные устройства редко выходят из строя до окончания гарантийного срока.

Чтобы организовать отопление в одной комнате, достаточно установить сплит-систему, установив внешний модуль на фасаде и внутренний на стене. Для обогрева нескольких помещений потребуется сделать каналы для распределения теплого воздуха.

Каждый киловатт потребленной электроэнергии тепловой насос преобразует в до пяти киловатт тепла.

Управление тепловым насосом воздух-воздух осуществляется автоматически. Следить за его работой и настраивать его нет необходимости. Достаточно периодически очищать воздушные фильтры и, при необходимости, заменять их.

К недостаткам тепловых насосов можно отнести:

• незначительный, но присутствующий шум;
• зависимость эффективности системы от внешней температуры;
• увеличение потребления электроэнергии при понижении температуры на улице;
• постоянное наличие пыли в воздухе из-за непрерывной работы вентилятора и конвекции;
• зависимость от электричества (для бесперебойной работы может понадобиться генератор).

При температурах до -10 °C работа устройства превосходна, и тепла из атмосферы достаточно для поддержания комфортного климата в доме. Однако при более низких температурах эффективность насоса сильно снижается.

Если дом расположен в холодном климате с суровыми зимами, то без дополнительного котла или камина не обойтись.

В регионах с теплым климатом воздушный тепловой насос успешно выполняет свои задачи по отоплению загородного жилья, однако в период сильных морозов не помешает наличие дополнительного источника тепла.

Системы воздушного обогрева идеально подходят для таких целей. Они требуют минимальных затрат на электричество, монтаж и обслуживание. Однако нужно отметить, что с их помощью невозможно нагреть воду, поэтому вам может потребоваться установить бойлер или подключиться к центральным тепловым сетям.

Тепловые насосы типа воздух-воздух отлично подходят для отопления зданий из дерева или конструкций СИП, поскольку у таких строений низкие теплопотери. Мощностей воздушного теплонасоса будет более чем достаточно для их обогрева.

Летом тепловой насос воздух-воздух можно задействовать для подогрева воды в бассейне.

Ключевые различия с кондиционером

На первый взгляд, тепловой насос воздух-воздух напоминает обычный кондиционер, но у них есть значительные отличия в конструкции и характеристиках.

Первый аппарат служит основным источником тепла и работает круглый год, тогда как кондиционер в первую очередь предназначен для охлаждения воздуха в летние месяцы.

Главная задача теплонасоса состоит в отоплении, хотя некоторые модели также способны на охлаждение воздуха в помещениях. Тем не менее, при работе в режиме охлаждения они гораздо менее энергоэффективны по сравнению с кондиционерами, и это скорее исключение, чем правило.

Несмотря на схожесть в дизайне, кондиционеры и воздушные тепловые насосы выполняют совершенно разные функции и имеют разные эксплуатационные параметры.

Некоторые инверторные кондиционеры также могут использоваться для подогрева помещения, но для этого они расходуют гораздо больше электричества, чем теплонасосы. У каждого устройства есть свое назначение.

Использование теплового насоса «воздух-воздух» служит шагом к применению возобновляемых источников энергии.

Эти системы экономически оправданы, несмотря на значительные первоначальные инвестиции, так как снижение затрат на отопление покрывает все стартовые расходы.

Выбор и расчет теплового насоса

Эффективность теплового насоса воздух-воздух напрямую зависит от его правильного подбора. Сначала необходимо рассчитать его мощность, опираясь на площадь дома, а затем уже сравнивать цены у различных производителей.

Для расчетов применяется коэффициент энергоэффективности СОР (отношение мощностей теплонасоса к потребляемой энергии).

При идеальных условиях он может достигать 4-5, а современные модели способны показывать до 7-8. Однако при понижении температуры до -15–20°C этот показатель снижается до 2.

Наилучшие результаты по отоплению достигаются при температуре воздуха от -10 до +10 градусов Цельсия, когда тепловой насос способен извлекать до ¾ тепла из окружающей среды.

• теплоизоляцию и инсоляцию помещений;
• размеры комнат;
• число людей, проживающих в коттедже;
• общие климатические условия региона, где находится дом.

Как правило, на каждые десять квадратных метров уходит около 0,7 кВт мощности теплового насоса для большинства домов. Однако этот параметр довольно условен. Если потолки выше 2,7 м или стены и окна недостаточно утеплены, может потребоваться больше тепла.

Среди производителей тепловых насосов воздух-воздух можно найти множество компаний, как из Азии, так и из Европы.

Хорошие отзывы имеют системы от Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Carrier, Aertec, Panasonic и Toshiba. Почти все их модели адаптированы к российским условиям и хорошо зарекомендовали себя на практике.

Даже при скачках напряжения они продолжают функционировать без сбоев после восстановления электричества.

Цены на популярные воздушные тепловые насосы колеблются от 90 до 450 тысяч рублей. Размер стоимости зависит не только от мощности устройства, но и от дополнительных функций, а также страны производства.

Некоторые модели могут оснащаться:

• системами фильтрации и дезинфекции воздуха;
• резервными отопительными устройствами;
• электрогенераторами;
• GSM-модулями для управления;
• ионизаторами и озонаторами.

На практике наблюдается, что при температурах ниже -15°C в помещениях, обогреваемых только тепловым насосом, становится прохладно, и без дополнительных обогревателей о комфортной атмосфере можно не говорить.

Тем не менее, в южных регионах, где сильные морозы случаются крайне редко, такие тепловые насосы работают эффективно и окупаются благодаря экономии на ресурсах.

Изготовление самодельного устройства из старого холодильника

Собрать тепловой насос воздух-воздух из отдельных компрессоров и конденсаторов своими силами без специальных знаний довольно сложно. Однако старый холодильник можно использовать для создания миниатюрного устройства для небольшой комнаты или теплицы.

Простую модель теплового насоса можно сделать из холодильника, протянув к нему воздуховод с улицы и установив вентилятор на задней решетке теплообменника.

Для этого в передней двери холодильника следует сделать два отверстия. Одно должно служить для поступления уличного воздуха в морозильник, а через второе — низкое отверстие — воздух будет выводиться обратно на улицу.

Во время прохождения через внутреннее пространство холодильника, воздух отдаст теплоту хладагенту.

Также можно встроить холодильник в стену открытой дверцей наружу, а теплообменник оставить в помещении. Однако стоит помнить, что такой обогреватель будет иметь невысокую мощность и потреблять достаточно много электроэнергии.

Тепло в комнате будет поступать от заднего теплообменника холодильника. Но подобный тепловой насос сможет работать только при внешней температуре не ниже 5°C.

Эта бытовая техника предназначена исключительно для помещений.

В большом коттедже для системы воздушного отопления потребуется дополнительно установить воздуховоды, которые будут равномерно распределять теплый воздух по всем комнатам.

Монтаж теплового насоса воздух-воздух достаточно прост. Нужно установить внешний блок и внутренний, затем соединить их между собой контуром с теплоносителем.

Внешняя часть системы располагается на улице: на фасаде, крыше или рядом с домом. Внутренний блок можно разместить на потолке или стене.

Наружный блок лучше установить на расстоянии нескольких метров от входа и подальше от окон, чтобы минимизировать шум от вентилятора.

Внутренний блок следует установить таким образом, чтобы теплый воздух равномерно распространялся по комнате.

Если планируется использовать тепловой насос воздух-воздух для отопления дома с несколькими этажами, потребуется оборудовать систему вентиляционных каналов с принудительным нагнетанием.

В этом варианте стоит обратиться к профессиональному инженеру для разработки проекта, иначе мощности ТНа может не хватить для всех помещений.

Электросчетчик и защитное устройство должны быть рассчитаны на пиковые нагрузки, создаваемые тепловым насосом. При резком похолодании компрессор начинает потреблять значительно больше электричества, чем обычно.

Для подобного обогревателя лучше всего проложить отдельную линию электропитания от распределительного щитка.

Продолжая говорить о трубках для хладагента, важно уделить им особое внимание. Даже малейшая стружка внутри может повредить компрессор.

Здесь обойтись без умений пайки меди не получится. Заправку хладагента лучше доверить специалисту, чтобы избежать проблем с утечками впоследствии.

Детальная инструкция по изготовлению теплового насоса из холодильника приведена в этой статье.

Выводы и полезные видеоматериалы

Принцип работы тепловой сплит-системы «воздух-воздух»:

Воздушный тепловой насос в системе отопления двухэтажного дома:

Что выбрать: кондиционер-инвертор или тепловой насос для воздуха?

Тепловые насосы с принципом «воздух-воздух» являются высокоэффективными устройствами. Их легко обслуживать, удобно использовать и они экономичны.

На рынке сейчас огромный выбор таких систем, и для любого дома можно подобрать подходящий обогреватель. Главное — правильно рассчитать его мощность, чтобы он прослужил долго и эффективно.

Как вы относитесь к эффективности и целесообразности использования тепловых насосов «воздух-воздух»? Делитесь своим мнением, оставляйте отзывы о работе устройств и задавайте вопросы. Форма для комментариев расположена ниже.