Тепловые насосы с воздушным источником для отопления и охлаждения

Тепловые насосы с воздушным источником отбирают тепло из наружного воздуха в отопительный сезон и отбрасывают тепло наружу в течение летнего сезона для охлаждения. Что немаловажно, тепловые насосы с воздушным источником поглощают тепло из наружного воздуха при температуре воздуха даже до -15°C.

Существует два типа тепловых насосов с воздушным источником. Наиболее распространенным является тепловой насос типа “воздух-воздух”. Он извлекает тепло из воздуха, а затем передает тепло либо внутрь, либо наружу  вашего дома в зависимости от сезона.

Другой тип-тепловой насос “воздух-вода”, который используется в домах с гидравлическими системами распределения тепла.

Во время отопительного сезона тепловой насос забирает тепло из наружного воздуха, а затем передает его воде в гидравлическую распределительную систему. Если охлаждение обеспечивается в летнее время, процесс происходит в обратном порядке: тепловой насос извлекает тепло из воды распределительной системы дома и “выкачивает” его наружу, чтобы охладить дом. Эти системы встречаются редко, и многие из них не обеспечивают эффективного охлаждения; поэтому большая часть следующего обсуждения посвящена системам “воздух-воздух”.Тепловые насосы с воздушным источником

Совсем недавно на рынке были представлены бесконтактные мини-сплит-тепловые насосы. Они идеально подходят для дооснащения в домах с электрическим способом обогрева. Это настенные устройства для подачи свободного воздуха, которые могут быть установлены в отдельных комнатах дома.

Тепловые насосы с воздушным источником также могут использоваться в некоторых системах вентиляции домов для рекуперации тепла из выходящего застоявшегося воздуха и передачи его входящему свежему воздуху или для получения горячей воды для бытовых нужд.

Как работает тепловой насос с воздушным источником?

Тепловой насос с воздушным источником имеет три цикла: цикл нагрева, цикл охлаждения и цикл размораживания.

Цикл нагрева

Во время цикла нагрева тепло отбирается из наружного воздуха и “перекачивается” в помещение.

  • Сначала жидкий хладагент проходит через расширительное устройство, превращаясь в смесь жидкости/пара низкого давления.

Затем он поступает в наружный змеевик, который действует как змеевик испарителя. Жидкий хладагент поглощает тепло из наружного воздуха и закипает, превращаясь в низкотемпературный пар.

  • Этот пар проходит через обратный клапан в накопитель, который собирает всю оставшуюся жидкость до того, как пар попадет в компрессор. Затем пар сжимается, уменьшая его объем и заставляя его нагреваться.
  • Наконец, обратный клапан направляет газ, который теперь горячий, в внутренний змеевик, который является конденсатором. Тепло от горячего газа передается воздуху в помещении, в результате чего хладагент конденсируется в жидкость. Эта жидкость возвращается в расширительное устройство, и цикл повторяется. Внутренний змеевик расположен в воздуховоде, рядом с печью.

Способность теплового насоса передавать тепло из наружного воздуха в дом зависит от температуры наружного воздуха. По мере снижения этой температуры способность теплового насоса поглощать тепло также снижается. При температуре окружающей среды на открытом воздухе тепловая мощность теплового насоса равна теплопотерям дома. Ниже этой температуры наружного воздуха тепловой насос может подавать только часть тепла, необходимого для поддержания комфорта в жилом помещении, и требуется дополнительное тепло.

Когда тепловой насос работает в режиме нагрева без какого-либо дополнительного тепла воздух, выходящий из него, будет холоднее, чем воздух, нагретый обычной печью. Обычные печи или батареи централизованного отопления нагревают воздух  при температуре от 55°C до 60°C. Тепловые насосы обеспечивают подачу воздуха температурой примерно от 25°C до 45°C и, поэтому работают в течение более длительного времени для прогревания помещения.

Цикл охлаждения

Цикл, описанный выше, обращен вспять, чтобы охладить дом летом. Устройство отводит тепло из воздуха в помещении и отводит его наружу.

  • Как и в цикле нагрева, жидкий хладагент проходит через расширительное устройство, переходя на низкое давление превращаясь в смесь жидкости и пара. Затем хладагент поступает в внутренний змеевик, который действует как испаритель. Жидкий хладагент поглощает тепло из воздуха в помещении и закипает, превращаясь в низкотемпературный пар.
  • Этот пар проходит через обратный клапан в аккумулятор, который собирает оставшуюся жидкость, а затем в компрессор. Затем пар сжимается, уменьшая его объем и заставляя его нагреваться.
  • Наконец, газ, который теперь горячий, проходит через реверсивный клапан в наружный змеевик, который действует как конденсатор. Тепло от горячего газа передается в наружный воздух, в результате чего хладагент конденсируется в жидкость. Эта жидкость возвращается в расширительное устройство, и цикл повторяется.

Во время цикла охлаждения тепловой насос также осушает воздух в помещении. Влага в воздухе, проходящем над внутренним змеевиком, конденсируется на поверхности змеевика и собирается в поддоне в нижней части змеевика.

Цикл размораживания

Если температура наружного воздуха падает до близкого или ниже нуля, когда тепловой насос работает в режиме нагрева, влага в воздухе, проходящем над внешним змеевиком, будет большой  и замерзнет на нем. Количество налипания инея зависит от температуры наружного воздуха и количества влаги в воздухе. Это накопление инея снижает эффективность змеевика за счет снижения его способности передавать тепло хладагенту.

В какой-то момент иней должен быть удален. Для этого тепловой насос переключится в режим размораживания.

  • Во-первых, реверсивный клапан переключает устройство в режим охлаждения. Это посылает горячий газ в наружный змеевик. В то же время наружный вентилятор, который обычно обдувает змеевик холодным воздухом, отключается, чтобы уменьшить количество тепла, необходимого для растопления мороза.
  • В то время как это происходит, тепловой насос охлаждает воздух в воздуховоде. Система отопления обычно нагревает этот воздух, поскольку он распределяется по всему дому.

Один из двух методов используется для определения того, когда устройство переходит в режим размораживания.

Датчиками контроля замерзания может быть воздушный поток, давление хладагента, температура воздуха или змеевика и перепад давления на наружном змеевике для обнаружения замерзания.

Размораживание может быть запущено по времени и температуре начинаться и заканчиваться с помощью таймера с заданным интервалом или датчика температуры, расположенного снаружи. Цикл может запускаться каждые 30, 60 или 90 минут, в зависимости от климата и конструкции системы.

Ненужные циклы размораживания снижают сезонную производительность теплового насоса. В результате метод замораживания по требованию, как правило, более эффективен, поскольку он запускает цикл размораживания только тогда, когда это необходимо.

Компоненты теплового насоса с воздушным источником

В дополнение к внутренним и наружным дверным змеевикам, обратному клапану, расширительному устройству, компрессору и трубопроводам система оснащена вентиляторами, которые обдувают змеевики воздухом, и дополнительным источником тепла.

Компрессор может быть расположен в помещении или на открытом воздухе. Если тепловой насос полностью электрический, дополнительное тепло будет подаваться серией нагревателей, расположенных в основном пространстве циркуляции воздуха или в камере после внутреннего змеевика теплового насоса. Если тепловой насос является дополнительным устройством дополнительное тепло может подаваться от печи. Печь может быть электрической или газовой.

Соображения энергоэффективности

Годовая эффективность охлаждения и эффективность нагрева  теплового насоса с воздушным источником зависят от выбора производителем функций.

За это в значительной степени отвечают более эффективные компрессоры, большие поверхности теплообменников, улучшенный расход в холодильнике и другие элементы управления. Новые разработки в области компрессоров, двигателей и средств управления еще больше повысят эффективность.

Более совершенные конструкции компрессоров различных производителей (усовершенствованные поршневые, спиральные, компрессоры с переменной скоростью или двухскоростные компрессоры в сочетании с лучшими в настоящее время конструкциями теплообменников и систем управления) позволяют увеличить энергоэффективность.

Кроме того, по мере снижения температуры наружного воздуха снижается и эффективность воздушного теплового насоса. Следовательно, не во всех случаях установка воздушного теплового насоса имеет экономический смысл и сможет удовлетворить все ваши потребности в отоплении или охлаждении.