Тепловой насос «воздух-воздух»: принцип действия, устройство, подбор и расчеты

Хотите обустроить в доме конвекторное отопление, где для нагрева теплоносителя используется тепловой насос «воздух-воздух», обеспечивающий значительную экономию расходов на обогрев? Согласитесь, что получить полноценное отопление в компании с горячей водой практически бесплатно — весьма заманчивое мероприятие.

Но вы не знаете, как соорудить подобную систему, чтобы альтернативным способом обогревать помещения и получать горячую воду для бытовых нужд?

Мы поможем разобраться с этим вопросом — в статье освещен принцип действия и устройство насоса. Энергию такой системе придется тратить только на работу компрессора, а основной объем тепла будет браться просто с улицы из атмосферы, за что у нас пока денег не требуют.

Также рассмотрены преимущества его внедрения в систему и существенные недостатки. Отдельное внимание уделено подбору и расчету насоса.

А любителям все делать своими руками мы предлагаем соорудить подобный насос самостоятельно, используя подручные материалы. В помощь приводим фотоматериалы и видеорекомендации по устройству и функционированию теплового воздушного насоса.

Характеристика теплового насоса воздух-воздух

Любой теплонасос относится к оборудованию из сферы альтернативной энергетики. Он забирает тепловую энергию воздушных масс на улице, из окружающего пространства в помещении, чтобы обогреть ею жилые и нежилые объекты.

При этом не используются какие-либо сгораемые виды топлива.

Внешне тепловой насос (ТН) воздух-воздух похож на инверторный кондиционер, сплит-систему из наружного и внутридомового блока.

А по принципу действия он больше напоминает холодильник, только действует “наоборот”. Но в отличие от них обоих этот теплонасос способен как охлаждать, так и нагревать воздушные массы в доме.

Тепловой насос берет низкопотенциальную тепловую энергию из атмосферы с улицы и нагревает ею комнатный воздух до комфортных температур

Принцип действия и внутреннее устройство

В основе работы ТН воздух-воздух лежит нехитрое физическое явление термодинамики – жидкость при испарении охлаждает поверхность, с которой она рассевается. Например, пар над кружкой с горячим чаем демонстрирует тот же эффект.

На этом принципе работает и обычный холодильник. Внутри него расположены трубки, по которым циркулирует хладагент под высоким давлением. Он забирает тепло из внутреннего пространства морозильной камеры, слегка нагреваясь при этом.

Потом собранное тепло отдается в воздух комнаты посредством теплообменника (решетки сзади холодильника).

Зимой теплонасос воздух-воздух обогревает комнатный воздух, а летом может охлаждать его

А чтобы после хладагент остыл до рабочих температур, он сжимается в компрессоре. Причем за цикл работы фреон внутри системы компрессор-конденсатор-испаритель постоянно переходит из газообразного состояния в жидкое и обратно.

Воздушный тепловой насос функционирует абсолютно аналогично. Только тепло он берет с улицы, а не из закрытого морозильника. Даже если снаружи мороз, то в атмосфере все равно есть немало тепловой энергии.

Для производства тепла тепловому насосу нужна только энергия, затрачиваемая на работу компрессора. На схеме подробно изображен процесс переноса тепла

Состоит тепловой насос воздух-воздух из таких элементов:

• компрессора;
• испарителя с вентилятором принудительного обдува;
• расширительного клапана;
• медных трубок для перекачки фреона между улицей и домом;
• конденсатора с вентилятором подачи нагретого воздуха в помещение.

Первые три элемента составляют внешний блок, а последний относится к внутренней части теплонасоса. Теплоизолированные трубки из меди предназначены для непрерывного перемещения теплоносителя между этими модулями сплит-системы.

Движение фреона в тепловом насосе происходит по замкнутому кругу, в результате чего он постоянно сжимается и расширяется

Алгоритм работы теплового насоса воздух-воздух выглядит следующим образом:

1. Уличный воздух втягивается вентилятором в наружный блок и прогоняется сквозь ребра внешнего испарителя. Циркулирующий по теплообменнику фреон вбирает в себя имеющуюся в нем тепловую энергию, переходя при этом в газообразное состояние.
2. Далее газ попадает в конденсатор, где сжимается. А потом он перекачивается по медным трубам во внутренний блок.
3. В расположенном в доме конденсаторе газ переходит обратно в жидкость, передавая тепло внутрикомнатному воздуху.
4. Затем излишнее давление стравливается посредством расширительного клапана, и жидкий фреон опять отправляется в первичный испаритель.

Значение температуры фреона, поступающего во внешний блок, всегда ниже температуры окружающей среды. Поэтому он всегда забирает тепло из атмосферы.

Но уровень “охлаждения” теплоносителя в системе постоянен, а наружная температура постоянно колеблется. По этой причине при сильных морозах ТН теряет свою эффективность.

Цикл движения теплоносителя теплового насоса воздух-воздух: 1. он сжимается компрессором, 2. конденсируется в теплообменнике, при этом отдавая тепло, 3. в виде жидкости поступает в наружный теплообменник, 4. там испаряется, захватив при испарении тепловую энергию наружной среды, 5. снова возвращается в конденсатор

Чтобы увеличить мощность теплонасоса, поверхности конденсатора и испарителя делаются максимально большими. А для бесперебойности работы в зимний период наружный теплообменник оснащается собственной системой оттаивания.

Плюсы и минусы воздушного теплонасоса

У каждой технически сложной системы имеются свои достоинства и недостатки. Рекламные проспекты это одно, а в реальности владельцы тепловых насосов рискуют столкнуться с определенными проблемами.

Установки обогрева/охлаждения типа «воздух-воздух» выгодны, по ряду причин.

К числу основных плюсов относят:

• Универсальность. Системы позволяют отапливать и остужать помещения в зависимости от назначения комнаты, потребностей и от климатического сезона.
• Экологичность. Дают возможность полностью отказаться от сжигания природного газа, угля, дров и т.п., засоряющих природную среду продуктами горения.
• Простота монтажа. Собрать систему из составляющих заводского производства не составит труда. Можно собственноручно соорудить тепловой насос из подручных средств.
• Пожаробезопасность. Процесс получения тепла не связан с применением горючего. Даже нарушения в работе установки не смогут повлечь возгораний.
• Экономичность. Привлекают высоким коэффициентом теплоотдачи при минимальных затратах  (на потребленный 1 кВт электроэнергии они выдают 4–5 кВт тепла). К тому же, быстро окупаются.
• Доступность по цене. Стоимость систем заводского изготовления позволяет приобрести тепловой насос практически всем желающим. Собственноручно изготовленная установка будет практически бесплатной.
• Удобство эксплуатации. Самый технически сложный прибор в системе — компрессор, с обслуживанием которого трудно не справиться. С характерной для тепловых насосов нагрузкой компрессоры редко выходят из строя раньше обещанного производителем срока.

Для организации отопления в одной комнате достаточно установить сплит-систему, повесив на фасаде внешний модуль, а на внутренней стене – конвектор. Чтобы обогреть несколько помещений придется обустраивать каналы распределения нагретого воздуха.

На каждый киловатт потребленного электричества теплонасос выдает до пяти киловатт тепловой энергии

Все управление тепловым насосом воздух-воздух осуществляется встроенной автоматикой. Особого внимания уделять работе и настройке этой системе не придется. Надо будет только регулярно чистить воздушные фильтры и иногда их менять.

Среди отрицательных сторон теплонасосов можно упомянуть:

• пусть и незначительный, но все же шумовой фон;
• прямую зависимость эффективности системы от внешней температуры;
• рост электропотребления при похолодании на улице;
• постоянно висящую в воздухе пыль из-за непрерывной работы вентилятора и конвекции воздуха в комнате;
• зависимость от электроснабжения (для бесперебойной работы потребуется генератор).

При температурах снаружи до -10°С все работает прекрасно, забираемого с улицы тепла вполне хватает для создания в доме комфортных условий. Но при дальнейшем похолодании эффективность насоса резка падает.

Если коттедж построен в местности с холодным климатом и сильными морозами по зиме, то без дополнительного котла или камина не обойтись.

В теплом климате воздушный тепловой насос без проблем справляется с поставленными задачами по отоплению частного дома, но при сильных морозах дополнительный источник тепла не помешает

Для обустройства воздушного обогрева такие системы подходят идеально. Минимум трат электроэнергии, усилий для монтажа и проблем с обслуживанием. Но ими нельзя нагреть воду. Для этого придется дополнительно ставить бойлер или подключаться к централизованным сетям.

Тепловые насосы воздух-воздух являются оптимальным способом обогрева зданий, построенных из дерева или СИП. У таких строений низкие теплопотери, мощностей воздушного теплонасоса для их отопления хватает с избытком.

В летний период тепловой насос воздух-воздух можно использовать для обогрева воды в бассейне

Коренные отличия от кондиционера

Внешне тепловой насос воздух-воздух схож с бытовым кондиционером. Но у него есть свои отличительные конструктивные особенности и технические характеристики.

Первое устройство используется в качестве основного источника обогрева, работающего круглогодично. А второе больше предназначено для охлаждения воздуха в летнюю жару.

Основная функция теплонасоса – это отопление. Однако многие модели способны также охлаждать комнатный воздух. Но в этом режиме работы они существенно уступают кондиционеру по энергоэффективности. Это скорее крайний случай их использования.

По внешнему виду кондиционер и воздушный ТН схожи, но имеют совершенно разное назначение и эксплуатационные характеристики

С другой стороны и многие инверторные кондиционеры могут нагревать воздух в помещениях. Но электричества они при этом потребляют гораздо больше тепловых насосов. У каждого устройства свое предназначение.

Использование ТН «воздух-воздух» – это в первую очередь переход на возобновляемые источники энергии.

Эти системы экономически выгодны, несмотря на крупные первичные вложения денег. Сокращение платежей за отопление окупает все начальные затраты.

Подбор и расчеты теплового насоса

Теплонасос воздух-воздух будет эффективен, только если его правильно подобрать. Необходимо заранее рассчитать его мощность в зависимости от квадратуры дома. А уже потом смотреть какие у разных производителей цены.

При расчетах используется коэффициент энергоэффективности СОР (отношение мощности ТН к затраченной энергии).

При “тепличных условиях” он нередко достигает 4–5 пунктов, а самые современные модели до 7–8. Однако при падении температуры на улице до -15–20°С этот показатель резко падает всего лишь до двойки.

Оптимальную продуктивность по обогреву теплонасос выдает при температурах на улице -10…+10 градусов Цельсия, так он до ¾ тепловой энергии берет с улицы

При расчете воздушного отопления необходимо учесть:

• теплоизоляцию и инсоляцию помещений;
• площадь комнат;
• количество проживающих в коттедже;
• общие климатические условия местности, где стоит дом.

Для большинства домов на каждые десять квадратных метров необходимо порядка 0,7 кВт мощности теплового насоса. Но все здесь достаточно условно. Если потолки выше 2,7 м или стены и окна плохо утеплены, то тепла потребуется больше.

Производителей тепловых насосов воздух-воздух немало и в Азии и в Европе.

Хорошие отзывы имеют системы от Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Carrier, Aertec, Panasonic и Toshiba. Практически все их модели адаптированы к отечественным условиям эксплуатации и неплохо себя зарекомендовали.

Даже при перепадах напряжения они не ломаются, продолжая после включения электричества работать исправно.

Цена на ходовые воздушные теплонасосы варьируется в диапазоне от 90 до 450 тысяч рублей. Здесь многое зависит не только от мощности агрегата, но и от дополнительного функционала и страны изготовления.

Отдельные модели дополняют:

• фильтрами очистки и обеззараживания воздуха;
• резервными нагревателями;
• электрогенераторами;
• GSM-модулями для управления системой;
• ионизаторами и озонаторами.

Практика показывает, что при морозах ниже -15 °С в обогреваемых только тепловым воздушным насосом помещениях становится прохладно. И без дополнительного обогревателя комфортом в комнатах откровенно не пахнет.

Однако в южных регионах, где подобные заморозки редки, ТН вполне эффективен и оправдывает потраченные деньги с лихвой за счет экономии энергоресурсов.

Самоделка из старого холодильника

Из отдельных компрессоров и конденсаторов своими руками собрать тепловой насос воздух-воздух без специализированных инженерных познаний достаточно сложно. Но для небольшой комнаты или теплицы можно воспользоваться старым холодильником.

Простейший воздушный теплонасос можно смастерить из холодильника, протянув в него с улицы воздуховод и навесив вентилятор на заднюю решетку теплообменника

Для этого необходимо в передней дверке холодильника проделать два отверстия. Через первое в морозилку будет поступать уличный воздух, а по второму нижнему – выводиться обратно на улицу.

При этом за время прохождения по внутренней камере он будет отдавать часть имеющегося в нем тепла фреону.

Также можно холодильную машину попросту встроить в стену открытой дверью наружу, а теплообменником сзади – в помещение. Но при этом следует учитывать, что мощность такого обогревателя будет небольшой, а электроэнергии он потребляет немало.

Воздух в помещении нагревается от теплообменника сзади холодильника. Однако подобный тепловой насос способен работать только при наружных температурах не ниже плюс пяти по Цельсию.

Эта бытовая техника предназначена для эксплуатации исключительно в помещениях.

В большом коттедже систему воздушного отопления придется дополнять воздуховодами, распределяющими теплый воздух равномерно по всем помещениям

Монтаж теплонасоса воздух-воздух предельно прост. Необходимо установить внешний и внутренний блоки, а потом соединить их меж собой контуром с теплоносителем.

Первая часть системы устанавливается на улице: прямо на фасаде, кровле либо рядом со зданием. Вторую в доме можно разместить на потолке или стене.

Наружный блок рекомендуется монтировать в нескольких метрах от входа в коттедж и подальше от окон, не стоит забывать о производимом вентилятором шуме.

А внутренний устанавливается так, чтобы поток теплого воздуха из него равномерно распространялся по всей комнате.

Если тепловым насосом воздух-воздух планируется отапливать дом с несколькими комнатами на разных этажах, то придется обустраивать систему вентиляционных каналов с принудительным нагнетанием.

В этом случае лучше заказать проект у компетентного инженера, иначе мощности ТНа может не хватить на все помещения.

Электросчетчик и защитное устройство должны выдерживать пиковые нагрузки, создаваемые тепловым насосом. При резком похолодании за окном компрессор начинает потреблять электричества в разы больше, чем обычно.

Лучше всего для подобного воздушного обогревателя проложить отдельную линию снабжения от распределительного щитка.

Особое внимание следует уделить монтажу трубок для фреона. Даже малейшая стружка внутри может повредить компрессорное оборудование.

Здесь без навыков пайки меди не обойтись. Заправку хладогена вообще стоит доверить профессионалу, чтобы избежать потом проблем с его утечками.

Пошаговая инструкция по изготовлению теплового насоса из холодильника описана в этой статье.

Выводы и полезное видео по теме

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

Воздушный тепловой насос в системе отопления двухэтажного дома:

Кондиционер-инвертор или тепловой воздушный насос — что лучше?

Тепловые насосы, работающие по принципу «воздух-воздух», являются высокоэффективными устройствами. Они просты в обслуживании, удобны в эксплуатации и экономичны.

В продаже сейчас огромный ассортимент подобных систем, для любого дома можно подобрать отопительную установку. Надо лишь грамотно рассчитать ее мощность, тогда она эффективно прослужит долгие годы.

А что вы думаете по поводу эффективности и целесообразности использования тепловых насосов «воздух-воздух»? Делитесь своим мнением, оставляете отзывы об использовании агрегатов и задавайте вопросы. Форма для комментариев расположена ниже.