Термопомпа “въздух-въздух”: принцип на действие, устройство, подбор и изчисления

Искате ли да обзаведете в къщата конвекторно отопление, където за нагряване на топлоносителя се използва термопомпа «въздух-въздух», осигуряваща значителна икономия на разходите за отопление? Съгласете се, че да получите пълноценно отопление заедно с топла вода почти безплатно — е твърде примамливо мероприятие.

Но не знаете ли как да изградите подобна система, за да отоплявате помещенията по алтернативен начин и да получавате топла вода за битови нужди?

Ще ви помогнем да разберете този въпрос — в статията е осветен принципът на действие и устройството на помпата. Енергия за такава система ще трябва да се харчи само за работата на компресора, а основният обем топлина ще се взема просто отвън от атмосферата, за което засега не искат пари.

Също така са разгледани предимствата от внедряването му в системата и съществените недостатъци. Отделно внимание е отделено на подбора и изчисляването на помпата.

А на любителите да правят всичко със собствените си ръце предлагаме да изградят подобна помпа самостоятелно, използвайки подръчни материали. В помощ предоставяме фотоматериали и видеопрепоръки относно устройството и функционирането на термопомпата.

Характеристика на термопомпа въздух-въздух

Всяка термопомпа спада към оборудването от сферата на алтернативната енергетика. Тя взема топлинната енергия на въздушните маси навън, от околното пространство в помещението, за да отопли с нея жилищни и нежилищни обекти.

При това не се използват никакви горими видове гориво.

Външно термопомпата (ТП) въздух-въздух прилича на инверторен климатик, сплит-система от външен и вътрешен блок.

А по принципа на действие той повече напомня на хладилник, само че действа „обратно“. Но за разлика от двата, тази термопомпа е способна както да охлажда, така и да нагрява въздушните маси в къщата.

Термопомпата взема нископотенциална топлинна енергия от атмосферата навън и нагрява с нея стайния въздух до комфортни температури

Принцип на действие и вътрешно устройство

В основата на работата на топлинната помпа въздух-въздух стои просто физическо явление от термодинамиката – течността при изпаряване охлажда повърхността, върху която се разпръсква. Например, парата над чаша с горещ чай демонстрира същия ефект.

На този принцип работи и обикновеният хладилник. Вътре в него са разположени тръби, по които циркулира хладилен агент под високо налягане. Той отнема топлина от вътрешното пространство на фризерното отделение, като леко се нагрява при това.

След това събраната топлина се отдава на въздуха в помещението посредством топлообменник (решетката отзад на хладилника).

През зимата топлинната помпа въздух-въздух отоплява стайния въздух, а през лятото може да го охлажда.

А за да може хладилният агент да се охлади до работни температури, той се компресира в компресора. При това за цикъл на работа фреонът вътре в системата компресор-кондензатор-изпарител непрекъснато преминава от газообразно в течно състояние и обратно.

Въздушната топлинна помпа функционира напълно аналогично. Само че топлината тя взима отвън, а не от затворен фризер. Дори и навън да има мраз, в атмосферата все пак има немалко топлинна енергия.

За производство на топлина на топлинната помпа е необходима само енергията, изразходвана за работа на компресора. На схемата подробно е изобразен процесът на пренос на топлина.

Топлинната помпа въздух-въздух се състои от следните елементи:

• компресор;
• изпарител с вентилатор за принудително обдухване;
• разширителен клапан;
• медни тръби за прехвърляне на фреон между улицата и дома;
• кондензатор с вентилатор за подаване на нагрят въздух в помещението.

Първите три елемента съставляват външния блок, а последният се отнася до вътрешната част на топлинната помпа. Топлоизолираните тръби от мед са предназначени за непрекъснато преместване на топлоносителя между тези модули на сплит-системата.

Движението на фреона в топлинната помпа се извършва по затворен кръг, в резултат на което той постоянно се компресира и разширява.

Алгоритъмът на работа на топлинната помпа въздух-въздух изглежда по следния начин:

1. Външният въздух се засмуква от вентилатора във външния блок и се прогонва през ребрата на външния изпарител. Циркулиращият през топлообменника фреон поема наличната в него топлинна енергия, като при това преминава в газообразно състояние.
2. След това газът попада в кондензатора, където се компресира. А после той се изпомпва по медните тръби във вътрешния блок.
3. В кондензатора, разположен в дома, газът преминава обратно в течност, като предава топлината на вътрешния въздух в помещението.
4. След това излишното налягане се изпуска чрез разширителен клапан, и течният фреон отново се отправя към първичния изпарител.

Стойността на температурата на фреона, постъпващ във външния блок, винаги е по-ниска от температурата на околната среда. Затова той винаги взема топлина от атмосферата.

Но нивото на „охлаждане“ на топлоносителя в системата е постоянно, а външната температура постоянно се колебае. По тази причина при силни студове термопомпата губи своята ефективност.

Цикъл на движение на топлоносителя на термопомпата въздух-въздух: 1. той се компресира от компресора, 2. кондензира в топлообменника, като при това отдава топлина, 3. като течност постъпва във външния топлообменник, 4. там се изпарява, улавяйки при изпарението топлинната енергия на външната среда, 5. отново се връща в кондензатора.

За да се увеличи мощността на термопомпата, повърхностите на кондензатора и изпарителя се правят максимално големи. А за непрекъснатост на работата през зимния период външният топлообменник се оборудва със собствена система за размразяване.

Плюсове и минуси на въздушната термопомпа

Всяка технически сложна система има своите предимства и недостатъци. Рекламните брошури са едно, а в действителност собствениците на термопомпи рискуват да се сблъскат с определени проблеми.

Инсталациите за отопление/охлаждане от типа «въздух-въздух» са изгодни по редица причини.

Към основните плюсове се отнасят:

• Универсалност. Системите позволяват да се отопляват и охлаждат помещения в зависимост от предназначението на стаята, потребностите и от климатичния сезон.
• Екологичност. Дават възможност напълно да се откажем от изгарянето на природен газ, въглища, дърва и т.н., които замърсяват природната среда с продукти на горене.
• Простота на монтажа. Да се сглоби система от компоненти на заводско производство няма да е трудно. Може саморъчно да се изгради термопомпа от подръчни средства.
• Пожаро безопасност. Процесът на получаване на топлина не е свързан с използването на гориво. Дори нарушения в работата на инсталацията не могат да доведат до запалвания.
• Икономичност. Привличат с висок коефициент на топлопреминаване при минимални разходи (за консумирана 1 kW електроенергия те дават 4–5 kW топлина). Освен това бързо се изплащат.
• Ценова достъпност. Цената на системите от заводско производство позволява почти на всеки желаещ да закупи термопомпа. Ръчно изработената инсталация ще бъде практически безплатна.
• Удобство при експлоатация. Най-технически сложният уред в системата е компресорът, чието обслужване не е трудно. При характерното за термопомпите натоварване компресорите рядко се повреждат преди обещания от производителя срок.

За организиране на отоплението в една стая е достатъчно да се инсталира сплит система, като се окачи външен модул на фасадата, а на вътрешната стена – конвектор. За отопление на няколко помещения ще се наложи да се обособят канали за разпределение на нагрятия въздух.

За всеки киловат консумирана електроенергия термопомпата дава до пет киловата топлинна енергия

Цялото управление на термопомпата въздух-въздух се осъществява от вградена автоматика. Няма да се наложи да обръщате особено внимание на работата и настройката на тази система. Ще трябва само редовно да почиствате въздушните филтри и понякога да ги сменяте.

Сред отрицателните страни на термопомпите могат да се споменат:

• макар и незначителен, но все пак шумов фон;
• пряка зависимост на ефективността на системата от външната температура;
• увеличение на потреблението на електроенергия при захлаждане навън;
• постоянно висящ във въздуха прах поради непрекъснатата работа на вентилатора и конвекцията на въздуха в стаята;
• зависимост от електрозахранването (за безпроблемна работа ще е необходим генератор).

При температури навън до -10°C всичко работи отлично, топлината, взета от улицата, е напълно достатъчна за създаване на комфортни условия в къщата. Но при по-нататъшно захлаждане ефективността на помпата рязко спада.

Ако вилата е построена в местност със студен климат и силни студове през зимата, тогава не може без допълнителен котел или камина.

В топъл климат въздушната термопомпа без проблем се справя с поставените задачи по отопление на частна къща, но при силни студове допълнителен източник на топлина няма да навреди.

За оборудване на въздушно отопление такива системи са идеални. Минимум разход на електроенергия, усилия за монтаж и проблеми с поддръжката. Но с тях не може да се нагрее вода. За това ще се наложи да инсталирате бойлер или да се свържете към централизирани мрежи.

Термопомпите въздух-въздух са оптимален начин за отопление на сгради, построени от дърво или SIP. Такива постройки имат ниски топлинни загуби, мощностите на въздушната термопомпа са напълно достатъчни за тяхното отопление.

През летния период термопомпата въздух-въздух може да се използва за затопляне на водата в басейна

Основни разлики от климатика

Външно термопомпата въздух-въздух прилича на домашен климатик. Но тя има свои отличителни конструктивни особености и технически характеристики.

Първото устройство се използва като основен източник на отопление, работещ целогодишно. А второто е по-предназначено за охлаждане на въздуха в летните жеги.

Основната функция на термопомпата е отопление. Но много модели могат също така да охлаждат стайния въздух. В този режим на работа те значително отстъпват на климатика по енергийна ефективност. Това по-скоро е краен случай на тяхното използване.

По външен вид климатикът и въздушната термопомпа си приличат, но имат напълно различно предназначение и експлоатационни характеристики

От друга страна и много инверторни климатици могат да нагряват въздух в помещенията. Но те при това консумират много повече електричество от термопомпите. Всяко устройство има свое предназначение.

Използването на термопомпа „въздух-въздух“ е преди всичко преход към възобновяеми енергийни източници.

Тези системи са икономически изгодни, въпреки големите първоначални парични вложения. Намаляването на плащанията за отопление изплаща всички начални разходи.

Подбор и изчисления на термопомпа

Термопомпата въздух-въздух ще бъде ефективна, само ако е правилно подбрана. Необходимо е предварително да се изчисли нейната мощност в зависимост от квадратурата на къщата. И едва след това да се видят какви са цените на различните производители.

При изчисленията се използва коефициентът на енергийна ефективност COP (отношение на мощността на термопомпата към консумираната енергия).

При „оранжерийни условия“ той често достига 4–5 пункта, а най-модерните модели до 7–8. Въпреки това при падане на температурата навън до -15–20°С този показател рязко спада само до две.

Оптимална производителност по отопление термопомпата дава при температури навън -10…+10 градуса по Целзий, така тя до ¾ от топлинната енергия взима отвън

При изчисляването на въздушното отопление трябва да се вземе предвид:

• топлоизолацията и инсолацията на помещенията;
• площта на стаите;
• броят на живеещите в къщата;
• общи климатични условия на местността, където се намира къщата.

За повечето къщи на всеки десет квадратни метра са необходими около 0,7 kW мощност на термопомпата. Но всичко тук е доста условно. Ако таваните са по-високи от 2,7 м или стените и прозорците са лошо изолирани, тогава ще е необходима повече топлина.

Производители на термопомпи въздух-въздух има немалко както в Азия, така и в Европа.

Добри отзиви имат системите от Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Carrier, Aertec, Panasonic и Toshiba. Практически всичките им модели са адаптирани към местните условия на експлоатация и са се доказали добре.

Дори при колебания на напрежението те не се чупят, като продължават да работят изправно след включване на електричеството.

Цената на популярните въздушни термопомпи варира в диапазон от 900 до 4 500 €. Тук много зависи не само от мощността на агрегата, но и от допълнителната функционалност и държавата на производство.

Отделни модели включват:

• филтри за почистване и обеззаразяване на въздуха;
• резервни нагреватели;
• електрогенератори;
• GSM-модули за управление на системата;
• йонизатори и озонатори.

Практиката показва, че при студове под -15 °C в помещения, отоплявани само с термопомпа въздух-въздух, става хладно. И без допълнителен нагревател комфортът в стаите откровено липсва.

В южните региони обаче, където подобни измръзвания са рядкост, термопомпата е напълно ефективна и оправдава похарчените пари с лихва благодарение на икономията на енергийни ресурси.

Направи си сам от стар хладилник

Да се сглоби термопомпа въздух-въздух от отделни компресори и кондензатори със собствени ръце без специализирани инженерни познания е доста трудно. Но за малка стая или оранжерия може да се използва стар хладилник.

Най-простата въздушна термопомпа може да се направи от хладилник, като се прекара въздуховод отвън в него и се закачи вентилатор на задната решетка на топлообменника.

За целта е необходимо да се направят два отвора в предната врата на хладилника. През първия ще постъпва външен въздух в камерата за замразяване, а през втория (долния) ще се извежда обратно навън.

При това по време на преминаването през вътрешната камера той ще отдава част от топлината, която носи, на фреона.

Също така може просто да се вгради хладилната машина в стената с отворена врата навън, а топлообменникът отзад да бъде към помещението. Но при това трябва да се има предвид, че мощността на такъв нагревател ще бъде малка, а електричеството, което консумира, е доста.

Въздухът в помещението се нагрява от топлообменника отзад на хладилника. Подобна термопомпа обаче може да работи само при външни температури не по-ниски от плюс пет градуса по Целзий.

Този домакински уред е предназначен за експлоатация единствено в помещения.

В голяма къща системата за въздушно отопление ще трябва да се допълни с въздуховоди, които разпределят равномерно топлия въздух по всички помещения.

Монтажът на термопомпа въздух-въздух е изключително прост. Необходимо е да се инсталират външен и вътрешен блок, а след това да се свържат помежду им с контур с топлоносител.

Първата част на системата се монтира навън: директно на фасадата, покрива или до сградата. Втората вкъщи може да се постави на тавана или стената.

Външният блок се препоръчва да се монтира на няколко метра от входа на къщата и по-далеч от прозорците, не бива да се забравя за шума, произвеждан от вентилатора.

А вътрешният се монтира така, че потокът топъл въздух от него да се разпространява равномерно из цялата стая.

Ако с термопомпа въздух-въздух се планира да се отоплява къща с няколко стаи на различни етажи, то ще трябва да се обзаведе система от вентилационни канали с принудително нагнетяване.

В този случай е по-добре да поръчате проект от компетентен инженер, иначе мощността на ТН може да не стигне за всички помещения.

Електромерът и защитното устройство трябва да издържат на пиковите натоварвания, създавани от термопомпата. При рязко застудяване навън компресорът започва да консумира електричество в пъти повече от обикновено.

Най-добре е за подобен въздушен нагревател да се прокара отделна захранваща линия от разпределителното табло.

Особено внимание трябва да се обърне на монтажа на тръбичките за фреон. Дори и най-малката стружка вътре може да повреди компресорното оборудване.

Тук не може без умения за запояване на мед. Зареждането на хладилния агент въобще си струва да се довери на професионалист, за да се избегнат после проблеми с неговите изтичания.

Поетапна инструкция за изработване на термопомпа от хладилник е описана в тази статия.

Изводи и полезно видео по темата

Принцип на работа на термопомпена сплит-система «въздух-въздух»:

Въздушна термопомпа в отоплителната система на двуетажна къща:

Климатик-инвертор или въздушна термопомпа – кое е по-добре?

Термопомпите, работещи по принципа «въздух-въздух», са високоефективни устройства. Те са лесни за поддръжка, удобни за експлоатация и икономични.

В продажба сега има огромен асортимент от подобни системи, за всяка къща може да се подбере отоплителна инсталация. Трябва само правилно да се изчисли нейната мощност, тогава тя ще служи ефективно дълги години.

А какво мислите относно ефективността и целесъобразността на използването на термопомпи “въздух-въздух”? Споделяйте мнението си, оставяйте отзиви за използването на уредите и задавайте въпроси. Формата за коментари се намира по-долу.