Тепловой насос для отопления дома. Принцип работы и расчета

Виды конструкций тепловых насосов

Тип ТН принято обозначать словосочетанием, указывающим на среду-источник и теплоноситель системы отопления.

Существуют следующие разновидности:

• ТН «воздух – воздух»;
• ТН «воздух – вода»;
• ТН «грунт – вода»;
• ТН «вода – вода».

Самый первый вариант – это обычная сплит-система, работающая в режиме обогрева. Испаритель монтируется на улице, а внутри дома устанавливается блок с конденсатором. Последний обдувается вентилятором, благодаря чему в помещение подается теплая воздушная масса.

Если такую систему оснастить специальным теплообменником с патрубками, получится ТН типа «воздух – вода». Он подключается к водяной системе отопления.

Испаритель ТН типа «воздух – воздух» или «воздух – вода» можно разместить не на улице, а в канале вытяжной вентиляции (она должна быть принудительной). В этом случае эффективность ТН будет увеличена в несколько раз.

Теплонасосы типа «вода – вода» и «грунт – вода» для отбора тепла используют так называемый наружный теплообменник или, как его еще называют, коллектор.

Принципиальная схема работы теплового насоса

Это длинная закольцованная труба, как правило, пластиковая, по которой циркулирует жидкая среда, омывающая испаритель. Обе разновидности ТН представляют собой одно и то же устройство: в одном случае коллектор погружается на дно поверхностного водоема, а во втором – в грунт. Конденсатор такого ТН расположен в теплообменнике, подключаемом к системе водяного отопления.

Подключение ТН по схеме «вода – вода» является гораздо менее трудоемким, чем «грунт – вода», поскольку отпадает необходимость в проведении земляных работ. На дно водоема труба укладывается в виде спирали. Разумеется, для данной схемы подойдет только такой водоем, который зимой не промерзает до дна.

Критерии выбора

На первый взгляд кажется сомнительной необходимость трудоемкой укладки на дно водоема нескольких сотен метров пластиковых труб или еще более затратного бурения скважин для ТН типа вода-вода. Ведь существуют системы типа воздух-воздух. Там внешний коллектор вообще отсутствует. Например, у очень качественного японского инверторного ТН воздух-вода производства компании Mitsubishi Heavy .

Все просто — плотность воды в 800 раз больше, чем воздуха. И тепла тоже. Поэтому эффективность и экономика у водяных систем всегда будет больше, чем у Мицубиси .

Расчет мощности

Для предварительных расчетов обычно используют упрощенную формулу: на 10 м2 отапливаемого здания требуется 700 Ватт тепла. Тогда для дома площадью 250 м2 нужно купить тепловой насос вода-вода мощностью 175 кВт.

Для обеспечения горячего водоснабжения итоговую цифру нужно увеличить на 15 %.

При этом не учитывается большая разница между климатическими зонами, например, Крыма и Московской области. Теплопотери внешних ограждающих конструкций разных зданий тоже сильно отличаются. Есть другие факторы, которые обязательно надо учитывать в расчете. Это могут сделать только специалисты.

Настало время предметно изучать зарубежный опыт

О тепловых насосах, способных отобрать тепло окружающей среды для отопления зданий, теперь уже знают почти все, и, если еще недавно потенциальный заказчик, как правило, задавал недоуменный вопрос «как это возможно?», то теперь все чаще звучит вопрос «как это правильно сделать?».

Ответить на этот вопрос непросто.

В поисках ответа на многочисленные вопросы, которые неизбежно возникают при попытке проектировать системы отопления с тепловыми насосами, целесообразно обратиться к опыту специалистов тех стран, где тепловые насосы на грунтовых теплообменниках применяются уже давно.

Посещение* американской выставки AHR ЕХРО-2008, которое было предпринято, главным образом, с целью получения информации о методах инженерных расчетов грунтовых теплообменников, прямых результатов в этом направлении не принесло, но на выставочном стенде ASHRAE продавалась книга , некоторые положения которой послужили основой для этой публикации.

Следует сразу сказать, что перенос американской методики на отечественную почву – дело непростое. У американцев все не так, как принято в Европе. Только время они измеряют в тех же единицах, что и мы. Все остальные единицы измерения – чисто американские, а точнее – британские. Особенно не повезло американцам с тепловым потоком, который может измеряться как в британских тепловых единицах, отнесенных к единице времени, так и в тоннах охлаждения, которые придуманы, вероятно, в Америке.

Главная проблема, однако, состояла не в техническом неудобстве пересчета принятых в США единиц измерения, к которым со временем можно и привыкнуть, а в отсутствии в упомянутой книге четкой методической основы построения алгоритма вычислений. Рутинным и широко известным расчетным приемам там уделяется слишком много места, в то время как некоторые важные положения остаются вовсе нераскрытыми.

В частности, такими физически связанными исходными данными для расчета вертикальных грунтовых теплообменников, как температура циркулирующей в теплообменнике жидкости и коэффициент преобразования теплового насоса, нельзя задаваться произвольно, и, прежде чем приступать к вычислениям, связанным с нестационарным теплообменом в грунте, необходимо определить зависимости, связывающие эти параметры.

Критерием эффективности теплового насоса служит коэффициент преобразования ?, величина которого определяется отношением его тепловой мощности к мощности электропривода компрессора. Эта величина является функцией температур кипения в испарителе tu и конденсации tk, а применительно к тепловым насосам «вода-вода» можно говорить о температурах жидкости на выходе из испарителя t2И и на выходе из конденсатора t2K:

? = ?(t2И,t2K). (1)

Анализ каталожных характеристик серийных холодильных машин и тепловых насосов «вода-вода» позволил отобразить эту функцию в виде диаграммы (рис. 1).

При помощи диаграммы нетрудно определиться с параметрами теплового насоса на самых начальных стадиях проектирования. Очевидно, например, что, если система отопления, присоединенная к тепловому насосу, рассчитана на подачу теплоносителя с температурой в подающем трубопроводе 50°C, то максимально возможный коэффициент преобразования теплового насоса будет около 3,5. При этом температура гликоля на выходе из испарителя не должна быть ниже +3°С, а это означает, что потребуется дорогой грунтовый теплообменник.

В то же время, если дом обогревается посредством теплого пола, из конденсатора теплового насоса будет поступать в систему отопления теплоноситель с температурой 35°С. В этом случае тепловой насос сможет работать более эффективно, например, с коэффициентом преобразования 4,3, если температура охлажденного в испарителе гликоля будет около –2°С.

Пользуясь электронными таблицами Excel, можно выразить функцию (1) в виде уравнения:

? = 0,1729 • (41,5 + t2И – 0,015t2И • t2K – 0,437 • t2K (2)

Если при желаемом коэффициенте преобразования и заданном значении температуры теплоносителя в системе отопления, работающей от теплового насоса, нужно определить температуру охлажденной в испарителе жидкости, то уравнение (2) можно представить в виде:

(3)

Выбрать температуру теплоносителя в системе отопления при заданных величинах коэффициента преобразования теплового насоса и температуры жидкости на выходе из испарителя можно по формуле:

(4)

В формулах (2)…(4) температуры выражены в градусах Цельсия.

Определив эти зависимости, можно теперь перейти непосредственно к американскому опыту.

Схема теплового насоса вода — вода

В своей работе тепловой насос использует тот же принцип, что и холодильник. Только в этом случае особое внимание уделяется не охладителю (блок испарителя), а тепловому генератору (блок конденсатора).

Ну а сам принцип остается неизменным и предполагает следующую схему работы:

Альтернативные источники энергии

• Испаритель внедряют в среду с температурой выше нуля по Цельсию.
• Конденсатор монтируют в помещении, подключая к нему прямую трубу и обратку системы отопления.
• Между испарителем и конденсатором проводят циклический трубопровод, в который врезают компрессор – генератор напорного усилия и давления.
• В циклический трубопровод заливают хладагент – вещество, которое вскипает в испарителе и переходит в жидкое состояние в конденсаторе. Причем цикличность испарения и конденсации обеспечивает компрессор.

В итоге, в процессе кипения хладагент забирает тепло у окружающей испаритель воды и транспортирует его к конденсатору, где отдает накопленную энергию системе отопления, переходя из газообразного состояния в жидкое. Ведь испарение проходит с отбором энергии, а конденсация – с выделением калорий.

Где монтируют испаритель

Испаритель теплового насоса
Для обеспечения эффективной работы насоса нам нужно лишь заглубить испаритель в воду, желательно ниже уровня промерзания жидкости в водоеме. Ведь толща воды сохраняет температуру 4-12 градусов Цельсия практически круглогодично, обеспечивая тепловые насосы для горячей воды и систем отопления постоянным притоком низкоэффективной энергии.

В итоге, площадкой для размещения испарителя может быть любой водоем с глубиной более 1,5 метров и постоянным уровнем жидкости. Ну а если такового водоема нет, то в качестве источника низкоэффективного тепла можно использовать обычный колодец или скважину. Причем сам испаритель можно погрузить даже не в колодец, а в особый бак, заполняемый проточной водой, которую качают из источника и сливают туда же.

Поэтому тепловой насос «вода-вода» можно смонтировать, буквально, где угодно. Ведь водоносные слои скрыты практически в любом типе грунта.

Методика расчета тепловых насосов

Безусловно, процесс выбора и расчет теплового насоса является весьма сложной в техническом отношении операцией и зависит от индивидуальных особенностей объекта, но ориентировочно он может быть сведен к следующим этапам:

Определяются теплопотери через ограждающие конструкции здания (стены, перекрытия, окна, двери). Сделать это можно, применив следующее соотношение:

Qок = S*( tвн – tнар)* (1 + Σ β ) *n / Rт(Вт)где

tнар – наружная температура воздуха (°С);

tвн – внутренняя температура воздуха (°С);

S – суммарная площадь всех ограждающих конструкций (м2);

n – коэффициент, указывающийвлияние окружающей среды на характеристики объекта. Для помещений, напрямую контактирующих через перекрытия с наружной средой n=1; для объектов, имеющих чердачные перекрытия n=0,9; если же объект размещен над подвальным помещением n = 0,75;

β – коэффициент добавочных теплопотерь, который зависит от типа строения и его географического расположенияβ может варьироваться от 0,05 до 0,27;

Rт – теплосопротивление, определяется по следующему выражению:

Rт = 1/ αвнутр + Σ ( δі / λі ) + 1/ αнар (м2*°С / Вт), где:

δі / λі – расчетный показатель теплопроводности применяемых при строительстве материалов.

αнар– коэффициент теплового рассеивания наружных поверхностей ограждающих конструкций(Вт/ м2*оС);

αвнутр– коэффициент теплового поглощения внутренних поверхностей ограждающих конструкций(Вт/ м2*оС);

— Рассчитываются суммарные теплопотери сооружения по формуле:

Qт.пот = Qок + Qи – Qбп , где:

Qи — затраты энергии на подогрев воздуха поступающего к помещению через естественные неплотности;

Qбп -выделения тепла за счет функционирования бытовых приборов и деятельности людей.

2. На основании полученных данных рассчитывается годичное потребление тепловой энергии для каждого индивидуального объекта:

Qгод = 24*0.63*Qт. пот.*(( d*( tвн — tнар.ср.)/ ( tвн — tнар.))(кВт/час за год.) где:

tвн – рекомендуемая температура воздушной среды внутри помещения;

tнар – наружная температура воздуха;

tнар.ср – среднеарифметическое значение температуры наружного воздуха за весь отопительный сезон;

d – число дней отопительного периода.

3. Для полного анализа потребуется рассчитать и уровень тепловой мощности необходимой для разогрева воды:

Qгв = V * 17(кВт/час за год.) где:

V –объем каждодневного нагрева воды до 50 °С.

Тогда суммарный расход тепловой энергии определится по формуле:

Q = Qгв + Qгод (кВт/час за год.)

Принимая во внимание полученные данные, подобрать наиболее подходящий тепловой насос для отопления и горячего водоснабжения не составит большого труда. Причем расчетная мощность определится как. Qтн=1,1*Q, где:

Qтн=1,1*Q, где:

1,1 – корректирующий коэффициент, указывающий возможность увеличения нагрузки на тепловой насос в период возникновения критических температур.

Выполнив расчет тепловых насосов можно подобрать наиболее подходящий тепловой насос, способный обеспечить требуемые параметры микроклимата в помещениях с любыми техническими характеристиками. А учитывая возможность интеграции указанной системы с климатической установкой теплый пол можно отметить, не только ее функциональность, но и высокую эстетическую стоимость.

Тепловые насосы: расчет, выбор, монтаж

Принцип действия теплового насоса

Использование альтернативных экологически чистых источников энергии может предотвратить назревающий энергетический кризис. Наряду с поисками и освоением традиционных источников (газ, нефть), перспективным направлением является использование энергии, накапливаемой в водоемах, грунте, геотермальных источниках, технологических выбросах (воздух, вода, стоки и др.). Однако температура этих источников довольно низкая (0–25 °C) и для эффективного их использования необходимо осуществить перенос этой энергии на более высокий температурный уровень (50– 90 °C).

Реализуется такое преобразование тепловыми насосами (TH), которые, по сути, являются парокомпрессионными холодильными машинами (рис. 1). Низкотемпературный источник (ИНТ) нагревает испаритель 3, в котором хладагент кипит при температуре –10…+5 °C. Далее тепло, переданное хладагенту, переносится классическим парокомпрессионным циклом к конденсатору 4, откуда поступает к потребителю (ПВТ) на более высоком уровне.

Тепловые насосы используют в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторе. В настоящее время в мире эксплуатируется более 10 млн тепловых насосов различной мощности: от десятков киловатт до мегаватт. Ежегодно парк ТН пополняется примерно на миллион единиц. Так, в Стокгольме тепловая насосная станция мощностью 320 МВт, используя зимой морскую воду с температурой +4 °C, обеспечивает теплом весь город [4].

Еще в 2004 г. мощность тепловых насосов, установленных в Европе, составляла 4531 МВт, а во всем мире тепловыми насосами уже была получена тепловая энергия, эквивалентная выделяемой при сгорании 1,81 млрд м3 природного газа. Энергетически эффективны тепловые насосы, использующие геотермальные и подземные воды. В США федеральным законодательством утверждены требования по обязательному использованию геотермальных тепловых насосов (ГТН) при строительстве новых общественных зданий.

В Швеции 50 % всего отопления обеспечивается геотермальными тепловыми насосами. К 2021 г. по прогнозам Мирового энергетического комитета доля геотермальных тепловых насосов составит 75 %. Срок службы ГТН составляет 25–50 лет. Перспективность применения тепловых насосов показана в [5]. Тепловые насосы подразделяют по принципу действия (компрессорные, абсорбционные) и по типу цепи передачи тепла «источник–потребитель».

Различают следующие типы тепловых насосов: «воздух–воздух», «воздух–вода», «вода– воздух», «вода–вода», «грунт–воздух», «грунт–вода», где первым указывается источник тепла. Если для отопления используется только тепловой насос, то система называется моновалентной. Если дополнительно к тепловому насосу подключается другой источник тепла, работающий отдельно или параллельно с тепловым насосом, система называется бивалентной.

Тепловой насос с гидравлической обвязкой (водяными насосами, теплообменниками, запорной арматурой и др.) называют тепловой насосной установкой. Если среда, охлаждаемая в испарителе, такая же, как и среда, нагреваемая в конденсаторе («вода–вода», «воздух– воздух»), то путем изменения потоков этих сред можно изменить режим ТН на обратный (охлаждение на нагрев и наоборот). Если среды — газы, то такое изменение режима называют обратимым пневматическим циклом, если жидкости — обратимым гидравлическим циклом (рис. 2).

В случае, когда обратимость цикла осуществляется изменением направления хладагента с помощью клапана обратимости цикла, используют термин «тепловой насос, работающий в обратимом холодильном цикле».

Низкопотенциальные источники тепла

1. Воздух

В системах кондиционирования широко используются тепловые насосы типа «воздух–вода». Наружный воздух продувается через испаритель, а тепло, отводимое от конденсатора, нагревает воду, используемую для обогрева помещения в помещении (рис. 3). Преимуществом таких систем является доступность низкопотенциального источника тепла (воздуха). Однако температура воздуха изменяется в большом диапазоне, достигая отрицательных значений.

При этом эффективность теплового насоса сильно снижается. Так, изменение температуры наружного воздуха с +7 °C до –10 °C приводит к снижению производительности теплового насоса в полтора-два раза. Для подачи воды от ТН к обогреваемым помещениям в них устанавливаются теплообменники, именуемых в литературе «фанкойлами». Вода к фанкойлам подается гидравлической системой — насосной станцией (рис. 4). Для повышения точности поддержания температуры в помещении и уменьшения инерционности в гидравлической системе устанавливаются аккумулирующие баки. Емкость аккумулирующего бака Vаб [л] может быть определена по формуле [8]:

где Qх — холодопроизводительность ТН, кВт; Vп — объем охлаждаемых помещений, м3; Vсист — количество воды в системе, л; Z — количество ступеней мощности ТН. Если Vаб получится отрицательным, то аккумулирующий бак не устанавливают. Для компенсации температурного расширения воды в гидравлической системе на всасывающей стороне насоса устанавливают расширительные баки. Объем расширительного бака Vрб [л] определяется по формуле [8]:

где Vсист — объем системы, л; k — коэффициент объемного расширения жидкости (вода — 3,7 × 10–4, антифриз — (4,0– 5,5) × 10–4); Δt — перепад температуры жидкости (при работе только в режиме охлаждения Δt = tокр – 4 °C, а при работе только в режиме теплового насоса Δt = 60 – 4 = 56 °C); Pсист — давление в системе; Pпред — настройка предохранительного клапана. Давление в системе Pсист зависит от взаимного расположения насосной станции и конечного потребителя (фанкойла).

Если насосная станция расположена ниже потребителя, то давление Pсист определяют как максимальный перепад высот (в барах) плюс 0,3 бар. Если насосная станция расположена выше всех потребителей, то Pсист = 1,5 бар. Расширительный бак предварительно накачивается воздухом до давления, на 0,1–0,3 бар меньше расчетного, а после монтажа давление доводится до нормы. Конструкция расширительных баков показана на рис. 5.

Выпускаются расширительные установки, поддерживающие давление с водяной стороны в больших по объему системах отопления и кондиционирования. Установка оснащена свободно программируемым процессором и может быть подсоединена с помощью интерфейса к центральному пульту управления. Это упрощает контроль над функционированием системы. Технические характеристики: объем 200–5000 л; максимальное избыточное давление — 10 бар; максимальная температура — 120 °C.

Реле протока (РП) отключает холодильную машину при отсутствии потока жидкости, что предупреждает замерзание жидкости в теплообменнике (ТП). Трехходовой клапан смешивает два потока жидкости («A» и «B»), поддерживая заданную температуру жидкости. Управляется трехходовой клапан микроконтроллером. Конструкция трехходового клапана приведена на рис. 6.

В нижнем крайнем положении запорного конуса проход потоку «B» закрыт, в верхнем положении конуса закрыт проход потоку «A». Для перемещения запорного конуса на весь ход от одного до другого крайнего положения подается управляющее напряжение питания на электропривод в диапазоне от 0 до 10 В. Питание электродвигателя — 24 В. С выхода привода выдается контрольный сигнал о положении запорного конуса.

Время полного хода конуса составляет 100–150 с. Имеется возможность ручного перемещения конуса с помощью шестигранного ключа. Перетечки жидкости при закрытом канале не превышают 1 % от пропускной способности. В случае неисправности трехходового клапана и гидравлической системы после трехходового клапана жидкость будет циркулировать через обратный клапан (ОК). Для установки расчетного расхода жидкости в системе используется балансировочный клапан, который представляет собой высокоточный клапан ручного или автоматического регулирования.

На нем имеются выходы для измерения расхода и давления жидкости. Выпускаются балансировочные клапаны, настраиваемые наладочным контроллером, для чего в последний вводятся расчетные значения расхода и давления, после чего контроллер автоматически устанавливает балансировочный клапан в необходимое положение. К расширительному баку подключаются клапаны подпитки жидкости (КПЖ) и клапаны подпитки воздуха (КПВ). При установке фильтра (Ф) обращайте внимание на направление потока жидкости через фильтр.

В верхней точке гидравлической схемы устанавливается автоматический воздуховыпускной клапан (ВК). Предохранительный клапан настраивается по предельно допустимому давлению самого слабого элемента в сети плюс 1 бар (7–10 бар). При необходимости работать по бивалентной схеме можно параллельно ТН подключить бойлер с электроподогревом.

2. Вода

В тепловых насосах с водяными источниками тепла (реки, озера, моря) используется накопленная энергия Солнца. Эта энергия является идеальным источником для тепловых насосов, т.к. она поступает непрерывно, хотя и является менее доступной, чем воздух. Температура воды в незамерзающих водоемах не опускается ниже 4 °C, а артезианская вода имеет почти постоянную температуру 10–12 °C. Учитывая, что при отборе тепла воду нельзя охлаждать ниже 0 °C, перепад температуры на теплообменнике составляет несколько градусов.

При этом для увеличения отбора необходимого количества тепла требуется увеличивать расход воды. Для ТН небольшой мощности не рекомендуется качать грунтовую воду с глубины более 15 м. В противном случае потребуется большие затраты на насосы и их эксплуатацию. Контур отбора тепла из водоема может быть открытым или закрытым.

В первом случае вода из водоема перекачивается через охладитель, охлаждается и возвращается в водоем (рис. 9). Такая система требует фильтрации подаваемой в охладитель воды и периодической чистки теплообменника. Как правило, устанавливается промежуточный разборный теплообменник. Забор и возврат воды должны осуществляться в направлении потока грунтовых вод, чтобы исключить «байпасирование» воды.

Заборная магистраль должна оснащаться обратным клапаном 4, располагаемым в точке забора или после глубинного насоса 5. Подвод и отвод грунтовых вод к тепловому насосу необходимо защитить от замораживания и прокладывать с наклоном в сторону скважины. Расстояние между заборной 2 и возвратной 1 скважинами должно быть не менее 5 м. Точка выхода воды в возвратной скважине должна быть ниже уровня грунтовых вод. Объемный расход воды определяется из холодопроизводительности ТН:

Qх = LρcpΔt, (3)

где L — объемный расход воды, м3/ч; cp — удельная теплоемкость воды, 1,163 × 10–3 кВт⋅ч/(кг⋅K); ρ — плотность воды, 1000 кг/м3; Δt — разность температур заборной и возвратной воды. Отсюда:

Если принять Qх = 12 кВт (определяется по паспорту теплового насоса), а Δt = 4 K, то L [м3/ч] будет равно:

Закрытый контур укладывается на дно водоема. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода закрытого контура составляет порядка 30 Вт [2]. То есть, для получения 10 кВт тепла контур должен иметь длину 300 м. Для того, чтобы контур не всплывал, на один погонный метр необходимо устанавливать груз весом около 5 кг.

3. Грунт

В грунтовых ТН используется тепловая энергия, накопленная в грунте за счет нагрева ее Солнцем или другими источниками. Аккумулированное грунтом тепло трансформируется с помощью горизонтально проложенных грунтовых теплообменников (которые также называют грунтовыми коллекторами) или с помощью вертикально расположенных теплообменников (грунтовые зонды). Как правило, обычно грунтовые теплообменники изготавливаются из полиэтиленовых или металлопластиковых труб диаметром 25–40 мм.

При горизонтальном исполнении трубопровод, в котором циркулирует жидкость, зарывается в землю на глубину ниже уровня промерзания почвы (1,2– 1,5 м). Минимальное расстояние между трубами — 0,7–1 м. В зависимости от диаметра трубы на каждый квадратный метр площади забора тепла может быть проложено 1,4–2 м трубы. Длина каждой ветви горизонтального коллектора не должна превышать 100 м, иначе потери давления в трубе и требуемая мощность насоса слишком велики.

Количество трансформируемого тепла, а, следовательно, и размер необходимой поверхности для расположения грунтового коллектора существенно зависит от теплофизических свойств грунта и климатических условий местности. Теплофизические свойства, такие как теплоемкость и теплопроводность, очень сильно зависят от состава и состояния грунта. В этом отношении определяющими являются доля воды, содержание минеральных составляющих (кварц, полевой шпат), доля и размер пор, заполненных воздухом.

Аккумулирующие свойства и теплопроводность грунта тем выше, чем больше доля воды, минеральных составляющих и чем ниже содержание пор. Среднее значение удельной тепловой мощности грунта приведено в табл. 1 [7]. Требуемая площадь S [м2] для расположения коллектора рассчитывается:

S = Qx/g, где (5)

Qх = Qт – Pн, (6)

где Qт — теплопроизводительность ТН, Вт; Pн — потребляемая мощность ТН от сети, Вт; g — удельная мощность грунтового коллектора, Вт/м2. Так, если холодопроизводительность ТН составит 10 кВт, то в песчаном влажном грунте (20 Вт/м2) для размещения коллектора потребуется площадь S [м2]:

Чтобы трансформировать тепло с такой площади, необходимо проложить в грунте полиэтиленовые трубы диаметром 25 × 2,3 мм и длиной 500 × 1,4 = 700 м (1,4 — удельный расход трубы на квадратный метр площади). Трубы необходимо прокладывать отдельными контурами по 100 м каждый, т.е. семь контуров. Все распределители и коллекторы следует располагать в доступных для осмотра местах, например, в отдельных распределительных шахтах вне дома или в подвальной шахте дома.

Фитинги должны изготавливаться из коррозионностойких материалов. Все трубопроводы в доме и вводы через стену должны быть тщательно теплоизолированы с обеспечением диффузионной непроницаемости для пара, чтобы избежать появления конденсата, поскольку в подающей и обратной магистралях находится холодный (относительно температуры подвала) теплоноситель. При вертикальном исполнении грунтового зонда бурится скважина глубиной 60–200 м, в которую опускается несколько U-образных трубопроводов (рис. 11). В глинистом влажном грунте при холодопроизводительности теплового насоса 10 кВт длина зонда L [м] (глубина скважины) должна быть:

Целесообразно сделать две петли с глубиной залегания 50 м диаметром Dу = 32 × 3 мм. Общая длина труб составит 200 м. Скважина с трубами заливается бетонитом, хорошо проводящим тепло. Количество теплоносителя определяется внутренним объемом труб коллектора (зонда) и подводящих труб. Диаметр подводящих труб берут на размер большим, чем труба коллектора. В нашем примере при трубе зонда Dу = 32 × 3 мм и подводящей трубе Dу = 40 × 2,3 мм длиной 10 м внутренний объем (табл. 2) с учетом подающей линии составит:

2 × 100 × 0,531 + 10 × 0,984 = 116,04 л.

Расход теплоносителя теплового насоса находят по паспорту на тепловой насос. Примем 1600 л/ч, тогда расход на одну петлю составит 800 л/ч. Потери давления в трубах зависят от диаметра труб, плотности и расхода теплоносителя и определяется по данным завода-изготовителя труб. Так, для труб HDPE (полиэтилен высокой плотности) 32 × 3 мм и расходе 800 л/ч величина потерь составляет 154,78 Па/м, а для труб диаметром 40 × 2,3 — 520,61 Па/м [7].

Откуда общее падение давления в сети составит 36161,1 Па, что необходимо учесть при выборе насоса. Срок службы грунтового коллектора зависит от кислотности почвы: при нормальной кислотности (pH = 5) эта величина составляет 50–75 лет, при повышенной (pH > 5) — 25–30 лет.

Эффективность тепловых насосов

В качестве основного показателя эффективности теплового насоса применяется коэффициент преобразования или отопительный коэффициент СОР (Coefficient of Performance), равный отношению теплопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором. В режиме охлаждения для оценки эффективности применяется холодильный коэффициент EER (Energy Efficiency Ratio), равный отношению холодопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором:

где Qr — энергия, отдаваемая ПВТ; Qc — тепловая энергия, отбираемая у ИНТ; N — затраченная электроэнергия; tк и t0 — температуры конденсации и кипения в тепловом насосе. Температура tк определяется давлением конденсации хладагента в ТН, а t0 — температурой ИНТ. Так, если принять t0 = 281,16 K (8 °C) и tк = 323,16 K (50 °C), то COP будет равен 7,7. Если тепло отводится водой, то различные хладагенты позволяют достичь следующих температур [1]: при R717, R502, R22 около +50 °C, при R134a +70 °C, и при R142 +100 °C.

Следует помнить об основном правиле, вытекающем из формулы (4): чем меньше разность температур между источником и приемником тепла в тепловом насосе, тем выше коэффициент преобразования. Когда в тепловых насосах одновременно используется тепло и холод (например, охлаждение холодильных камер и нагрев офисных помещений), то:

При равнопотенциальном цикле имеет место Qr = Qc:

При указанных выше температурах суммарный коэффициент преобразования может достигать 12,7, что характеризует высокую энергетическую эффективность теплового насоса. Реальные СОР несколько ниже и составляют порядка трех-пяти. В абсорбционных тепловых насосах коэффициент преобразования ниже, чем в компрессионных, из-за больших потерь в элементах абсорбционного контура.

Так, при использовании грунтовых вод с t0 = 281,16 K (8 °C) и температурой полезного тепла tк = 323,16 K (50 °C) коэффициент преобразования абсорбционного ТН составит всего 1,45 [1]. Температура полезного тепла в абсорбционных тепловых насосах зависит также от температуры нагрева генератора. При указанных выше температурах нагрев генератора должен быть не меньше 150 °C. За период отопительного сезона (октябрь-май) для обогрева 100 м2 жилого помещения электрическим котлом потребуется 37,440 кВт электроэнергии, а тепловым насосом — 12,024 кВт. При тарифе 0,24 грн за 1 кВт⋅ч электроэнергии экономия составит 6100 грн. Для российской действительности: тариф — 3 руб., экономия — 76 руб/ч.

По данным www.aeroprof.by, применение ТН в 1,2–1,5 раза выгоднее самой эффективной газовой котельной. Стоимость теплового насоса ориентировочно можно оценивать из расчета 850–2500 грн (в пересчете на рубли это примерно 5–8 тыс. руб.) за 1 кВт вырабатываемой тепловой мощности. Срок окупаемости — 7–14 лет.

Выбор оборудования для ТН

Выбор оборудования начинается с расчета теплопотребления здания. В настоящее время имеется разнообразные программы для расчета на ПК теплопотребления, которые можно найти в Интернете или получить у поставщиков оборудования. Ориентировочный расчет можно сделать исходя из отапливаемой площади здания и количества потребляемой горячей воды.

Также в случае периодических отключений электроэнергии необходимо увеличить тепловую мощность теплового насоса. Если время отключения электроэнергии не превышает двух часов, этот фактор можно не учитывать. Удельное теплопотребление зависит от типа здания: здание с низким потреблением, т.е. современные материалы, утепление стен, окна из стеклопакетов (40 Вт/м2); новостройка с хорошей теплоизоляцией (50 Вт/м2); здание со стандартной теплоизоляцией (80 Вт/м2); старые постройки без особой изоляции (120 Вт/м2). Учет дополнительной тепловой мощности для компенсации потерь тепла на время плановых отключений электроэнергии производится следующим образом. Сначала определяют суточное (за 24 ч) потребление тепла Qсут [кВт]:

где Qтн — теплопроизводительность ТН, кВт; τотк — время отсутствия электроэнергии, ч. Расчет дополнительной тепловой мощности для приготовления горячей воды производят, исходя из потребления одним человеком около 50 л/ сут. воды с температурой 45 °C, что соответствует 0,25 кВт/чел. Более точный расчет можно выполнить, пользуясь данными табл. 3.

Рассмотрим пример построения теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом, работающего круглогодично в двух режимах (охлаждение или нагрев) в зависимости от периода года с использованием оборудования и программного обеспечения компании CIAT (Франция). Исходные требования: теплопроизводительность 510 кВт; низкотемпературным источником является морская вода с температурой в теплый период года ≤ 20 °C, в холодный период года — 7 °C; высокотемпературный потребитель: вода с температурой на выходе теплообменника +55 °C; минимальная температура наружного воздуха –10 °C (Крым, Украина).

Данную задачу решим, используя тепловой насос с обратимым гидравлическим циклом, схема которого приведена на рис. 2. Учитывая, что температура наружного воздуха отрицательная (–10 °C), в тепловом насосе применяем двухконтурную систему. В первичном контуре используется раствор этиленгликоля с температурой замерзания ниже –10 °C (20 %-я смесь этиленгликоля с водой).

В соответствии с исходными требованиями выберем перепад температур в высокотемпературном контуре Δtвых = = 5 °C (50/55 °C). Тогда температуры теплоносителя в контуре конденсатора должны быть соответственно 55/60 °C. Для получения таких температур в тепловом насосе целесообразно использовать хладагент R134a [1]. В соответствии с исходными требованиями зададим перепад температур ИНТ будет 7/4 °C, тогда в контуре испарителя перепад температур, соответственно, составит 5/2 °C.

Используя программу подбора оборудования фирмы CIAT, определим тип и параметры теплового насоса в режимах работы на нагрев и охлаждение. Программой выбран тепловой насос Hydrociat 2500BX LW/LWP R134a с параметрами, приведенными в табл. 4. Далее подбираем пластинчатый высокотемпературный теплообменник «тепловой насос–потребитель» по следующим исходным данным (режим нагрева): температура воды (выход/вход) 55/50 °C; температура 20 %-го раствора этиленгликоля в первичном контуре (выход/ вход) 60/55 °C; расход 20 %-го раствора этиленгликоля: 93,4 м3/ч (табл. 1).

Программа CIAT выбирает пластинчатый теплообменник PWB 30-11 производительностью 517 кВт (табл. 5). Низкотемпературный теплообменник «морская вода–тепловой насос» в режиме нагрева подбираем по следующим исходным данным: источник низкопотенциальной теплоты (первичный контур) — морская вода с температурой (вход/выход) 7/4 °C; температура 20 %-го раствора этиленгликоля в первичном контуре 5/2 °C; расход 20 %-го раствора этиленгликоля 102,8 м3/ч.

Программа CIAT выбирает пластинчатый теплообменник PWB 45 11. Выполним проверочный расчет рассчитанного ранее теплообменника PWB 30-11 с 43 пластинами для теплого периода года и определим температуры воды на выходе/входе потребителю. Программа CIAT показала, что в летний период производительность теплообменника PWB 30-11 составит 437 кВт и температуры холодоносителя составят (выход/вход) 7,5/12 °C (табл. 7). Итак, подобранный тепловой насос Hydrociat 2500BX LW/LWP обеспечивает: в холодный период года теплопроизводительность 517 кВт при потребляемой мощности 191 кВт; в теплый период года холодопроизводительность 395,9 кВт при потребляемой мощности 158 кВт.

Выводы

1. Тепловые насосы, использующие возобновляемые источники тепла, являются самым энергетически эффективным отопительным оборудованием.
2. Системы, построенные на базе ТН, надежные, безопасные и долговечные.
3. Получение тепла посредством теплового насоса — экологически чистый технологический процесс.
4. Современное климатическое оборудование (например, французский CIAT) позволяет создать ТН с производительностью от десятков киловатт до мегаватта и даже более.

Типы тепловых насосов

Тепловые насосы делят на три основных типа по источнику низкопотенциальной энергии:

• Воздух.
• Грунт.
• Вода — источником могут быть грунтовые воды и водоемы на поверхности.

Для водяных систем отопления, которые более распространены, применяются такие виды тепловых насосов:

«Воздух-вода» — воздушный тип теплового насоса, обогревающий здание путем забора воздуха снаружи посредством внешнего блока. Работает по принципу кондиционера, только наоборот, преобразуя энергию воздуха в тепло. Такой теплонасос не требует больших затрат на установку, под него не нужно отводить участок земли и, тем более, бурить скважину. Однако, эффективность эксплуатации при низких температурах (-25ºС) снижается и требуется дополнительный источник тепловой энергии.

Устройство «грунт-вода» относится к геотермальным и производит забор тепла из земли с помощью коллектора, уложенного на глубину ниже промерзания грунта. Также здесь существует зависимость от площади участка и ландшафта, если коллектор расположен горизонтально. Для вертикального расположения потребуется бурить скважину.

«Вода-вода» устанавливается там, где рядом есть водоем или грунтовые воды. В первом случае коллектор укладывается на дно водоема, во втором бурится скважина или несколько, если позволяет площадь участка. Иногда глубина пролегания подземных вод слишком большая, поэтому затраты на установку такого теплонасоса могут быть очень высоки.

Каждый тип теплового насоса имеет свои преимущества и недостатки, если здание находится далеко от водоема или грунтовые воды слишком глубоко, то «вода-вода» не подойдет. «Воздух-вода» будет актуален только в относительно теплых регионах, где температура воздуха в холодное время года не опускается ниже отметки -25º С.

Этапы расчета теплового насоа

Первый этап – расчет теплопоетрь

Основное, что необходимо сделать в первою очередь – это определить теплопотери здания. За расчетом теплопотерь лучше обратиться к специалистам. Сейчас существует достаточно программ, способных рассчитать теплопоетри с высокой точностью как для всего дома, так и для каждого помещения в отдельности. Также существуют простенькие программы в интернете, которыми можно воспользоваться самостоятельно. Можно рассчитать вручную, рассчитав теплопотери через стены, полы, крышу, окна и вентиляцию. Для такого расчета необходимо обладать определенными знаниями. Самый простой способ — воспользоваться усредненными данными. Для предварительного расчета теплового насоса достаточно будет воспользоваться любым способом. Учитывая, что стоимость киловатта теплового насоса высока и если будет принято окончательное решение об установке геотермальной системы, то расчет должен быть достаточно точным и выполнен специалистами. Промах на один киловатт может стоить дополнительных 30-50 тысяч рублей.

Второй этап. Расчет внешнего контура теплового насоса

Источником низкопотенциального тепла может быть воздух, грунт, вода, сточные воды. На этом этапе рассчитывается длина труб и необходимая площадь участка для горизонтального геотермального контура. Для вертикальных зондов определяется длина скважин с помещенным в них геотермальными зондами. Для открытой схемы из скважины в скважину рассчитывается необходимый дебет и подбирается погружной насос.

Особое внимание необходимо уделить расчету теплового насоса воздух-вода. Дело в том, что источник тепла воздух, в отличии от геотермальных систем, сильно влияет на выходную тепловую мощность теплового насоса. Все производители, в характеристиках, пишут выходную мощность, для наружных температур от +2С до +7С. Одни указывают на +2С, другие на +5С, третьи на +7С. На эти параметры необходимо обращать внимание. Что происходит? При понижении температуры, выходная мощность теплового насоса воздух-вода падает. Допустим при +5С мощность была 10 кВт, то при -10С мощность может уменьшится до 6-7 кВт. У производителей компрессоров есть специальные таблицы или графики. В этих таблицах указывается мощность компрессора в зависимости от температуры входящего низкопотенциального тепла. С помощью таблиц, под определенную отрицательную температуру, можно подобрать тепловой наос. Допустим подобрали на +5С мощностью 16 кВт, при -10С он выдаст необходимые 10 кВт.

Методика расчета мощности теплового насоса

Помимо определения оптимального источника энергии, потребуется высчитать необходимую для обогрева мощность теплонасоса. Зависит она от величины теплопотерь здания. Произведем расчет мощности теплового насоса для отопления дома на конкретном примере.

Для этого используем формулу Q=k*V*∆T, где

• Q — это теплопотери (ккал/час). 1 кВт/ч = 860 ккал/ч;
• V — объем дома в м3 (площадь умножаем на высоту потолков);
• ∆Т – отношение минимальных температур снаружи и внутри помещения в самый холодный период года, °С. Из внутренней tº вычитаем наружную;
• k — обобщенный коэффициент теплопередачи здания. Для кирпичного здания с кладкой в два слоя k=1; для хорошо утепленного здания k=0,6.

Таким образом, расчет мощности теплонасоса для отопления кирпичного дома в 100 кв.м и высотой потолков 2,5 м, при перепаде ttº от -30º на улице до +20º внутри, будет таковым:

Q = (100х2.5) х (20- (-30)) х 1 = 12500 ккал/час

12500/860= 14,53 кВт. То есть, для стандартного кирпичного дома площадью 100 м понадобится 14-килловатное устройство.

Выбор типа и мощности теплонасоса потребитель принимает, исходя из ряда условий:

• географические особенности местности (близость водоемов, наличие грунтовых вод, свободного участка под коллектор);
• особенности климата (температуры);
• тип и внутренний объем помещения;
• финансовые возможности.

Учитывая все вышеизложенные аспекты, вы сможете сделать оптимальный выбор оборудования. Для более эффективного и правильного подбора теплового насоса лучше обратиться к специалистам, они смогут сделать более подробные расчеты и предоставить экономическую целесообразность установки оборудования.

Давно и весьма успешно тепловые насосы используются в бытовых и промышленных холодильниках и кондиционерах.

Сегодня эти устройства стали применять и для выполнения функции противоположного характера – обогрева жилища в период холодов.

Давайте же посмотрим, как используются тепловые насосы для отопления частных домов и что нужно знать, чтобы правильно рассчитать все его компоненты.

Промежуточный теплообменник теплового насоса

При реализации проекта по установке теплового насоса по открытой схеме рекомендуется установка промежуточного теплообменника. Он нужен, чтобы защитить фреоновую часть и, самое главное, компрессор теплового насоса от попадания воды. При размораживании теплообменника вода может попасть в систему с фреоном, компрессор закачает эту воду и произойдет гидроудар, который выведет из строя компрессор. Вода перемешается с маслом и достать ее оттуда будет очень проблематично. Такой теплообменник устанавливается между скважиной и тепловым насосом. Участок теплового насоса и промежуточный теплообменник заполняется рассолом с температурой замерзания -10 -15С. Соответственно, если защита не сработает, и вода замерзнет в теплообменнике, то рассол не замерзнет и не разморозит теплообменник теплового насоса. Стоимость промежуточного теплообменника зависит от его конструкции и размера. А последний зависит от мощности теплового насоса.

Лучше всего в качестве промежуточного теплообменника использовать разборный вариант. Но его стоимость в 2-4 раза выше, чем у паянного.

Если скважина чистая, дебет скважины хороший, то можно обойтись и без промежуточного теплообменника, но лучше с ним.

Пример расчета теплового насоса

Подберем ТН для системы отопления одноэтажного дома общей площадью 70 кв. м со стандартной высотой потолка (2,5 м), рациональной архитектурой и теплоизоляцией ограждающих конструкций, соответствующей требованиям современных строительных норм. На обогрев 1-го кв. м такого объекта по общепринятым нормам приходится тратить 100 Вт тепла. Таким образом, для отопления всего дома понадобится:

Q = 70 х 100 = 7000 Вт = 7 кВт тепловой энергии.

Выбираем тепловой насос марки «ТеплоДаром» (модель L-024-WLC) с тепловой мощностью W = 7,7 кВт. Компрессор агрегата потребляет N = 2,5 кВт электроэнергии.

Расчет коллектора

Грунт на отведенном под строительство коллектора участке – глинистый, уровень грунтовых вод высокий (принимаем теплотворную способность p = 35 Вт/м).

Мощность коллектора определяем по формуле:

Qk = W – N = 7,7 – 2,5 = 5,2 кВт.

L = 5200 / 35 = 148.5 м (приблизительно).

Исходя из того факта, что укладывать контур длиной более 100 м нерационально из-за чрезмерно высокого гидравлического сопротивления, принимаем следующее: коллектор теплового насоса будет состоять из двух контуров – длиной 100 м и 50 м.

Площадь участка, который необходимо будет отвести под коллектор, определим по формуле:

S = L x A,

Где А – шаг между соседними участками контура. Принимаем: А = 0,8 м.

Тогда S = 150 x 0.8 = 120 кв. м.

Принцип действия теплового насоса

Теплоноситель нагревается от источника низкопотенциального (5…10 °С) тепла. Насос сжимает хладагент, температура которого при этом повышается (50…60 °С) и нагревает теплоноситель системы отопления или ГВС.

В процессе работы ТН задействованы три тепловых контура:

• наружный (система с теплоносителем и циркуляционным насосом);
• промежуточный (теплообменник, компрессор, конденсатор, испаритель, дроссельный клапан);
• контур потребителя (циркуляционный насос, тёплый пол, радиаторы; у ГВС – бак, точки водоразбора).

Сам процесс выглядит следующим образом:

Контур съёма тепловой энергии

1. Грунт нагревает солевой раствор.
2. Циркуляционный насос поднимает рассол в теплообменник.
3. Раствор охлаждается хладагентом (фреоном) и возвращается в грунт.

1. Жидкий фреон, испаряясь, забирает тепловую энергию у рассола.
2. Компрессор сжимает хладагент, его температура резко повышается.
3. В конденсаторе фреон через испаритель отдаёт энергию теплоносителю отопительного контура и снова становится жидким.
4. Остывший хладагент, через дроссельный клапан уходит к первому теплообменнику.

1. Подогретый теплоноситель отопительной системы подтягивается циркуляционным насосом к рассеивающим элементам.
2. Отдаёт тепловую энергию воздушной массе помещения.
3. Остывший теплоноситель по обратной трубе возвращается к промежуточному теплообменнику.

Видео с подробным описанием процесса:

Окупаемость теплового насоса

Когда речь заходит о том, за сколько времени человек сможет вернуть свои деньги, вложенные в что либо, то имеется ввиду насколько выгодно было само вложение. В сфере отопления все довольно трудно, так как мы обеспечиваем себе же комфорт и тепло, и все системы дорого обходятся, но в таком случае можно поискать такой вариант, который бы вернул потраченные средства путем снижения затрат при использовании. И когда начинаешь искать подходящее решение, сравниваешь всё: газовый котел, тепловой насос или электрокотел. Мы разберем, окупаемость какой системы будет быстрее и эффективнее.

Понятие окупаемости, в данном случае внедрения теплового насоса для модернизации действующей системы теплоснабжения, если просто, можно объяснять так:

Есть одна система — индивидуальный газовый котел, который обеспечивает автономное отопление и ГВС. Имеется кондиционер типа сплит-системы, который обеспечивает холодом одну комнату. Установлено 3 сплит-системы в разных помещениях.

И есть более экономичная передовая технология – тепловой насос, который будет отапливать/охлаждать дома и нагревать воду в нужных количествах для дома или квартиры. Необходимо определить, насколько изменилась общая стоимость оборудования и начальных затрат, а также оценить на сколько уменьшились годовые затраты на эксплуатацию выбранных видов оборудования. И определить, за сколько лет при полученной экономии окупится более дорогое оборудование. В идеале сравниваются несколько предлагаемых проектных решений и выбирается наиболее экономически выгодный.

Проведем расчет и выяским, какой срок окупаемости теплового насоса в Украине

Рассмотрим конкретный пример

• Дом в 2 этажа, хорошо утеплен, общей площадью 150 м кв.
• Система разводки тепла / отопления: контур 1 – теплый пол, контур 2 – радиаторы (или фанкойлы).
• Установлен газовый котел для отопления и горячего водоснабжения (ГВС), например 24кВт, двухконтурный.
• Система кондиционирования из сплит-систем для3-х помещений дома.

Годовые затраты на отопление и нагрев воды

1. Ориентировочно стоимость котельной с газовым котлом 24 кВт (котел, обвязка, разводка, бак, счетчик, монтаж) составляет около 1000 Евро. Система кондиционирования воздуха (одна сплит-система) для такого дома будет стоить около 800 евро. Суммарно с обустройством котельной, проектными работами, подключением к сети газопровода и монтажными работами – 6100 евро.

1. Приблизительная стоимость теплового насоса Mycond с дополнительной системой фанкойлов, монтажными работами и подключением к электросети — 6650 евро.

1. Рост капиталовложений составляет: К2-К1 = 6650 – 6100 = 550 евро (или около 16500грн.)
2. Снижение эксплуатационных затрат составляет: С1-С2 = 27252 – 7644 = 19608 грн.
3. Срок окупаемости Токуп. = 16500 / 19608 = 0,84 года!

Удобство использования теплового насоса

Тепловые насосы — самое универсальное, многофункциональное и энергоэффективное оборудование для теплоснабжения дома, квартиры, офиса или коммерческого объекта.

Интеллектуальная система управления с недельным или суточным программированием, автоматическим переключением сезонным настроек, поддержанием температуры в дома, экономных режимов, управлением подчиненным котлом, бойлером, циркуляционными насосами, контролем температур в двух отопительных контурах, является наиболее совершенной и передовой. Инверторное управление работой компрессора, вентилятора, насосов, дает возможность максимальной экономии энергопотребления.

Предварительный расчёт теплового насоса

Перед тем как изготовить насос типа вода-вода, проводится расчёт проекта и определяется необходимая мощность оборудования. Ведь такой проект в каждом конкретном случае будет отличаться исполнением. При расчёте должны быть учтены потери тепла зданием, контур горячего водоснабжения, дополнительный расходы тепловой энергии и т. п. Всё это можно сделать только индивидуально в каждом конкретном случае.

Скважина для теплового насоса
Примерный расчёт теплового насоса вода-вода можно выполнить самостоятельно. Как это сделать? Для начала нужно подсчитать площадь помещения, которое вы собираетесь отапливать. Связь между площадью и требуемым количеством тепла описывается соотношение: на 10 квадратных метров требуется 0,7 киловатт тепловой энергии. Нетрудно подсчитать, что дом площадью 100 квадратных метров потребует установки мощностью 7 киловатт. Если помимо отопления, насос у вас будет обеспечивать ещё и горячее водоснабжение, то к полученной цифре нужно добавить запас примерно 20 процентов.
Вышеописанная формула расчёта справедлива для домов со средней степенью теплоизоляции. Высота потолков в помещениях до 2,7 метра. Более точный и окончательный расчёт насоса вода-вода выполняется специалистами, которые будут изготавливать и монтировать оборудование. В нём они учитывают все дополнительные нюансы.

Работа теплового насоса при работе по схеме грунт-вода

Укладку коллектора в грунт можно произвести тремя способами.

Горизонтальный вариант

Трубы укладываются в траншеи «змейкой» на глубину, превышающую глубину промерзания грунта (в среднем – от 1 до 1,5 м).
Для такого коллектора потребуется участок земли достаточно большой площади, но зато его может построить любой домовладелец – никаких навыков, кроме умения работать лопатой, не понадобится.

Следует, правда, учесть, что сооружение теплообменника ручным способом – довольно трудоемкий процесс.

Вертикальный вариант

Трубы коллектора в виде петель, имеющих форму литеры «U», погружаются в скважины глубиной от 20 до 100 м. При необходимости можно построить несколько таких скважин. После установки труб скважины заливают цементным раствором.

Достоинство вертикального коллектора состоит в том, что для его строительства нужен совсем небольшой участок. Однако, пробурить скважины глубиной более 20 м самостоятельно нет никакой возможности – придется нанимать бригаду бурильщиков.

Комбинированный вариант

Этот коллектор можно считать разновидностью горизонтального, но для его строительства потребуется гораздо меньше места.
На участке выкапывается круглый колодец глубиной от 2-х м.

Трубы теплообменника укладываются спиралью, так что контур представляет собой как бы вертикально установленную пружину.

По завершении монтажных работ колодец засыпают. Как и в случае с горизонтальным теплообменником, весь необходимый объем работ можно произвести своими руками.

Коллектор заполняется антифризом – тосолом или раствором этиленгликоля. Для обеспечения его циркуляции в контур врезается специальный насос. Вобрав в себя тепло грунта, антифриз поступает к испарителю, где происходит теплообмен между ним и хладагентом.

Следует учесть, что неограниченный отбор тепла из грунта, особенно при вертикальном расположении коллектора, может привести к нежелательным последствиям для геологии и экологии участка. Поэтому в летний период ТН типа «грунт – вода» весьма желательно эксплуатировать в реверсивном режиме – кондиционирование.

Газовая система отопления имеет массу преимуществ и одно из главных – низкая стоимость газа. Как обустроить обогрев жилища газом, вам подскажет схема отопления частного дома с газовым котлом. Рассмотрим проект отопительной системы и требования к замещению.

Об особенностях выбора солнечных батарей для отопления дома читайте в этой теме.

Как действует грунтовой тепловой насос? Принцип работы.

Для получения тепла из грунта нужен грунтовый теплообменник. Для этого просто помещается в землю труба, образующая петлю, в которой циркулирует жидкость — в народе ее называют рассолом. Петля (на практике их бывает несколько) проходит через испаритель теплового насоса, где температура рассола понижается и становится ниже, чем температура грунта. Проходя далее по трубе в земле, рассол постепенно нагревается. В конце снова попадает в испаритель, где отдает тепло.

Таким образом, рассол является посредником в обмене разницы температур между почвой и испарителем насоса.

Теплообменник может быть горизонтальный или вертикальный. В выборе решения помогает размер земельного участка – для изготовления горизонтального теплообменника требуется несколько сотен квадратных метров, а на вертикальные зонды достаточно несколько десятков.

Важно, чтобы объем теплообменника был большим – на весь отопительный сезон насос получает из грунта несколько мегаватт-часов тепла. Если он слишком мал, то подвергается чрезмерному охлаждению и, как следствие, насос не может правильно работать. Система управления грунтового теплового насоса, как правило, выключает его, когда температура рассола снижается до -7°С, потому что ниже этого значения ход процессов в контуре чрезмерно нарушается.

Грунтовой тепловой насос с горизонтальным теплообменником.

В случае теплообменника из труб расположенных горизонтально, оптимальной считается глубина 0,2 — 0,5 м ниже границы промерзания. Однако, если на относительно небольшой глубине находится водоток, то лучшим решением является размещение труб именно в нем. Тогда тепловой насос достигает более высокого коэффициента производительности Кп.

Трубы горизонтального теплообменника укладываются в заранее подготовленном котловане с размерами, соответствующими требуемой поверхности теплообменника. Ведут их в виде змеевика (изгибами) по всей поверхности котлована, с соблюдением определенных интервалов между соседними участками. Интервалы не должны быть меньше, чем 0,4 м и не больше, чем 1,2 м с учетом вида грунта, из которого вытекает его способность к „регенерации” (добавления тепла). Чем дольше поверхность грунта замерзшая, тем больше должен быть интервал.

Нужно помнить, что тепловая мощность теплообменника не вытекает из длины трубы, только от поверхности грунта, на котором она уложена. Небольшие зазоры не позволяют получать от него большего количества тепла, по причине необходимости применения длинной трубы. Это выражается в большей стоимости инвестиций, а также эксплуатации, потому что для перекачивания рассола через длинную трубу, необходим циркуляционный насос с большей мощностью. Из-за этого слишком большого зазора между трубами происходит то, что тепло не поступает в проектном количестве, так что мощность теплообменника получается меньше.

Проект грунтового теплообменника.

Проектирование грунтового теплообменника соответствующего размера — это ключ к правильной работе теплового насоса. Для расчета необходимой его величины требуется информация о требуемой мощности теплового насоса. Если ее нет в технических характеристиках устройства, то достаточно знать, что она соответствует тепловой мощности, уменьшенной на мощность компрессора. Если мы не знаем, какую мощность имеет компрессор, но у нас есть информация о коэффициенте производительности Кп, то мощность охлаждения вычислим с достаточной точностью по формуле:

Qохл = (Кп – 1)/Кп • Qотопл.

Нужно обратить внимание, чтобы подставленные значения были достигнуты при температуре, соответствующей той, которая царит как в грунте, так и в отопительной системе во время работы насоса на полную мощность (например, 0/35 – температура рассола 0 градусов Цельсия, системы отопления 35 градусов Цельсия).

Расчет поверхности теплообменника горизонтального грунтового теплового насоса.

Сила, с которой грунтовый теплообменник передает тепло, зависит от типа почвы, а именно от ее влажности. В зависимости от этого, для расчета поверхности горизонтального теплообменника принимают следующие значения тепловой мощности грунта qg (для полиэтиленовых труб):

• песчаный сухой – 10 Вт/м2
• песчаный, влажный – 15-20 Вт/м2
• глинистый сухой – 20-25 Вт/м2
• глинистый, влажный – 25-30 Вт/м2
• мокрый (водоносный) – 35-40 Вт/м2.

Конечно, это ориентировочные значения.

Трудно оценить, является ли грунт таким же по всей области, предназначенной на теплообменник до тех пор, пока не начнут его строить, поэтому для расчета лучше принять меньшее значение. В правильно сделанной системе компрессор теплового насоса работает от 1800 до 2400 часов в год, производительность тепла грунта приводит к удлинению рабочего времени.

Поверхность теплообменника рассчитывают по формуле:

А = Q/qg

Пример: потребность дома в энергии для отопления составляет 14 кВт, и насос будет их удовлетворять в полном объеме (должен работать в системе моновалентной). Выбранное устройство получает тепловую мощность (отопления) 14 кВт для параметров 0/35, достигая при этом коэффициента эффективности Кп = 4,5. Мощность охлаждения составляет, следовательно, Qохл = (4,5-1)/4,5 • 14 = 10,9 кВт, то есть 10900 W. Теплообменник должен быть изготовлен в грунте, глинистом сухом, поэтому его площадь должна составлять А = 10 900/20 = 545 м2. Обращается внимание на то, что в случае водоносного грунта теплообменник может быть в два раза меньше, но если грунт песчаный, то его площадь займет более 1000 м2. В такой ситуации лучшим решением является размещение труб по вертикали.

Теплообменник вертикального грунтового теплового насоса.

Тепловой насос достигает более высокого коэффициента производительности Кп, когда трубки теплообменника располагаются в земле вертикально – на глубине 40-150 м. Это связано с тем, что на глубине ниже 10 м температура грунта составляет круглый год примерно 10 градусов Цельсия – то есть зимой почти на десять больше, чем на глубине 1,5 метра.

Выполнение теплообменника вертикального, однако, явно дороже, чем горизонтального. Это вертикальные отрезки трубы, образующей петлю (труба проходит вниз через отверстия, на дне она разворачивается и ведется вверх). Их называют геотермальными зондами. В этом случае рассчитываются не по площади, а по общей длине теплообменника, состоящей обычно из более, чем одного зонда.

В вертикальных скважинах помещают по одной или по две пары труб (зонда типа U или Y). Введение трубы для скважины облегчает головка – элемент, соединяющий вертикальные трубы, который могут быть приспособлен для использования дополнительной трубы для заполнения. В отверстия вталкивают головку, а вместе с ней и трубы теплообменника. Затем в скважину заливается жидкий бетон.

В теплообменнике типа Y в одной трубе жидкость течет вниз к головке, а в другой с нее возвращается. В теплообменнике типа двойной U – течет двумя трубами вниз и двумя вверх.

Расстояние между точками бурения глубиной до 50 м не должно быть меньше 5 м, а в случае более глубоких от 8 до 15 метров. Должны быть расположены на линии, перпендикулярной к направлению потока воды.

Расчет длины теплообменника вертикального грунтового теплового насоса.

В этом случае важным является то, как вместе с глубиной изменяются свойства грунта. Сведения могут предоставить геологические карты и документация скважин, ранее сделанных вблизи. На этой основе можно оценить толщину отдельных слоев грунта и вычислить среднее значение коэффициента теплопроводности для области, в которой должны быть размещены трубки теплообменника.

Расчеты, однако, не в состоянии учесть всех движений грунтовых вод и на практике часто случается, что полученный результат значительно отличается от реальности. Чтобы иметь уверенность в том, что вертикальный теплообменник будет работать должным образом, необходимо произвести исследование грунта в месте, в котором должно быть сделано бурение. В этом случае производительность тепла грунта qg также зависит от его типа.

Для труб ПЭ80 составляет:

• грунт песчаный сухой – 10-12 Вт/м;
• песчаный мокрый – 12-16 Вт/м;
• средне-глинистый сухой – 16-18 Вт/м;
• средне-глинистый мокрый – 19-21 Вт/м;
• тяжелый глинистый сухой – 18-19 Вт/м;
• тяжелый глинистый мокрый – 20-22 Вт/м;
• мокрый (водоносный) – 25-30 Вт/м.

Нужно учитывать толщину отдельных слоев определенного типа грунта и на этой основе рассчитать общую производительность каждого зонда.

Производительность тепла грунта, в котором оба слоя сухие, как и водоносных горизонтов, при применении зондов типа двойной U (четыре трубы в скважине), составляет в среднем около 50 Вт/м. Ориентировочно можно принять, что в случае теплового насоса заявителей в примере расчета теплообменника горизонтального (мощностью охлаждения 10,9 кВт), необходимы отверстия с общей длиной L = 10 900/50 = 218 м, то есть, например, четыре по 55 метров.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Эффективность горизонтального коллектора зависит от температуры среды, в которую он погружен, ее теплопроводности, а также площади контакта с поверхностью трубы. Методика расчета достаточно сложна, поэтому в большинстве случаев пользуются усредненными данными.

Считается, что каждый метр теплообменника обеспечивает ТН следующую тепловую мощность:

• 10 Вт – при заглублении в сухой песчаный или каменистый грунт;
• 20 Вт – в сухом глинистом грунте;
• 25 Вт – во влажном глинистом грунте;
• 35 Вт – в очень сыром глинистом грунте.

Таким образом, для расчета длины коллектора (L) следует потребную тепловую мощность (Q) разделить на теплотворную способность грунта (p):

L = Q / p.

Приведенные значения можно считать действительными только при соблюдении следующих условий:

• Участок земли над коллектором не застроен, не затенен и не засажен деревьями или кустами.
• Расстояние между соседними витками спирали или участками «змейки» составляет не менее 0,7 м.

Что дешевле для отопления: электричество, газ или тепловой насос?

Приведем затраты на подключение каждого из типа отопления. Для представления общей картины возьмем Московскую область. В регионах цены могут отличаться, но соотношение цен останется прежним. В расчетах принимаем, что участок «голый» — без проведеного газа и электричества.

Затраты на подключение

Тепловой насос. Укладка горизонтального контура по ценам МО – 10 000 рублей за смену экскаватора с кубовым ковшом (выбирает до 1 000 м³ грунта за 8 часов). Система для дома в 100 м² будет закопана за 2 дня (справедливо для суглинка, на котором можно снять до 30 Вт тепловой энергии с 1 м.п. контура). Порядка 5 000 рублей потребуется для подготовки контура к работе. В итоге, горизонтальный вариант размещения первичного контура обойдётся в 25 000.

Скважина выйдет дороже (1 000 рублей за погонный метр, с учётом монтажа зондов, обвязки их в одну магистраль, заправкой теплоносителем и опрессовкой.), но значительно выгоднее для будущей эксплуатации. При меньшей занятой площади участка возрастает отдача (для скважины 50 м – минимум 50 Вт с метра). Покрываются потребности насоса, появляется дополнительный потенциал. Поэтому вся система будет работать не на износ, а с некоторым запасом мощности. Разместить 350 метров контура в вертикальных скважинах – 350 000 рублей.

Газовый котёл. В Московской области за подключение к газовой сети, работы на участке и монтаж котла «Мособлгаз» запрашивает от 260 000 рублей.

Электрический котел. Подключение трёхфазной сети обойдётся в 10 000 рублей: 550 – местным электросетям, остальное – на распределительный щит, счётчик и прочее наполнение.

Потребление

Для работы ТН с тепловой мощностью 9 кВт требуется 2.7 кВт/ч электроэнергии – 9 руб. 53 коп. в час,

Удельная теплота при сгорании 1 м³ газа – те же 9 кВт. Бытовой газ для МО выставлен по 5 руб. 14 коп. за куб.

Электрокотёл потребляет 9 кВт/ч = 31 руб. 77 коп. в час. Разница с ТН – почти в 3,5 раза.

Эксплуатация

• Если подведён газ, то наиболее рентабельный вариант для отопления – газовый котёл. Стоит оборудование (9 кВт) минимум 26 000 рублей, месячная оплата за газ (по 12 ч/сутки) составит 1 850 рублей.
• Мощное электрооборудование выгоднее с точки зрения организации трёхфазной сети и приобретения самого оборудования (котлы – от 10 000 рублей). Тёплый дом будет стоить 11 437 рублей за месяц.
• С учётом первоначальных вложений в альтернативное отопление (оборудование 275 000 и монтаж горизонтального контура 25 000), ТН, расходующий электричества на 3 430 руб/месяц, окупится не ранее чем через 3 года.

Сравнивая все варианты отопления, при условии создания системы «с нуля», становится очевидным: газ будет не намного выгоднее геотермального теплонасоса, а обогрев электричеством в перспективе 3 лет безнадёжно проигрывает обоим этим вариантам.

С подробными расчётами в пользу эксплуатации теплового насоса можно ознакомиться, просмотрев видео от производителя:

Некоторые дополнения и опыт эффективной эксплуатации освещены в этом ролике:

Принцип работы тепловых насосов

В любом ТН имеется рабочая среда, именуемая хладагентом. Обычно в этом качестве выступает фреон, реже – аммиак. Само устройство состоит всего из трех компонентов:

Испаритель и конденсатор – это два резервуара, имеющие вид длинных изогнутых трубок – змеевиков. Конденсатор одним концом присоединяется к выходному патрубку компрессора, а испаритель – ко входному. Концы змеевиков стыкуются и в месте соединения между ними устанавливается редукционный клапан. Испаритель контактирует – непосредственно или косвенно – со средой-источником, а конденсатор – с системой отопления или ГВС.

Принцип работы теплового насоса

Работа ТН основана на взаимозависимости объема, давления и температуры газа. Вот что происходит внутри агрегата:

1. Аммиак, фреон или другой хладагент, двигаясь по испарителю, нагревается от среды-источника, допустим, до температуры +5 градусов.
2. Пройдя испаритель, газ достигает компрессора, который перекачивает его в конденсатор.
3. Нагнетаемый компрессором хладагент удерживается в конденсаторе редукционным клапаном, поэтому его давление здесь выше, чем в испарителе. Как известно, с ростом давления температура любого газа увеличивается. Именно это происходит с хладагентом – он разогревается до 60 – 70 градусов. Поскольку конденсатор омывается циркулирующим в системе отопления теплоносителем, последний также нагревается.
4. Через редукционный клапан хладагент небольшими порциями сбрасывается в испаритель, где его давление снова падает. Газ расширяется и остывает, а поскольку часть внутренней энергии была потеряна им в результате теплообмена на предыдущем этапе, его температура опускается ниже изначальных +5 градусов. Следуя по испарителю, он снова нагревается, далее закачивается в конденсатор компрессором – и так по кругу. По-научному этот процесс называется циклом Карно.

Но ТН все-равно остается очень выгодным: за каждый потраченный кВт*ч электроэнергии удается получить от 3 до 5 кВт*ч тепла.

Классификация тепловых насосов

Насосные системы используют источник воздуха, воды, или земли в сочетании с источником тепла, полученному испарителем снаружи. Кроме того, насосные аппараты применяются для нагрева воздуха, как в системе распределения принудительного воздуха, так и для воды (отопление). Насосы для нагрева называются «воздух-воздух», «воздух-вода», «земля-вода», и т.д.

Сам источник, будь то воздух, вода или земля, может быть приёмником теплоты из какого-либо промышленного или отходного процесса (в виде отходного тепла) или даже от сияющей энергии солнца (солнечная помощь).

Приборы для нагрева, выдыхаемые воздух, упрощаются в установке, обслуживании и имеют низкую стоимость. Устройства от наземного и водного источника не подвержены большим колебаниям, наблюдаемых в большинстве систем, связанных с источником воздуха. Относительное постоянство в температуре источника позволяет оптимизировать конструкцию и достигать высокой сезонной эффективности.

Что касается применения, теплонасосы, как правило, попадают в один из трёх типов: бытовые (комнатные), унитарные (сплит-системы) и центральные (сборные). Комнатные теплонасосы являются однопакетным агрегатом, обслуживающим отдельные ограниченные зоны и установленным через стены.

Унитарные типы бывают центральными однозонными или многозонными системами, или классифицируются как одноместные или сплит-системы. Однопакетные агрегаты имеют конденсатор, испаритель и компрессор в одном пакете, в то время как разделённые системы обычно имеют конденсатор и компрессор в одном пакете и испаритель в другом.

Крупные системы, отобранные для соответствия конкретным проектам, имеют отдельные компоненты. Как правило, они используются исключительно в зданиях с большими нагрузками и для других нежилых приложений. На сегодняшний день системы унитарного типа «воздух-воздух» являются наиболее распространёнными и представляют наибольший общий интерес.

Самодельный тепловой насос

При всех преимуществах, которые имеет тепловой насос, цена этого устройства даже без обустройства коллектора составляет несколько тысяч у.е. Сократить расходы можно, сделав его самостоятельно.

Участник FORUMHOUSE c ником Saga сделал тепловой насос для отопления трехуровневого дома площадью 300 квадратных метров, собрав его из компрессора, пластинчатых теплообменников, фильтра-осушителя, ТРВ и других компонентов. В качестве хладагента использовал фреон R22.

На участке на глубине полутора метров проложил два контура трубы ПНД по 450 метров и один контур, на 600 метров, поместил в речку рядом с домом. Копал траншеи и все соединения делал сам – сейчас, с опытом, сделал бы все надежнее и экономнее.

Спустя три года домовладелец не пожалел о своем решении установить тепловой насос. Он смонтировал к нему еще и вентиляцию (ТН подогревает воздух перед рекуператором), а холодным воздухом летом бесплатно остужает дом. Отопление, подогрев воды и кондиционирование обходится ему в 25 000 в год.

На этой исторической фотографии видно, сколько электричества было потрачено за три года на отопление и подогрев воды — 38586 киловат (напомнаем, площадь дома — 300 кв.метров).

Счетчик на фото специально для теплового насоса: когда-то сам не верил .

Соседи, оценив потенциал теплового насоса, сделали себе такие же. Главной ошибкой в устройстве теплового насоса наш пользователь считает чрезмерную длину холодных контуров – 200 метров было бы достаточно. Еще один промах – теплообменник в системе вентиляции, его надо делать с большим запасом; обязательно пригодится.

Все мелкие ошибки связаны с попытками сэкономить.

Не экономьте на диаметре труб, покупайте фирменные фитинги и циркуляционные насосы и будет вам счастье.