Использование с учетом климата
Воздушный тепловой насос для дома подходит для использования только в ограниченном количестве регионов, то есть в тех местах, в которых температура воздуха в зимнее время практически не опускается ниже нуля градусов. Естественно, для жителей Сибири, Крайнего Севера, Дальнего Востока это оборудование не подходит.
Для установки водяных термонасосов существует множество ограничений. Но основная особенность заключается в том, что больше половины территории государства расположена в зоне вечной мерзлоты. Поэтому даже если и есть на участке этот водоносный слой, находящийся не очень глубоко, то все равно эти подземные воды полностью замерзли и имеют форму льда, соответственно, не подходят для отопительных систем.
Так, многим владельцам коттеджей нужно рассчитывать только на грунтовый теплонасос. Причем в условиях многих климатических регионов лучше всего подходит система с вертикальным коллектором, которая позволяет пробурить скважину до глубины, где температура относительно стабильна.
Описание и назначение тепловых насосов
Под тепловым насосом подразумевают конструкцию, способную поглотить рассеянное тепло из грунта, воды и воздуха и перенести его в отопительный контур здания. Принципиальное отличие от других вариантов – возможность тепловой машины переносить тепло от низкотемпературного источника к высокотемпературной системе.
Земля постоянно получает солнечное тепло. Часть его поглощает воздух, но большая доля приходится на воду и грунт. В результате даже в самые жестокие морозы температура на глубине водоемов остается в пределах +4–+6°С, а на глубине ниже уровня замерзания грунта – + 8°С. Это низкопотенциальное тепло насос и переносит в тепловой контур, где нагревает теплоноситель до необходимых +35–+80°С.
Конструкция и принцип работы
Работа теплового насоса в какой-то мере сходна с работой холодильника. Передача тепла становится возможной благодаря использованию фреонов – веществ, которые при испарении отбирают тепло у охлаждаемого объекта, а при конденсации отдают его воде или воздуху. Хладагенты закипают при низкой температуре, что и делает возможным столь необычный на первый взгляд процесс.
Как относитесь к тепловым насосам?
Положительно
59.21%
С сомнением
31.58%
Предпочитаю традиционные источники тепла
9.21%
Проголосовало: 152
Конструкция термонасоса включает 4 основных элемента:
- Компрессор – здесь хладагент сжимается, что приводит к повышению давления и температуры.
- Расширительный клапан – вентиль терморегуляции, который быстро снижает давление.
- Испаритель – теплообменник. Здесь фреон поглощает тепло, отнимая его от окружающей среды.
- Конденсатор – второй теплообменник, в котором хладагент конденсируется и сжимается, отдавая тепло рабочей среде отопительного контура.
Основой работы любого устройства теплоснабжения выступает обратный цикл Карно. Происходит передача тепла в несколько этапов.
В испаритель поступает фреон в жидком состоянии, то есть под низким давлением. Согласно второму закону термодинамики тепло передается от предмета с высокой температурой объекту с низкой температурой. В случае теплового насоса, объектом с низкой температурой оказывается фреон, а объектом с высокой – рассол, теплая жидкость, которая поднимается из скважин. Так как ниже уровня замерзания в грунте сохраняется температура выше +8°С, теплоноситель в скважинах, вернее, вертикальных зондах, нагревается. А когда встречается с холодным хладагентом – отдает тепло.
Из-за нагревания хладагент переходит из жидкого в газообразное состояние. В таком виде он попадает в компрессор, где происходит сжатие газа. При этом фреон сильно нагревается. Сжатый, но не сжиженный газ подается в испаритель, где отдает тепло второму теплообменнику. Сам фреон, отдавая тепло, вновь переходит в жидкую фазу.
Затем хладагент проходит сквозь терморегулирующий клапан, буквально «продавливается» через дроссель. После этого жидкость расширяется, а ее давление и температура снижаются. Фреон снова подают в испаритель и цикл повторяется.
Сфера применения
Тепловые насосы эффективнее работают в южных широтах
Теплоустановки могут использоваться для обогрева частных строений и офисных зданий. В Европе такой практике следуют более 30 лет. На сегодня лидерами использования ТНУ выступает Швеция и США.
В России применение тепловых насосов ограничено следующим.
- Высокие первичные вложения – на рынке наличествует только импортное оборудование, обычно германское. Для укладки теплообменников требуется выполнять буровые работы на глубине на 50–100 м, что недешево. Как показала практика, использование горизонтальных коллекторов нерационально, так как площадь над трубами выпадает из хозяйственного оборота. Монтаж вертикальных зондов дороже.
- Неоднородность теплового потенциала – в южных регионах он намного выше, чем в северных, поэтому ТНУ эффективней в южной и средней полосе. В северных районах систему отопления загородного дома дополняют традиционными источниками.
- Ограничения по температуре на выходе – ТНУ выдает воду температурой в +60–+65°С. Чтобы такой контур был эффективным, его площадь должна быть заметно больше, чем площадь отопителей, работающих с водой при температуре +70–+95°С.
- К концу отопительного сезона выкачивание тепла из грунта приводит к понижению температуры почвы. В северных районах за лето ее тепловой потенциал восстановиться не успевает.
Плюсы и минусы теплового насоса
Бесплатный источник обогрева
Автономность
Минимальный уровень шума
Длительный срок службы
Высокая эффективность в связке с теплым полом
Большие начальные вложения
Нужно увеличить площадь радиаторов
Низкая эффективность в северных широтах
Принцип работы насоса воздух-вода
Как уже было сказано, основным источником тепловой энергии для установок этого типа является атмосферный воздух. В принципиальной основе работы воздушных насосов лежит физическое свойство жидкостей к поглощению и отдаче тепла во время фазового перехода из жидкого состояния в газообразное, и обратно. В результате смены состояния выделяется температура. Система работает по принципу холодильника наоборот.
Для эффективного использования этих свойств жидкости легкокипящий хладагент (фреон, хладон) циркулирует по замкнутому контуру в конструкцию которого входят:
- компрессор с электроприводом;
- обдуваемый вентилятором испаритель;
- дроссельный (расширительный) клапан;
- пластинчатый теплообменник;
- медные или металлопластиковые циркуляционные трубки, соединяющие основные элементы схемы.
Движение хладагента по контуру осуществляется благодаря давлению, развиваемому компрессором. Для снижения тепловых потерь трубы покрываются теплоизоляционным слоем из искусственного каучука или вспененного полиэтилена с защитным металлизированным покрытием. В качестве хладагента используют хладон или фреон, способный закипать при отрицательной температуре и не замерзающий до -40°C.
Весь процесс работы состоит из следующих последовательных циклов:
- В радиаторе испарителя находится жидкий хладагент, температура которого ниже, чем у наружного воздуха. Во время активного обдува радиатора тепловая энергия от низко потенциального воздуха передается хладону, который закипает и переходит в газообразное состояние. При этом его температура повышается.
- Подогретый газ поступает в компрессор, где в процессе сжатия еще более нагревается.
- В сжатом и разогретом состоянии пары хладагента подаются в пластинчатый теплообменник, где по второму контуру циркулирует теплоноситель системы отопления. Поскольку температура теплоносителя значительно ниже, чем у разогретого газа, фреон активно конденсируется на пластинах теплообменника, отдавая тепло в систему отопления.
- Охлажденная парожидкостная смесь поступает на дроссельный клапан, который пропускает к испарителю только охлажденный жидкий хладагент с низким давлением. После чего весь цикл повторяется.
Для увеличения эффективности теплоотдачи трубки на испарителя навито спиральное оребрение. Расчет системы отопления, выбор циркуляционных насосов и другого оборудования должен учитывать гидравлическое сопротивление и коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника установки.
Видео обзор устройства системы и ее работы
Инверторные тепловые насосы
Наличие инвертора в составе установки позволяет обеспечить плавный пуск оборудования и автоматическое регулирование режимов в зависимости от температуры наружного воздуха. Это позволяет максимально повысить эффективность работы теплового насоса за счет:
- достижения КПД на уровне 95-98%;
- снижения потребления энергии на 20-25%;
- минимизации нагрузок на электрическую сеть;
- увеличения сроков эксплуатации установки.
В результате температура внутри помещений стабильно поддерживается на одном уровне, не зависимо от изменения погоды. При этом наличие инвертора в комплекте с автоматизированным блоком управления обеспечит не только зимний обогрев, но и подачу охлажденного воздуха летом при жаркой погоде.
В то же время следует учесть, что наличие дополнительного оборудования всегда влечет за собой его удорожание и увеличение срока окупаемости.
Отопление дома в зимний период
На территории с более суровыми климатическими условиями актуально использование бивалентной системы отопления. За счет второго источника тепла расширяется диапазон температур. Работы одного теплового насоса достаточно только до уровня температуры -20 °С. При большем ее понижении подключаются электрообогреватель, камин, жидкотопливный или газовый котел. При этом мощность теплового насоса ограничивается от максимальной зимней потребности до 70 — 80%. Недостающие 20 — 30% дает дополнительный источник тепла. Это снижает общую эффективность работы системы. Однако снижение является незначительным.
При полном переходе на отопление здания геотермальной системой (в случае, когда не планируется устанавливать дополнительно котел или электроприбор) тепловой насос применяется совместно с внутренним модулем, содержащим небольшой встроенный электронагреватель. Он поддержит прибор, когда температура окружающей среды будет ниже -20 °С.
В каких случаях использование теплового насоса является обоснованным?
Вопрос отопления загородного дома предполагает рассмотрение нескольких вариантов:
- Газ. При отсутствии рядом с домом газопровода это становится невозможным. В ряде регионов купить газ можно только в баллонах.
- Уголь или дрова. С ними отопление превращается в трудоемкий и малоэффективный процесс.
- Жидкотопливный котел требует больших расходов на топливо и специального помещения. Особое хранение необходимо и самому топливу, что неудобно в небольшом доме.
- Отопление электричеством обходится очень дорого.
В таком случае на помощь приходит геотермальная система отопления. Ее используют даже там, где доступен газ. Установка теплового насоса дороже установки оборудования для отопления газом. Однако, газ в дальнейшем придется оплачивать постоянно, в отличие от энергии, взятой из окружающей среды. Окупаемость теплового насоса сложно выразить в усредненном числовом значении. Все зависит от его начальной стоимости. Суть установки такого отопления сводится к перспективе. Хотя количество потребляемой электроэнергии — в 3−5 раз меньше, чем у других систем отопления, все же необходимо подсчитать в денежном эквиваленте все энергозатраты за год и сравнить их со стоимостью системы, ее монтажа и эксплуатации.
Достигнуть максимальной эффективности применения теплового насоса можно при соблюдении двух важных условий:
- Отапливаемое здание должно быть утепленным, а показатель теплопотерь не должен превышать 100 Вт/м2. Существует прямая связь между тем, как утеплен дом и тем, насколько выгодно будет установка теплонасоса.
- Подключение теплового насоса к низкотемпературным источникам обогрева (конвекторам, теплым полам), температурный режим которых колеблется между 30 — 40 °C.
Итак, тепловой насос станет неплохой альтернативой традиционным способам отопления. Прибор гарантирует экономичность и полную безопасность. Владельцу, после установки геотермальной системы отопления, не придется зависеть от различных внешних факторов, как, например, перебои с газоснабжением или вызовом сервисной службы. Энергия, взятая из окружающей среды, не требует оплаты и не исчерпывается.
Цены и производители
Примерная средне рыночная стоимость оборудования и его установки составляет:
Горизонтальный коллектор:
- Насос – 4500$;
- монтаж — 2500$;
- стоимость эксплуатации — 350$ в год.
Геотермальный зонд:
- Насос – 4500$;
- монтаж — 4500$;
- стоимость эксплуатации — 320$ в год.
Воздушный — для дома:
- Насос – 6500$;
- монтаж — 400$;
- стоимость эксплуатации — 480$ в год.
Насос для дома «вода-вода»:
- Тепловой насос – 4500$;
- монтаж — 3500$;
- стоимость эксплуатации — 280$ в год.
Приведенные цены не окончательны. Конечная стоимость будет зависеть от страны и компании-производителя устройства, типа местности, климатических особенностей, цены бурения, строительных условий и т.д. Например, цена воздушного насоса от российского производителя составит около 7000$, а от зарубежного – 13000$.
Также не нужно забывать о стоимости электроэнергии. Несмотря на то, что оборудование не потребляет много электричества, эти расходы непременно следует учитывать при составлении общей сметы и планировании бюджета.
Тип системы
Воздух-вода (воздушный, аэротермальный) – получает энергию из воздуха. Достоинства: простота монтажа, не требуется земельный участок, возможность установки на высоте. Недостатки: сравнительно низкая эффективность и моторесурс, сильная зависимость от температурных условий.
Воздушный насос используется в качестве дополнительного источника тепла (тепловой насос+теплый пол, тепловой насос+котел). Выбор в пользу этого оборудования делается и в случае, если нельзя установить грунтовой насос, либо цена бурения приближается к стоимости ТН.
Грунт-вода (грунтовой, геотермальный) – черпает энергию из грунта. Достоинства: высокая эффективность, независимость от температуры воздуха, долговечность. Недостатки: большая цена, сложность и дороговизна монтажа (насос закапывается в землю), невозможность установки на верхних этажах сооружений. Геотермальный насос используется как основной источник тепла.
Грунтовой насос представлен двумя разновидностями:
- вертикальный – укладывается на сравнительно небольшом участке, но требует больших затрат из-за высокой глубины бурения (40-200 м);
- горизонтальный – дешевле в монтаже за счет малой глубины бурения (1.5 м), но занимает намного больше места.
Участок с горизонтальным ТН не пригоден для сельскохозяйственных и ландшафтных работ. Вертикальная тепловая машина не испортит ландшафтный дизайн и потому оптимальна для благоустроенного участка. Подобный вариант используется и на тяжелом грунте.
Важно: вертикальный ТН выгодно отличается от горизонтальной модели полной невосприимчивостью к погодным условиям. В итоге температура теплоносителя на выходе из геотермальных скважин остается постоянной независимо от температуры окружающей среды
Вода-вода (водяной, гидротермальный) – берет энергию из грунтовых вод или водоема. По характеристикам напоминает насос «грунт-вода», но менее надежен из-за дополнительного оборудования, например, погружного насоса или фильтров.
Воздух / грунт-вода – универсальный насос, черпающий энергию из воздуха или воды. Достоинства: простой монтаж, комфортная эксплуатация. Недостаток – высокая цена.
Использование тепловых установок в мире
Практика применения таких тепловых агрегатов в мире насчитывает уже более 50 лет. Главными движущими причинами такого явления стало удорожание традиционных энергетических ресурсов и повсеместная поддержка правительствами многих стран использования альтернативных источников энергии.
Поэтому количество тепловых насосов постоянно растет высокими темпами – до 10 — 30% в год, несмотря на высокую стоимость установки. Количество таких устройств в настоящее время составляет уже более 270 штук. Наиболее активно тепловые системы применяются в США и Канаде. На них приходится до половины установок, используемых во всем мире.
Россия, несмотря на положительные условия для применения тепловых насосов, отстает от мировых тенденций в их использовании. Здесь, по-видимому, играет роль наша убежденность в полной обеспеченности природными ресурсами. При этом, далеко не во всех населенных пунктах страны имеются газопроводы. Мировой опыт использования тепловых наcосов говорит о положительных тенденциях в развитии их использования.
Классификация тепловых насосов по характеристике сред
Классификация теплонасосов достаточно объемна. Устройства делятся по роду рабочего тела, принципу изменения его физического состояния, использованию устройств преобразования, характеру необходимого для работы энергоносителя. Если учесть, что на рынке представлены модели с разнообразными комбинациями классификационных критериев, становится понятно, что достаточно трудно перечислить все. Однако можно рассмотреть основные принципы группового деления.
От параметров источника тепла и среды-получателя зависит монтаж, конструкция, а также конечные характеристики теплового насоса. Сегодня предлагается несколько типов инженерных решений.
Воздух-воздух
Теплонасосы воздух-воздух — самые распространенные устройства. Они компактны и достаточно просты. На механике такого типа работают бытовые кондиционеры с режимом отопления. Принцип действия прост:
- уличный теплообменник охлаждается ниже температуры воздуха и отбирает тепло;
- после сжатия поступающего фреона в радиатор его температура сильно возрастает;
- вентилятор внутри комнаты, обдувая теплообменник, обогревает помещение.
Отбор энергии окружающей среды не обязательно производится внешним теплообменником. Для этой цели воздух может нагнетаться в расположенный в комнате блок. Именно так работают некоторые канальные системы.
Если в кондиционере происходит сжатие и расширение фреона, то в вихревых теплонасосах используется простой воздух. Механика работы аналогична: до поступления во внутренний теплообменник газ сжимается, а отдав энергию — задувается интенсивным потоком в камеру отбора тепла.
Вода-вода
Теплонасос типа вода-вода работает по тому же принципу, что и другие установки. Отличаются только среды передачи энергии. Оборудование оснащается погружными зондами, чтобы даже в условиях жесткой зимы добраться до горизонта грунтовых вод с положительной температурой.
В зависимости от потребностей отопления, теплонасосные системы вода-вода могут быть совершенно разного размера. К примеру, начиная от нескольких скважин, пробуренных вокруг частного дома, заканчивая расположенными непосредственно в водоносном слое теплообменниками большой площади, которые закладываются на этапе строительства здания.
Теплонасосы вода-вода отличаются большей производительностью и эффективной мощностью отдачи. Причина — в повышенной теплоемкости жидкости. Слой воды, в котором расположен зонд или теплообменник, быстро отдает энергию, а благодаря огромному объему незначительно снижает свои характеристики, способствуя стабильной работе системы. Также оборудование вода-вода отличается повышенным КПД.
Совет! В определенных условиях схема вода-вода может обойтись без промежуточных узлов в виде накопительных баков отопительной сети. Правильно оценивая существующие климатические условия и выбирая мощность установки, в доме устанавливается водонагреватель с тепловым насосом и организуется эффективная система теплый пол.
Вода-воздух, воздух-вода
Комбинированные системы нужно выбирать особенно внимательно. При этом тщательно оцениваются существующие климатические условия. Например, цикл теплового насоса класса вода-воздух имеет хорошую эффективность для отопления в регионах с сильными морозами. Система же воздух-вода в связке с теплым полом и накопительным бойлером вторичного нагрева способна показать максимальные результаты экономии на территориях, где температура воздуха редко падает ниже -5…-10 градусов.
Расплав (рассол)-вода
Теплонасос данного класса — своеобразный универсал. Он может применяться буквально везде. Показатели его полезной тепловой мощности постоянны и стабильны. Принцип работы рассольно-водного устройства основан на отборе тепла, прежде всего, из почвы, имеющей нормальные показатели влажности или заболоченной.
Расчет теплового насоса класса рассол-вода делается по уровню потребности в энергии для отопления. Методик ее количественного определения предостаточно
Можно произвести максимально четкий расчет, принимая во внимание материал стен дома, конструкции окон, характер почвы, средневзвешенную температуру воздуха и многое другое
Производители рассольно-водных систем предлагают различные варианты моделей, отличающихся мощностью потребления узла преобразования, конструкцией и габаритами внешних теплообменников, параметрами выходного контура. Выбрать оптимальный теплонасос по заранее сформированному списку требований несложно.
Делаем тепловой насос своими силами
В общих чертах инструкция по изготовлению тепловых насосов для отопления своими руками имеет следующий вид:
- приобретается компрессор;
- изготавливаются конденсатор и испаритель;
- устанавливается регулирующий клапан и производится заправка ТН фреоном.
Приобретение компрессора (можно б/у)
Компрессор следует выбирать спиральный, а не поршневой компрессор, так как он имеет более высокий КПД и отличается большей долговечностью.
Шумит он тоже меньше, что немаловажно, ведь агрегат будет находиться внутри дома. В самодельном ТН вместо одного мощного компрессора можно установить несколько маломощных, которые будут включаться в работу один за другим
В самодельном ТН вместо одного мощного компрессора можно установить несколько маломощных, которые будут включаться в работу один за другим.
Преимущество такого варианта – снижение величины пусковых токов в сравнении со схемой, включающей один компрессор. «Сердце» ТН следует закрепить на стене с помощью кронштейнов.
Изготовление конденсатора
Конденсатор изготавливается в виде змеевика из медной трубы. Ее диаметр и длина подбираются таким образом,чтобы площадь поверхности соответствовала значению:
S = P / 0.8 x dT
Здесь:
- S, кв. м – площадь поверхности конденсатора (медного змеевика);
- P, кВт – мощность по тепловыделению;
- 0,8 – стандартный коэффициент теплопроводности для меди;
- dT, градусы – разность температур теплоносителя отопительной системы на входе и выходе в теплообменник.
Для придания змеевику правильной формы медную трубу можно оборачивать вокруг газового баллона. Ее стенка должна быть не тоньше 1-го мм, иначе при сгибании она будет заминаться.
Конденсатор располагают так, чтобы фреон поступал в него сверху.
Испаритель рассчитывают и изготавливают совершенно аналогично. Фреон в него должен поступать снизу.
Наиболее эффективными являются покупные пластинчатые теплообменники, но стоят они довольно дорого: около 400 евро. Предлагается установить испаритель и конденсатор в обычных баках, каждый из которых подключен к соответствующему контуру. Емкость бака для конденсатора составляет примерно 120 л, для испарителя понадобится меньший объем – около 70 л. Правда, змеевик испарителя может оказаться слишком большим, в этом случае для него также можно взять бак объемом 120 л.
Завершающий этап
Завершающий этап – монтаж терморегулирующего клапана и заправка ТН фреоном R22 или R422. Для этих операций придется приглашать специалиста с соответствующим оборудованием.
Схема устройства самодельного теплового насоса
В данном случае самодеятельность действительно неуместна. Даже нарезку медной трубы следует осуществлять специальным инструментом, иначе в систему попадет стружка, которая быстро выведет из строя компрессор.
Перспективы
Само оборудование и установка теплового насоса очень недешевы. Но привлекательна идея. В Европе давно функционируют тысячи агрегатов. Для наших просторов это пока экзотика, но есть уже фирмы, которые могут не только рассчитать и смонтировать систему, есть даже производители тепловых насосов в России.
Тепловой насос воздух-воздух не требует устройства внешнего контура
Все дело в том, что системы требуют индивидуального расчета и выбора источника, протяженности трубопровода и подбора самого оборудования. Но есть две модификации, которые не так и много стоят. Это те, которые отбирают энергию у воздуха. Например, тепловой насос воздух-воздух часто можно встретить в кондиционерах, которые могут работать и на отопление. Они работают именно по этой технологии и потому такие агрегаты имеют более высокую стоимость по сравнению с теми, которые только охлаждают.
Тепловой насос воздух-вода работает по схожему с отопительными кондиционерами принципу, но для нагрева воды используется гидромодуль — устройство, в котором и происходит нагрев воды. Мощность этого типа оборудования можно подобрать с таким расчетом, чтобы оно работало не только на отопление, но и нагревало воду для бытовых нужд. Вот тут нужно считать: возможно, поставить отдельный бойлер будет дешевле.
Система воздух-вода: водяное отопление с обогревом от атмосферного тепла (кликните для увеличения размера)
Открытые и закрытые контуры
Также тепловые насосы подразделяются еще на две категории – открытого и закрытого цикла. Агрегаты открытого цикла забирают воду из скважин, озер и рек напрямую, отправляют ее в испаритель, где она отдает свою энергию. Охлажденная вода отправляется туда же, откуда была забрана, но сброс осуществляется на некотором удалении, чтобы не снижать эффективность. Такие системы отличаются простотой в монтаже, но меньшей эффективностью. Зато они позволяют обеспечить подачу в дом чистой воды (актуально для скважин).
Что касается тепловых насосов закрытого цикла, то они забирают тепло посредством водяного коллектора-теплообменника – он прокладывается в толще грунта или воды. Здесь вода меняет свою температуру и отправляется в испаритель, где она заставит испаряться хладагент. Такие системы отличаются сложностью в монтаже и дороговизной, но именно они позволяют добиться предельно эффективного преобразования тепла в указанном в начале статьи соотношении – до 80% из окружающей среды.
