За последние годы технология производства тепловых насосов значительно усовершенствовалась. Первые варианты могли лишь частично удовлетворить потребности в тепловой энергии. Современные разновидности более эффективны и могут применяться для систем отопления.
Именно поэтому смонтировать тепловой насос своими руками пытаются многие домовладельцы.
Функциональные особенности и классификация
Под термином тепловой насос понимается набор определенного оборудования. Основной функцией этого оборудования является сбор тепловой энергии и ее транспортировка к потребителю. Источником такой энергии может стать любое тело или среда, обладающая температурой от +1º и более градусов.
В окружающей нас среде источников низкотемпературного тепла более чем достаточно. Это промышленные отходы предприятий, тепловых и атомных электростанций, канализационные стоки и пр. Для работы тепловых насосов в сфере отопления дома нужны три самостоятельно восстанавливающихся природных источника — воздух, вода, земля.
Три перечисленных потенциальных поставщика энергии напрямую связаны с энергией солнца, которое путем нагревания приводит в движение воздух с ветром и сообщает тепловую энергию земле. Именно выбор источника является основными критерием, согласно которому классифицируют тепловые насосные системы.
Принцип действия тепловых насосов базируется на способности тел или сред передавать тепловую энергию другому телу или среде. Получатели и поставщики энергии в тепловых насосных системах работают обычно в паре.
Так различают следующие виды тепловых насосов:
- Воздух — вода.
- Грунт — вода.
- Вода — воздух.
- Вода — вода.
- Грунт — воздух.
- Вода — вода.
При этом первое слово определяет тип среды, у которой система отбирает низкотемпературное тепло. Второе указывает на вид носителя, которому и передается эта тепловая энергия. Так, в тепловых насосах вода — вода, тепло отбирается у водной среды и в качестве теплоносителя используется жидкость.
Современные тепловые насосы используют три основных источника тепловой энергии. Это — грунт, вода и воздушная среда. Самый простой из этих вариантов — воздушный тепловой насос. Популярность таких систем связана с их довольно несложной конструкцией и простотой монтажа.
Однако несмотря на такую популярность, эти разновидности имеют довольно низкую производительность. К тому же КПД нестабилен и зависим сезонных колебаний температурного режима. С понижением температуры их производительность значительно падает. Такие варианты тепловых насосов можно рассматривать как дополнение к имеющемуся основному источнику тепловой энергии.
Варианты оборудования, использующего тепло грунта, считаются более эффективными. Грунт получает и аккумулирует тепловую энергию не только от Солнца, он постоянно подогревается за счет энергии земного ядра.
То есть грунт является своеобразным тепловым аккумулятором, мощность которого, практически, не ограничена. Причем температура грунта, особенно на некоторой глубине, постоянна и колеблется в незначительных пределах.
Сфера применения энергии, вырабатываемой тепловыми насосами:
Постоянство температуры источника является важным фактором стабильной и эффективной работы данного вида энергетического оборудования. Аналогичными характеристиками обладают системы, в которых водная среда является основным источником тепловой энергии. Коллектор таких насосов располагают либо в скважине, где он оказывается в водоносном слое, либо в водоеме.
Среднегодовая температура таких источников, как грунт и вода, варьируется от +7º до + 12º С. Такой температуры вполне достаточно для того, чтобы обеспечить эффективную работу системы.
Основные элементы конструкции тепловых насосов
Для того чтобы установка получения энергии работала согласно принципам работы теплового насоса, в его конструкции должны присутствовать 4 основных агрегата, это:
- Компрессор.
- Испаритель.
- Конденсатор.
- Дроссельный клапан.
Важным элементом конструкции теплового насоса является компрессор. Его основная функция — повышение давления и температуры паров, образующихся в результате кипения хладагента. Для климатической техники и тепловых насосов в частности применяются современные спиральные компрессоры.
Такие компрессоры рассчитаны на эксплуатацию при минусовых температурах. В отличие от других разновидностей спиральные компрессоры производят мало шума и работают, как при низких температурах кипения газа, так и при высоких температурах конденсации. Несомненным преимуществом считаются их компактные размеры и небольшой удельный вес.
Испаритель как конструктивный элемент представляет собой емкость, в которой происходит превращение в пар жидкого хладагента. Хладагент, циркулируя по замкнутому контуру, проходит через испаритель. В нем хладагент разогревается и превращается в пар. Образующийся пар под низким давлением направляется в сторону компрессора.
В компрессоре пары хладагента подвергаются действию давления и их температура возрастает. Компрессор перекачивает под большим давлением разогретый пар в сторону конденсатора.
Следующий конструктивный элемент системы — конденсатор. Его функция сводится к отдаче тепловой энергии внутреннему контуру отопительной системы. Серийные образцы, изготавливаемые промышленными предприятиями, оснащаются пластинчатыми теплообменниками. Основным материалом для таких конденсаторов служит легированная сталь или медь.
Терморегулирующий, или иначе дроссельный, клапан устанавливается в начале той части гидравлического контура, где циркулирующая среда высокого давления преобразуется в среду с низким давлением. Точнее дроссель в паре с компрессором делят контур теплового насоса на две части: одну с высокими параметрами давления, другую — с низкими.
При прохождении через расширительный дроссельный вентиль циркулирующая по замкнутому контуру жидкость частично испаряется, вследствие чего давление вместе с температурой падают. Затем поступает в теплообменник, сообщающийся с окружающей средой. Там захватывает энергию среды и переносит ее обратно в систему.
С помощью дроссельного клапана происходит регулирование потока хладагента в сторону испарителя. При выборе клапана нужно учитывать параметры системы. Клапан должен соответствовать этим параметрам.
Выбор типа теплового насоса
Основным показателем этой системы обогрева является мощность. От мощности в первую очередь будут зависеть и финансовые затраты на покупку оборудования и выбор того либо иного источника низкотемпературного тепла. Чем выше мощность тепловой насосной системы, тем больше стоимость комплектующих элементов.
В первую очередь имеется в виду мощность компрессора, глубина скважин для геотермических зондов, либо площадь для размещения горизонтального коллектора. Правильные термодинамические расчеты являются своеобразной гарантией того, что система будет эффективно работать.
Для начала следует изучить участок, который планируется для монтажа насоса. Идеальным условием будет наличие на этом участке водоема. Использование варианта типа вода-вода значительно сократит объем земляных работ. Использование тепла Земли напротив предполагает большое количество работ, связанных с выемкой грунта. Системы, которые в качестве низкопотенциального тепла используют водную среду, считаются наиболее эффективными.
Использовать тепловую энергию грунта можно двумя способами. Первый предполагает бурение скважин диаметром 100-168 мм. Глубина таких скважин, в зависимости от параметров системы, может достигать 100 м и более. В эти скважины помещают специальные зонды. При втором способе используется коллектор из труб. Такой коллектор размещается под землей в горизонтальной плоскости. Для этого варианта необходимо достаточно большая площадь.
Для укладки коллектора идеальными считаются участки с влажным грунтом. Естественно, бурение скважин обойдется дороже, нежели горизонтальное расположение коллектора. Однако не на каждом участке есть свободные площади. На один кВт мощности теплового насоса нужно от 30 до 50м² площади.
В случае с наличием на участке высоко залегающего горизонта грунтовых вод, теплообменники можно устроить в двух расположенных на расстоянии около 15 м друг от дружки скважинах. Отбор тепловой энергии в таких системах путем перекачивания грунтовой воды по замкнутому контуру, части которого расположены в скважинах. Такая система нуждается в установке фильтра и периодической чистке теплообменника.
Самая простая и дешевая схема теплового насоса основана на извлечении тепловой энергии из воздуха. Некогда она стала базой для устройства холодильников, позже согласно ее принципам разработаны были кондиционеры.
Оценка эффективности тепловых насосов
Эффективность различных типов данного оборудования неодинакова. Наименьшими показателями обладают насосы, использующие воздушную среду. К тому же эти показатели напрямую зависят от погодных условий.
Грунтовые разновидности тепловых насосов имеют стабильные показатели. Коэффициент эффективности данных систем варьируется в пределах 2,8 -3,3. Наибольшей эффективность обладают системы вода-вода. Это связано, в первую очередь, со стабильностью температуры источника.
Надо заметить, что чем глубже расположен в водоеме коллектор насоса, тем стабильнее будет температура. Для получения мощности системы в 10КВт, необходимо около 300 метров трубопровода.
Основным параметром, характеризующим эффективность работы теплового насоса, считается его коэффициент преобразования. Чем выше коэффициент преобразования, тем эффективнее считается тепловой насос.
Самостоятельная сборка теплового насоса
Зная схему действия и устройство теплового насоса, собрать и смонтировать самостоятельно подобную систему вполне возможно. Перед началом работ необходимо рассчитать все основные параметры будущей системы. Для расчета параметров будущего насоса можно воспользоваться программным обеспечением , предназначенным для оптимизации систем охлаждения.
Наиболее простым в сооружении вариантом является система воздух-вода. Она не требует сложных работ по устройству внешнего контура, который присущ водным и грунтовым разновидностям тепловых насосов. Для монтажа понадобятся лишь два канала, по одному из которых будет подаваться воздух, по второму отводиться отработанная масса.
Кроме вентилятора необходимо обзавестись компрессором нужной мощности. Для такого агрегата вполне подойдет компрессор, которым оснащаются обычные сплит-системы. Необязательно покупать новый агрегат. Можно снять его со старого оборудования. Желательно применять спиральную разновидность. Эти варианты компрессоров помимо обладания достаточной эффективностью создают высокое давление, обеспечивающее повышение температуры.
Для устройства конденсатора понадобится емкость и медная труба. Из трубы делается змеевик. Для его изготовления используется любое цилиндрическое тело нужного диаметра. Намотав на него медную трубу можно легко и быстро изготовить этот элемент конструкции.
Готовый змеевик монтируется в предварительно разрезанную пополам емкость. Для изготовления емкости лучше использовать материалы, стойкие к коррозионным процессам. После помещения в него змеевика, половинки бака свариваются.
Площадь змеевика рассчитывается по следующей формуле:
МТ/0,8 РТ
В ней:
- МТ — мощность тепловой энергии, которая выдает система.
- 0,8 — коэффициент теплопроводности при взаимодействии воды с материалом змеевика.
- РТ — разница температур воды на входе и на выходе.
Выбирая медную трубу для самостоятельного изготовления змеевика, нужно обратить внимание на толщину стенок. Она должна быть не менее 1 мм. В противном случае при намотке труба будет деформироваться. Трубу, по которой осуществляется вход хладагента, располагают в верхней части емкости.
Испаритель теплового насоса можно выполнить в двух вариантах — в виде емкости с находящимся в ней змеевиком и в виде трубы в трубе. Поскольку, температура жидкости в испарителе небольшая, емкость можно выполнить из пластиковой бочки. В эту емкость помещается контур, который выполняется из медной трубы.
В отличие от конденсатора, спираль змеевика испарителя должна соответствовать диаметру и высоте выбранной емкости. Второй вариант испарителя: труба в трубе. В таком варианте трубка с хладагентом размещается в пластиковой трубе большего диаметра, по которой циркулирует вода. Длинна такой трубы зависит от планируемой мощности насоса. Она может быть от 25 до 40 метров. Такую трубу сворачивают в спираль.
Терморегулирующий клапан относится к запорно-регулирующей трубопроводной арматуре. В качестве запорного элемента в ТРВ используется игла. Положение запорного элемента клапана обуславливается температурой в испарителе. Это важный элемент системы имеет довольно сложную конструкцию. В ее состав входят:
- Термоэлемент.
- Диафрагма.
- Капиллярная трубка.
- Термобаллон.
Эти элементы могут прийти в негодность при высокой температуре. Поэтому во время работ по пайке системы клапан следует изолировать при помощи асбестовой ткани. Регулирующий клапан должен соответствовать производительности испарителя.
После проведения работ по изготовлению основных конструкционных частей наступает ответственный момент сборки всей конструкции в единый блок. Наиболее ответственным этапом является процесс закачки хладагента или теплоносителя в систему. Самостоятельное проведение подобной операции вряд ли по силам простому обывателю. Тут придется обратиться к профессионалам, которые занимаются ремонтом и обслуживанием климатического оборудования.
У работников этой сферы, как правило, имеется необходимое оборудование. Помимо заправки хладагента они могут протестировать работу системы. Самостоятельная закачка хладагента может привести не только к поломке конструкции, но и к тяжелым травмам. Кроме того, для запуска системы так же необходимо специальное оборудование.
При запуске системы происходит пиковая пусковая нагрузка, составляющая 40 А. Поэтому запуск системы без пускового реле невозможен. После первого пуска необходима регулировка клапана и давления хладагента.
К выбору хладагента стоит отнестись со всей серьезностью. Ведь именно это вещество по сути считается основным «переносчиком» полезной тепловой энергии. Из существующих современных хладагентов наибольшей популярностью пользуются фреоны. Это производные углеводородных соединений, в которых часть атомов углерода замещается на другие элементы.
В результате проведения этих работ получилась система с замкнутым контуром. В нем будет циркулировать хладагент, обеспечивая отбор и перенос тепловой энергии от испарителя к конденсатору. При подключении тепловых насосов к системе теплоснабжения дома следует учитывать, что температура воды на выходе из конденсатора не превышает 50 — 60 градусов.
В связи небольшой температурой тепловой энергии, вырабатываемой тепловым насосом, в качестве потребителя тепла нужно выбирать специализированные приборы отопления. Это может быть теплый пол или же объемные низко-инерционные радиаторы из алюминия или стали с большой площадью излучения. Самодельные варианты тепловых насосов наиболее уместно рассматривать в качестве вспомогательного оборудования, которое поддерживает и дополняет работу основного источника.
С каждым годом конструкции тепловых насосов совершенствуются. В промышленных образцах, предназначенных для бытового использования, используются более эффективные теплопередающие поверхности. В результате производительность систем постоянно растет.
Немаловажным фактором, который стимулирует развитие подобной технологии производства тепловой энергии, является экологическая составляющая. Подобные системы помимо того, что являются довольно эффективными, не загрязняют окружающую среду. Отсутствие открытого пламени делает его работу абсолютно безопасной.
Выводы и полезное видео по теме
Как сделать простейший самодельный тепловой насос с теплообменником из РЕХ трубы:
В качестве альтернативных систем отопления довольно давно используются тепловые насосы. Эти системы обладают надежностью, длительным сроком службы и, что немаловажно, безвредны для окружающей среды. Они всерьез начинают рассматриваться, как очередной шаг на пути развития эффективных и безопасных систем отопления.
sovet-ingenera.com
Тепловой насос. Конструкция обогрева дома
Чтобы понять его принцип действия можно посмотреть на обычный бытовой холодильник или кондиционер.
Современные тепловые насосы используют для своей работы низкопотенциальные источники тепла землю, грунтовые воды, воздух. И в холодильнике и в тепловом насосе действует один и тот же физический принцип (физики называют такой процесс циклом Карно). Тепловой насос — устройство, которое «выкачивает» тепло из холодильной камеры и выбрасывает его на радиатор. Кондиционер «выкачивает» тепло из воздуха комнаты и выбрасывает ее на радиатор, но находящийся на улице. При этом к теплу, «высосанному» из комнаты, добавляется ещё тепло, в которое превратилась электрическая энергия, потреблённая электродвигателем кондиционера.
Число, выражающее отношение вырабатываемой тепловым насосом (кондиционером или холодильником) тепловой энергии к потребляемой им электрической энергии, специалисты по тепловым насосам называют «отопительным коэффициентом». В лучших тепловых насосах отопительный коэффициент достигает 3-4. То есть на каждый потреблённый электродвигателем киловатт-час электроэнергии вырабатывается 3-4 киловатт-часа тепловой энергии. (Один киловатт-час соответствует 860 килокалориям.) Этот коэффициент преобразования (отопительный коэффициент) напрямую зависит от температуры источника тепла, чем выше температура источника, тем больше коэффициент преобразования.
Кондиционер берёт эту тепловую энергию из воздуха улицы, а большие тепловые насосы «выкачивают» это дополнительное тепло обычно из водоема/подземных вод или грунта.
Хотя температура этих источников гораздо меньше, чем температура воздуха в обогреваемом доме, но и это низкотемпературное тепло грунта или воды, тепловой насос и превращает в высокотемпературное, необходимое для обогрева дома. Поэтому тепловые насосы называют ещё «трансформаторами тепла». (процесс превращения см. ниже)
Примечание: Тепловые насосы не только согревают дома, но и остужают воду в реке, из которой выкачивают тепло. А в наше время, когда реки слишком перегреты промышленными и бытовыми стоками, охлаждать реку очень полезно для жизни в ней живых организмов и рыбы. Чем ниже температура воды, тем больше в ней может раствориться кислорода, необходимого для рыбы. В тёплой воде рыба задыхается, а в холодной блаженствует.Поэтому тепловые насосы очень перспективны в деле спасения окружающей среды от «теплового загрязнения».
Но установка системы отопления с помощью тепловых насосов пока слишком дорога, потому что требуются большое количество земляных работ плюс расходных материалов, например, труб для создания коллектора/теплообменника.
Так же стоит помнить что в тепловых насосах, как и в обычных холодильниках, используется компрессор, сжимающий рабочее тело — аммиак или фреон. На фреоне тепловые насосы работают лучше, но фреон уже запрещён к применению из-за того, что он, попадая в атмосферу, выжигает в её верхних слоях озон, защищающий Землю от ультрафиолетовых лучей Солнца.
И все-таки мне кажется, что будущее за тепловыми насосами. Но их, никто пока не производит массово. Почему? Не трудно догадаться.
Если появляется альтернативный источник дешевой энергии, то куда девать добываемый газ, нефть и уголь, кому его продавать. А на что списывать многомиллиардные убытки от взрывов на шахтах и рудниках.
Принципиальная схема обогрева дома с помощью теплового насоса
1 — тепловой насос; 2 — трубопровод, уложенный в земле; 3 — бойлер косвенного нагрева; 4 — система отопления «теплый пол»; 5 — контур подачи горячей воды.
Принцип действия теплового насоса
В качестве источника низкопотенциального тепла может выступать наружный воздух, имеющий температуру от –15 до +15°С, воздух отводимый из помещения с температурой 15–25°С, подпочвенные (4–10°С) и грунтовые (более 10°C) воды, озерная и речная вода (0–10°С), поверхностный (0–10°С) и глубинный (более 20 м) грунт (10°С). В Нидерландах, например, в городе Херлен (Heerlen) для этих целей используется затопленная шахта. Вода, наполняющая старую шахту, на уровне 700 метров имеет постоянную температуру в 32°C.
В случае использования в качестве источника тепла атмосферного или вентиляционного воздуха, система отопления работает по схеме «воздух–вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.
Если в качестве источника тепла используются грунтовые воды, то система работает по схеме «вода–вода». Вода подается из скважины с помощью насоса в теплообменник насоса, а после отбора тепла, сбрасывается либо в другую скважину, либо в водоем. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать антифриз или тосол. Если в качестве источника энергии выступает водоем, на его дно укладывается петля из металлопластиковой или пластиковой трубы. По трубопроводу циркулирует раствор гликоля (антифриз) или тосола который через теплообменник теплового насоса передает тепло фреону.
При использовании в качестве источника тепла грунта, система работает по схеме «грунт-вода». Возможны два варианта устройства коллектора – вертикальный и горизонтальный.
- При горизонтальном расположении коллектора, металлопластиковых трубы укладывают в траншеи глубиной 1,2–1,5 м или в виде спиралей в траншеи глубиной 2–4 м. Такой способ укладки позволяет значительно уменьшить длину траншей.
Схема теплового насоса при горизонтальном коллекторе со спиральной укладкой труб
1 — тепловой насос; 2 — трубопровод, уложенный в земле; 3 — бойлер косвенного нагрева; 4 — система отопления «теплый пол»; 5 — контур подачи горячей воды.
Однако при укладке спиралью сильно увеличивается гидродинамическое сопротивление, что приводит к дополнительным затратам на прокачку теплоносителя, так же сопротивление увеличивается по мере увеличения длины труб.
- При вертикальном расположении коллектора трубы укладывают в вертикальные скважины на глубину 20–100 м.
Схема вертикального зонда
Фото зонда в бухте
Установка зонда в скважину
Расчет горизонтального коллектора теплового насоса
Расчет горизонтального коллектора теплового насоса.
q – удельный теплосъем (с 1 м пог. трубы).
- сухой песок – 10 Вт/м,
- сухая глина – 20 Вт/м,
- влажная глина – 25 Вт/м,
- глина с большим содержанием воды – 35 Вт/м.
Между прямой и обратной петлей коллектора появляется разность температур теплоносителя.
Обычно для расчета ее принимают равной 3°С . Недостатком такой схемы является то, что на участке над коллектором не желательно возводить строений, чтобы тепло земли пополнялось за счет солнечной радиации. Оптимальная дистанция между трубами считается 0,7–0,8 м. При этом длина одной траншеи выбирается от 30 до 120 м.
Пример расчета теплового насоса
Я приведу примерный расчет теплового насоса для нашего экодома, описанного в статье Экодом. Теплоснабжение экодома.
Считается, что для обогрева дома с высотой потолка 3 м, необходимо расходовать 1 кВт. Тепловой энергии на 10 м2 площади. При площади дома 10х10м=100 м2, необходимо 10кВт тепловой энергии.
При использовании теплого пола, температура теплоносителя в системе , должна быть 35°С, а минимальная температура теплоносителя – 0°С.
Таблица 1. Данные теплового насоса Thermia Villa.
Для обогрева здания нужно выбирать тепловой насос мощностью 15,6 кВт (ближайший больший типоразмер), расходующий на работу компрессора 5 кВт. Выбираем по типу грунта теплосъем с поверхностного слоя грунта. Для (влажной глины) q равняется 25 Вт/м.
Рассчитаем мощность теплового коллектора:
Qo=Qwp–P, где
Qo – мощность теплового коллектора, кВт;
Qwp – мощность теплового насоса, кВт;
P – электрическая мощность компрессора, кВт.
Требуемая тепловая мощность коллектора составит:
Qo=15,6–5=10,6 кВт;
Теперь определим суммарную длину труб:
L=Qo/q, где q – удельный (с 1 м. пог. трубы) теплосъем, кВт/м.
L=10,6/0,025 = 424 м.
Для организации такого коллектора потребуется 5 контуров длиной по 100 м. Исходя из этого, определим необходимую площадь участка для укладки контура.
A=Lхda, где da – расстояние между трубами (шаг укладки), м.
При шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка составит:
А=500х0,75=375 м2.
Расчет вертикального коллектора
При выборе вертикального коллектора, бурят скважины глубиной от 20 до 100 м. В них погружаются U-образные металлопластиковые или пластиковые трубы. Для этого в одну скважину вставляется две петли, которые заливается цементным раствором. Удельный теплосъемтакого коллектора составляет 50 Вт/м.
Для более точных расчетов применяют следующие данные:
- сухие осадочные породы – 20 Вт/м;
- каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы – 50 Вт/м;
- каменные породы с высокой теплопроводностью – 70 Вт/м;
- подземные воды – 80 Вт/м.
На глубинах более 15 м, температура грунта составляет примерно +10°С. Необходимо учитывать, что расстояние между скважинами должно быть больше 5 м. Если в грунте существуют подземные течения, то скважины необходимо бурить перпендикулярной потоку.
Пример: L=Qo/q=10,6/0,05=212 м.
Таким образом, при удельном теплосъеме вертикального коллектора 50 Вт/м и требуемой мощности 10,6 кВт длина трубы L должна составить 212 м.
Для устройства коллектора необходимо пробурить три скважины глубиной по 75 м. В каждой из них размещаем по две петли из металлопластиковой трубы всего – 6 контуров по 150 м.
Работа теплового насоса при работе по схеме «Грунт-вода»
Трубопровод укладывается в землю. При прокачивании через него теплоносителя, последний нагревается до температуры грунта. Дальше по схеме вода поступает в теплообменник теплового насоса и отдает все тепло во внутренний контур теплового насоса.
Во внутренний контур теплонасоса закачан хладагент под давлением. В качестве хладагента используется фреон или его заменители, поскольку фреон разрушает озоновый слой атмосферы и запрещен к использованию в новых разработках. У хладагента низкая температура кипения и поэтому когда в испарителе резко снижается давление, он переходит из жидкого состояния в газ при низкой температуре.
После испарителя газообразный хладагент поступает в компрессор и сжимается компрессором. При этом он разогревается, и давление его повышается. Горячий хладагент поступает в конденсатор, где протекает теплообмен между ним и теплоносителем из обратного трубопровода. Отдавая свое тепло, хладагент охлаждается и переходит в жидкое состояние. Теплоноситель поступает в отопительную систему и снова охлаждаясь, передает свое тепло в помещение. Когда хладагент проходит через редукционный клапан,его давление падает, и он снова переходит в жидкую фазу. После этого цикл повторяется.
В холодное время года теплонасос работает как обогреватель, а в жаркое время может использоваться для охлаждения помещения (при этом тепловой насос не подогревает, а охлаждает теплоноситель — воду. А охлажденная вода, в свою очередь может использоваться для охлаждения воздуха в помещении).
В общем случае, теплонасос представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если поместить холодильник на улице, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его вовнутрь дома, то можно таким нехитрым способом, в какой-то степени, обогревать помещение.
Однако, как показывает практика, одного лишь теплового насоса для снабжения дома теплом и горячей водой недостаточно. Осмелюсь предложить оптимальную, на мой взгляд, схему отопления и горячего водоснабжения дома.
Предлагаемая схема снабжения дома теплом и горячей водой
1 — теплогенератор; 2 — солнечный коллектор; 3 — бойлер косвенного нагрева; 4 — тепловой насос; 5 — трубопровод в земле; 6 — циркуляционный блок гелиосистемы; 7 — радиатор отопления; 8 — контур подачи горячей воды; 9 — система отопления «теплый пол».
Данная схема предполагает одновременное использование трех источников тепла. Основную роль играет в ней теплогенератор (1), тепловой насос (4) и солнечный коллектор(2), которые служат вспомогательными элементами и способствуют снижению затрат потребляемой электроэнергии, как следствие, и повышению эффективности нагрева. Одновременное использование трех источников нагрева практически полностью исключает опасность размерзания системы.
Ведь вероятность выхода из строя одновременно и теплогенератора, и теплового насоса, и солнечного коллектора ничтожно мала. На схеме показаны два варианта обогрева помещений: радиаторы (7) и «теплый пол» (9). Это не значит, что надо использовать оба варианта, а лишь иллюстрирует возможность использования и одного и второго.
Принцип работы схемы отопления
Теплогенератор (1) подает нагретую воду в бойлер (3) и контур, состоящий из радиаторов отопления (7). Также в бойлер поступает нагретый теплоноситель от теплового насоса (4) и солнечного коллектора (2). Часть нагретой тепловым насосом воды также подается на вход теплогенератора. Смешиваясь с «обраткой» обогревающего контура, она повышает ее температуру. Это способствует более эффективному нагреву воды в кавитаторе теплогенератора. Нагретая и накопленная в бойлере вода подается в контур системы «теплый пол» (9) и контур подачи горячей воды (8).
Конечно, эффективность данной схемы будет неодинаковой в различных широтах. Ведь солнечный коллектор будет иметь наибольшую эффективность в летнее время года и, конечно же, в солнечную погоду. В наших широтах летом отапливать жилые помещения нет необходимости, поэтому теплогенератор можно вообще отключить. А так как лето у нас довольно жаркое и мы уже с трудом представляем свой быт без кондиционера, то тепловой насос предполагается включить на режим охлаждения. Естественно трубопровод, идущий от теплового насоса к бойлеру, будет перекрыт. Таким образом решать задачу горячего водоснабжения предполагается только с помощью гелиосистемы. И лишь в случае, если гелиосистема не справляется с этой задачей, использовать теплогенератор.
Как видим, схема довольно сложная и дорогостоящая. Общие приблизительные затраты в зависимости от выбранной схемы приведены ниже.
Затраты для вертикального коллектора:
- Тепловой насос 6000 €;
- Буровые работы 6000 €;
- Эксплуатационные расходы (электричество): около 400 € в год.
Для горизонтального коллектора:
- Тепловой насос 6000 €;
- Буровые работы 3000 €;
- Эксплуатационные расходы (электричество): около 450 евро в год.
Из крупных затрат потребуются расходы на закупку труб и на оплату труда рабочих.
Установка плоского солнечного коллектора (например, Vitosol 100-F и водонагревателя 300 л) обойдется в 3200 €.
Поэтому давайте, пойдем от простого к сложному. Сначала соберем простую схему отопления дома на основе теплогенератора, отладим ее, и постепенно будем добавлять в неё новые элементы, позволяющие увеличивать КПД установки.
Соберем систему отопления по схеме:
Схема теплоснабжения дома с использованием теплогенератора
1 — теплогенератор; 2 — бойлер косвенного нагрева; 3 — система отопления «теплый пол»; 4 — контур подачи горячей воды.
В итоге мы получили простейшую схему теплоснабжения дома, Я поделился своими мыслями для того, что бы побудить инициативных людей к развитию альтернативных источников энергии. Если у кого-то возникнут идеи или возражения по поводу написанного выше, давайте делиться мыслями, давайте накапливать знания и опыт в данном вопросе, и мы сбережем нашу экологию и сделаем жизнь немножко лучше.
Как видим здесь основной и единственный элемент, нагревающий теплоноситель, – это теплогенератор. Хотя в схеме и предусмотрен лишь один источник нагрева, она предусматривает возможность дальнейшего добавления дополнительных нагревательных устройств. Для этого предполагается использование бойлера косвенного нагрева с возможностью добавления или извлечения теплообменников.
Использование радиаторов отопления, имеющихся в схеме, изображенной на рисунке на один выше, не предполагается. Как известно система «теплый пол» более эффективно справляется с задачей обогрева помещений и позволяет экономить затрачиваемую энергию.
Внимание: Цены актуальны на 2009 год.
www.builderclub.com
Принцип работы теплового насоса для отопления дома
Тепловой насос (теплонасос, термопомпа, ТН) – оборудование для обогрева дома, коттеджа, дачи, апартаментов или квартиры. Он генерирует тепло из среды (воды, воздуха, земли) и переносит его в здание.
За счет того что ТН не производит тепло, а переносит его из одной среды в другую, его эффективность более 100% и может достигать 1000%. КПД теплового насоса – его отличие от систем получения тепла, таких как:
- Котлы;
- Бойлеры;
- Конвекторы;
- Электронагреватели;
- Гелиоколлекторы.
Есть два типа тепловых насосов – компрессорные (компрессионные) и абсорбционные. Но последние используют в промышленности – они еще не распространились на частные домовладения. Поэтому рассмотрим только компрессорные тепловые насосы.
Простыми словами можно описать принцип действия теплового насоса для отопления дома так: «холодильник наоборот». Для переноса тепла в нем служит теплоноситель (хладагент, фреон).
Теплоноситель попадет в испаритель (радиатор, магистраль, поле, скважину), где нагревается от окружающей среды. Далее его сжимает компрессор, в котором повышается его давление и температура.
В случае с грунтовыми и водяными тепловыми насосами, теплоноситель получает тепловую энергию от рассола, который циркулирует в трубах, погруженных в воду, или уложенных в грунте.
После компрессора теплоноситель отдает тепло в воздух, воду или другой теплоноситель, которые используются для отопления здания. Охлажденный теплоноситель попадает в конденсатор, в котором он охлаждается.
Этот цикл повторяется снова и проходит в замкнутом виде. На приведенном ниже видео показан принцип работы теплового насоса:
Особенности разных видов теплонасосов
Воздушные – самые дешевые из тепловых насосов, имеют низкую производительности зимой и высокую летом. Это обусловлено тем, что температура воздуха сильно зависит от сезона. Они просты в монтаже и подключении, их чаще используют для обогрева весной или осенью или как дополнительный источник дешевого тепла.
Цены тепловых насосов, водяного и грунтового (геотермального) типов, мало отличаются. Но стоимость укладки магистрали в водоем ниже чем бурение скважин или укладка геотермального поля. Поэтому если рядом есть озеро, пруд или река, целесообразнее устанавливать водяной ТН.
Виды тепловых насосов для отопления дома
Тепловой насос может нагревать три среды – воду, воздух теплоноситель. Воздух используется для отопления дома через вентиляцию, фанкойлы или внутренние блоки. Вода и теплоноситель циркулируют в радиаторных системах, теплых полах и стенах.
Основное название теплового насоса зависит от среды, из которой он получает тепло. Водяной – из воды, воздушный – из воздуха, грунтовый или геотермальный – из грунта и грунтовых вод.
Точное название Теплового насоса указывает на среду, в которую он передает тепло. ТН грунт-вода получает энергию из земли и нагревает воду или теплоноситель, вода-воздух – получает тепло из воды и подогревает воздух.
Воздушные тепловые насосы
Термопомпы воздух-воздух похожи на кондиционер и состоят из наружного и внутреннего блоков, иногда изготовлены как моноблок с воздуховодами. Принцип работы теплового насоса воздух-воздух ⇒ – в отборе тепла из воздуха снаружи здания и нагрева его внутри.
ТН воздух-вода состоит из наружного блока и бойлера (бака-накопителя), либо как моноблок в котором они объединены. Принцип работы теплового насоса воздух-вода – он охлаждает наружный воздух и нагревает воду или другой теплоноситель.
Водяные тепловые насосы
Тепловой насос вода-вода состоит из блока с теплообменником или накопителем и состоящей из нескольких труб магистрали (поля), погруженной в водоем, по которой циркулирует теплоноситель. Принцип работы теплового насоса вода-вода ⇒ – отбор тепла из водоема и нагрев воды или теплоносителя.
ТН вода-воздух – это магистраль и моноблок, в котором нагревается воздух для подачи на фанкойлы или вентиляцию. Иногда в таких тепловых насосах используют внутренние блоки по типу кондиционерных.
Грунтовые тепловые насосы
Такие тепловые насосы используют тепло земли, для чего либо бурят скважины, либо геотермальное поле, по которым циркулирует теплоноситель. Тепловые насосы грунт-вода либо имеют встроенный бак-накопитель, либо небольшой бак-теплообменник. ТН типа грунт-воздух либо выполнены как моноблок с каналом подачи нагретого воздуха, либо нагревают его через внутренние блоки по типу кондиционерных.
Эффективность и целесообразность
КПД тепловых насосов зависит от их производительности и качества. Например, воздушные ТН в зависимости от модели и стоимости могут производить при +5 градусов от 2 до 5 кВт тепла на 1 кВт затраченной электроэнергии. У грунтовых и водяных термопомп все зависит от оборудования, некоторые имеют КПД до 1000%, но цена такого теплового насоса немаленькая.
В статье мы разобрали принцип работы теплового насоса для обогрева здания, а вопрос о выборе, покупке и установке каждый должен решать самостоятельно. В любом случае, тепловые насосы – достойная альтернатива другим источникам тепла. Особенно учитывая, что газ и твердое топливо постоянно дорожают. Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!