Тепловой насос (ТН) – это устройство, которое осуществляет перенос, трансформацию и преобразование тепловой энергии. По принципу работы он схож с известными всем приборами и оборудованием, такими как холодильник или кондиционер. В основе функционирования любого ТН лежит обратный цикл Карно, названного в честь известнейшего французского физика и математика Сиди Карно.
Принцип работы теплового насоса
Изучим более подробно физику процессов работы данного оборудования. Тепловой насос состоит из четырех основных элементов:
- Компрессор
- Теплообменник (конденсатор)
- Теплообменник (испаритель)
- Соединительная арматура и элементы автоматики.
Компрессор необходим для сжатия и перемещения хладагента по системе. При сжимании фреона его температура и давление резко повышается (развивается давление до 40 бар, температура до 140 С), и в форме газа с высокой степенью сжатия он поступает в конденсатор (адиабатический процесс, т.е.
оцесс в котором система не взаимодействует с внешним пространством), где передает энергию потребителю. Потребителем может выступать как непосредственно среда, которую необходимо обогреть (например, воздух в помещении), так и теплоноситель (вода, антифриз и т.д.), который далее распределяет энергию по системе отопления (радиаторы, теплые полы, обогреваемые плинтуса, конвекторы, фанкойлы и прочее). Температура газа при этом, естественно понижается, и он меняет свое агрегатное состояние с газообразного на жидкостное (изотермический процесс, т.е. процесс, протекающий при постоянной температуре).
Далее хладагент в жидком состоянии поступает в испаритель, проходя через терморегулирующий вентиль (ТРВ), необходимый для уменьшения давления и дозирования поступления фреона в испарительный теплообменник. В следствии снижения давления при прохождении каналов испарителя осуществляется фазовый переход, и агрегатное состояние хладагента снова меняется на газообразное. При этом энтропия газа снижается (исходя из теплофизических свойств фреонов), что приводит к резкому падению температуры, и происходит «отъем» тепла у внешнего источника. В качестве внешнего источника может выступать уличный воздух, недра земли, реки, озера. Далее охлажденный газообразный фреон возвращается в компрессор, и цикл повторяется снова.
Фактически получается, что тепловая машина сама не производит выработку тепла, а является устройством по перемещению, модифицированию и видоизменению энергии от окружающей среды в помещение. Однако для этого процесса необходима электроэнергия, основным потребителем которой выступает компрессорный агрегат. Соотношение полученной тепловой мощности к затраченной электрической называется коэффициентом преобразования (СОР). Он меняется в зависимости от типа ТН, его производителя, прочих факторов и варьируется в пределах от 2 до 6.
В настоящее время в качестве хладагента используются озонобезопасные фреоны различного типа (R410A, R407C), которые наносят минимальный ущерб окружающей среде.
В современных тепловых машинах используются компрессоры спирального типа, которые не требуют обслуживания, в них практически отсутствует трение, и они могут безостановочно проработать 30-40 лет. Это обеспечивает долгий срок службы всего агрегата. Так, например, у немецкой фирмы Stiebel Eltron есть ТН, проработавшие без капитального ремонта с начала 70-х годов прошлого века.
Типы тепловых насосов
В зависимости от сред используемых для отбора и перераспределения энергии, а так же конструктивных особенностей и способах применения, различают четыре основных типа ТН:
Тепловой насос «воздух — воздух»
В качестве низкопотенциального источника энергии, данный тип оборудования использует уличный воздух. Внешне он не отличается от обычной сплит — системы кондиционирования, однако имеет ряд функциональных особенностей, позволяющих ему работать при низких температурах (до -30 С) и «изымать» энергию из окружающей среды. Обогрев дома осуществляется непосредственно теплым воздухом, нагреваемом в конденсаторе теплонасоса.
Достоинства ТН «воздух — воздух»:
- Невысокая стоимость
- Малое время монтажных работ и сравнительная простота установки
- Отсутствие возможности утечки теплоносителя
Недостатки:
- Значительное снижение СОР при низких температурах (до 1,2)
- Устойчивая работоспособность до -20 С
- Необходимость установки внутреннего блока в каждую комнату или организацию системы воздуховодов для подачи нагретого воздуха во все помещения.
- Невозможность получения горячей воды (ГВС)
На практике, такие системы применяются для сезонного жилья и не могут выступать в качестве основного источника обогрева.
Тепловой насос «воздух — вода»
По своему принципу действия схожи с предыдущим типом, однако они нагревают не напрямую воздух внутри помещения, а теплоноситель, который в свою очередь используется для отопления дома и приготовления ГВС.
Достоинства ТН «Воздух – вода»:
- не требует организация «внешнего контура» (бурения)
- надежность и долговечность
- высокие показатели эффективности (СОР) в осенний и весенний периоды
Недостатки ТН:
- Значительное снижение СОР при низких температурах (до 1,2)
- Необходимость оттаивания внешнего блока (реверсивный режим)
- Невозможность эксплуатации при температуре ниже -25 С — -30 С
Такие насосы в нашем климате все же не могут выступать единственным источником отопления. Поэтому они зачастую устанавливаются (по бивалентной схеме) в связке с дополнительным отопительным оборудованием (электрический, пеллетный, твердотопливный, дизельный котел, камин с водяной рубашкой). Также они подходят для реконструкции и автоматизации старых котельных, использующие традиционные виды топлива. Это позволяет большую часть года эксплуатировать систему в автоматическом режиме (нет необходимости загружать твердое топливо или заправлять дизельное топливо), используя только мощность ТН.
Тепловой насос «рассол – вода»
Один из самых распространенных на территории Республики Беларусь. Используя статистику нашей организации 90% установленных теплонасосов, являются геотермальными. В данном случае в качестве «внешнего контура» используется недра земли. За счет этого, данные ТН обладают самым главным преимуществом перед остальным типами теплонасосов – стабильный показатель эффективности работы (СОР) вне зависимости от времени года.
По устоявшейся терминологии, внешний контур называется геотермальным.
Существуют две основные разновидности геотермального контура:
- Горизонтальный
- Вертикальный
Остановимся на каждом из них подробнее.
Горизонтальный контур
Горизонтальный контур представляет собой систему полиэтиленовых труб, уложенных под верхним слоем грунта на глубине около 1,5 – 2 м, ниже уровня промерзания. Температура в этой зоне остается положительной (от +3 до +15 С) в течение всего календарного года, достигает максимума в октябре, а минимума в мае. Площадь, занимаемая коллектором зависит площади строения, степени его утепления, размеров остекления. Так, например, для двухэтажного жилого дома площадью 200 м2, имеющего неплохое утепление, отвечающее современным нормам, под геотермальное поле придется выделить порядка четырех соток земли (400 м2). Безусловно для более точной оценки диаметра используемым труб и занимаемой площади, необходим подробный теплотехнический расчет.
Вот как выглядит монтаж горизонтального коллектора на одном из наших объектов в г. Дзержинск (Республика Беларусь):
Достоинства горизонтального коллектора:
- Более низкая стоимость по сравнению с геотермальными скважинами
- Возможность проведения работ по его устройству совместно с прокладкой других коммуникаций (водопровод, канализация)
Недостатки горизонтального коллектора:
- Большая занимаемая площадь (не ней запрещается возводить капитальные строения, асфальтировать, укладывать тротуарную плитку, необходимо обеспечить естественный доступ света и осадков)
- Отсутствие возможности обустройства при готовом ландшафтном дизайне участка
- Меньшая стабильность по сравнению с вертикальным коллектором.
Обустройство такого типа коллектора обычно осуществляется двумя способами. В первом случае на всей площади укладки снимается верхний слой грунта, толщиной 1,5-2м, выполняется раскладка труб теплообменника с заданным шагом (от 0,6 до 1,5м) и производиться обратная засыпка. Для выполнения таких работ подходит мощная техника, такая как фронтальный погрузчик, бульдозер, экскаваторы с большим вылетом стрелы и объемом ковша.
Во втором случае укладка петель грунтового контура производиться поэтапно в подготовленные траншеи, шириной от 0,6м до 1 м. Для этого подходят небольшие экскаваторы и экскаваторы — погрузчики.
Вертикальный контур
Вертикальный коллектор представляет собой скважины глубиной от 50 до 200 м и более, в которые опущены специальные устройства – геотермальные зонды. Температура в этой зоне в течение многих лет и десятилетий остается постоянной и растет с увеличением глубины. Повышение происходит в среднем на 2-5 С на каждые 100 м. Величина это характеризующая называется температурным градиентом.
Процесс монтажа вертикального коллектора на нашем объекте в п. Крыжовка, под Минском:
Изучая карты распределения температур на различных глубинах на территории РБ и города Минска в частности, можно заметить, что температура меняется от области к области, и может существенно отличаться в зависимости от местоположения. Так, например, на глубине 100 м в районе г. Светлогорск она может достигать +13 С, а в некоторых районах Витебской области на той же самой глубине не превышает +8,5 С.
Безусловно при расчете глубины бурения и проектирования размера, диаметра и прочих характеристик геотермальных зондов, необходимо учитывать этот фактор. Помимо этого, необходимо учитывать геологический состав проходимых пород. Только опираясь на эти данные можно правильно запроектировать геотермальный контур.
Как показывает практика и статистика нашей организации 99% проблем при эксплуатации ТН связано с функционированием внешнего контура, при чем эта проблема проявляется не сразу после ввода в эксплуатацию оборудования. И этому есть объяснение, так при неправильном расчете геоконтура (например, на территории Витебской области, где как мы помним геотермальный градиент является одним из самых низких в Республике), его первоначальная работа не вызывает нареканий, однако с течением времени толща земли «выхолаживается», нарушается термодинамический баланс и начинаются неприятности, при чем проблема может возникнуть только на второй — третий отопительный сезон. Менее проблемно выглядит переразмеренный контур, но заказчик вынужден оплачивать не нужные метры бурения из-за некомпетентности подрядчика, что неумолимо ведет к удорожанию всего проекта.
Особенно критичным к изучению недр земли нужно относиться при строительстве больших коммерческих объектов, где количество скважин исчисляется десятками, и сэкономленные (либо растраченные) средства на их устройство, могут быть очень значительными.
Тепловой насос «вода — вода»
Одной из разновидностей геотермального источника тепла могут быть подземные воды. Они имеют постоянную температуру (от +7 С и выше), и в значительном количестве залегают на различных глубинах на территории РБ. По технологии, подземные воды поднимаются центробежным насосом из скважины и поступают на станцию тепломассообмена, где передают энергию антифризу нижнего контура теплового насоса. Эффективность работы данной системы зависит от уровня залегания грунтовых вод (в зависимости от глубины подъема, требуется определенная мощность помпы), расстояния от заборной скважины до станции обмена. Эта технология имеет один из самых высоких показателей COP, однако имеет ряд особенностей, ограничивающих ее применение.
Среди них:
- Отсутствие подземных вод, либо низкий уровень их залегания;
- Отсутствие постоянного дебета скважины, понижение статического и динамического уровней;
- Необходимость учитывать солевой состав и загрязненность (при не надлежащем качестве воды, происходит засорение теплообменника, снижаются показатели производительности)
- Необходимость устройства дренажного колодца для сброса значительных объемов отработавшей воды (от 2200 л/ч и более)
Как показывает практика, установка таких систем целесообразна, если в непосредственной близости имеется водоем или река. Отработавшую воду, также можно использовать в хозяйственных и промышленных целях, например, для полива, или организации искусственных водоемов.
Что качается качества заборной воды то, например, немецкий производитель альтернативных отопительных систем Stiebel Eltron рекомендует следующие параметры: общая доля железа и магния не более 0,5 мг/л, содержание хлоридов менее 300 мг/л, отсутствие осаждаемых веществ. При превышении этих параметров необходимо установка дополнительной системы очистки — станции подготовки и обессоливания, что повышает материалоемкость проекта.
Буровые работы для теплового насоса.
Исходя из опыта монтажа и эксплуатации геотермальных агрегатов, мы рекомендуем бурить скважины не менее 100м. Практика показывает, что лучшие показатели эффективности и стабильности тепловой машины, будет наблюдаться, например, для двух скважин по 150 м, чем для трех по 100м. Безусловно, для обустройства таких шахт требуется специальная техника и роторный метод производства бурения. Малогабаритные шнековые установки не способны обеспечить нужной длины скважин.
Так как, геотермальный контур является важнейшей составляющей, и правильность его обустройства является залогом успешного функционирования всей системы, то подрядчик, осуществляющих бурение должен соответствовать ряду критериев:
- обязательно иметь опыт производства подобного вида услуг;
- иметь специальный инструмент для погружения зондов;
- давать гарантию погружения зонда на проектную глубину и гарантировать его целостность и герметичность в процессе производства работ;
- после погружения проводить мероприятия по тампонированию скважины для увеличения ее теплообмена и производительности, зачеканить ствол шахты до обратной засыпки.
В целом, при правильном проектировании и квалифицированном монтаже, геотермальные зонды очень надежны, и способны Вам прослужить до 100 лет.
Процесс опускания геотермального зонда в пробуренную скважину:
Геотермальный зонд на станине, перед проведением проверки на герметичность («опрессовки» давлением):
Выводы
Исходя из нашего опыта в устройстве систем альтернативной энергетики, мы можем выделить основные факты, которые являются основополагающими при выборе нашими Заказчиками тепловых насосов:
- полная безопасность и экологичность (отсутствую процессы горения и движущие части)
- возможность «сегодня» заказать систему и через три недели наслаждаться ее использованием без каких-либо согласований с контролирующими и разрешительными органами.
- Полная автономность и минимальное техническое обслуживание (нет необходимости состоять в газовом кооперативе, зависеть от него; не надо подбрасывать дрова или проводить ежемесячную чистку воздуховодов, организовывать подъезд топливозаправщика и прочее)
- Стоимость участка для строительства индивидуального дома без подведенного газа значительно ниже и срок сдачи жилья не зависит от газовых служб
- Возможность удаленного управления через интернет
- Передовое и инновационное оборудование стильного исполнения, которое не стыдно показать друзьям и знакомым, что безусловно подчеркивает статус домовладельца.
Если в данной статье мы не затронули какие-то вопросы и вы хотите задать их лично – вы можете приехать к нам в офис по адресу: г. Минск, ул. Одоевского, 117, компания ООО «Нова Грос» и проконсультироваться у наших инженеров.
Так же, у нас есть возможность организовать бесплатное посещение уже реализованных функционирующих объектов.
Контактные телефон для связи: 044 765 29 58; 017 399 70 51
e-mail: info@stiebel-eltron.by
Источник: geoteplo.by
Этой осенью наблюдается обострение в сети по поводу тепловых насосов и их применения для отопления загородных домов и дач. В загородном доме, который я построил своими руками, с 2013 года установлен такой тепловой насос. Это полупромышленный кондиционер, способный эффективно работать на обогрев при уличной температуре до -25 градусов по Цельсию. Он является основным и единственным отопительным прибором в одноэтажном загородном доме общей площадью 72 квадратных метра.
За спиной уже 3 года полноценной эксплуатации теплового насоса по его прямому назначению и сейчас я хочу поделиться своими впечатлениями. Я провел расчеты и был шокирован — такого результата никто не ожидал!
2. Коротко напомню предысторию. Четыре года назад был куплен участок 6 соток в садовом товариществе, на котором, я, своими руками, без привлечения наемной рабочей силы, построил современный энергоэффективный загородный дом. Предназначение дома — вторая квартира, расположенная на природе. Круглогодичная, но не постоянная эксплуатация. Требовалась максимальная автономность в совокупности с простой инженерией. В районе расположения СНТ отсутствует магистральный газ и на него рассчитывать не стоит. Остается привозное твердое или жидкое топливо, но все эти системы требуют сложной инфраструктуры, стоимость возведения и содержания которой сопоставимо с прямым отоплением электричеством. Таким образом выбор уже был частично предопределен — электрическое отопление. Но здесь возникает второй, не менее важный момент: ограничение электрических мощностей в садовом товариществе, а также достаточно высокие тарифы на электроэнергию (на тот момент — не «сельский» тариф). По факту на участок выделено 5 квт электрической мощности. Единственный выход в данной ситуации — использовать тепловой насос, который позволит сэкономить на отоплении примерно в 2,5-3 раза, по сравнению с прямой конвертацией электрической энергии в тепловую.
Итак, переходим к тепловым насосам. Они различаются по тому, откуда они забирают тепло и по тому, куда его отдают. Важный момент, известный из законов термодинамики (8 класс средней школы) — тепловой насос не производит тепло, он его переносит. Именно поэтому его КОП (коэффициент преобразования энергии) всегда больше 1 (то есть тепловой насос всегда отдает тепла больше, чем потребляет из сети).
Классификация тепловых насосов следующая: «вода — вода», «вода — воздух», «воздух — воздух», «воздух — вода». Под «водой» указываемой в формуле слева подразумевается отбор тепла от жидкого циркулирующего теплоносителя проходящего по трубам находящимся в земле или водоеме. Эффективность таких систем практически не зависит от времени года и температуры окружающего воздуха, но они требуют дорогостоящих и трудоемких земляных работ, а также наличие достаточных свободных площадей под укладку грунтового теплообменника (на котором, впоследствии будет плохо что-либо расти летом, ввиду вымораживания грунта). Под «водой» указываемой в формуле справа подразумевается отоплительный контур, находящийся внутри здания. Это может быть как система радиаторов, так и жидкостные теплые полы. Такая система также потребует сложных инженерных работ внутри здания, но при этом имеет и свои плюсы — с помощью такого теплового насоса можно заодно получить горячую воду в доме.
Но самым интересной выглядит категория тепловых насосов класса «воздух — воздух». По сути это самые обычные кондиционеры. Во время работы на обогрев они забирают тепло из уличного воздуха и переносят его на воздушный теплобменник находящийся внутри дома. Несмотря на некоторые недостатки (серийные модели не могут работать при температурах окружающего воздуха ниже -30 градусов по Цельсию), они имеют колоссальное преимущество: такой тепловой насос очень легко установить и его стоимость сопоставима с обычным электрическим отоплением с помощью конвекторов или электрокотла.
3. На основании этих рассуждений был выбран канальный полупромышленный кондиционер Mitsubishi Heavy, модель FDUM71VNX. По состоянию на осень 2013 года, комплект состоящий из двух блоков (внешний и внутренний) стоил 120 тысяч рублей.
4. Внешний блок установлен на фасаде с северной стороны дома, там где меньше всего ветра (это важно).
5. Внутренний блок установлен в холле под потолком, от него с помощью гибких шумоизолированных воздуховодов обеспечена подача горячего воздуха во все жилые помещения внутри дома.
6. Т.к. подача воздуха находится под потолком (организовать подачу горячего воздуха около пола в каменном доме решительно невозможно), то очевидно, что забирать воздух нужно на полу. Для этого с помощью специального короба забор воздуха был опущен на пол в коридоре (во всех межкомнатных дверях также установлены переточные решетки в нижней части). Рабочий режим — 900 кубометров воздуха в час, за счет постоянной и стабильной циркуляции совершенно нет разницы по температуре воздуха между полом и потолком в любой части дома. Если быть точным, то разница составляет 1 градус по Цельсию, это даже меньше, чем при использовании настенных конвекторов под окнами (с ними перепад температуры между полом и потолком может достигать 5 градусов).
7. Кроме того, что внутренний блок кондиционера за счет мощной крыльчатки способен прогонять в режиме рециркуляции большие объемы воздуха по дому, не нужно забывать о том, что для людей наобходим свежий воздух в доме. Поэтому система отопления также выполняет роль системы вентиляции. По отдельному воздушному каналу с улицы в дом подается свежий воздух, который при необходимости подогревается (в холодное время года) с помощью автоматики и канального ТЭНа.
8. Раздача горячего воздуха осуществляется через вот такие решетки, расположенные в жилых комнатах. Также стоит обратить внимание на то, что в доме нет ни одной лампы накаливания и используются исключительно светодиоды (запомните этот момент, это важно).
9. Отработанный «грязный» воздух удаляется из дома через вытяжку в санузле и на кухне. Горячая вода готовится в обычном накопительном водонагревателе. Вообще, это достаточно большая статья расходов, т.к. колодезная вода очень холодна (от +4 до +10 градусов по Цельсию в зависимости от времени года) и кто-то может резонно заметить, что можно использовать солнечные коллекторы для нагрева воды. Да, можно, но стоимость вложений в инфраструктуру такова, что за эти деньги можно греть воду напрямую электричеством в течение 10 лет.
10. А это — «ЦУП». Главный и основной пульт управления воздушным тепловым насосом. У него есть различные таймеры и простейшая автоматика, но мы используем только два режима: вентиляция (в теплое время года) и нагрев (в холодное время года). Построенный дом оказался настолько энергоэффективным, что кондиционер в нём ни разу не использовался по прямому назначению — для охлаждения дома в жару. В этом большую роль сыграло и светодиодное освещение (теплоотдача от которого стремится к нулю) и очень качественное утепление (шутка ли, после обустройства газона на крыше нам даже пришлось этим летом использовать тепловой насос для обогрева дома — в дни, когда среднесуточная температура опускалась ниже +17 градусов по Цельсию). В доме круглогодично поддерживается температура не ниже +16 градусов по Цельсию, независимо от наличия в нём людей (когда в доме люди, то температура устанавливается +22 градуса по Цельсию) и никогда не выключается приточная вентиляция (потому, что лень).
11. Счетчик технического учета электроэнергии был установлен осенью 2013 года. То есть ровно 3 года назад. Нетрудно подсчитать, что среднегодовое потребление электрической энергии составляет 7000 квтч (на самом деле сейчас эта цифра немного меньше, т.к. в первый год расход был большим из-за использования осушителей во время отделочных работ).
12. В заводской комплектации кондиционер способен работать на обогрев при температуре окружающего воздуха не ниже -20 градусов по Цельсию. Для работы при более низких температурах требуется доработка (на самом деле она актуальна при эксплуатации даже при температуре -10, если на улице высокая влажность) — установка греющего кабеля в дренажный поддон. Это необходимо для того, чтобы после цикла разморозки внешнего блока вода в жидком состоянии успела покинуть дренажный поддон. Если она не успеет это сделать, то в поддоне будет намерзать лед, который впоследствии выдавит раму с вентилятором, что, вероятно, приведет к обламыванию лопастей на нём (можете посмотреть фотографии обломанных лопастей в интернете, я сам с этим чуть не столкнулся т.к. положил греющий кабель не сразу).
13. Как я уже упоминал выше — в доме везде используется исключительно светодиодное освещение. Это важно, когда речь заходит о кондиционировании помещения. Возьмем стандартную комнату, в которой расположено 2 светильника, по 4 лампы в каждом. Если это лампы накаливания мощностью 50 ватт, то суммарно они потребляют 400 ватт, в то время как светодиодные лампы будут потреблять менее 40 ватт. А вся энергия, как мы знаем из курса физики, в конечном итоге все равно превращается в тепловую. То есть освещение на лампах накаливания это такой неплохой обогреватель средней мощности.
14. Теперь поговорим о том, как работает тепловой насос. Всё, что он делает — переносит тепловую энергию из одного места в другое. Именно по такому принципу работают и холодильники. Они переносят тепло из холодильной камеры в помещение.
Есть такая хорошая загадка: Как изменится температура в комнате, если в ней оставить включенный в розетку холодильник с открытой дверцей? Правильный ответ — температура в комнате будет расти. Для просты понимания это объяснить можно так: комната это замкнутый контур, в него по проводам поступает электричество. Как мы знаем энергия в конечном итоге превращается в тепловую. Именно поэтому температура в комнате и будет расти, ведь в замкнутый контур извне поступает электричество и в нём же остается.
Немного теории. Теплота это форма энергии, которая передается между двумя системами из-за разницы температур. При этом тепловая энергия переходит из места с высокой температурой к месту с более низкой температурой. Это естественный процесс. Перенос тепла может осуществляться за счет теплопроводности, теплового излучения или путём конвекции.
Существует три классических агрегатных состояния вещества, преобразование между которыми осуществляется в результате изменения температуры или давления: твердое, жидкое, газообразное.
Для изменения агрегатного состояния тело должно либо получить, либо отдать тепловую энергию.
• При плавлении (переход из твердого состояния в жидкое) поглощается тепловая энергия.
• При испарении (переход из жидкого состояния в газообразное) поглощается тепловая энергия.
• При конденсации (переход из газообразного состояния в жидкое) выделяется тепловая энергия.
• При кристаллизации (переход из жидкого состояния в твердое) выделяется тепловая энергия.
Тепловой насос использует в работе два переходных режима: испарение и конденсацию, то есть оперирует веществом, находящимся либо в жидком, либо в газообразном состоянии.
15. В качестве рабочего тела в контуре теплового насоса используется хладагент R410a. Это фторуглеводород, закипающий (переход из жидкого состояния в газообразное) при очень низкой температуре. А именно, при температуре — 48,5 градусов по Цельсию. То есть, если обычная вода при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре +100 градусов по Цельсию, то фреон R410a кипит при температуре почти на 150 градусов ниже. Более того, при сильно отрицательной температуре.
Именно это свойство хладагента используется в тепловом насосе. Путем целеправленного измерения давления и температуры ему можно придать необходимые свойства. Либо это будет испарение при температуре окружающей с поглощением тепла, либо конденсации при температуре окружающей среды с выделением тепла.
16. Вот как выглядит контур циркуляции теплового насоса. Его основные компоненты: компрессор, испаритель, расширительный клапан и конденсатор. Хладагент циркулирует в замкнутом контуре теплового насоса и попеременно меняет свое агрегатное состояние с жидкого на газообразное и обратно. Именно хладагент передает и переносит тепло. Давление в контуре всегда избыточно по сравнению с атмосферным.
Как это работает?
Компрессор всасывает холодный газообразный хладагент низкого давления поступающий из испарителя. Компрессор сжимает его под высоким давлением. Температура повышается (тепло от работы компрессора также добавляется к хладагенту). На этом этапе мы получается газообразный хладагент высокого давления и высокой температуры.
В таком виде он поступает в конденсатор, обдуваемый более холодным воздухом. Перегретый хладагент отдает свое тепло воздуху и конденсируется. На этом этапе хладагент находится в жидком состоянии, под высоким давлением и со средней температурой.
Далее хладагент поступает в расширительный клапан. В нём происходит резкое снижение давления, вследствие расширения объема, который занимает хладагент. Уменьшение давления приводит к частичному испарению хладагента, что в свою очередь снижает температуру хладагента ниже температуры окружающей среды.
В испарителе давление хладагента продолжает снижаться, он еще сильнее испаряется, а необходимое для этого процесса тепло отбирается от более теплого наружного воздуха, который при этом охлаждается.
Полностью газообразный хладагент снова поступает в компрессор и цикл замыкается.
17. Попробую еще раз объяснить попроще. Хладагент кипит уже при температуре -48,5 градусов по Цельсию. То есть, условно говоря при любой более высокой температуре окружающей среды он будет иметь избыточное давление и в процессе испарения забирать тепло из окружающей среды (то есть уличного воздуха). Есть хладагенты используемые в низкотемпературных холодильниках, у них температура кипения еще ниже, вплоть до -100 градусов по Цельсию, но его не получится использовать для работы теплового насоса на охлаждение помещения в жару из-за очень высокого давления при высоких температурах окружающей среды. Хладагент R410a это некий баланс между возможностью работы кондиционера как на нагрев, так и охлаждение.
Вот, кстати, хороший документальный фильм снятый в СССР и рассказывающий о том, как устроен тепловой насос. Рекомендую.
18. Любой ли кондиционер можно использовать для работы на обогрев? Нет, не любой. Хотя на фреоне R410a и работают почти все современные кондиционеры, не менее важны и другие характеристики. Во-первых кондиционер должен иметь четырехходовой клапан, позволяющий так сказать переключиться на «реверс», а именно поменять местами конденсатор и испаритель. Во-вторых, обратите внимание, что компрессор (он расположен справа снизу) находится в теплоизолированном кохуже и имеет электрический подогрев картера. Это нужно для того, чтобы всегда поддерживать положительную температуру масла в компрессоре. По факту, при температуре окружающей среды ниже +5 градусов по Цельсию даже в выключенном состоянии кондиционер потребляет 70 ватт электрической энергии. Второй, важнейший момент — кондиционер должен быть инверторным. То есть и компрессор и электромотор крыльчатки должны иметь возможность изменять производительность в процессе работы. Именно это позволяет тепловому насосу эффективно работать на обогрев при наружной температуре ниже -5 градусов по Цельсию.
19. Как мы знаем, на теплообменнике внешнего блока, который является испарителем во время работы на обогрев, происходит интенсивное испарение хладагента с поглощением тепла из окружающей среды. Но в уличном воздухе находятся пары воды в газообразном состоянии, которые конденсируются, а то и кристаллизуются на испарителе из-за резкого снижения температуры (уличный воздух отдает свою теплоту хладагенту). А интенсивное обмерзание теплообменника приведет к снижению эффективности теплоосъема. То есть, по мере снижения температуры окружающей среды необходимо «притормозить» и компрессор и крыльчатку, чтобы обеспечить наиболее эффективный теплосъем на поверхности испарителя.
Идеальный тепловой насос работающий только на обогрев должен иметь площадь поверхности внешнего теплообменника (испарителя) в несколько раз превышающую площадь поверхности внутреннего теплообменника (конденсатора). На практике мы возращаемся к тому самому балансу, что тепловой насос должен уметь работать как на обогрев, так и охлаждение.
20. Слева можно видеть практически полностью покрытый инеем внешний теплообменник, кроме двух секций. В верхней, не замерзшей, секции фреон имеет еще достаточно высокое давление, что не позволяет ему эффективно испаряться с поглощением тепла из окружающей среды, в нижней же секции он уже перегрет и не может больше забирать тепло извне. А фотография справа дает ответ на вопрос почему внешний блок кондиционера был установлен на фасаде, а не спрятан от глаз на плоской кровле. Именно из-за воды, которую нужно отводить от дренажного поддона в холодное время года. Отводить эту воду с кровли было бы значительно сложнее, чем с отмостки.
Как я уже писал, во время работы на обогрев при отрицательной температуре на улице испаритель на внешнем блоке обмерзает, на нём кристаллизуется вода из уличного воздуха. Эффективность обмерзшего испарителя заметно снижается, но электроника кондиционера в автоматическом режиме контролирует эффективность теплосъема и периодически переключает тепловой насос в режим разморозки. По сути режим разморозки это прямой режим кондиционирования. То есть из помещения забирается тепло и переносится на внешний, обмерзший теплообменник, что растопить на нём лед. В это время вентилятор внутреннего блока работает на минимальной скорости, а из воздуховодов внутри дома поступает прохладный воздух. Цикл разморозки обычно длится 5 минут и происходит каждые 45-50 минут. Ввиду высокой тепловой инерционности дома, никакого дискомфорта во время разморозки не ощущается.
21. Вот таблица теплопроизводительности данной модели теплового насоса. Напомню, что номинальное потребление энергии составляет чуть более 2 кВт (ток 10А), а теплоотдача колеблется от 4 кВт при -20 градусах на улице, до 8 кВт при уличной температуре +7 градусов. То есть коэффициент конвертации составляет от 2 до 4. Именно во сколько раз тепловой насос позволяет экономить энергию по сравнению с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую.
Практика показывает, что средний коэффициент конвертации с учетом потерь в самые холодные зимние месяцы в Московской области составляет 2,5. Но не забывайте про межсезонье и даже лето. А как я уже писал выше, если у вас энергоэффективный, хорошо теплоизолированный дом, без паразитных источников тепла, то даже летом солнце не способно его прогреть до комфортной температуры +22 градуса и в холодние летние дни потребуется также использовать тепловой насос для обогрева. А при уличной температуре более +10 градусов мы получим пятикратную (!) экономию электроэнергии по сравнению с электрическими конвекторами.
Кстати, есть еще один интересный момент. Ресурс у кондиционера при работе на обогрев в разы выше, чем при работе на охлаждение.
22. Осенью прошлого года я установил счетчик электрической энергии Smappee, который позволяет вести статистику энергопотребления по месячно и предоставляет более менее удобную визуализацию проведенных измерений.
23. Smappee был установлен ровно год назад, в последних числах сентября 2015 года. Он также пытается показать стоимость электрической энергии, но делает это исходя из заданных вручную тарифов. А с ними есть важный момент — как известно, у нас повышают цены на электроэнергию 2 раза в год. То есть за представленный период измерений тарифы менялись 3 раза. Поэтому не будем обращать внимание на стоимость, а подсчитаем количество потребленной энергии.
На самом деле с визуализацией графиков потребления у Smappee есть проблемы. Например, самый короткий столбец слева это потребление за сентябрь 2015 года (117 квтч), т.к. у разработчиков что-то пошло не так и на экране за год почему-то 11, а не 12 столбцов. Но суммарные цифры потребления подсчитаны безошибочно.
А именно, 1957 квтч за 4 месяца (включая сентябрь) в конце 2015 года и 4623 квтч за весь 2016 год с января по сентябрь включительно. То есть суммарно было израсходовано 6580 квтч на ВСЁ жизнеообеспечение загородного дома, который круглогодично отапливался, независимо от нахождения в нём людей. Напомню, что летом этого года впервые пришлось использовать тепловой насос для обогрева, а на охлаждение летом он не работал ни разу за все 3 года эксплуатации (кроме автоматических циклов разморозки, разумеется). В рублях, по текущим тарифам в Московской области это менее 20 тысяч рублей в год или около 1700 рублей в месяц. Напомню, что в эту сумму входит: отопление, вентиляция, нагрев воды, плита, холодильник, освещение, электроника и техника. То есть это фактически в 2 раза дешевле, чем ежемесячная плата за квартиру в Москве аналогичной площади (разумеется без учета взносов на содержание, а также сборов на капитальный ремонт).
24. А теперь давайте подсчитаем сколько же денег позволил сэкономить тепловой насос в моём случае. Сравнивать будем электрическим отоплением, на примере электрокотла и радиаторов. Считать буду по докризисным ценам, которые были на момент установки теплового насоса осенью 2013 года. Сейчас тепловые насосы подорожали из-за обвала курса рубля, а техника вся импортная (лидеры по производству тепловых насосов — японцы).
Электрическое отопление:
Электрический котел — 50 тыс рублей
Трубы, радиаторы, фитинги и т.д. — еще 30 тыс. рублей. Итого материалов на 80 тысяч рублей.
Тепловой насос:
Канальный кондиционер MHI FDUM71VNXVF (внешний и внутренний блок) — 120 тыс. рублей.
Воздуховоды, адаптеры, теплоизоляция и т.д. — еще 30 тыс. рублей. Итого материалов на 150 тысяч рублей.
Установка своими руками, но в обоих случаях по времени это примерно одинаково. Итого «переплата» за тепловой насос по сравнению с электрокотлом: 70 тысяч рублей.
Но это не всё. Воздушное отопление с помощью теплового насоса это заодно кондиционер в теплое время года (то есть кондиционер все равно нужно ставить, так ведь? значит добавим еще минимум 40 тысяч рублей) и вентиляция (обязательна в современных герметичных домах, еще минимум 20 тысяч рублей).
Что имеем? «Переплата» в комплексе составляет всего 10 тысяч рублей. Это еще только на стадии ввода системы отопления в эксплуатацию.
А дальше начинается эксплутация. Как я уже писал выше, в самые холодные зимние месяцы коэффициент преобразования составляет 2,5, а в межсезонье и летом можно принять его равным 3,5-4. Возьмем усредненный годовой СОР равный 3. Напомню, что за год в доме расходуется 6500 квтч электрической энергии. Это суммарное потребление на все электрические приборы. Возьмем для простоты расчетов по минимуму, что тепловой насос потребляет из этой суммы всего лишь половину. То есть 3000 квтч. При этом в среднем за год он отдал 9000 квтч тепловой энергии (6000 квтч «притащил» с улицы).
Переведем перенесенную энергию в рубли, предположив, что 1 квтч электрической энергии стоит 4,5 рубля (усредненный дневной/ночной тариф в Московской области). Получаем 27000 рублей экономии, по сравнению с электрическим отоплением только за первый год эксплуатации. Вспомним, что разница на стадии ввода системы в эксплуатацию составляла всего 10 тысяч рублей. То есть уже за первый год эксплуатации тепловой насос СЭКОНОМИЛ мне 17 тысяч рублей. То есть он окупился в первый же год эксплуатации. При этом напомню, что это не постоянное проживание, при котором экономия была бы еще больше!
Но не забываем про кондиционер, который конкретно в моем случае не потребовался ввиду того, что построенный мною дом оказался переутепленным (хотя и используется однослойная стена из газобетона без дополнительного утепления) и он просто не нагревается летом на солнце. То есть скинем 40 тысяч рублей из сметы. Что имеем? ЭКОНОМИТЬ на тепловом насосе в таком случае я стал не с первого года эксплуатации, а со второго. Не велика разница-то.
Но если мы возьмем тепловой насос класса «вода-вода» или даже «воздух-вода», то цифры в смете будут совершенно иными. Именно поэтому тепловой насос «воздух-воздух» это лучшее соотношение цена/эффективность на рынке.
25. И напоследок несколько слов про электрические отопительные приборы. Меня замучали вопросами о всяких инфракрасных обогревателях и нано-технологиях не сжигающих кислород. Отвечу коротко и по делу. Любой электрический обогреватель имеет КПД 100%, то есть вся электрическая энергия переходит в тепловую. На самом деле это касается любых электрических приборов, даже электрическая лампочка дает тепло ровно в том количестве, в котором она его получила из розетки. Если же говорить про инфракрасные обогреватели, то их преимущество заключается в том, что они греют предметы, а не воздух. Поэтому самое разумное применение для них — обогрев на открытых верандах в кафе и на автобусных остановках. Там, где есть необходимость передать тепло напрямую предметам/людям, минуя нагрев воздуха. Аналогичная история про сжигание кислорода. Если где-то в рекламном проспекте вы видите эту фразу, знайте — производитель держит покупателя за лоха. Горение это реакция окисления, а кислород это окислитель, то есть он сам себя сжечь не может. То есть это все бред дилетантов, прогулявших уроки физики в школе.
26. Еще одним вариантом экономии энергии при электрическом отоплении (не важно, прямой конвертацией или с помощью теплового насоса) является использование теплоемкости ограждающих конструкций (или же специального теплоаккумулятора) для накопления тепла при использовании дешевого ночного электрического тарифа. Именно с этим я и буду экспериментировать этой зимой. По моим предварительным расчетам (с учетом того, что в ближайший месяц я буду платить по сельскому тарифу на электроэнергию, т.к. строение уже зарегистрировано как жилой дом), даже несмотря на рост тарифов на электроэнергию, в следующем году я заплачу за содержание дома менее 20 тысяч рублей (за всю потребленную электрическую энергию на отопление, нагрев воды, вентиляцию и технику с учетом того, что в доме круглогодично поддерживается температура примерно 18-20 градусов тепла, независимо от того есть ли в нём люди).
Что в итоге? Тепловой насос в виде низкотемпературного кондиционера класса «воздух-воздух» это самый простой и доступный способ экономии на отоплении, что вдвойне может быть актуально при существовании лимита электрических мощностей. Я полностью доволен установленной отопительной системой и не испытываю какого-либо дискомфорта от её эксплуатации. В условиях Московской области использование воздушного теплового насоса полностью себя оправдывает и позволяет окупить инвестиции не позднее, чем через 2-3 года.
Кстати, не забывайте что у меня еще есть Instagram, в котором я публикую ход работ практически в реальном времени — https://www.instagram.com/victorprofessor
Все материалы про строительство загородного дома своими руками в хронологическом порядке можно посмотреть здесь.
Источник: victorborisov.livejournal.com
Первичные контуры и функциональность системы
Для работы теплонасоса требуется источник тепловой энергии, которым может служить любая среда при условии, что в зимнее время ее температура стабильно будет превышать +1°С. Таким образом, практикуется установка агрегатов, получающих тепловую энергию из воды, воздуха и земли (из грунта или пород глубокого залегания).
Вода
Для прокладки первичного контура подходит любой естественный или искусственный водоем, при условии, что он не промерзает до дна. Длина трубопровода, погруженного на дно, определяется при расчете мощности теплового насоса — один метр смонтированного змейкой или кольцами трубопровода позволяет получить до 30 Вт тепловой энергии. То есть, теплонасос с трубопроводом длиной 500 метров способен обогреть дом, у которого потребность в тепле составляет 15 кВт.
Горизонтальный трубопроводный контур, уложенный кольцами
Принцип работы теплового насоса вода-вода заключается в том, что полученное тепло используется на нагрев жидкого теплоносителя в радиаторной системе отопления или контуре теплого пола. Функциональность теплового насоса вода-вода достаточна, чтобы обеспечивать стабильный напольный обогрев, так как позволяет поддерживать температуру теплоносителя на уровне 45-60 градусов. Для полноценного радиаторного отопления с таким температурным режимом дом требуется серьезно утеплить.
Воздух
У теплового насоса вода-вода коэффициент преобразования в среднем составляет 1,5-2,2. В то время как тепловой насос воздух-воздух или воздух-вода превышают этот показатель приблизительно в два раза — коэффициент преобразования более 4.
Тепловые насосы, работающие по схеме «воздух-воздух» широко распространены, поскольку они не нуждаются в монтаже больших контуров. Любой инверторный кондиционер, сплит-системы, работающие на обогрев помещения, по сути, являются тепловыми насосами с небольшой эффективностью.
Принцип работы воздушного теплового насоса
Воздушный тепловой насос имеет существенный недостаток — в морозную погоду ему негде брать тепло. Некоторые модели агрегатов рассчитаны на работу при -20°С, в остальных случаях предел не опускается ниже -10°С.
Помимо агрегатов «воздух-воздух» существует тепловой насос системы воздух-вода. Его отличие в том, что полученная тепловая энергия греет не воздух в помещении, а теплоноситель в отопительном контуре.
Принцип действия теплового насоса воздух-вода стандартный. При этом испаритель, дополнительно оснащенный вентилятором, устанавливают снаружи дома, а компрессор и конденсатор внутри. Подсоединив к теплообменнику водяной контур, можно обустроить напольный обогрев помещения.
Земля
Самым стабильным природным источником тепла являются горные породы на глубине свыше 20 метров, так как они постоянно подогреваются теплом от земного ядра. Но под установку контура из U-образной трубы приходится бурить глубокие скважины, что сказывается на цене установки. Геотермальные установки эффективны, но окупаются только через 10-15 лет эксплуатации при условии качественного утепления дома.
Тепловой насос «Земля-Вода»
Более дешевый в монтаже вариант подразумевает укладку контура на полметра ниже уровня промерзания грунта. Схема укладки — змейкой или кругами. Монтаж такой системы требует большого объема земельных работ, кроме того, внешний контур может быть поврежден в процессе эксплуатации.
1 Принцип действия
Теплонасос представляет собой комплект оборудования, задачей которого является сбор тепловой энергии и ее доставка к потребителю. Источником теплоэнергии может быть любая среда либо тело с температурой выше 1 градуса. Чтобы глубже разобраться с принципом работы этих устройств, следует познакомиться с их функциональными особенностями:
- Агрегат не производит теплоэнергию самостоятельно.
- Для работы теплонасоса необходима электроэнергия.
- В основе принципа работы аппарата лежит цикл Карно, используемый во всех холодильных установках.
За последнее время технология изготовления тепловых насосов значительно улучшилась. Современные агрегаты способны забирать тепловую энергию из воздуха с температурой до -30 градусов, а также воды и почвы – до 2 градусов. В цикле Карно рабочим телом является фреон. Это газообразное вещество начинает кипеть при минусовой температуре. Хладагент последовательно испаряется и конденсируется в двух теплообменных камерах, поглощая при этом энергию из окружающей среды. Затем он транспортирует ее к потребителю.
Схема теплового насоса аналогична принципу действия кондиционера, работающего на обогрев:
- Пока фреон находится в жидком состоянии, хладагент циркулирует по трубам теплообменника. Забирая теплоэнергию из окружающей среды, фреон закипает и начинает испаряться.
- Затем газ попадает в компрессор, который повышает давление до нужного значения. В результате точка кипения хладагента повышается, и вещество конденсируется при более высокой температуре.
- Проходя через внутреннюю теплообменную камеру, фреон отдает накопленную энергию теплоносителю и снова переходит в жидкое состояние.
- После этого газ поступает в ресивер и дроссель. Когда давление вещества снижается, рабочий цикл повторяется.
Что такое геотермальное отопление
Это тепло, добываемое из земли или воды. На определенных глубинах грунта сохраняется плюсовая постоянная температура, причем перепадов не бывает даже в лютые морозы, то же самое с водой. Задача человека взять тепло из земли или воды, отправив его на обеспечение комфорта в жилых комнатах.
Геотермальное отопление представляет собой обычный холодильник, но наоборот – система вырабатывает не холод, а тепло. Алгоритм насоса выстроен на передаче тепла от источника с небольшим потенциалом тепловой энергии к теплоносителю, а грунт или вода выступают активными источниками тепла.
Преимущества и недостатки системы
Геотермальное отопление обладает рядом преимуществ:
- Выделение тепловой энергии во много раз превышает затраты на электричество, потребляемое насосом.
- Экологическая чистота и безопасность. Система не выделяет вредных веществ, нет выбросов, шлака после сгорания топлива.
- Не нужно закупать топливо, газ, вся работа конструкции выстроена без применения химических и иных веществ, поэтому отопление теплом земли или воды считается самым безопасным.
- При соблюдении технологии монтажа, эксплуатации, оборудование и вся система отопления прослужит без технической поддержки минимум 50 лет.
- Тепловой насос работает бесшумно, нет акустических эффектов.
Максимальная экономическая выгода достигается отсутствием дополнительных вложений. Пользователю нужно один раз закупить все оборудование, настроить конструкцию и больше не придется вмешиваться в работу системы. Дополнительным преимуществом является расположение всех элементов вне строения – отопление из земли или воды не требует размещения в доме габаритных установок, поэтому способ добычи и подачи тепла подходит для домов любого размера.
Недостатком считается большой объем разовых затрат на покупку оборудования, установку и запуск системы в работу. Для формирования конструкции требуется насос, некоторое количество материалов, монтаж наружного коллектора и внутреннего контура.
Тепловой насос для отопления дома: цены и производители
Теплонасосные установки на российском рынке представлены продукцией фирм: Vaillant (Германия), Nibe (Швеция), Danfoss (Дания), Mitsubishi Electric (Япония), Mammoth (США), Viessmann (Германия). Не уступают им в качестве и российские производители SunDue и Henk.
Агрегат Nibe легко впишется в интерьер дома
Для отопления дома площадью сто квадратных метров потребуется десятикиловаттная установка.
Таблица 1. Средняя стоимость разных типов насосов мощностью 10 киловатт
| Изображение | Тип насоса | Стоимость оборудования, руб | Стоимость монтажных работ, руб |
|---|---|---|---|
| |
Грунт-вода Импортные производители | От 500 000 | От 80 000 |
| Грунт-вода отечественные производители | От 360 000 | От 70 000 | |
| |
Воздух-вода Импортные производители | От 270 000 | От 50 000 |
| Воздух-вода Отечественные производители | От 210 000 | От 40 000 | |
| |
Вода-вода импортные производители | От 230 000 | От 50 000 |
| Вода-вода отечественные производители | От 220 000 | От 40 000 |
Цена под ключ теплового насоса в среднем составляет около 300 – 350 тысяч рублей. Самым бюджетным вариантом считается система «воздух-вода», так как она не требует осуществления дорогостоящих земляных работ.
Расчёт контура теплоснабжения
Первое, что нужно сделать, прежде чем установить теплонасос — рассчитать тепловой баланс дома. Это позволит определить теплоотдачу, необходимую для обеспечения требуемой комфортной температуры. При расчёте насоса следует учитывать следующие данные:
- назначение здания;
- его общая площадь;
- количество этажей, площадь каждого из них;
- высота потолка;
- желаемая (требуемая) температура в помещении;
- стены (материал, толщина слоя);
- тип и общая площадь остекления;
- наличие системы вентиляции и её характеристики;
- спрос на горячую воду, количество точек;
- нагреватели и их тип;
- присутствие/отсутствие земли/воды поблизости;
- наличие/отсутствие ограничений на электричество.
Можно быстро предварительно рассчитать энергетические потребности дома по формуле:
P = V x C x T,
где V — объем жилья в м 3;
C — коэффициент строительства C = 0,75, если дом очень хорошо изолирован (RT2005) C от 0,9 до 1,3, когда дом плохо изолирован C = 1,6;
T — разница между требуемой температурой в доме и самой низкой температурой наружного воздуха в холодный период года для географической зоны места размещения строения.
Принцип действия тепловых насосов
Стоит отметить, что практически любая среда обладает тепловой энергией. Почему бы не использовать возможное тепло для отопления своего дома? Поможет в этом тепловой насос.
Принцип работы теплового насоса таков: тепло передается теплоносителю от источника энергии с низким потенциалом. На практике же все происходит следующим образом.
Теплоноситель проходит через трубы, которые зарыты, к примеру, в земле. Потом теплоноситель попадает в теплообменник, где собранная тепловая энергия передается на второй контур. Хладагент, который расположен во внешнем контуре, нагревается, и превращается в газ. После этого газообразный хладагент проходит в компрессор, где сжимается. Это приводит к тому, что хладагент еще больше нагревается. Горячий газ идет в конденсатор, а там тепло переходит к теплоносителю, который уже обогревает сам дом.
Геотермальное отопление дома: принцип работы
Холодильные системы устроены по такому же принципу. Это значит, что холодильные установки могут использоваться для охлаждения воздуха в помещении.
Виды тепловых насосов
Существует несколько видов тепловых насосов. Но чаще всего устройства классифицируются характером теплоносителя на внешнем контуре.
Устройства могут черпать энергию с
- воды,
- грунта,
- воздуха.
Полученная энергия в доме может применяться для отопления помещения, для нагревания воды. Потому и различают несколько видов тепловых насосов.
Тепловые насосы: грунт — вода
Самый лучший вариант альтернативного отопления – получение тепловой энергии из грунта. Так, уже на глубине шести метров земля имеет постоянную и неизменную температуру. В качестве теплоносителя в трубах используется специальная жидкость. Наружный контур системы выполняется из пластиковых труб. Трубы в грунте могут размещаться вертикально или горизонтально. Если трубы размещаются горизонтально, то необходимо выделять большую площадь. Там, где трубы устанавливаются горизонтально, невозможно использовать земли для сельскохозяйственных нужд. Можно только устраивать газоны или сажать однолетние растения.
Чтобы устроить вертикально трубы в грунте, необходимо сделать несколько скважин глубиной до 150 метров. Это будет эффективный геотермальный насос, так как температура на большой глубине у земли высокая. Для передачи тепла применяются глубинные зонды.
Тип насоса «вода — вода»
Кроме того, тепло можно получать из воды, которая находится глубоко под землей. Могут использоваться водоемы, грунтовые воды или сточные воды.
Стоит отметить, что принципиальных отличий между двумя системами нет. Самые малые затраты требуются тогда, когда создается система получения тепла из водоема. Трубы нужно наполнить теплоносителем и погрузить в воду. Более сложная конструкция нужна для того, чтобы создать систему получения тепла из грунтовых вод.
Насосы «воздух — вода»
Можно собирать тепло и с воздуха, но в регионах, где очень холодные зимы, такая система не эффективна. В то же время монтаж системы очень простой. Вам понадобится только выбрать и установить нужное устройство.
Еще немного о принципе действия геотермических насосов
Для отопления очень выгодно использовать тепловые насосы. Дома, площадь которых имеет более 400 квадратных метров, очень быстро окупают затраты на систему. Но если ваш дом не очень большой, то можно сделать систему отопления своими руками.
Сначала нужно купить компрессор. Подойдет устройство, который оснащен обычный кондиционер. Его крепим на стене. Конденсатор можно изготовить самому. Нужно сделать из медных труб змеевик. Его помещают в пластиковый корпус. Испаритель также устанавливается на стене. Пайку, заправку фреоном и тому подобные работы должен выполнять только профессионал. Неумелые действия не приведут к хорошему результату. Мало того, можно получить травму.
Перед тем, как запустить в работу тепловой насос, необходимо проверить состояние электрификации дома. Мощность счетчика должна быть рассчитана на 40 ампер.
Самодельный тепловой геотермальный насос
Отметим, что не всегда созданный своими руками тепловой насос оправдывает ожидания. Причина тому – отсутствие правильных тепловых расчетов. Система имеет малую мощность, а также растут затраты на обслуживание
Поэтому важно провести точно все расчеты. опубликовано econet.ru
Что такое тепловой насос и как он работает
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.
- Земля – вода.
- Вода – воздух.
- Вода – вода.
- Земля – воздух.
- Вода – вода
- Воздух – воздух.
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.
Цена на продукцию
Тепловые насосы за последние годы получили широкое распространение во всем мире, особенно в США, Китае и странах Западной Европы. Причина такой популярности — это частичная государственная компенсация при установке. В России они не так хорошо известны, но все больше заинтересовывают владельцев частных домов ввиду возможности сэкономить на электроэнергии.
Приборы можно приобрести в готовом виде, стоимость продукции зависит от источника энергии, мощности оборудования и производителя. Например, теплонасос со средней мощностью производства Польши без учета затрат на монтаж обойдется примерно в 340 тысяч рублей. Если изготавливать теплонасос своими руками, затраты все равно будут, но намного ниже. В обоих случаях период окупаемости оборудования составляет 2 года.
Решить проблему обогрева загородного дома бывает весьма трудно, особенно при отсутствии традиционных источников энергии в доступности. И даже при их наличии стоимость отопления может быть высокой. Тепловой насос является хорошей альтернативой для тех, кто хочет оптимизировать расходы или предпочитает использовать природные источники энергии.
Преимущества тепловых насосов
К преимуществам систем обогрева с тепловыми насосами относят такие:
- Экономическая эффективность. При затратах 1 кВт электрической энергии можно получить 3-4 кВт тепловой. Это усредненные показатели, т.к. коэффициент преобразования тепла зависит от типа оборудования и особенностей конструкции.
- Экологическая безопасность. При работе тепловой установки в окружающую среду не попадают продукты сгорания или другие потенциально опасные вещества. Оборудование озонобезопасно. Его применение позволяет получить тепло без малейшего вреда для экологии.
- Универсальность применения. При установке систем отопления, работающих от традиционных источников энергии, владелец дома попадает в зависимость от монополистов. Солнечные батареи и ветрогенераторы не всегда рентабельны. Зато тепловые насосы можно устанавливать где угодно. Главное – правильно выбрать тип системы.
- Многофункциональность. В холодное время года установки отапливают дом, а в летнюю жару способны работать в режиме кондиционеров. Оборудование применяют в системах ГВС, подключают к контурам теплых полов.
- Безопасность эксплуатации. Теплонасосам не требуется топливо, при их работе не выделяются токсичные вещества, а предельная температура узлов оборудования не превышает 90 градусов. Эти отопительные системы не опаснее холодильников.
Идеальных приборов не существует. Тепловые насосы надежны, долговечны и безопасны, но их стоимость напрямую зависит от мощности.
Качественное оборудование для полноценного обогрева и горячего водоснабжения дома 80 м.кв. обойдется примерно в 8000-10000 евро. Самоделки маломощны, их можно использовать для отопления отдельных комнат или подсобных помещений.
Эффективность установки зависит от теплопотерь дома. Оборудование имеет смысл устанавливать только в тех зданиях, где обеспечен высокий уровень изоляции, а показатели теплопотерь не выше 100 Вт/м.кв.
Оборудование надежно и редко ломается
Если оно самодельное, то важно подобрать качественный компрессор, лучше всего – от холодильника или кондиционера проверенной марки
Принцип работы теплового насоса
Система включает в себя собственно тепловой насос, устройство забора и устройство распределения тепла. Внутренний контур теплового насоса состоит из компрессора, питающегося от электросети, испарителя, дроссельного клапана и конденсатора.
Принципиальная схема работы теплового насоса (нажмите для увеличения)
Принцип работы этого прибора был разработан еще в 19 веке и назван «цикл Карно». Происходит это следующим образом:
- В коллектор подается незамерзающая смесь – это может быть вода со спиртом, соляной раствор или гликолевая смесь – которая поглощает тепловую энергию и транспортирует ее к насосу.
- В испарителе энергия переходит к хладагенту (веществу с низкой температурой кипения) от чего последний вскипает и превращается в пар.
- Компрессор увеличивает его давление, а, следовательно, повышается и температура.
- Через конденсатор тепловая энергия передается теплоносителю внутридомовой системы отопления, а хладагент дополнительно охлаждается для «выжима» оставшегося тепла, переходит в жидкое состояние и отправляется обратно в коллектор.
- Дальше процесс повторяется по той же схеме.
Если говорить совсем просто, тепловой насос это некий «холодильник наоборот». В холодильнике тепло, отдаваемое продуктами питания, нагревает хладагент, циркулирующий по трубам, и, в конце концов, выводится на заднюю стенку. Вот это самое тепло и используется в системе с тепловым насосом для подогрева теплоносителя.
Во время работы система потребляет электрическую энергию, но в значительно меньших количествах, чем обычный электрокотел. Так, потребляя 1кВ электроэнергии, тепловой котел отдает в систему отопления 5 кВ тепловой энергии.
Тепловые насосы для отопления дома: типовые разновидности
Самый удобный способ классификации тепловых насосов предполагает разделение подобных агрегатов по типу среды, в которой проложен первичный контур, питающий теплом испаритель.
И согласно этому способу классификации тепловые насосы делятся на следующие разновидности:
- Геотермальные агрегаты (земля-вода).
- Гидротермальные насосы (вода-вода).
- Аэротермальные установки (воздух-вода).
Причем все виды тепловых насосов эксплуатируют общий принцип работы, но среда «обитания» первичного контура накладывает свой отпечаток и на функционирование, и на обустройство агрегата. Поэтому далее по тексту мы рассмотрим нюансы обустройства каждой разновидности тепловых насосов.
Установка «земля-вода»
Тепловой насос «земля-вода»
Первичный контур геотермального насоса заглубляют в грунт до отметки 5-6 метров. Причем такой монтаж практикуют при обустройстве систем с горизонтальным теплообменником. А в случае монтажа вертикального первичного контура практикуется и 150-метровое заглубление, в особую скважину.
При этом минимальный объем работ характерен именно для вертикального размещения первичного контура. Поскольку при горизонтальном размещении необходимо распределить трубы теплообменника по слишком большой площади (50 квадратный метров на каждую 1000 Ватт энергетической отдачи теплового насоса).
Ну а в качестве теплоносителя геотермальный тепловой насос использует совершенно безвредный соляной раствор, незамерзающий даже при отрицательных температурах.
Насос «вода-вода»
Первичный контур гидротермального насоса можно инсталлировать в естественный или искусственный водоем, обычный или сточный колодец, реку или рукотворный канал.
Тепловой насос «вода-вода»
Причем испаритель и труба с теплоносителем погружаются в воду, как минимум, на 1,5-2 метра. Ведь поверхностные слои могут замерзнуть, повредив и функциональность, и целостность элементов теплового насоса.
Словом, для геотермального насоса придется подобрать «правильный» водоем. А вот сама инсталляция первичного контура происходит достаточно просто – полимерную трубу с тем же соляным раствором «топят» на нужной глубине, используя особы грузила.
И такой способ размещения первичного контура превращает обустройство насосной станции «вода-вода» в чрезвычайно простую и нетрудоемкую операцию. Поэтому, если поблизости есть подходящий водоем, то лучшим вариантом теплового насоса будет именно гидротермальный агрегат.
Агрегат «воздух вода»
Тепловой насос воздух-вода
По сути, это тот же кондиционер, правда, много больших размеров. Первичный контур с испарителем размещается «на воздухе», за пределами жилища, в специальном корпусе.
Причем для обеспечения работоспособности насоса в зимнее время этот корпус очень часто объединяют с вытяжным каналом вентиляционной системы жилища.
Словом, основное достоинство данной системы – простота монтажа, а вот эффективность работы насосов «воздух-вода» весьма сомнительна. Ну а в наших широтах они попросту не могут конкурировать с геотермальными или гидротермальными установками.
Как сделать тепловой насос самоcтоятельно
Стоимость теплового насоса даже без вызова специалистов для его установки достаточно высока. К сожалению, далеко не у всех есть возможность единовременно потратить такую значительную сумму денег, пусть даже в надежде на экономию в ближайшем будущем. Можно ли сделать тепловой насос своими руками? Да, вполне. К тому же соорудить его можно из уже имеющихся деталей или купить по случаю запчасти б/у.
Итак, приступим. Если вы собираетесь устанавливать подобную отопительную систему в старом доме, обязательно проверьте состояние проводки и электросчетчика. Проследите за тем, чтобы измерительный прибор был мощностью не менее 40 ампер.
Прежде всего, необходимо позаботиться о покупке компрессора. В специализированных фирмах или в обычной мастерской по ремонту холодильного оборудования можно купить компрессор от кондиционера. Он вполне подойдет для наших целей. Его необходимо прикрепить к стене при помощи кронштейна L-300. Теперь переходим к изготовлению конденсатора. Для этого нам понадобится бак из нержавеющей стали объемом 100-120 литров. Его необходимо разрезать пополам и установить внутрь змеевик, который достаточно легко изготовить из медной трубки от холодильника или обычной сантехнической медной трубы небольшого диаметра
Важно! Не следует использовать очень тонкостенную трубку – ее хрупкость может доставить массу неудобств во время работы. Толщина стенок медной трубки должна составлять не менее 1 мм
- Для получения змеевика берем газовый или кислородный баллон и наматываем на него медную трубку, соблюдая расстояние между витками. Для того чтобы зафиксировать трубку в таком положении проще всего взять перфорированный алюминиевый уголок, который используется для защиты углов под шпаклевкой, и примотать его к змеевику так, чтобы каждый виток находился напротив отверстия в уголке. Это обеспечит одинаковый шаг витков и прочность всей конструкции.
- После установки змеевика свариваем половинки бака, не забыв вварить резьбовые соединения.
Самодельный испаритель для теплового насоса
Испарителем может стать пластмассовая емкость, объемом 60-80 литров, в которую вмонтирован змеевик из трубы диаметром ¾ дюйма. Для доставки и слива воды можно использовать обычные водопроводные трубы. Испаритель тоже необходимо закрепить на стене при помощи L-кронштейна нужного размера. Когда все готово, пришла пора приглашать специалиста по холодильному оборудованию. Он нужен для того, чтобы собрать систему, сварить медные трубки и закачать фреон
Важно! Не имея специального образования или навыков работы с холодильным оборудованием, не пытайтесь выполнить последний этап работы самостоятельно. Это может привести не только к выходу вашей конструкции из строя, но и к травмам
2 Как сделать и установить тепловой насос своими руками
Тепловой насос своими руками изготовить вполне реально, однако для этого необходимо найти хороший компрессор.
В качестве конденсатора можно использовать бак из нержавейки, ориентировочно на 100 литров. А для контура, по которому будет циркулировать теплообменник, отлично подойдут тонкие медные сантехнические трубки.
Тепловой насос своими руками – этапы изготовления:
- С помощью уголка, либо L-образных кронштейнов крепим компрессор к стене в том месте, где будет размещаться тепловой насос.
- Далее, из медных трубок делаем змеевик – обматываем их вокруг цилиндра подходящей формы. Следите за тем, чтобы шаг намотки по всем змеевику был идентичен.
- Бак разрезается на две части, внутрь вставляется змеевик, после чего бак сваривается обратно. При этом в нём создается несколько резьбовых входных отверстий – сверху и снизу, через которые наружу выводятся крайние трубки змеевика.
- В качестве испарителя используем обычную пластиковую бочку, в которую заводятся трубы внутреннего контура (либо любую другую емкость, объем которой идентичен конденсаторному баку).
-
Для транспортировки прогретой воды используются обычные ПВХ трубы.
Для заправки системы фреоном рекомендуется обратиться к специалисту.
Чтобы сделать тепловой насос Френетта своими руками нам необходимо обзавестись такими материалами:
- Стальной цилиндр (диаметр выбирайте исходя из мощности насоса, которая необходима вам для отопления: чем больше рабочая поверхность – тем более эффективным будет устройство);
- Стальные диски, с диаметром на 5-10% меньше, чем диаметр цилиндра;
- Электродвигатель (лучше всего изначально подбирать привод с удлиненным валом, так как на него будут устанавливаться диски);
- Теплообменник – любое техническое масло.
От количества оборотов, которое может выдать двигатель, будет зависеть температура, до которой насос Френетта сможет прогреть воду для отопления дома, либо бассейна. Чтобы вода в радиаторах прогрелась до 100 градусов необходимо, чтобы привод обеспечивал 7500—8000 оборотов/мин.
Вал силового агрегата на подшипниках размещаем внутри стального цилиндра. Место, где вал входит в цилиндр должно быть надежно уплотнено, поскольку наличие даже малейших вибраций быстро выводит механизм из строя.
На вал двигателя монтируются рабочие диски. Необходимое расстояние между ними можно задать, накручивая после каждого диска гайки. Количество дисков определяется в зависимости от длины цилиндра – они должны равномерно заполнять весь его объем.
В верхней и нижней части цилиндра просверливаем два отверстия: к верхнему будет подведены отопительные трубы, в которые будет подаваться масло, а к нижнему отверстию подсоединяется обратная труба для возврата использованного масла с радиаторов.
Вся конструкция закрепляется на металлической раме. После того как агрегат собран, цилиндр заполняется маслом, к нему подключаются патрубки отопительной магистрали и выполняется герметизация соединений.
Тепловой насос, созданный на производстве
Тепловой насос Френетта обладает очень высоким КПД, что позволяет его эффективно использовать в любых отопительных системах. Он может использоваться для обогрева любых хозяйственных помещений, гаражей, и жилых зданий. Кроме этого, за счет компактных размеров такой самодельный насос отлично подходит для прогрева бассейна, либо «теплого пола».
Но помните, что при прогреве бассейна и других крупных емкостей с водой необходим насос достаточной мощности, иначе вы просто будете использовать его не по назначению, и желаемых результатов не получите.
2.1 Монтаж тепловых агрегатов
Особенности монтажа тепловых насосов зависят, в первую очередь, от способа размещения внешнего контура.
- Геотермальные тепловые насосы. Для вертикального способа монтажа создаются скважины глубиной от 50 до 100 метров, в которые опускается специальный зонд. Для горизонтальной укладки создается траншея на ту же длину либо котлован, в котором трубы укладываются параллельно друг другу. Трубы закладываются в грунт на глубину полутора метров.
- Насосы вода-вода: внешний контур укладывается на дне водоема, и выводятся к тепловому насосу.
- Воздух-вода: блок с трубами внешнего контура устанавливается на крыше или на стене здания (по внешнему виду его трудно отличить от наружной коробки кондиционера), и подводится к тепловому насосу внутри помещения.
Заключение
Теперь вы полностью знакомы с тем, что такое и каким может быть тепловой насос (принцип работы). Своими руками подобный агрегат сделать можно, а в некоторых случаях даже нужно. В этом случае вы можете сэкономить порядка 30% средств на покупку оборудования. Но опять же монтажными работами желательно должен заниматься специалист, это же касается и проводимых расчетов.
Как ни крути, сегодня это еще достаточно дорогостоящий вид отопления с большим сроком окупаемости. В большинстве случаев куда проще провести газ или топить углем или дровами. Тем не менее для больших загородных домов это очень перспективный вид отопления. Его говорить об экономичности оборудования, то получается что на 1 кВт потраченной энергии мы получаем порядка 5-7 кВт тепловой. По охлаждению это 2-2,5 кВт на выходе, что тоже очень даже неплохо. Стоит отметить еще и бесшумность работы насоса. Вот, в принципе, и все, что можно рассказать по данной теме.
Источник: vse-otoplenie.ru