Тепловые насосы для отопления дома

Кроме привычных традиционных отопительных приборов на газу, электричестве или твердом топливе, есть и альтернативные источники тепла.

В нашем климате отопительный сезон длится больше полугодия, а летом приходится тратиться на системы кондиционирования. Хорошо, если дом находится на «освоенных» территориях, где подведен газ. А как быть, если магистрали нет, и в обозримом будущем не предвидится. В последние годы все большее распространение получают тепловые насосы, как альтернатива классическим видам отопительных приборов. И среди пользователей FORUMHOUSE есть владельцы такого оборудования, готовые поделиться полезным опытом.

Как это работает

Основные узлы агрегата: компрессор, теплообменник, циркуляционный насос, автоматика, подающий контур. Насос способен забирать тепло из трех источников.

• Воздух.
• Вода.
• Грунт.

Судя по веткам обсуждений, востребованы у нас два варианта – вода и грунт.

Отопительный контур

Тепловой насос, в отличие от котлов на газу, угле или электричестве, нагревает носитель в среднем до 40⁰C. Это оптимальная температура, при которой и износ оборудования минимальный, и потребление электричества. Для обычных радиаторов таких показателей недостаточно. Поэтому с тепловым насосом обычно используют не трубы и батареи, а теплый пол. Он при таком нагреве теплоносителя эффективнее. Только шаг между трубами должен быть меньше. Стоит учесть, что теплый пол создает ограничения по выбору мебели и сушит воздух. Потребуется дополнительное увлажнение. Летом полы могут работать на охлаждение.

Достоинства и недостатки

Кроме того, нет зависимости от газовщиков и хождений по инстанциям для согласования. Да и требования к котельной не такие строгие. После пуска затраты на эксплуатацию минимальные. Оплачивается только электричество, насос средней мощности потребляет около 4 кВт в час. Современные модели импульсные, работают не беспрерывно, а включаются при необходимости. Это снижает количество рабочих часов в сезон и затраты энергии.

Главный недостаток геотермального отопления – цена вопроса, даже китайский или отечественный агрегат, не говоря о европейских брендах, стоит несколько тысяч евро. Вместе с обустройством внешнего контура и монтажом, удовольствие выльется в сотни тысяч рублей. Согласно расчетам экспертов и владельцев, насос окупается за несколько лет. Работает он на дармовом источнике, по сравнению со стоимостью тонны угля или куба дров, экономия значительная. Но далеко не у каждого есть лишних полмиллиона на оборудование и пусконаладку.

Если недалеко от участка водоем, получается значительно дешевле, отпадают траты на дорогостоящее бурение.

Действующие скважины тоже оптимизируют процесс, становясь источником тепла. Это подтверждает форумчанин дет марос из Усть-Каменогорска. Он работает на предприятии, выпускающем тепловые насосы и оказывающем услуги по их установке. Поэтому досконально разбирается в ситуации и на вопрос участника ветки, нужны ли ему зонды, если на участке есть скважины, ответил исчерпывающе.

www.forumhouse.ru

Что такое тепловой насос

Тепловой насос представляет собой парокомпрессионную установку, которая переносит тепло от холодных, низкопотенциальных источников тепла к горячим, высокопотенциальным. Тепло передается за счет конденсации и испарения хладагента, в качестве которого чаще всего используется фреон, циркулирующий по замкнутому контуру. Электроэнергия, от которой работает тепловой насос, тратится только на эту принудительную циркуляцию.

Принцип работы теплового насоса основан на так называемом цикле Карно, который прекрасно знаком вам по работе холодильных установок. На самом деле, бытовой холодильник, стоящий на вашей кухне, также является тепловым насосом. Когда вы помещаете в него продукты, пусть даже холодные, но температура которых все-таки выше, чем температура в камере холодильника, по закону сохранения энергии выделяемое ими тепло никуда не девается. Поскольку температура внутри повышаться не должна, тепло выводится наружу через решетку радиатора, нагревая воздух в кухне. Чем больше продуктов вы поместите одновременно в холодильник, тем больше будет теплоотдача.

Простейшим вариантом теплового насоса станет открытый холодильник, помещенный на улице, радиатор которого находится в комнате. Но пусть холодильник исполняет свои прямые обязанности, ведь уже существуют специальные устройства — тепловые насосы, имеющие кпд гораздо выше. Принцип их действия достаточно прост.

Как работает тепловой насос

Любой теплонасос состоит из испарителя, конденсатора, расширителя, понижающего давление, и компрессора, который давление повышает. Все эти устройства соединены в один замкнутый контур трубопроводом. По трубам циркулирует хладагент, инертный газ с очень низкой температурой кипения, поэтому в одной части контура, холодной, он представляет собой жидкость, а во второй, теплой, он переходит в газообразное состояние. Точка кипения, как известно из физики, может меняться в зависимости от давления, вот зачем нужны в этой системе расширитель и компрессор.

Предположим, что снаружи теплоноситель циркулирует по трубам, уложенным в земле, поскольку он имеет низкую температуру, то проходя по ним, он нагревается, даже когда внешняя температура составляет всего около 4-5оС. Поступая в испаритель, который выполняет функцию теплообменника, теплоноситель отдает полученное тепло во внутренний контур системы, который заполнен хладагентом. Даже этого тепла достаточно, чтобы хладагент перешел из жидкого в газообразное состояние.

Двигаясь дальше, газ перемещается в компрессор, где под действием высокого давления сжимается, а его температура при этом повышается. Став горячим, газ поступает в конденсатор, который также является теплообменником. В нем происходит передача тепла от горячего газа к теплоносителю обратного трубопровода, входящего в отопительную систему дома. Отдав тепло, газ охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, в то время, как нагретый теплоноситель поступает в систему горячего водоснабжения и отопления. Проходя через редукционный клапан расширителя, сжиженный газ снова попадает в испаритель – цикл замыкается.

В холодное время года тепловые насосы работают на обогрев дома, а в жару – на его охлаждение. В этом случае принцип работы тот же, только летом тепло в теплоноситель поступает из внутренних помещений, а не снаружи.

Конструктивные особенности тепловых насосов

В настоящее время используются тепловые насосы, имеющие разные конструкции. Так, насос с открытым циклом применяют, когда дом расположен рядом с водоемом. В этом случае теплоноситель, вода, поступает в открытый контур, проходит весь цикл и, охлаждаясь, вновь сливается в водоем.

Геотермальные насосы закрытого типа прокачивают теплоноситель – воздух или воду, по трубам, заложенным глубоко в землю и проложенным по дну водоема. Закрытый цикл в экологическом плане считается более безопасным. К закрытому типу относятся насосы с вертикальным и горизонтальным теплообменником, которые используются, когда поблизости нет водоемов. Вертикальные тепловые насосы применяются, когда площадь земельного участка, на котором расположен дом, невелика. Иногда вертикальные насосы устанавливают в пробуренных поблизости скважинах.

В комплекс работ по установке теплового насоса входит проведение внутренних электромонтажных работ, прокладка внешнего трубопровода и внутренних воздуховодов.

Преимущества использования тепловых насосов

Экономическая выгода от использования тепловых насосов очевидна – их эксплуатация достаточно дешево обходится, поскольку электроэнергии тратится чуть больше, чем при работе холодильника. Цена оборудования также невысока, так же, как и стоимость монтажа и установки. Использование теплового насоса, позволяет избавиться от забот о приобретении и хранении топливных ресурсов, установке и эксплуатации отопительного оборудования, у вас в доме освобождаются дополнительные помещения, в которых раньше располагалась котельная.

www.kakprosto.ru

Устройство и принцип работы

Некоторым количеством тепловой энергии обладает практически любая среда, которая нас окружает, если только ее температура превышает 1°C. Почему бы не использовать часть этой энергии для обогрева собственного дома? Делается это с помощью теплового насоса.

Основан принцип работы теплового насоса на передаче тепла от источника с низким потенциалом тепловой энергии к теплоносителю, который имеет более высокую температуру. На практике выглядит это таким образом:

1. Теплоноситель поступает в трубопровод, расположенный, например, в грунте, и нагревается на несколько градусов.
2. Затем теплоноситель попадает в теплообменник (или испаритель) и передаёт собранную тепловую энергию на внутренний контур.
3. Хладагент (вещество с низкой температурой кипения, находящееся под низким давлением), который находится во внешнем контуре, нагревается в испарителе и превращается в газ.
4. Затем газообразный хладагент попадает в компрессор, где сжимается под воздействием высокого давления. При этом температура хладагента становится ещё выше.
5. Горячий газ поступает в конденсатор, где передаёт тепловую энергию теплоносителю внутренней системы отопления дома.
6. После этого хладагент, потерявший тепло, возвращается в систему в жидком состоянии.

Работа холодильных установок основана на таком же принципе, поэтому некоторые виды тепловых насосов в летнее время можно вполне успешно использовать в качестве кондиционеров, т. е. для охлаждения помещения.

Видео: устройство и работа тепловых агрегатов

Виды агрегатов

Наглядное представление о вариантах устройства тепловых насосов представляет их классификация по виду теплоносителя на внешнем и внутреннем контурах конструкции. Получать энергию устройство может из:

• грунта;
• воды (водоём или источник);
• воздуха.

Внутри дома полученная тепловая энергия может использоваться в системе отопления, а также для подогрева воды или для кондиционирования воздуха. Поэтому различают несколько видов тепловых насосов в зависимости от сочетания этих элементов и функций.

Система «грунт-вода»

Получение тепла из грунта считается одним из самых эффективных для этого типа альтернативного отопления, поскольку уже примерно в пяти метрах от поверхности температура грунта остаётся достаточно постоянной, мало подвержена изменениям погодных условий.

В качестве теплоносителя на внешнем контуре используется специальная жидкость, которую принято называть рассолом. Это экологически безопасный состав.

Наружный контур теплового насоса типа «грунт-вода» выполняют из пластиковых труб. Разместить их в грунте можно горизонтально или вертикально. В первом случае могут понадобиться работы на значительной площади, от 25 до 50 кв. м на каждый киловатт мощности насоса. Площади, отведённые под устройство горизонтального коллектора, нельзя использовать для сельскохозяйственных нужд. Здесь допустима только разбивка газона или высадка однолетних цветущих растений.

Для сооружения вертикального коллектора понадобится ряд скважин глубиной 50-150 метров. Поскольку температура грунта на такой глубине выше и устойчивее, такой геотермальный тепловой насос считается более эффективным. Для передачи тепла в этом случае используются специальные глубинные зонды.

Насос «вода-вода»

Не менее эффективным выбором может стать тепловой насос вода вода, поскольку на большой глубине температура воды остается достаточно высокой и постоянной. В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии могут использоваться:

• открытые водоёмы (озёра, реки);
• грунтовые воды (скважины, колодцы);
• сточные воды промышленных технологических циклов (обратное водоснабжение).

Принципиальных отличий в конструкции теплонасосов «грунт-вода» или «вода-вода» не имеется. Наименьших затрат потребует сооружение теплонасоса, использующего энергию открытого водоёма: трубы с теплоносителем нужно снабдить грузом и погрузить в воду. При использовании потенциала грунтовых вод понадобится более сложная конструкция. Может потребоваться сооружение дополнительного колодца для сброса воды, которая проходит через теплообменник.

Универсальный вариант «воздух-вода»

По эффективности тепловой насос воздух вода уступает другим моделям, поскольку в холодное время года мощность его ощутимо снижается. Однако для его монтажа не требуется сложных работ по выемке грунта или по сооружению глубоких скважин. Нужно только выбрать и установить подходящее оборудование, например, прямо на крыше дома.

Несомненным преимуществом этой конструкции является способность повторно использовать тепло, которое покидает обогреваемые теплонасосом помещения с отработанным воздухом или водой, а также в виде дыма, газа и т. п. Чтобы компенсировать недостаток мощности воздушного теплонасоса в зимний период, следует предусмотреть варианты альтернативного отопления.

Наименее затратным вариантом может стать тепловой насос воздух воздух, для сооружения которого не нужны сложные работы по созданию традиционной системы водяного отопления в помещениях.

Преимущества и недостатки системы

Установка теплового насоса дома и включение его в систему отопления или создание полноценной отопительной станции решит ряд насущных проблем и имеет следующие преимущества:

• это автономная система отопления, единственным централизованным элементом которой является подключение к электросети;
• этот способ позволяет значительно сэкономить на дорогостоящих энергетических носителях, которые традиционно применяются для отопления и существенно снизить затраты на коммунальные услуги. Средний Коэффициент преобразования теплоты равен 3,5 – 4,5. Из 1 кВт электроэнергии насос вырабатывает от 3 до 7 кВт тепла. Это самые высокие показатели среди всех видов котлов, работающих на любом топливе;
• система безопасна для здоровья человека и для экологии. Она помогает сберечь невозобновляемые энергоресурсы планеты;
• пожарная безопасность и невоспламеняемость деталей. Этот котёл не перегревается, не взрывается, не горит, не выделяет угарный газ;
• один насос может вырабатывать как тепло, так и холод, обеспечивая нужный микроклимат в доме, а также нагревать воду для бытовых нужд;
• долговечность – по опыту европейских жителей срок службы оборудования составляет 20-50 лет;
• комфорт и бесшумная работа. Управление системой осуществляется с помощью автоматики;
• установка насоса не требует согласований, которые нужны при монтаже, например, газового оборудования.

В Норвегии и Швеции 95% всех домов отапливаются тепловыми насосами.

К недостаткам можно отнести:

• относительно высокую стоимость установки и самого насоса, окупаемость такой системы напрямую зависит от интенсивности её эксплуатации;
• необходимость привлечения специалистов и применения специальной бурильной и иной техники для обустройства геотермального насоса с вертикальным контуром, глубина которого может достигать 200 м.

Как сделать тепловой насос своими руками

Использовать тепловые насосы для отопления дома выгодно и удобно. Имеющийся опыт показывает, что в частных домах жилой площадью более 400 кв. м такая конструкция окупится в течение нескольких лет эксплуатации, несмотря на высокую стоимость. Владельцы домов с более скромными размерами успешно разрабатывают и устанавливают теплонасосы собственной конструкции. Вот некоторые принципы создания этих полезных устройств:

• для начала нужно позаботиться о приобретении компрессора, например, предназначенного для кондиционера. Обычно его закрепляют на стене.
• другую важную часть конструкции — конденсатор — можно сделать самостоятельно. Для этого понадобится сделать змеевик из медной трубы (толщина не менее 1 мм), который помещают в корпус из металла или пластика. В качестве корпуса подойдёт бак подходящего размера. После того как змеевик установлен, половинки бака сваривают, монтируя необходимые резьбовые соединения. Испаритель тоже обычно монтируют на стене. Чтобы сделать качественный змеевик, можно намотать медную сантехническую трубу вокруг предмета подходящего диаметра, вполне подойдет газовый баллон. Чтобы расстояние между витками было одинаковым, используют перфорированный алюминиевый уголок, на котором закрепляют витки змеевика.
• окончательный монтаж этого оборудования: пайку медной трубы, закачку фреона и т. п. — должен выполнять только квалифицированный специалист. Неумелые действия могут повредить оборудование, кроме того, они связаны с высокой вероятностью получения бытовых травм.
• после этого конструкцию подключают к внутренней системе отопления дома.
• затем производится монтаж и подключение наружного контура, особенности этого процесса зависят от вида теплового насоса.

Перед пуском теплонасоса не помешает диагностировать состояние домовой электропроводки и счетчика. Ветхое и устаревшее оборудование необходимо заменить. Приемлемая мощность электросчётчика составляет не менее 40 ампер.

К сожалению, не всякий тепловой насос для отопления дома оправдывает ожидания владельцев. Чаще всего это связано с отсутствием правильных термодинамических расчётов. В результате получается система с недостаточной мощностью или неоправданно растут затраты на чрезмерно мощное оборудование. Чтобы подобрать систему с подходящей мощностью, следует учесть теплопотери здания, а также множество других характеристик. Поручать такие расчёты следует инженеру-проектировщику.

Рентабельность и целесообразность использования тепловых насосов

Чтобы достигнуть существенной экономии на отопительном бюджете на долгие годы, необходимо затратить значительные средства на этапе проектирования и установки. Окупаемость такой отопительной системы отложена во времени, она зависит от условий эксплуатации.

Энергия, взятая из окружающей среды, не требует оплаты и не заканчивается.

Если в доме пол и стены утеплены правильно, то тепловой насос будет работать максимально эффективно. Потери тепла не должны превышать 100 Вт на 1 кв. метр.

Ниже представлено сравнение затрат на отопление при использовании различных энергоносителей.

Очень выгодно включать насос в систему теплых полов или стен, где рабочая температура составляет примерно 40 градусов. Показателем экономии можно считать отсутствие перегрева отопительного контура и замерзания теплоносителя при отключении насоса, что позволяет повысить надежность системы и снизить риск аварии и частоту профилактических и ремонтных работ.

Стоимость установки такой системы, зависит от нескольких факторов:

• площадь отапливаемых помещений дома;
• разновидность конструкции насоса;
• системы отопления и трубы, проложенные в доме;
• показатели потерь тепла.

Для небольшого дома площадью 130 кв. м при установке насоса с грунтовым забором тепла, стоимость оборудования составит 450 000 р., а монтаж потянет на 300 000 р.

Насос «воздух-вода» будет стоить 300 00 р., установка составит 80 000 р., это самый недорогой вариант.

Максимальные затраты потребуются при глубоком бурении с низкой точкой промерзания и при большой площади дома, например, 400 кв. м. Оборудование обойдется в 800 000 р., а установка – в 360 000 р. Затраты включают в себя все проектные и земляные, наземные работы и все элементы насоса и отопительной системы.

Материал актуализирован 29.03.2018

aqua-rmnt.com

Что такое тепловой насос?

Тепловой насос — прибор, поглощающий из окружающей среды (вода, земля, воздух) низко потенциальную тепловую энергию и передающий ее в системы теплоснабжения с более высокой температурой.

Природа вокруг нас пропитана энергией. Даже мороз обладает теплом. Энергию невозможно извлечь из окружающей среды только при температуре -273 °С. Поэтому даже в самую лютую зиму загородный дом может отапливаться за счет энергии, полученной от природы.

В зависимости от источника энергии (вода, земля, воздух), происходит модификация тепловых насосов. Однако наиболее практичным и испытанным является геотермальный тепловой насос, применяющий энергию грунта. Он идеально подходит для российских условий.

Геотермальное отопление работает по одному из трех направлений:

1. Сквозь специальную трубу, установленную в скважине, грунтовые воды извлекаются на поверхность земли. Они имеют определенную температуру. Проходя через теплообменник, вода передает свое тепло, за счет которого совершается прогрев дома. Затем вода возвращается в грунт, ниже по течению.
2. В скважину глубиной примерно 75 — 100 метров опускается резервуар с антифризом, температура которого может повышаться от окружающего грунта. Тепловой насос разгоняет антифриз и пропускает его через теплообменник. За счет этого совершается отдача тепла.
3. В данном случае бурение скважины не предусматривается, однако дом должен находиться рядом с крупным водоемом. Специальная магистраль в виде зондов прокладывается по дну водоема. Таким образом происходит перекачивание воды и извлечение из нее тепла. Важный нюанс — достаточная глубина водоема, которая даже зимой под толщей льда позволит сохранять до 150 сантиметров свободной воды.

Использование геотермального отопления, как и любой системы теплоснабжения, позволит не только обогреть дом, но и обеспечить горячей водой, обогреть автостоянку или теплицу, нагреть воду в бассейне

Преимущества использования теплового насоса

• Экономичность. Благодаря высокому КПД системы достигается низкое энергопотребление. Из 1 кВт затраченной электроэнергии получается от 3 до 7 кВт тепловой энергии. Это больше, чем при работе любых котлов, использующих топливо.
• Автономность. Работа насоса не нуждается в подаче органического топлива, поэтому нет необходимости прокладывать тепловые коммуникации.
• Универсальность. В одном устройстве сочетаются одновременно системы нагрева воды, отопления и охлаждения.
• Безопасность. В отличие от котлов, которые могут воспламениться или взорваться, тепловой насос является абсолютно безопасным. Он не содержит деталей, температура которых может привести к пожару. Не выделяет угарный ядовитый газ. Остановка работы не приведет к поломке или замораживанию жидкости.
• Надежность. Работой насоса управляет автоматика. Обслуживание не требует специального обучения.
• Долговечность. Прибор может прослужить от 20 до 50 лет. Это на порядок больше, чем у стандартных систем отопления.
• Комфорт. Функционирование насоса не сопровождается колебанием температуры и влажности. Работает практически бесшумно.
• Минимум площади требуется под скважину. Так как зонд находится под землей, повредить его невозможно.
• Экологичность. Окружающая среда не загрязняется вредными выбросами.
• Отсутствие бумажной волокиты. При монтаже не нужны согласования, как, например, при установке газового отопления.

Принцип работы теплового насоса

Работу теплового насоса можно сравнить с работой обычного холодильника. Только вместо холода аппарат вырабатывает тепло. Веществом, передающим энергию, является фреон — газ или жидкость с низкой температурой кипения. При испарении он поглощает тепло, а при конденсации — отдает его.

Тепловой насос — главный элемент системы. Его размеры не превышают габаритов средней стиральной машины, что облегчает установку прибора. Сам насос включается в два контура: внутренний и внешний.

Внутренний контур состоит из системы теплоснабжения дома (трубы и радиаторы).Внешний контур находится в воде или под землей. Он включает в себя коллектор-теплообменник и трубы, связывающие коллектор с насосом.

Тепловые насосы комплектуются различными дополнительными устройствами. Это могут быть:

• коммуникационное устройство для управления системой через персональный компьютер или мобильный телефон;
• блок охлаждения для локальной или центральной системы охлаждения;
• дополнительный насосный блок может потребоваться для отопления полов;
• циркуляционный насос необходим для циркуляции горячей воды;

Процесс работы насоса состоит из нескольких этапов:

1. Незамерзающая смесь подается в коллектор. Происходит поглощение тепловой энергии и транспортировка ее к насосу.
2. В испарителе энергия передается фреону, где он нагревается до 8 °C, закипает и превращению в пар.
3. При увеличении давления в компрессоре повышается температура. Она может достигать 70 °C.
4. Внутридомовая система отопления получает тепловую энергию через конденсатор. Фреон мгновенно охлаждается и переходит в жидкое состояние, отдавая при этом оставшееся тепло. Затем он идет обратно в коллектор. Так завершается цикл.
5. Далее работа повторяется по тому же принципу.

Наиболее эффективно тепловой насос функционирует при наличии в доме теплых полов. Тепло распределяется по всей площади пола равномерно. При этом отсутствуют зоны перегрева. Теплоноситель в системе редко нагревается больше 35 °C, а отопление путем нагрева полов считается наиболее комфортным при 33 °C. Это меньше на 2 °C чем при отоплении радиаторами. Отсюда возникает экономия до 18% в год от всего отопительного бюджета. Кроме того, считается, что отопление на уровне пола наиболее комфортно для проживания человека.

Система отопления может быть моновалентной и бивалентной. У моновалентных систем один источник отопления. Он полностью отвечает круглогодичной потребности в тепле. У бивалентных, соответственно, — два источника.

Отопление дома в зимний период

На территории с более суровыми климатическими условиями актуально использование бивалентной системы отопления. За счет второго источника тепла расширяется диапазон температур. Работы одного теплового насоса достаточно только до уровня температуры -20 °С. При большем ее понижении подключаются электрообогреватель, камин, жидкотопливный или газовый котел. При этом мощность теплового насоса ограничивается от максимальной зимней потребности до 70 — 80%. Недостающие 20 — 30% дает дополнительный источник тепла. Это снижает общую эффективность работы системы. Однако снижение является незначительным.

При полном переходе на отопление здания геотермальной системой (в случае, когда не планируется устанавливать дополнительно котел или электроприбор) тепловой насос применяется совместно с внутренним модулем, содержащим небольшой встроенный электронагреватель. Он поддержит прибор, когда температура окружающей среды будет ниже -20 °С.

В каких случаях использование теплового насоса является обоснованным?

Вопрос отопления загородного дома предполагает рассмотрение нескольких вариантов:

• Газ. При отсутствии рядом с домом газопровода это становится невозможным. В ряде регионов купить газ можно только в баллонах.
• Уголь или дрова. С ними отопление превращается в трудоемкий и малоэффективный процесс.
• Жидкотопливный котел требует больших расходов на топливо и специального помещения. Особое хранение необходимо и самому топливу, что неудобно в небольшом доме.
• Отопление электричеством обходится очень дорого.

В таком случае на помощь приходит геотермальная система отопления. Ее используют даже там, где доступен газ. Установка теплового насоса дороже установки оборудования для отопления газом. Однако, газ в дальнейшем придется оплачивать постоянно, в отличие от энергии, взятой из окружающей среды.

Окупаемость теплового насоса сложно выразить в усредненном числовом значении. Все зависит от его начальной стоимости. Суть установки такого отопления сводится к перспективе. Хотя количество потребляемой электроэнергии — в 3−5 раз меньше, чем у других систем отопления, все же необходимо подсчитать в денежном эквиваленте все энергозатраты за год и сравнить их со стоимостью системы, ее монтажа и эксплуатации.

Достигнуть максимальной эффективности применения теплового насоса можно при соблюдении двух важных условий:

• Отапливаемое здание должно быть утепленным, а показатель теплопотерь не должен превышать 100 Вт/м2. Существует прямая связь между тем, как утеплен дом и тем, насколько выгодно будет установка теплонасоса.
• Подключение теплового насоса к низкотемпературным источникам обогрева (конвекторам, теплым полам), температурный режим которых колеблется между 30 — 40 °C.

Итак, тепловой насос станет неплохой альтернативой традиционным способам отопления. Прибор гарантирует экономичность и полную безопасность. Владельцу, после установки геотермальной системы отопления, не придется зависеть от различных внешних факторов, как, например, перебои с газоснабжением или вызовом сервисной службы. Энергия, взятая из окружающей среды, не требует оплаты и не исчерпывается.

В соответствии с прогнозами Мирового комитета по энергетике в 2020 г. геотермальные насосы составят три четверти всего отопительного оборудования.

teplo.guru

Что такое тепловой насос, сфера его применения

Техническое определение теплового насоса — устройство для переноса энергии из одной области в другую с одновременным повышением результативности ее работы. Проиллюстрировать такую механику несложно. Представим ведро холодной воды и стакан горячей. Для их нагрева с определенной отметки тепла затрачено одинаковое количество энергии. Однако результативность ее применения — разная. Если одновременно снизить температуру ведра воды на 1 градус, полученной тепловой энергией можно довести жидкость в стакане практически до кипения.

Именно по такой механике работает тепловой насос, с помощью которого можно сделать обогрев бассейна или полностью обеспечить отопление загородного дома. Установка переносит тепло из одной области в другую, в общем случае снаружи помещения вовнутрь. Вариантов применения такой техники множество.

1. При определенных показателях мощности теплового насоса обогрев дома становится недорогим и эффективным.
2. Легко сделать ГВС с тепловым насосом, используя бойлеры вторичного нагрева.
3. При определенных усилиях и правильном проектировании доступно создание полностью автономной отопительной системы, питающейся от солнечных батарей.
4. Большинство моделей тепловых насосов — приемлемый вариант для теплого пола, используемого в роли нагревательного контура.

Чтобы выбрать и приобрести подходящую систему нужно, прежде всего, правильно ставить стоящую перед ней задачу. И только после выдвигать требования к мощности и оценивать приемлемость отдельных типов тепловых котлов для удовлетворения всех потребностей.

Общий принцип работы

Технологически тепловой насос работает по знакомому всем циклу Карно, серии преобразований состояний вещества. Такие слова могут быть совершенно чужими большинству пользователей. Однако практически каждый из них имеет дома минимум одно устройство, основанное на данном физическом процессе.

Говоря простыми словами, тепловой насос представляет собой холодильник. Любая бытовая модель, где горожане привыкли хранить мясо и напитки — это нагреватель с КПД более 100%. Работает все следующим образом:

• холодильник отнимает тепло от помещенных в него продуктов и передает его на решетку радиатора, а, следовательно — в пространство помещения;
• одновременно идет нагрев воздуха компрессором.

В итоге, затрачивая какое-то количество электроэнергии, пользователь получает два источника тепла, один из которых (отнятая у продуктов энергия) полностью бесплатен.

Именно таков принцип работы теплового насоса. Устройство имеет обратную функциональную схему в сравнении с холодильником — в нем полезным и отвечающим за конечную эффективность узлом является теплообменник, решетка радиатора. Работает все следующим образом:

• контур отбора тепла находится снаружи помещения, в окружении среды стабильной температуры;
• во время работы теплового насоса температура рабочего тела принудительно снижается естественными физическими процессами ниже показателей окружающей среды;
• происходит отбор тепла рабочим телом, интенсивность которого зависит от образованной разницы температур;
• рабочее тело поступает в контур преобразования состояния и теплообменник помещения;
• происходит отдача энергии воздуху или другой среде;
• рабочее тело в исходном состоянии подается в начало цикла (контур отбора тепла).

Такая схема отопления имеет ряд достоинств и недостатков. Однако в оптимальных условиях тепловой насос показывает значительную экономию. Для обогрева дома потребуется на 70-80% меньше затрат в сравнении с классическими системами газовых и твердотельных котлов.

Конечная эффективность теплового насоса зависит от множества факторов. Некоторые технологические решения способны решать только ограниченный ряд задач. Другие предполагают сложный монтаж теплового насоса.

Сегодня существует ряд бытовых приборов, владельцы которых и не подозревают, что в них применяются инновационные, революционные идеи отбора тепла окружающей среды. Причем это может происходить даже при отрицательной температуре воздуха за окном. Это кондиционеры с функцией отопления, которая, собственно, и построена на механике теплового насоса. Принципы работы таких устройств класса воздух-воздух будут рассмотрены позже.

Схема отопления частного дома с применением теплового насоса

Оптимальная схема применения теплонасоса для отопления дома включает в себя накопительный бак. Упрощенно это выглядит так:

Здесь блоки 1 и 2 — запорная арматура, которая решает задачу регулирования поступающих потоков тепла. Они могут быть ручного перекрытия потока или представлять собой автоматизированные термоголовки. Блок 3 — общий терморегулятор или система датчиков.

Работает отопление по следующему принципу:

• тепловой насос отбирает тепло окружающей среды и нагревает воду;
• жидкость поступает либо в теплообменник вторичного нагрева накопительной емкости, либо циркулирует в едином контуре;
• система отопления строится по классическому принципу, ток воды в ней обеспечивается циркулярным насосом.

Приведенная на рисунке схема — минимальное оснащение дома. Она может быть легко дополнена. В частности, никто не мешает установить две емкости и использовать принцип вторичного нагрева жидкости. Одна из них — бойлер с тепловым насосом (установленный непосредственно на выходе последнего) — используется для горячего водоснабжения. А более объемный бак решает задачу подачи теплоносителя в систему отопления.

Отлично работает вариант отопления дома с теплонасосом, накопительной емкостью и системой теплый пол. В этом случае не нужно нагревать жидкость до высокой температуры. Оптимальный показатель для теплого пола — от 30 до 40 градусов. Схема отопления аналогична уже приведенной, только вместо радиаторов вода поступает на коллекторный узел с собственной регулировкой потока.

Классификация тепловых насосов по характеристике сред

Классификация теплонасосов достаточно объемна. Устройства делятся по роду рабочего тела, принципу изменения его физического состояния, использованию устройств преобразования, характеру необходимого для работы энергоносителя. Если учесть, что на рынке представлены модели с разнообразными комбинациями классификационных критериев, становится понятно, что достаточно трудно перечислить все. Однако можно рассмотреть основные принципы группового деления.

От параметров источника тепла и среды-получателя зависит монтаж, конструкция, а также конечные характеристики теплового насоса. Сегодня предлагается несколько типов инженерных решений.

Воздух-воздух

Теплонасосы воздух-воздух — самые распространенные устройства. Они компактны и достаточно просты. На механике такого типа работают бытовые кондиционеры с режимом отопления. Принцип действия прост:

• уличный теплообменник охлаждается ниже температуры воздуха и отбирает тепло;
• после сжатия поступающего фреона в радиатор его температура сильно возрастает;
• вентилятор внутри комнаты, обдувая теплообменник, обогревает помещение.

Отбор энергии окружающей среды не обязательно производится внешним теплообменником. Для этой цели воздух может нагнетаться в расположенный в комнате блок. Именно так работают некоторые канальные системы.

Если в кондиционере происходит сжатие и расширение фреона, то в вихревых теплонасосах используется простой воздух. Механика работы аналогична: до поступления во внутренний теплообменник газ сжимается, а отдав энергию — задувается интенсивным потоком в камеру отбора тепла.

Вихревой теплонасос — большая, массивная установка, которая работает эффективно только при условии высокой температуры окружающей среды. Поэтому такие системы устанавливаются в промышленных цехах, они используют как источник тепла выхлопные газы печей или горячий воздух основной системы кондиционирования.

Вода-вода

Теплонасос типа вода-вода работает по тому же принципу, что и другие установки. Отличаются только среды передачи энергии. Оборудование оснащается погружными зондами, чтобы даже в условиях жесткой зимы добраться до горизонта грунтовых вод с положительной температурой.

В зависимости от потребностей отопления, теплонасосные системы вода-вода могут быть совершенно разного размера. К примеру, начиная от нескольких скважин, пробуренных вокруг частного дома, заканчивая расположенными непосредственно в водоносном слое теплообменниками большой площади, которые закладываются на этапе строительства здания.

Теплонасосы вода-вода отличаются большей производительностью и эффективной мощностью отдачи. Причина — в повышенной теплоемкости жидкости. Слой воды, в котором расположен зонд или теплообменник, быстро отдает энергию, а благодаря огромному объему незначительно снижает свои характеристики, способствуя стабильной работе системы. Также оборудование вода-вода отличается повышенным КПД.

Вода-воздух, воздух-вода

Комбинированные системы нужно выбирать особенно внимательно. При этом тщательно оцениваются существующие климатические условия. Например, цикл теплового насоса класса вода-воздух имеет хорошую эффективность для отопления в регионах с сильными морозами. Система же воздух-вода в связке с теплым полом и накопительным бойлером вторичного нагрева способна показать максимальные результаты экономии на территориях, где температура воздуха редко падает ниже -5…-10 градусов.

Расплав (рассол)-вода

Теплонасос данного класса — своеобразный универсал. Он может применяться буквально везде. Показатели его полезной тепловой мощности постоянны и стабильны. Принцип работы рассольно-водного устройства основан на отборе тепла, прежде всего, из почвы, имеющей нормальные показатели влажности или заболоченной.

Система отличается простым монтажом: для размещения внешних теплообменников достаточно зарыть их на определенную глубину. Также можно выбрать один из вариантов оборудования с газообразным или жидким рабочим телом.

Расчет теплового насоса класса рассол-вода делается по уровню потребности в энергии для отопления. Методик ее количественного определения предостаточно. Можно произвести максимально четкий расчет, принимая во внимание материал стен дома, конструкции окон, характер почвы, средневзвешенную температуру воздуха и многое другое.

Производители рассольно-водных систем предлагают различные варианты моделей, отличающихся мощностью потребления узла преобразования, конструкцией и габаритами внешних теплообменников, параметрами выходного контура. Выбрать оптимальный теплонасос по заранее сформированному списку требований несложно.

Деление по типу рабочего тела

Современные теплонасосы могут использовать газообразное тело или химический жидкий раствор аммиака в роли транспортера тепла. Пригодность той или иной схемы оценивается по нескольким факторам, особенностям систем.

1. Установки, использующие фреон, имеют цикл теплового насоса, основанный на процессах сжатия и расширения газа. Они так или иначе построены на компрессорной схеме. Оборудование обладает привлекательными показателями производительности, однако имеет и недостатки. Хотя средневзвешенное потребление системы в момент рабочего цикла стабильно, проводка сильно нагружается. Кроме этого, теплонасосы с газообразным транспортером тепла не будут полезны в регионах, где нет централизованных сетей электричества или источника питания достаточной нагрузочной способности.
   
2. Установки испарительного типа, использующие аммиачный раствор, имеют рабочий цикл, основанный на процессе испарения вещества при низких температурах кипения. Сжижение после прохода внешнего теплообменника происходит под действием источника энергии. Это — тепловая горелка. Для нее может применяться практически любое топливо: твердое, бензин, дизель, газ, керосин, в отдельных случаях — метиловый спирт. Поэтому испарительные теплонасосы привлекательны в местах, где нет электричества. Кроме этого, к выбору именно такого оборудования может подтолкнуть дешевизна топлива определенного вида в регионе.
   

Характер используемого в системе рабочего тела может многое сказать о производительности установки и отдачи мощности. Так, фреонные компрессорные теплонасосы способны на резкий рывок, быстро прогревая помещение. Аммиачные испарительные модели на такие подвиги не способны. Их предпочтительный режим использования — стабильная, постоянная работа с номинальной теплоотдачей.

Преимущества тепловых насосов и целесообразность их установки

Как заявлено в рекламе, главное преимущество тепловых насосов — экономичность отопления. В какой-то мере все работает именно так. Если теплонасос имеет среду отбора энергии, обеспечивающую оптимальные показатели температуры, установка работает эффективно, расходы на отопление снижаются примерно на 70-80%. Однако всегда есть случаи, когда теплонасос может быть нерациональным вложением средств.

Эффективность работы теплового насоса обуславливается следующими технологическими характеристиками:

• параметр граничного предела снижения температуры рабочим телом;
• минимальная разница в температурах внешнего обменника и окружающей среды, при которой отбор тепла крайне мал;
• уровень потребления энергии и отдачи полезной тепловой мощности.

Целесообразность применения теплонасоса зависит от нескольких факторов.

1. Территории, где такое оборудование не показывает хороших результатов — регионы с морозными зимами и низкими среднесуточными температурами. В этом случае, теплонасос просто не способен отобрать достаточно тепла из окружающей среды, вплотную приближаясь к зоне нулевой эффективности. В первую очередь, это касается систем воздух-воздух.
2. При росте объемов отапливаемого пространства технологические параметры теплонасоса увеличиваются почти в геометрической прогрессии. Становятся габаритнее теплообменники, размер и количество зондов погружения в воду или землю увеличиваются. В определенной точке стоимость теплонасоса для отопления, необходимые траты на его монтаж и обслуживание, а также оплату потребленной мощности становятся просто нерациональными вложениями. Гораздо дешевле создать классическую газовую схему отопления с котлом.
3. Чем сложнее система, тем дороже и проблематичнее ее ремонт в случае поломки. Это негативное дополнение к размеру отапливаемой площади и характеристикам климатической зоны.

Классика — это тепловой насос и газовый/твердотопливный котел, работающие в связке. Идея проста: продукты сгорания топлива выводятся по широкой трубе. В ней располагается обменник теплонасоса. В системе отопления и горячего водоснабжения устанавливаются накопительные емкости и бойлер косвенного нагрева. Оборудование (котел и насос) активируется одновременно при падении температуры жидкости в распределительной сети. Работая в паре, они практически полностью утилизируют энергию сгорающего топлива, показывая близкие к максимуму показатели эффективности.

Система с адаптацией к характеристикам окружающей среды построена на термонасосе, вентиляторном блоке, тепловой пушке любого класса. При достаточно высокой температуре воздуха на улице (до -5…-10 градусов Цельсия) теплонасос работает в штатном режиме, обеспечивая достаточную отдачу мощности для отопления. Особенность конструкции системы — расположение его внешнего теплообменника в отдельном вентиляционном канале. При падении температуры на улице ниже оптимальной отметки подаваемый воздух нагревается тепловой пушкой (дизельной, электрической или газовой).

Особо стоит отметить: большинство схем, предусматривающих адаптацию к температуре воздуха или стабилизирующие параметры эксплуатации теплонасоса, применяются к устройствам класса воздух-воздух и воздух-вода. Другие системы, из-за изолированных в земле или воде внешних теплообменников не позволяют создания подобных «тепличных» условий работы.

Основные характеристики и расчет мощности теплового насоса

Общая рациональность установки теплонасоса для отопления дома оцениваются, прежде всего, по финансовым тратам. Сюда входят:

• цена покупки оборудования;
• стоимость монтажа, которая может включать земельные работы;
• траты на периодическое обслуживание;
• примерная стоимость ликвидации частых неполадок.

Выбор модели по мощности, как было сказано выше, базируется на общей потребности в теплообеспечении. Примерный расчет для одноэтажного дома 10х10 метров (300 кубометров объема) выглядит примерно так:

• учитывается максимальная отрицательная зимняя температура (-20);
• определяется разница между комнатой и окружающей средой (20 — -20 = 40);
• высчитываются теплопотери стен, по справочным данным их материала (для кирпича табличное значение 1, теплопотери — 1х300х40 — 12000 килокалорий в час или 13,5 кВт).

Полученная цифра — показатель минимальной мощности теплового насоса, которого хватит для отопления дома. Для выбора оптимальной модели характеристику нужно увеличить минимум на 50%. Это делается из-за того, что теплонасосу зимой придется работать в неоптимальных условиях, близко к нижней точке нулевой эффективности по температуре окружающей среды. Полученная цифра для рассматриваемого примера — около 20 кВт.

Вторая часть расчета — выбор емкости накопительного бака. Данную часть системы рекомендуется устанавливать, чтобы теплонасос мог работать ограниченное число циклов в сутки. В документации к оборудованию приводятся рекомендации по объему теплоаккумулятора для определенного показателя цикличности. Среднестатистическая цифра — 30 литров на киловатт при 3 запусках, 20 литров — при 5 запусках. Таким образом, для дома в рассматриваемом примере понадобится бак накопителя минимум в 400 литров для пяти циклов работы теплонасоса в сутки.

Заключение

Если в результате анализа климата, доступных источников энергии, характера почв принято решение купить теплонасос для отопления — рекомендуется доверить проектирование системы профессионалам. Оптимальный выбор модели основывается не только на особенностях оборудования и механике его работы. Специалисты учтут теплоотдачу почв, выберут комбинированную схему с хорошей эффективностью, рассчитают лучший вариант проведения земельных работ. Поэтому разработанная профессионалами система отопления с тепловым насосом не заставит столкнуться с неожиданностями и пожалеть о своем выборе.

tehnika.expert

Другие статьи по теме:

Устройство обратного клапана Скважинный насос какой лучше Подключение реле сухого хода Насос для воды из колодца Расчет циркуляционного насоса для системы отопления Погружной насос для колодца для водоснабжения