Сжигание классического топлива (газ, дрова, торф) является одним из древних способов получения тепла. Однако истощение традиционных источников энергии побудили человека искать более сложные, но не менее эффективные альтернативные варианты. Одним из ни стало изобретение теплового насоса, работа которого основана на школьных законах физики.
Очень сложный на первый взгляд принцип работы тепловых насосов базируется на нескольких простых законах термодинамики и свойствах жидкостей и газов:
Большинство жидкостей могут закипать при достаточно высоких температурах, близких к 100 градусам. Но встречаются вещества и с достаточно низкими температурами кипения. У фреона она около 3-4 градусов. Превращаясь в газ, он легко сжимается и внутри емкости начинает расти температура.
Теоретически фреон можно сжимать до получения любых желаемых температур, но на практике ограничиваются 80-90 градусами, необходимыми для полноценной работы классической системы отопления.
Каждый сталкивается с тепловым насосом не один раз в день, когда проходит мимо холодильника. Однако в нем он работает в обратном направлении, забирая тепло продуктов и рассеивая в атмосферу.
Работоспособность большинства тепловых насосов базируется на тепле грунта, в котором на протяжении года температура практически не колеблется (в пределах 7-10 градусов). Тепло перемещается между тремя контурами:
Классический принцип работы тепловых насосов в отопительной системе состоит из следующих элементов:
Труба, которая выполняет роль первичного контура, помещается в колодец или закапывается непосредственно в землю. По ней перемещается незамерзающий жидкий теплоноситель, температура которого повышается до аналогичной характеристики земли (около +8 градусов) и поступает во второй контур.
Вторичный контур забирает тепло у жидкости. Циркулирующий внутри фреон начинает закипать и преобразовываться в газ, который направляется в компрессор. Поршень сжимает его до 24-28 атм, благодаря чему происходит увеличение температуры до +70-80 градусов.
На данном рабочем этапе происходит концентрирование энергии в один небольшой сгусток. Благодаря этому увеличивается температура.
Разогретый газ поступает в третий контур, который представлен системами горячего водоснабжения или даже отопления дома. При передаче тепла возможны потери до 10-15 градусов, но они оказываются не существенны.
Когда фреон остывает, происходит уменьшение давления, и он вновь превращается в жидкое состояние. При температуре 2-3 градуса он поступает обратно во второй контур. Цикл повторяется снова и снова.
Устроен принцип работы тепловых насосов так, чтоб они легко эксплуатировались без перебоев в широком диапазоне температур – от -30 до +40 градусов. Наибольшую популярность получили следующие два вида моделей:
Абсорбционного типа модели имеют достаточно сложное устройство. Они передают полученную тепловую энергию непосредственно при помощи источника. Их эксплуатация значительно снижает материальные затраты на расходующиеся электричество и топливо. Компрессионного типа модели для переноса тепла потребляют энергию (механическую и электрическую).
В зависимости от применяемого теплового источника насосы подразделяются на следующие виды:
По видам входного/выходного все модели можно классифицировать следующим образом – грунт, вода, воздух и их различные сочетания.
Геотермальные тепловые насосы
Популярными являются геотермальные модели насосов, которые подразделяются на два вида: замкнутого или открытого типа.
Простое устройство открытых систем позволяет нагревать проходящую внутри воду, которая в последствии вновь поступает в землю. Идеально она работает при наличии неограниченного объема чистого жидкого теплоносителя, который после потребления не наносят вред среде.
Замкнутые системы геотермальных тепловых насосов делят на следующие разновидности:
Насос типа воздух-вода
Одним из наиболее универсальных вариантов является модель «воздух-вода». В теплые периоды года она весьма эффективна, но зимой производительность может существенно падать.
Преимуществом системы является простой монтаж. Подходящее оборудование может монтироваться в любом удобном месте, например, на крыше. Тепло, которые в виде газа или дыма удаляется из помещения, может использоваться повторно.
Тип вода-вода
Тепловой насос «вода-вода» один из самых эффективных. Но его использование может быть ограничено наличием поблизости водоема или недостаточной глубиной, на которой в зимний период не наблюдается существенного падения температуры.
Низко потенциальная энергия может выбираться из следующих источников:
Наиболее прост принцип работы тепловых насосов у моделей, отбирающих тепло в водоеме. Если принято решение использовать подземные воды, может потребоваться бурение колодца.
Тип грунт-вода
Тепло из грунта можно получать на протяжении всего года, так как на глубинах от 1 м температура практически не меняется. В качестве носителя тепла используют «рассол» — незамерзающую жидкость, которая циркулирует .
Один из недостатков системы «грунт-вода» — необходимость большой площади для достижения желаемой эффективности. Нивелировать его стараются укладкой труб кольцами.
Коллектор можно располагать в вертикальном положении, но потребуется скважина глубиной до 150 м. На дне монтируются зонты, отбирающие тепло грунта.
Плюсы и минусы отопительных систем с тепловым насосом
Тепловые насосы нашли широкое применение в системах отопления частной жилой площади или промышленных площадей. Они постепенно вытесняют более классические источники энергии благодаря надежности и экономичности.
Среди многочисленных преимуществ, которые предоставляет эксплуатация теплового насоса, выделяют:
Несмотря на массу преимуществ, необходимо принять во внимание и отрицательные стороны эксплуатации теплового насоса:
Еще одно схематичное видео:
Подводим итоги
Узнав и освоив принцип работы теплового насоса, можно подумать и принять решение о целесообразности его установки и использования. Первоначальные затраты, которые могут показаться очень масштабными, в скором времени окупятся и начнут приносить своеобразную прибыль в виде экономии на классическом топливе.
У отопительного оборудования, для работы которого используются достаточно дорогие виды энергоносителей, такие как газ, электричество, твердое и жидкое топливо, относительно недавно появилась достойная альтернатива – тепловой насос вода-вода. Для функционирования такого оборудования, которое только начинает набирать популярность в России, нужны неисчерпаемые источники энергии, характеризующиеся низким потенциалом. Тепловая энергия при этом может извлекаться практически из любых водных источников, в качестве которых могут быть использованы естественные и искусственные водоемы, скважины, колодцы и др. Если расчет и монтаж такой насосной установки выполнены правильно, то она способна обеспечивать отопление как жилых, так и производственных строений на протяжении всего зимнего периода.
У рассматриваемых тепловых насосов для отопления дома принцип действия напоминает принцип работы холодильного оборудования, только наоборот. Если холодильная установка выводит часть тепла из своей внутренней камеры наружу, тем самым понижая в ней температуру, то работа теплового насоса состоит в том, чтобы охлаждать окружающую среду и нагревать теплоноситель, который перемещается по трубам отопительной системы. По тому же принципу функционируют тепловые насосы «воздух – вода» и «земля – вода», которые также используют энергию из низкопотенциальных источников для обогрева жилых и производственных помещений.
Конструктивная схема теплового насоса вода-вода, который является наиболее продуктивным среди устройств, использующих источники энергии с низким потенциалом, предполагает наличие таких элементов, как:
Таким образом, в устройстве теплового насоса вода-вода нет ничего сложного. Если вблизи от дома имеется естественный или искусственный водоем, то для отопления строения лучше всего применять как раз тепловой насос типа вода-вода, принцип работы и конструктивные особенности которого состоят в следующем.
Таким образом, принцип работы теплового насоса базируется на том, что хладагент при переходе в газообразное состояние забирает тепловую энергию у воды, а при переходе в жидкое состояние в конденсаторе отдает накопленную энергию жидкой среде – теплоносителю отопительной системы.
Точно по такому же принципу работают тепловые насосы «воздух – вода» и «земля – вода», разница состоит лишь в типе источника, который применяется для получения тепловой энергии низкого потенциала. Другими словами, тепловой насос принцип работы имеет один, не варьирующийся в зависимости от типа или модели устройства.
То, насколько эффективно нагревается тепловым насосом теплоноситель системы отопления, во многом определяется колебаниями температуры воды – источника низкопотенциальной энергии. Высокую эффективность такие устройства демонстрируют при работе с водой из скважин, где температура жидкой среды в течение года находится в диапазоне 7–12 градусов Цельсия.
Насос «вода-вода» относится к одному из грунтовых типов тепловых насосов
Принцип работы теплового насоса вода-вода, обеспечивающий высокую эффективность данного оборудования, позволяет использовать такие устройства для оснащения систем отопления жилых и промышленных строений не только в регионах с теплыми зимами, но и в северных районах.
Чтобы тепловой насос, схема работы которого описана выше, демонстрировал высокую эффективность, следует знать, как правильно выбрать такое оборудование. Очень желательно, чтобы выбор теплового насоса вода-вода (а также «воздух – вода» и «земля – вода») осуществлялся с участием квалифицированного и опытного специалиста.
При выборе теплонасоса для водяного отопления учитываются следующие параметры такого оборудования:
При выборе тепловых насосов вода-вода, воздух-вода, земля-вода рекомендуется обращать внимание на наличие у такого оборудования дополнительных опций. Сюда, в частности, относятся возможности:
Прежде чем приступать к выбору определенной модели теплового насоса, надо разработать проект системы отопления, которую такое оборудование будет обслуживать, а также выполнить расчет его мощности. Такие вычисления необходимы для того, чтобы определить фактическую потребность в тепловой энергии здания с определенными параметрами. При этом обязательно учитывают тепловые потери в таком здании, а также наличие в нем контура ГВС.
Для теплового насоса вода-вода расчет мощности выполняется по следующей методике.
Выполняемый по вышеописанной методике расчет мощности теплонасоса актуален для зданий, в помещениях которых высота потолков не превышает 2,7 метра. Более точные вычисления, учитывающие все особенности зданий, которые предстоит отапливать посредством теплового насоса, выполняются сотрудниками профильных организаций.
Для теплового насоса «воздух – вода» расчет мощности выполняется по похожей методике, но с учетом некоторых нюансов.
Хорошо разобравшись в том, как работает тепловой насос типа вода-вода, можно изготовить такое устройство своими руками. Фактически самодельный тепловой насос является набором готовых технических устройств, правильно подобранных и соединенных в определенной последовательности. Чтобы тепловой насос, изготовленный своими руками, демонстрировал высокую эффективность и не вызывал проблем при эксплуатации, необходимо выполнить предварительный расчет его основных параметров. Для этого можно воспользоваться соответствующими программами и онлайн-калькуляторами на сайтах производителей подобного оборудования или обратиться к профильным специалистам.
Итак, чтобы изготовить тепловой насос своими руками, надо подобрать элементы его оснащения по предварительно рассчитанным параметрам и выполнить их правильный монтаж.
Компрессор для теплового насоса, изготавливаемого собственноручно, можно взять из старого холодильника или сплит-системы, обращая при этом внимание на мощность такого устройства. Преимуществом использования компрессоров от сплит-систем является низкий уровень шума, создаваемого при их работе.
В качестве конденсатора для самодельного теплового насоса можно использовать змеевик, демонтированный из старого холодильника. Некоторые делают его самостоятельно, используя сантехническую или специальную холодильную трубку. В качестве емкости, в которую надо поместить змеевик конденсатора, можно взять бак из нержавейки объемом приблизительно 120 литров. Чтобы поместить в такой бак змеевик, ее предварительно разрезают на две половины, а затем, когда монтаж змеевика выполнен, сваривают.
Очень важно перед выбором или самостоятельным изготовлением змеевика рассчитать его площадь. Для этого нужна следующая формула:
П3 = MТ/0,8PТ
Параметрами, используемыми в данной формуле, являются:
Чтобы в конденсаторе теплового насоса из холодильника не создавались воздушные пузырьки, вход в змеевик следует располагать в верхней части емкости, а выход из него – в нижней.
В качестве емкости для испарителя можно использовать простую пластмассовую бочку вместимостью 127 л с широкой горловиной. Для создания змеевика, площадь которого определяется по такой же схеме, как и для конденсатора, также используется медная трубка. В изготовленных в домашних условиях тепловых насосах, как правило, применяют испарители погружного типа, в которые сжиженный фреон поступает снизу, а превращается в газ в верхней части змеевика.
Очень аккуратно с помощью пайки при самостоятельном изготовлении теплового насоса следует выполнять монтаж терморегулятора, так как данный элемент нельзя нагревать до температуры, превышающей 100 градусов Цельсия.
Для подвода воды к элементам самостоятельно сделанного теплового насоса, а также ее отвода используются обычные канализационные трубы.
Тепловые насосы вода-вода, если сравнивать их с устройствами типа «воздух – вода» и «земля – вода», более простые по своей конструкции, но при этом более эффективные, поэтому оборудование именно данного типа чаще всего изготавливают самостоятельно.
Для сборки и запуска в работу самодельного теплового насоса потребуются следующие расходные материалы и оборудование:
Все сварочные и резьбовые соединения при сборке следует выполнять максимально качественно, чтобы обеспечить абсолютную герметичность системы, по которой будет перемещаться фреон.
В том случае, если в роли источника низкопотенциальной энергии выступает вода в открытом водоеме, дополнительно необходимо изготовить коллектор, наличие которого предполагает принцип работы тепловых насосов данного типа. Если же предполагается использование воды из подземного источника, надо пробурить две скважины, в одну из которых вода будет сбрасываться после того, как пройдет всю систему.
1
, средняя оценка: 5,00
из 5)
Мировой энергетический комитет составил прогноз использования источников тепла для обогрева зданий на 2020 год. В нем утверждается, что в развитых странах 75% домов будут получать горячее водоснабжение и отапливаться геотермальной энергией нашей планеты.
На сегодняшний день 40% всех новых домов Швейцарии оборудованы тепловыми насосами, а в Швеции этот показатель доведен до 90%. Россия и страны СНГ меньше внедряют тепловой насос для отопления дома, хотя первые энтузиасты уже пользуются этим методом, передавая свой опыт последователям.
Для обогрева здания используется перенос энергии источника низкого потенциала (температуры) теплоносителем к потребителю. В технологическом процессе используется закон термодинамики, обеспечивающий выравнивание тепловых энергий двух систем с разными температурами: передача мощности горячего источника холодному потребителю.
При использовании тепла окружающей среды осуществляется повышение его температурного потенциала для обогрева и горячего водоснабжения.
Источником регенеративного тепла могут быть:
Более популярны модели, забирающие энергию от земли, поверхность которой обогревается солнечными лучами и энергией внешнего и внутреннего ядра планеты. Они отмечаются:
При работе теплового насоса (ТН) используется три замкнутых контура, по которым циркулируют различные жидкости/газы - теплоносители. Каждый из них выполняет свои функции.
При заборе тепла воздуха используется искусственный обдув корпуса испарителя воздушными потоками от вентиляторов.
Замкнутый цикл жидкого теплоносителя для передачи тепла водной среды или земли осуществляется по трубопроводам, которые соединяют змеевик испарителя с коллектором, утопленным на дно водоема либо заглубленным в землю на расстояние, превышающее промерзание грунта в сильные холода.
В качестве теплоносителя применяются незамерзающие жидкости на основе разбавленных водных растворов спирта. Их принято называть «антифризы» или «рассолы». Они под влиянием более высокой температуры (≥+3ºС) поднимаются к испарителю, передают ему тепло, а после охлаждения (≈-3ºС) самотеком направляются назад к источнику энергии, обеспечивая непрерывную циркуляцию.
По нему циркулирует хладагент на основе фреона, «поднимая» тепло на более высокий уровень. Под действием температуры он последовательно переходит в газообразное и жидкостное состояние.
Здесь циркулирует вода. Она обогревается в змеевике конденсатора для использования в обычной жидкостной системе отопления. При этом способе ее температура достигает порядка 35ºС, что обусловливает ее применение в системе «Теплый пол» с длинными магистралями, позволяющими равномерно передавать генерируемую энергию всему объему помещения.
Использование только радиаторов отопления , создающих меньшие объемы теплообмена с пространством комнат, не так эффективно.
Промышленность выпускает различные по эксплуатационным характеристикам модели, но они имеют в своем составе оборудование, выполняющее типовые задачи, описанные выше.
Как вариант конструктивного исполнения на рисунке представлен тепловой насос для отопления дома.
Здесь по входным трубопроводам принимается тепло от геотермальных источников, а по выходным - передается в систему обогрева дома.
Работа теплового насоса обеспечивается:
Они используют три схемы устройства теплообменников для забора энергии от источника:
Первый метод наименее эффективен. Поэтому он редко применяется для отопления дома.
Этот способ наиболее эффективен. Он предусматривает создание скважин на глубины порядка 50÷150 метров и больше для размещения U-образного трубопровода из пластиковых материалов с диаметром от 25 до 40 мм.
Увеличение площади поперечного сечения трубы, как и углубление скважины, создает улучшенный теплосъем, но удорожает конструкцию.
Бурение скважин для зондов стоит дорого. Поэтому часто выбирается этот способ, как более дешевый. Он позволяет обойтись рытьем траншей ниже глубины промерзания почвы.
В проекте горизонтального коллектора следует учитывать:
Они влияют на габариты и конфигурацию коллектора. Трубы могут укладываться:
Важно понимать, что площадь участка, отводимого под такой коллектор, обычно превышает габариты фундамента дома в 2÷3 раза. Это основной недостаток такого метода.
Это наиболее экономичный способ, но он требует расположения около здания глубокого водоема. На его дне размещают и закрепляют грузами собранные трубопроводы. Для эффективной работы теплового насоса требуется просчитать минимальную глубину закладки коллектора и объем водоема, способного обеспечить теплосъем.
Габариты такой конструкции определяются проведением тепловых расчетов и могут достигать протяженности более 300 метров.
Рисунок ниже демонстрирует подготовку магистралей для сборки на льду весеннего озера. Он позволяет визуально оценить масштабы предстоящей работы.
Внешний или встроенный вентилятор нагнетает воздух с улицы прямо на испаритель с фреоном, как в кондиционере. При этом не требуется создавать громоздкие конструкции из труб и помещать их в грунт или водоем.
Тепловой насос для отопления дома, работающий по такому принципу, стоит дешевле, но использовать его рекомендуется в относительно теплом климате: морозный воздух не позволит работать системе.
Подобные устройства нашли широкое применение для обогрева воды в бассейнах или помещений, расположенных рядом с промышленными устройствами, постоянно участвующими в технологическом процессе и выделяющими в атмосферу тепло мощными системами охлаждения. В качестве примера можно привести силовые автотрансформаторы энергетики, дизельные станции, котельные.
При выборе модели ТН следует учитывать:
При создании нового проекта дома учитывают его потребности в тепле с учетом конструктивных особенностей материалов, создающих теплопотери через стены, окна, двери, потолок и пол помещений различных габаритов. Расчет учитывает создание комфорта при самых низких морозах в конкретной местности.
Потребляемая тепловая мощность здания выражается в кВт. Она должна покрываться вырабатываемой энергией теплового насоса. Однако часто при расчетах делают упрощение, позволяющее экономить: длительность самых холодных дней в течение года не превышает нескольких недель. На этот период подключается дополнительный источник тепла, например, ТЭНы, подогревающие воду в котле.
Они работают только в критических ситуациях при морозах, а в остальное время отключены. Это позволяет использовать ТН с меньшими мощностями.
Для справки.
Модели выходной мощности 6÷11 кВт «рассольно-водяных» схем способны нагревать воду встроенных баков в относительно небольших постройках. Мощность в 17 кВт достаточна для поддержания температуры воды 65ºС у котла с емкостью 230÷440 литров.
Потребности в тепле средних по величине зданий покрывают мощности 22÷60 кВт.
Он определяет эффективность конструкции по безразмерной формуле:
Kтр=(Твых-Твх)/Твых
Величина «Т» обозначает температуру теплоносителей на выходе и входе в конструкцию.
Его рассчитывают для определения доли полезной мощности тепла по отношению к приложенной энергии на компрессор.
ͼ=0,5Т/(Т-То)=0,5(ΔТ+То)/ΔТ
Для этой формулы температура потребителя «Т» и источника «То» определяется в градусах Кельвина.
Величину ͼ можно определить по количеству затраченной энергии на работу компрессора «Рэл» и полученной полезной теплопроизводительности «Рн». В этом случае его называют «СОР» по сокращению от английского термина «Coefficient of perfomance».
Коэффициент ͼ - переменная величина, зависимая от перепада температур между источником и потребителем. Он обозначается цифрами от 1 до 7.
Это неверное утверждение: коэффициент полезного действия учитывает потери мощности при работе конечного устройства.
Для его определения надо выходную тепловую мощность разделить на приложенную с учетом энергии геотермальных источников. При таком расчете вечного двигателя не получится.
Коэффициент СОР оценивает работу теплового насоса в определенный момент времени при конкретных условиях эксплуатации. Чтобы проанализировать работу ТН, введен показатель эффективности системы за год (β).
Здесь символ Qwp обозначает величину тепловой энергии, произведенной за год, а Wel - значение потребленного электричества установкой за то же время.
Эта характеристика обратна показателю эффективности.
Для определения характеристик ТН используется специализированное программное обеспечение и заводские стенды.
Отопление дома тепловым насосом в сравнении с другими системами обладает:
На стадии проекта и при эксплуатации приходится учитывать:
Современный тепловой насос для отопления дома выпускают такие компании, как:
Оплачивать электроэнергию и теплоснабжение с каждым годом становится сложнее. При строительстве или покупке нового жилья проблема экономичного энергоснабжения становится особенно острой. Из-за периодически повторяющихся энергетических кризисов выгоднее увеличить первоначальные расходы на высокотехнологичное оборудование, чтобы потом десятилетиями получать тепло по минимальной стоимости.
Наиболее рентабельным вариантом в некоторых случаях является тепловой насос для отопления дома, принцип работы этого устройства довольно простой. Перекачивать тепло в прямом смысле этого слова невозможно. Но закон сохранения энергии позволяет техническим устройствам понижать температуру вещества в каком-то одном объеме, одновременно нагревая что-либо в другом месте.
Возьмем для примера обычный бытовой холодильник. Внутри морозильника вода быстро превращается в лед. Снаружи находится горячая на ощупь радиаторная решетка. От нее тепло, собранное внутри морозильной камеры, передается комнатному воздуху.
То же самое, но в обратной последовательности, делает ТН. Радиаторная решетка, расположенная снаружи здания, имеет гораздо большие размеры, чтобы собрать достаточно тепла из окружающей среды для обогрева жилья. Теплоноситель внутри трубок радиатора или коллектора отдает энергию отопительной системе внутри дома, а затем нагревается снова вне дома.
Обеспечить дом теплом - это более сложная техническая задача, чем охладить небольшой объем холодильника, где установлен компрессор с морозильным и радиаторным контурами. Почти так же просто устроен воздушный ТН, который получает тепло из атмосферы и подогревает внутренний воздух. Добавляются только вентиляторы для обдува контуров.
Получить большой экономический эффект от установки системы «воздух-воздух» сложно из-за малого удельного веса атмосферных газов. Один кубический метр воздуха весит всего лишь 1,2 кг. Вода примерно в 800 раз тяжелее, поэтому теплотворная способность тоже имеет многократную разницу. Из 1 кВт электрической энергии, потраченной устройством типа «воздух-воздух», можно получить только 2 кВт тепла, а ТН «вода-вода» дает 5–6 кВт. Гарантировать такой высокий коэффициент полезного действия (КПД) может ТН.
Состав компонентов насоса:
Внутри испарителя теплоноситель внешнего трубного регистра охлаждается, отдавая тепло хладагенту компрессорного контура, а затем насосом перекачивается по трубам на дне водоема. Там он нагревается и цикл вновь повторяется. В конденсаторе происходит передача тепла системе отопления коттеджа.
тепловой насос
Открытый в начале XIX века французским ученым Карно термодинамический принцип переноса тепла потом был детализирован лордом Кельвином. Но практическая польза их трудов, посвященных решению проблемы отопления жилья от альтернативных источников, появилась только в последние пятьдесят лет.
В начале семидесятых годов прошлого столетия произошел первый энергетический кризис мирового масштаба. Поиски экономичных способов отопления привели к созданию устройств, способных собирать из окружающий среды энергию, концентрировать ее и направлять на обогрев дома.
В результате была разработана конструкция ТН со взаимодействующими между собой несколькими термодинамическими процессами:
Нагревание внутреннего объема помещения по принципу ТН возможно только с использованием высокотехнологичного оборудования, снабженного автоматикой для управления всеми вышеперечисленными процессами. Кроме того, программируемые контроллеры регулируют интенсивность генерации тепла соответственно колебаниям температуры наружного воздуха.
Использовать углеродное топливо в виде дров, угля, газа для работы ТН вовсе не нужно. Источником энергии служит рассеянное в окружающем пространстве тепло планеты, внутри которой находится постоянно действующий ядерный реактор.
Твердая оболочка материковых плит плавает на поверхности жидкой раскаленной магмы. Иногда она прорывается наружу при вулканических извержениях. Вблизи вулканов встречаются геотермальные источники, где даже зимой можно купаться и загорать. Тепловой насос способен собирать энергию практически повсеместно.
Для работы с различными источниками рассеянного тепла существует несколько типов ТН:
Существует вариант с открытым внешним коллектором, когда можно обойтись двумя скважинами: одна - для забора грунтовых вод, а вторая - для слива обратно в водоносный слой. Такой вариант возможен только при хорошем качестве жидкости, потому что фильтры быстро засоряются, если в составе теплоносителя имеется слишком много солей жесткости или взвешенных микрочастиц. Перед монтажом надо обязательно сделать анализ воды.
Если пробуренная скважина быстро заиливается или вода содержит много солей жесткости, тогда стабильная работа ТН обеспечивается бурением большего количества отверстий в земле. В них опускают петли герметичного внешнего контура. Затем скважины закупоривают с помощью тампонажа из смеси глины и песка.
Извлечь дополнительную пользу из участков, занятых газонами или цветниками, можно с помощью ТН типа «грунт-вода». Для этого нужно уложить в траншеи трубы на глубину ниже уровня промерзания для сбора подземного тепла. Расстояние между параллельными траншеями не менее 1,5 м.
На юге России даже в экстремально холодные зимы земля замерзает максимум на 0,5 м, поэтому проще снять грейдером полностью слой земли на монтажном участке, уложить коллектор, а затем засыпать экскаватором котлован. На этом месте нельзя сажать кустарники и деревья, корни которых способны повредить внешний контур.
Количество получаемого тепла от каждого метра трубы зависит от типа почвы:
Площади прилегающего к дому участка земли может быть недостаточно для размещения внешнего регистра труб. Сухие песчаные грунты не дают достаточного теплового потока. Тогда применяют бурение скважин глубиной до 50 метров, чтобы достичь водоносного слоя. В скважины опускают U-образные петли коллектора.
Чем больше глубина, тем выше возрастает тепловая эффективность зондов внутри скважин. Температура земных недр повышается на 3 градуса каждые 100 м. Эффективность съема энергии скважинного коллектора может достигать 50 Вт/м.
Монтаж и запуск систем ТН - это технологически сложный комплекс работ, которые могут выполнить только опытные специалисты. Общая стоимость оборудования и комплектующих материалов значительно выше, если сравнивать с обычным газовым оборудованием для теплоснабжения. Поэтому срок окупаемости первоначальных затрат растягивается на годы. Но дом строится на десятилетия, а геотермальные тепловые насосы - самый выгодный способ отопления для загородных коттеджей.
Ежегодная экономия в сравнении с:
При расчете срока окупаемости ТН стоит учитывать эксплуатационные расходы за все время службы оборудования - минимум 30 лет, тогда экономия многократно превысит первоначальные затраты.
Разместить на дне близлежащего водоема полиэтиленовые трубы коллектора может практически любой человек. Для этого не понадобится больших профессиональных знаний, навыков, инструментов. Достаточно равномерно распределить витки бухты по поверхности воды. Между витками должно быть расстояние не менее 30 см, а глубина затопления не менее 3 м. Затем надо привязать грузы к трубам, чтобы они ушли на дно. Тут вполне подойдет некондиционный кирпич или природный камень.
На монтаж коллектора ТН типа «вода-вода» потребуется значительно меньше времени и денег, чем при рытье траншей или бурении скважин. Расходы на приобретение труб также будут минимальными, поскольку съем тепла при конвективном теплообмене в водной среде достигает 80 Вт/м. Очевидная выгода применения ТН - не нужно сжигать углеродное топливо для получения тепла.
Альтернативный способ отопления дома становится все более востребованным, поскольку обладает еще несколькими преимуществами:
Для работы ТН типа «вода-вода» необходимы три независимых системы: внешний, внутридомовой и компрессорный контуры. Они объединены в одну схему теплообменниками, в которых циркулируют различные теплоносители.
При проектировании системы энергоснабжения следует учитывать, что на перекачивание насосом теплоносителя по внешнему контуру расходуется электроэнергия. Чем больше длина труб, изгибов, поворотов, тем менее выгоден ТН. Оптимальное расстояние от дома до берега - 100 м. Его можно удлинить на 25 % за счет увеличения диаметра труб коллектора с 32 до 40 мм.
Применять воздушные ТН выгоднее в южных регионах, где температура редко опускается ниже 0 °С, но современное оборудование способно работать и при -25 °С. Чаще всего устанавливают сплит-системы, состоящие из внутридомового и наружного блоков. Внешний комплект состоит из вентилятора, обдувающего радиаторную решетку, внутренний - из конденсаторного теплообменника и компрессора.
Конструкцией сплит-систем предусматривается реверсивное переключение режимов работы с помощью клапана. Зимой внешний блок является генератором тепла, а летом наоборот - отдает его наружному воздуху, работая как кондиционер. Воздушные ТН отличаются предельно простым монтажом внешнего блока.
Другие преимущества:
Проектируя отопление зданий, расположенных в регионах с продолжительной и морозной зимой, необходимо учитывать низкую эффективность воздушных ТН при отрицательных температурах. На 1 кВт затраченной электроэнергии приходится 1,5–2 кВт тепла. Поэтому надо предусматривать дополнительные источники теплоснабжения.
Самый простой монтаж ТН возможен в случае применения моноблочных систем. Внутрь помещения заходят только трубки с теплоносителем, а все остальные механизмы находятся снаружи в одном корпусе. Такая конструкция существенно повышает надежность работы оборудования, а также снижает шум до величины менее 35 дБ - это на уровне обычного разговора двух человек.
Найти в городе свободные участки земли для расположения внешнего контура ТН типа «грунт-вода» практически невозможно. Проще установить на внешней стене здания воздушный тепловой насос, который особенно выгоден в южных регионах. Для более холодных территорий с продолжительными морозами существует вероятность обледенения наружной радиаторной решетки сплит-системы.
Высокий коэффициент полезного действия ТН обеспечивается при выполнении следующих условий:
Когда температура наружного воздуха резко падает, то инерционный контур «теплого пола» просто не успевает прогревать помещение. Зимой так бывает часто. Днем солнышко пригрело, на градуснике -5 °С. Ночью температура может быстро опуститься до -15 °С, а если подует сильный ветер, то мороз будет еще сильнее.
Тогда надо установить под окнами и вдоль наружных стен обычные батареи. Но температура теплоносителя в них должна быть в два раза выше, чем в контуре «теплого пола». Дополнительную энергию в загородном коттедже может дать камин с водяным контуром, а городской квартире - электрический котел.
Остается только определить, будет ли ТН основным или дополняющим источником тепла. В первом случае он должен компенсировать 70 % общего количества тепловых потерь помещения, а во втором - 30 %.
В ролике проводится визуальное сравнение достоинств и недостатков различных типов тепловых насосов, подробно объясняется устройство системы «воздух-вода».
Евгений Афанасьев главный редактор
Автор публикации 05.02.2019
Тепловой насос - механическое приспособление позволяющее обеспечить перенос тепла от ресурса с низкой потенциальной тепловой энергией (с низкой температурой) до отопительной системы (теплоносителю) с повышенной температурой. Попробуем объяснить это более понятным языком.
Уходят в прошлое времена, когда человек отапливал свое жилище путем сжигания древесины в каминах или печах. На смену приходят многофункциональные котлы длительного горения. В регионах где доступен магистральный газ для отопления применяют эффективное газовое оборудование. В местах, не доступных для газовых магистралей, все активнее используется .
Человечество понимает, что сжигать невозобновляемые источники энергии дело не перспективное, ресурсы постепенно истощаются. Ученые не останавливаясь ищут новые способы добычи тепловой энергии и разрабатывают современные механизмы для реализации поставленных задач.
В одном из таких проектов был сконструирован тепловой насос. Действительно, как и большинству генерирующих тепло агрегатов, функционирование теплового насоса не возможно без электрической энергии. Серьезным отличием является то, что электричество не задействовано в нагреве например ТЭНа, как в масляном радиаторе и не замыкает спираль в тепловой пушке. В тепловом насосе нет нагревательных элементов, он не создаёт тепловую энергию, тепловой насос служит лишь переносчиком её из окружающей среды до потребителя (теплоносителя).
Электричество, потребляемое тепловым насосом, затрачивается только на сжатие хладагента и его перекачку обеспечивая циркуляцию. Хладагент выступает в качестве необходимой рабочей среды, именно он перемещает тепло из окружающей среды в отопительную систему и систему горячего водоснабжения. Как подобрать тепловой насос, принцип его работы, а также узнать о плюсах и минусах подобного оборудования нам поможет этот обзор.
Традиционное отопление частного дома по прежнему остается предпочтительным, если в избытке недорогие ресурсы. Вопрос, что делать, когда доступность дешевых источников ограниченна? Альтернативным решением выступает тепловой насос - опыт эксплуатации более 40 лет в странах Евросоюза, говорит нам о том, что это может быть весьма эффективно.
В Российской Федерации тепловой насос не получил должного распространения. Причиной тому два фактора. Во первых, в избытке нефть, газ, древесина. Во вторых, останавливает высокая цена и отсутствие популяризации. Сведения о тепловых насосах, весьма скудные, принцип их работы не понятный, а о преимуществах информации недостаточно.
В Европейском союзе цены на сжигаемое топливо настолько высоки, что геотермальная система отопления показывает выгоду в эксплуатации. К примеру до 95% домохозяйств в Швеции и Норвегии используют тепловые насосы как основной источник отопления . Международное энергетическое агентство, прогнозирует что тепловые насосы к 2020 году начнут обеспечивать 10 % спроса энергии на отопление в странах организации экономического сотрудничества и развития, а к 2050 году этот показатель достигнет 30%.
Из школьного курса физики, вспоминая второй закон термодинамики, доподлинно известно, что тепло от горячего тела передается холодному без каких бы то ни было механизмов. Фокус в том, как передать тепло в обратном направлении? Для этого нам потребуется и и ряд действий обеспечивающих результат.
Именно эти действия нам и поможет совершить тепловой насос. Затраты электроэнергии на работу теплового насоса пропорционально зависят от разницы значений температур между средами, участвующих в этом процессе.
Вам доводилось дотронуться до черной решетки холодильника сзади? Убедиться в том, что задняя стенка очень горячая может любой желающий. Направив на черную решетку лазерный пирометр, видно что ее температура на поверхности составляет порядка 40°С. Таким образом, инженеры хладогенерирующего оборудования утилизируют изнутри морозильной камеры ненужное тепло.
Известно, что в конце сороковых годов прошлого столетия изобретатель Роберт Вебер обратил внимание на бесполезный обогрев воздуха радиатором холодильника. Изобретатель подумал и подсоединил к нему бойлер косвенного нагрева. В результате Роберт снабдил домочадцев горячей водой в необходимом объеме. Именно тогда, энтузиаст и задумался, каким образом “вывернуть” холодильник на изнанку и трансформировать охладительное устройство в отопительный прибор. Надо признать, у него получилось.
Принцип работы теплового насоса основывается на том, что под землей в любое время года, опустившись ниже отметки уровня промерзания мы наткнемся на температуру выше нуля. Получается, непромерзаемый земельный слой находится прямо у нас под ногами. А что, если использовать его в качестве задней стенки морозильной камеры?
Применяя принцип работы холодильного оборудования, для переноса тепла из подземелья в домашнее пространство используется система труб по которым осуществляется циркуляция хладагента. Хладоны Фреона нагреваются подземельным теплом и начинают испаряться. Холодный воздух снаружи его охлаждает, в результате чего фреон конденсируется.
Нагревая тепло чередуя циклы испарения и нагрева тепловой насос заставляет циркулировать хладагент. Компрессор создает давление, заставляя двигаться фреон по трубкам двух теплообменников.
В первом тепловом обменнике фреон испаряется при низком давлении, во время которого происходит поглощение тепла из атмосферы непосредственного окружения. Затем тот же хладагент сжимается компрессором под высоким давлением и перемещается во вторую катушку, где он конденсируется. Затем он выделяет тепло, поглощенное ранее в цикле.
Основную роль в процессе играет повышающий компрессор. Увеличивая давление, фреон конденсируясь выдает больше жара, чем получил от теплой земли. Таким образом, грунтовые плюсовые значения в + 7°С и преобразовывается в комфортные домашние условия + 24°С.
Хочется заметить, что вся конструкция не требует специально выделенной линии электропроводки. Потребляемая мощность сопоставима с расходом энергии бытового электро чайника. Фокус в том, что тепловой насос “добывает” тепловой энергии в четыре раза больше, чем потребляет электричества. На отопление коттеджа в 300 м2, в лютый – 30°С мороз будет затрачено не более 3 кВт.
Впрочем, владельцу геотермального насоса придется заметно раскошелиться в начале. Стоимость оборудования и материалов на подключение составляет не менее 4 500 долларов. Прибавим монтажные работы и бурение, еще столько же, выходит что самая простая система обойдется в 10 тысяч долларов.
Понятно, что будет стоить дешевле на порядок. Но платить ежемесячно из расчета 1 кВт на 10 м2 придется в любом случае. Вот и получается, что на 300 кв. метров дома уйдет 30 кВт - в 10 раз больше чем будет потрачено на тепловой насос.
Расчеты по отоплению газом с помощью газового котла, дают примерно тот же порядок цифр - 2000 рублей в месяц, что сравнимо с эксплуатацией теплового насоса. К сожалению не все проживают в газифицированном районе.
Теплового насос, обладает неоспоримым преимуществом. Такую “морозильную камеру наоборот” в летний период можно “вывернуть” на изнанку и легким движением руки - тепловой насос превращается в кондиционер. На улице в жаркие деньки +30°С, а в подземелье царит прохлада. Используя трубки заполненные теплоносителем, насос перенесет холод подземелья в жилище. Далее в работу включается вентилятор, таким образом мы получаем экономную систему охлаждения.
Практика эксплуатации указывает на сроки окупаемости от 3 до 7 лет. Скандинавские страны давно посчитали прибыль и отапливаются этим методом. Ярким примером может служить гигантский тепловой насос в Стокгольме, геотермальное оборудование. Источником тепловой энергии в зимний период и прохлады в летний, служат воды балтийского моря. В полной мере к тепловому насосу относится лозунг: плати сейчас – экономь потом! Экономия становится все больше, в силу того, что энергоносители дорожают.
К сожалению не все так радужно с эффективностью на сегодняшний день. Одним из главных вопросов, мучающих потребителя остается: покупать или не покупать тепловой насос. Наш совет, тщательно взвешивайте все за и против, скорее всего вариант покупки обычного по итогам эксплуатации обойдется дешевле, а установка проще.
Если рассматривать тепловой насос как концепт будущего, как новую идею генерации тепла - однозначно инженерная мысль заслуживает уважения. Геотермальное оборудование работает, его можно потрогать руками, с каждым годом оно становится все более эффективно. Однако, если мы посчитаем, сколько денег мы потратим на его работу, прибавим первоначальные затраты на покупку и монтаж, то скорее всего получим сумму показывающую, что мы потратим на него гораздо больше финансов, чем на любой другой вид тепло генерирующего устройства.
Рассматривая тепловой насос как экономическую систему, когда затратив на его работу 100 рублей, вы получаете тепловой энергии на 300 рублей, не забывайте о том, что за право получения сверхприбыли в 200 рублей, вы заплатили большие деньги. К слову сказать, в том же Евросоюзе, продажи тепловых насосов поддерживаются государственными программами.
Так в Финляндии, ежегодно продается более 60 тысяч тепловых насосов и число продаж растет 5% темпами. Но во первых, экономический эффект применения подобного оборудования там выше по причине дорогой электроэнергии. Стоимость электроэнергии в Финляндии 35 евро центов, в сравнении с Россией – 7 евро центов. Во вторых программа субсидирования предполагает возмещение на покупку теплового насоса в размере 3 000 EURO.
До тех пор, пока существуют низкие цены на газ и электричество, внедрение теплового насоса в качестве основного конкурента остается трудно выполнимой задачей. Массовое потребление станет возможным, только в случае кризисной ситуации с добычей углеводородов или кризиса с генерацией электроэнергии.
Расчет требуемого тепла для отопления дома. Чтобы подобрать тепловой насос (ТН), который входит в отопительную систему дома, важно рассчитать потребность тепла. Точный расчет позволит избежать ненужного перерасхода средств, т. к. это ведет к лишним расходам.
Какой источник тепла выбрать для вашего теплового насоса. Данное решение зависит от многих составляющих, основные из них:
Анализ исходных данных для выбора теплового насоса:
Разберём всё по порядку
При создании системы отопления на ТН имеется возможность устройство контура «воздух-вода». Капитальные вложения будут минимальными, т. к. не требуется проведения дорогостоящих земляных работ. Но будут высокие затраты на этапе эксплуатации данной системы отопления ввиду низкой эффективности работы.
Если же вы хотите значительно уменьшить эксплуатационные расходы, то вам подойдет установка геотермального насоса. Правда, потребуется провести земляные работы для укладки теплового контура. Также данная система позволит получать «пассивный» холод.
Для увеличения эффективности системы ТН желательно уменьшить разницу между температурой нагреваемой среды и температурой источника тепла.
Если вы ещё не выбрали систему отопления, то рекомендуется выбрать теплые полы, позволяющие более эффективно использовать систему ТН.
Площадь участка для установки коллектора критична в случае невозможности бурения и установки геотермального зонда. Тогда вам придется осуществить горизонтальную укладку коллектора, а это потребует пространства примерно в 2 раза больше, чем площадь отапливаемого дома. При этом надо учесть, что данную площадь нельзя использовать под застройки, а только в виде лужайки или газона, чтобы не перекрывать потоки солнечных лучей.
При возможности проведения бурения на участке (хорошая геология, возможность подъезда, отсутствие подземных коммуникаций) лучшим решением будет установка геотермального зонда. Он обеспечивает стабильный и долгосрочный источник тепла.
Геология участка для определения глубины заложения геотермального зонда, в случае принятия такого решения
После проведения расчета общей глубины бурения необходимо изучить план участка и установить, каким образом обеспечить глубину бурения. На практике глубина одной скважины обычно не превышает 150 м.
Поэтому если, например, расчетная глубина бурения 360 м, то исходя из особенностей участка её можно разбить на 4 скважины по 90 м, или 3 по 120 м, или 6 по 60 м. Но надо учесть, что между ближайшими скважинами расстояние должно быть не меньше 6 м.
Стоимость буровых работ прямо пропорционально глубине бурения.
Если в летнее время требуется кондиционер, то очевиден выбора ТН типа «вода-вода» или «грунт-вода», остальные тепловые насосы не готовы эффективно и экономично выполнять функции кондиционирования.
Возможна интеграция ТН в единую систему воздушного отопления. Данное решение позволит унифицировать инженерные сети.
Приблизительная первоначальная оценка капитальных затрат* на покупку и монтаж зависят от типа теплового насоса:
ТН с подземным коллектором:
Работы - 2500 $
Эксплуатационные расходы - 350 $/год
ТН с зондом:
Оборудование и материалы - 4500 $
Работы - 4500 $
Эксплуатационные расходы - 320 $/год
Воздушный ТН:
Оборудование и материалы - 6500$
Работы - 400 $
Эксплуатационные расходы - 480 $/год
ТН «вода-вода»:
Оборудование и материалы - 4500 $
Работы - 3500 $
Эксплуатационные расходы - 280 $/год
* – ориентировочные, среднерыночные цены. Конечная стоимость зависит от выбранного производителя оборудования, региона производимых работ, стоимости буровых работ и условий площадки и так далее.Примечание сметного отдела
Одиночный. Тепловой насос является единственным источником тепла, обеспечивая 100% потребность в тепле. Работает для рабочих температур не выше 55 °С.
Спаренный. ТН и котел работают совместно, что позволяет с помощью котла получать более высокие рабочие температуры.
Моноэнергетический. ТН и электрокотел образуют энергосистему только с одним внешним источником энергии. Это позволяет плавно регулировать электропотребление, но увеличивает нагрузку на вводной автомат.
После сбора всех исходных данных и проработки основных технических решений возможно выбрать подходящий тип ТН. Комплектация и выбор поставщика оборудования будет зависеть от ваших финансовых возможностей. Главное, подойти к выбору системы с полным пониманием того, чего вы хотите. Мы поможем вам выбрать и реализовать комфортную систему отопления. В ней можно учесть все нюансы: от климаторегулирующей функции до распределения тепла по зонам дома.
Остановив свой выбор на экологической системе отопления с тепловым насосом, можно быть уверенным в завтрашнем дне. Вы получаете полную независимость от тепло снабжающих организаций, мировых цен на нефть и политической ситуации в стране. Единственно, что вам потребуется, это электроэнергия. Но со временем и получение электроэнергии можно перевести на абсолютную автономность с помощью ветряка.
