Тепловые насосы. Расчет, выбор оборудования, монтаж. Как сделать геотермальный тепловой насос из кондиционера Рассмотрим конкретный пример

Поиск альтернативных источников, обеспечивающих энергией многие сферы человеческой деятельности, стал в последнее время актуальной задачей. Люди стремятся активнее использовать энергию солнца, ветра, источников воды, чтобы снизить затраты на решение проблем, связанных с теплоснабжением зданий. При этом, вопрос экологии имеет немаловажное значение, поскольку уменьшение вредных выбросов, загрязняющих атмосферу, важен как никогда.

Для создания благоприятных и комфортных условий проживания в жилищно-бытовом секторе в последние годы начали применять ветрогенераторы, солнечные коллекторы, экономные теплогенераторы одновременно с реализацией мероприятий, которые помогают повысить теплоизоляцию объекта теплоснабжения.

По мнению профессионалов, работающих в данной сфере, эффективным и экономичным мероприятием считается использование геотермальных источников тепловой энергии – специальных насосов. Их принципиальное устройство позволяет извлекать тепло из окружающей среды, трансформировать его и перемещать к месту применения (детальнее: " ").

Источниками энергии для тепловых насосов выступают вода, воздух, грунт, а процесс выработки тепла происходит по причине использования физических свойств некоторых веществ, называемых хладагентами. Они способны закипать даже при низких температурах.

Коэффициент производительности тепловых насосов, благодаря их характеристикам, достигает 3-5 единиц. Это означает, что при затрате в процессе работы 100 Вт электрической энергии прибором, потребители получают примерно 0,5 кВт мощности обогрева.

Порядок расчета тепловых насосов

Решение относительно выбора и расчет тепловых насосов, таких как на фото, представляет определенную сложность.

Результат вычислений зависит в основном от индивидуальных особенностей обогреваемого строения и состоит из нескольких этапов:

1. Прежде всего, определяют потери тепла, происходящие через ограждающие конструкции постройки (к ним относятся окна, двери, стены, перекрытия). Для этого пользуются следующей формулой:
   
   Qок = Sх(tвн – tнар)х(1 + Σ β) х n / Rт (Вт), гдеS – сумма площадей всех ограждающих конструкций (м²);
   tвн – температура воздуха внутри здания (°С);
   tнар – температура воздуха снаружи (°С);
   
   n – коэффициент, отражающий влияние окружающего пространства на характеристики строения. Если помещение напрямую контактирует с наружной средой посредством перекрытия, то данный показатель равен 1. Когда объект имеет чердачные перекрытия, п равно 0,9. Если объект находится над подвальным помещением, коэффициент составляет 0,75 (детальнее: " ").
   β – коэффициент дополнительных теплопотерь, зависящий от типа постройки и его географического местоположения. Данный показатель, когда производится расчет теплового насоса, находится в интервале от 0,05 до 0,27;Rт – это показатель теплосопротивления, которое определяется по следующей формуле:Rт = 1/ α внутр + Σ (δі / λі) + 1/ α нар (м²х°С / Вт), где:α внутр – коэффициент, характеризующий тепловое поглощение внутренних поверхностей конструкций ограждения (Вт/ м²х°С);
   δі / λі – является расчетным показателем теплопроводности материалов, применяемых при строительстве;
   α нар – величина теплового рассеивания наружных поверхностей конструкций ограждения (Вт/ м²х°С);
2. Далее, чтобы сделать расчет тепловых насосов, применяют формулу для определения суммарных потерь тепла строения:
   
   Qт.пот = Qок + Qи – Qбп, где:
   
   Qи - затраты на подогрев воздуха, который поступает через естественные неплотные места;
   Qбп - выделение тепла в результате работы бытовых приборов и человеческой деятельности.
3. На данном этапе рассчитывают потребляемую тепловую энергию для каждого из объектов в течение года:Qгод = 24х0.63хQт. пот.х((dх (tвн - tнар.ср.)/ (tвн - tнар.)) кВт/час), где:
   tнар.ср – среднеарифметическое значение температур, которые фиксируются у наружного воздуха на протяжении всего отопительного периода;
   d – количество дней в отопительном сезоне.
4. Затем нужно определить тепловую мощность, необходимую для разогрева воды в течение года, для чего используют выражение:
   
   Qгв = V х17 (кВт/час за календарный год), где
   V х17 – ежедневный объем нагрева воды до 50 °С.
5. Суммарное потребление тепловой энергии определяют по формуле:
   
   Q = Qгв + Qгод (кВт/час за один год)

Преимущества использования теплового насоса, смотрите на видео:

После того, как завершен расчет теплового насоса, с учетом полученных данных приступают к выбору данного прибора для обеспечения теплоснабжения и горячего водоснабжения. При этом расчетную мощность определяют, исходя из выражения:
Qтн=1,1хQ, где:

1,1 является корректирующим коэффициентом, поскольку при возникновении критических температур возможно увеличение нагрузок на тепловой насос.

Когда сделаны необходимые расчеты, несложно подобрать подходящий для данного помещения тепловой насос, который обеспечит комфортный микроклимат в нем для людей, находящихся в комнате.

С учетом того, что тепловой насос - оборудование, требующее достаточно серьезных затрат на приобретение и монтаж, к вопросу его выбора следует относиться особенно тщательно. Первое, что необходимо сделать потенциальному покупателю - это произвести хотя бы приблизительный расчет мощности оборудования, которое подойдет для эффективной работы в конкретных условиях. Конечно, можно обратиться к специалистам, чтобы составить проект теплового насоса, но для того, чтобы оценить примерные затраты, можно некоторые первоначальные расчеты сделать самостоятельно.

Тепловой насос, проектирование которого - достаточно сложное мероприятие, выбирают в зависимости от площади дома, степени его утепленности, средних температурных значений в холодное время года. Кроме расчета необходимой мощности, полный проект предполагает определение параметров земляного коллектора для геотермального насоса, расчет количества и диаметра труб для скважины в случае системы вода-вода. Правильный расчет теплового насоса предполагает учет множества факторов: от характеристик грунта на участке до материала, из которого построен дом.

Разработка системы отопления на основе теплового насоса

Если вас серьезно заинтересовал такой прогрессивный способ отопления дома, как тепловые насосы, то лучше всего предпочесть услуги специалистов с профильным образованием и большим опытом работы с подобным оборудованием. Все потому, что правильная разработка теплового насоса и всей системы отопления для дома позволит на долгие годы забыть о проблемах с теплом, наслаждаясь стабильной эффективной работой оборудования.

Прежде всего, стоит определиться с источником тепла, которое будет преобразовываться в энергию для теплоносителя в системе отопления. От того, будет ли это почва, вода или воздух, зависит как производство тепловых насосов (а точнее, технология изготовления), так и производительность, и цена самого оборудования и работ по установке. Одной из самых эффективных систем считается вода-вода, но для нее требуется наличие водоема рядом с домом или достаточного количества грунтовых вод на участке.

Стоит учитывать, что тепловой насос больше используется для низкотемпературных источников тепла, идеально сочетание с системой «теплый пол», но возможно и комбинирование с традиционными генераторами. Выбирая тепловые насосы, тепловой расчет их проводится так, чтобы учесть, способен ли он самостоятельно обогревать помещение даже в самые большие холода или в системе необходимо предусмотреть дополнительный источник тепла, например, электрический котел. Термодинамический расчет учитывает минимальные значения температур, которые могут достигаться зимой.

Также необходимо учитывать необходимость в горячем водоснабжении дома, если такая функциональная возможность требуется, то в необходимую мощность закладываются дополнительные 20%.

Пример расчета теплового насоса

Итак, мы имеем двухэтажное здание площадью в 250 кв.м. с высотой потолков 2,7 м. Предположим, что температура в помещении равна +20°С, а на улице -26°С. Далее делаем расчет мощности теплового насоса для отопления дома:

0,434*250*2,7*(20-(-26)) = 13475,7кВт - максимальная необходимая мощность на отопление в соответствии с СП 50.13330-2012

Больших потерь такой расчет не предполагает. Потери в данном случае могут быть даже меньше, чем 13475,7кВт.

Более точный тепловой расчет может быть сделан индивидуально. В нем будут учитываться все материалы стен, окон, потолков и т.п.

Расчет контура теплового насоса, который пойдет для отопления и для охлаждения помещения, более сложный и проводится специалистами.

Главная » Отопление и вентиляция на даче.

�?спользование альтернативных источников получения энергии сегодня представляется первоочередной задачей. Превращение энергии ветра, воды и солнца способно существенно снизить уровень загрязнения окружающей среды и сэкономить финансовые средства, необходимые для реализации технологичных способов получения энергии. В этом плане очень перспективным выглядит использованием так называемых теплонасосов. Тепловой насос — это устройство, способное переносить энергию тепла из окружающей среды внутрь помещения. Метод расчета теплового насоса, необходимые формулы и коэффициенты представлены ниже.

�?сточники тепловой энергии

�?сточниками энергии для тепловых насосов могут выступать солнечный свет, тепло воздуха, воды и грунта. В основе процесса лежит физический процесс, благодаря которому некоторые вещества (хладогенты) способны закипать при низких температурах. При таких условиях коэффициент производительности тепловых насосов может достигать 3 и даже 5 единиц. Это означает, что, затратив 100 Вт электроэнергии на работу насоса, можно получить 0,3-0,5 кВт.

Таким образом, геотермальный насос способен полностью отопить дом, однако при условии, что температура уличной среды не будет ниже температуры расчетного уровня. Как рассчитать тепловой насос?

Техника расчета мощности теплового насоса

С этой целью можно использовать специальный онлайн калькулятор расчета теплового насоса либо выполнить расчеты вручную. Прежде, чем определить необходимую для отопления дома мощность насоса вручную, необходимо определить тепловой баланс дома. Вне зависимости от того, для дома какой площади производится расчет (расчет теплового насоса на 300м2 или на 100м2), используется одна и та ж формула:

• R — это тепловые потери/мощность дома (ккал/час);
• V — объем дома (длина*ширина*высота), м3;
• Т — самый высокий перепад между температурами снаружи дома и внутри в холодное время года, С;
• k — это усредненный коэффициент теплопроводности здания: k=3(4) — дом из досок; k=2(3) — дом из однослойного кирпича; k=1(2) — кирпичный дом в два слоя; k=0,6(1) — тщательно утепленное здание.

Типовой расчет теплового насоса предполагает, что для того, чтобы перевести полученные значения из ккал/час в кВт/час, необходимо разделить ее на 860.

Пример расчета мощности насоса

Расчет теплового насоса для отопления дома на конкретном примере. Предположим, что необходимо обогреть здание площадью 100 м.кв.

Чтобы получить его объем (V), необходимо умножить его высоту на длину и ширину:

Чтобы узнать T, необходимо получить разницу температур. Для этого из минимальных внутренних температур вычитаем минимальные наружные:

Теплопотери здания примем равными k=1, тогда тепловые потери дома будут рассчитаны следующим образом:

Программа расчета теплового насоса предполагает, что расход домом тепловой энергии должен быть переведен в кВт. Переводим ккал/час в кВт:

• 12500 ккал/час / 860 = 14,53 кВт.

Таким образом, для отопления дома из двухслойного кирпича площадью 100 м.кв., необходим тепловой насос на 14,5 кВт. Если необходимо произвести расчет теплового насоса на 300м2, то в формулах производится соответствующая подстановка. В данном расчете учтены потребности в теплой воде, необходимой для отопления. Для определения подходящего теплового насоса потребуется таблица расчета теплового насоса, демонстрирующая технические характеристики и производительность той или иной модели.

Тепловые насосы (ТН), позволяющие использовать низкопотенциальное тепло окружающей среды, получили широкое распространение за рубежом. Большинство крупных компаний, производителей и разработчиков теплотехнического оборудования уже присутствуют в этом сегменте рынка. Потребителю, в том числе и российскому, предлагаются серийно выпускаемые аппараты, многократно отработанные решения.

Сдерживающим фактором для их распространения является необходимость относительно больших первоначальных инвестиций. На интернет-форумах активно обсуждается опыт самостоятельного создания отопительных систем с тепловыми насосами, удешевления тех или иных работ и повышения эффективности теплоснабжения.

Мы выбрали отдельные места из этих обсуждений, и попробовали прокомментировать их с позиции профессионального производителя оборудования.

Цена вопроса

Читаем на форуме: Фирмой было предложено поставить ТН и обустроить внешний контур за 1,1 млн руб. Автором самостоятельно приобретены ТН с ГВС производительностью 8 кВт за 93 тыс., пробурены шесть скважин стоимостью 500 руб./м, установлены трубы для теплоносителя, выполнено их соединение с коллектором и ТН.

Общая стоимость работ составила 170 тыс. руб. При средней годовой оплате отопления электричеством 75 тыс. руб. все затраты на ТН должны окупиться за три–четыре года.

Средняя удельная стоимость организации «под ключ» геотермального отопления с ТН в доме площадью 200 м2 составляет порядка 5–7 тыс.

руб./м2. Теплопотребляющая система оказывает решающее влияние на экономичность отопительной установки с ТН и должна обходиться как можно более низкими температурами прямой сетевой воды.

Для отопительных установок с ТН справедливо правило: каждый градус снижения температуры прямой сетевой воды – экономия энергопотребления на 2,5 %. Общие издержки складываются из трех частей: инвестиции, стоимость электроэнергии, побочные расходы. При этом побочными расходами, обычно представляющимися незначительными, пренебрегать не следует: эксплуатационные затраты, трудно прогнозируемые при самостоятельном конструировании системы, могут составить значительную сумму.

Обсудить «Тепловой насос своими руками» на форуме

Технические находки

В качестве основы теплового насоса (ТН) использована обычная сплит-система.

Потребляя электрическую мощность 1,3 кВт, получаем 6,5 кВт тепла. Используемый при этом внешний блок кондиционера на зиму помещают в фанерный утепленный ящик вместе с автомобильным радиатором, к которому подается теплоноситель из грунтового контура.

Летом и в межсезонье стенки ящика открываются.
В другом случае достижения высокой эффективности был применен ТН из двух контуров в каскаде, с двумя компрессорами. Конденсатор выполнен из стальных емкостей, разделенных на два подконденсатора. В первом («горячем»), объемом 3 л, расположены две медные спирали из трубы длиной 10 м.

В «холодный» конденсатор также встроена спираль для принудительного охлаждения компрессоров (рабочая жидкость – тосол). Параметры системы: испаритель – стальной бак (180 л); вода поступает из скважины с температурой 15 °C в объеме 2 м3/ч, сброс ее происходит в другую скважину, находящуюся в 15 м от водозаборной. Общая электрическая мощность, потребляемая всей системой, – 4,2 кВт. Температура хладагента (R22) на входе в «горячий» конденсатор составляет +110 °C, на выходе – +55 °C.

При входе в «холодный» конденсатор – +55 °C, при выходе из него – +40 °C.

Реализация самого принципа ТН и приобретение необходимого при этом оборудования не представляют трудностей. Однако согласование параметров отдельных частей, их увязка в единую установку может быть затруднительна даже для специализированной фирмы.

Ведь речь идет о проектировании и изготовлении технически сложного оборудования. Поэтому удачная (эффективная) работа самостоятельно изготовленного ТН относится больше к области везения, чем точного инженерного расчета: никто не может дать гарантии, что такой аппарат будет хорошо функционировать с пятой, десятой или сотой попытки модернизации.

Первичный контур

Самостоятельное бурение и обустройство глубоких скважин, требующее применения спецтехники, может вызвать немало проблем уже на начальной стадии: «три дня бурили, два дня чинили машину, день разгребали кучи глины, сделали четыре зонда по 25 м.

Стоимость скважин – 650 руб./м».

Выбор и расчет теплового насоса

Для зонда применены трубы из ПНД, рассчитанные на давление 6 бар. Опускаемые в скважину трубы (их может быть две или четыре, в зависимости от диаметра скважины) соединены U-образным наконечником.

При этом в зимних условиях для предотвращения разрушения при монтаже такие трубы были предварительно подогреты в помещении. Можно добиться большей экономии, выполнив наружный контур самостоятельно, но без бурения глубоких скважин.

Варианты его расположения: под домом или снаружи, в земле.

В ТН с вертикальными зондами теплообменная система устанавливается в скважинах глубиной от 20 до 100 м. В среднем двойной U-образный зонд с каждого метра длины дает примерно 55 Вт тепловой мощности.

Точное значение зависит от геологических и гидрогеологических условий, которые, как правило, неизвестны монтажнику отопления. Поэтому проектирование и бурение скважин должно быть поручено опытной и сертифицированной на проведение соответствующих работ компании.

Грунтовые воды в качестве источника тепла обычно подходят для реализации моновалентного режима работы теплового насоса. Из соображений экономичности грунтовые воды для тепловых насосов типа «вода–вода» мощностью до 30 кВт не должны поступать с глубины более 15 м.

Борьба за эффективность

При самостоятельном конструировании отопительной системы с ТН можно повысить ее эффективность, модернизировав отдельные части.

Предлагается, например, отказаться от обычного теплоаккумулятора, заменив его бетонной стяжкой, и избежать нежелательных колебаний температуры на подаче установкой смесительного (демпферного) бака.

Для управления самодельным ТН типа «воздух–вода» используют автоматику обычной сплит-системы.
Рассматриваются также возможности получать дополнительное тепло, экспериментируя с хладагентом, применяя компрессоры с «плавающей» производительностью, электронные терморегулирующие вентили, комбинированные теплообменники, а также за счет установки в цепи испарителя солнечного коллектора, рекуператора вытяжки и тепла сточных вод, кухонного «зонта» и т.п.

Обусловленные конструкцией параметры теплообменника должны обязательно быть согласованы с другими параметрами ТН.

Это расчетные характеристики, самостоятельный экспериментальный подбор которых проблематичен. При этом, оперируя понятиями «не тянет» и «работает, но неэффективно», очень сложно попасть в область оптимальных параметров.
В отопительных системах с ТН, где исчезновение напряжения может быть не обнаружено своевременно, необходимо предусмотреть защиту от замораживания.

А буферный накопитель сетевой воды необходим для увеличения времени выбега теплового насоса при незначительном теплопотреблении. Воздушно-водяным насосам он обязателен для того, чтобы обеспечить минимальный 10-минутный выбег в режиме оттаивания. Эксперименты с хладагентами нежелательны: в лучшем случае не удастся достичь намеченных целей, в худшем, например, при использовании пропана, все может закончиться аварией.

Есть опасения…

При работе грунтового теплового насоса зона земляного контура будет сильно охлаждаться и, в конце концов, на участке получишь маленький «ледниковый период».

Избежать этого можно, закапывая контур глубже, чтобы происходила равномерная компенсация тепла, отданного землей, или достичь мощных подземных водоносных слоев. Не допустить появления «вечной мерзлоты» возможно также путем создания одной или двух расположенных на воздухе петель внешнего контура вдоль забора и соединенных на лето с находящейся в земле частью (для «подзарядки» грунта теплом).

Предлагается и другой вариант расположения скважин – на дороге около участка, а воздушная часть внешнего контура закольцовывается со скважинами.

Действительно, ошибки при определении максимально возможного теплосъема и конструировании внешнего контура приводят не только к неудовлетворительной работе ТН, но могут вызвать сильное и глубокое промерзание грунта.

Так называемая зебра (полосы зеленой травы, чередующиеся с голой, глубоко промерзшей землей) иногда формируется над петлями проложенного с нарушениями необходимых требований горизонтального земляного контура. Температура грунта в метре от поверхности может достигать точки замерзания и без утилизации грунтового тепла, на глубине 2 м минимальная температура составляет примерно 5 °C.

С увеличением глубины она возрастает, однако уменьшается и тепловой поток от поверхности грунта. При этом уже не гарантируется оттаивание земли весной. Минимальная глубина прокладки горизонтального контура должна составлять 1,2, максимальная – 1,5 м.
Самостоятельное конструирование первичного контура или следование аналогам без привязки к конкретным параметрам скважины водоносного горизонта, реки, озера (для ТН «вода–вода»), почвы, может привести к серьезным нарушениям в работе системы теплоснабжения.

Сергеев
Журнал «Аква-Терм» №5 (63), 2011

Как сделать свой тепловой насос собственными руками

Сегодня нет сомнений в том, что тепловой насос для отопления дома является самым эффективным из всех существующих.

Это самый дорогой и сложный инструмент. По этой причине многие отечественные мастера сами решили эту проблему. Но, учитывая его большую сложность, достижение положительных результатов нелегко, это требует энтузиазма, терпения и, кроме того, хорошего изучения теории.

Наша статья предназначена для тех, кто делает первый шаг к внедрению такого альтернативного источника энергии, как тепловой насос, который они сами создали.

Принцип работы устройства и работы

Если вы хотите построить существующую модель теплового насоса, вы не можете обойтись без знания теории или лучше, как это устройство работает. Прежде всего, я хотел бы упомянуть, что выступления на 300, 500 и 1000% — это мифы или только маркетинговый ход, который должен игнорировать обычного пользователя физических законов.

Таким образом, тепловой насос представляет собой устройство, которое использует тепловую энергию в одном месте и перемещает ее в другую с определенной эффективностью, которая не превышает 100%. В отличие от котельных, он не производит тепло само по себе.

Например, бытовые холодильники и системы кондиционирования воздуха, основанные на так называемом цикле Карно, также используют принцип теплового насоса для отопления или горячей воды. Суть этого цикла — движение вещества (рабочей жидкости) вдоль замкнутой системы и изменение агрегатного состояния от жидкого до газообразного и наоборот.

Во время перехода выделяется огромное количество энергии или поглощения.

Для пояснения на более доступном языке мы перечислим основные элементы, которые включают устройство теплового насоса:

• компрессор;
• теплообменник, в котором рабочая среда переходит в газообразное состояние (испаритель);
• теплообменник, в котором рабочая среда конденсирована (конденсатор);
• Расширительный клапан (уменьшение);
• средства контроля и автоматизации;
• медные трубы.

Вещество, которое кипит при низких температурах — фреон — появляется как рабочее вещество.

Он циркулирует через трубу в виде жидкости, сначала поступает в испаритель. После взаимодействия с хладагентом от внешнего источника (воздух, вода, почва) рабочая жидкость испаряется и продолжает движение в виде газа. В этот момент давление в системе низкое.

Весь цикл цикла отражает принципиальную схему теплового насоса:

Когда компрессор опускается, фреон перемещается под давлением ко второму теплообменнику, где он должен конденсироваться и передавать полученное тепло в воду, что восстанавливает текущее состояние.

Кроме того, рабочая жидкость поступает в расширительный клапан, давление снова падает и продолжает путь испарения. Цикл закончен.

Тепловые насосные установки для дома могут производить хладагент с температурой 55-60 ° C, что достаточно для обогрева помещений с радиаторами или теплыми полами.

В то же время вся система отопления использует электроэнергию для этих целей:

• компрессорный адаптер;
• вращение вращающихся контуров внешних и внутренних цепей;
• Средства автоматизации и контроля.

Оказалось, что при потреблении 1 кВт электроэнергии работа теплового насоса может перемещаться извне до 5 кВт тепловой энергии, поэтому эффективность вымысла составляет 500%.

Тепловой насос воздух-воздух

Теоретически, каждая среда с температурой выше абсолютного нуля (минус 273 ° C) имеет тепловую энергию.

Таким образом, его можно извлечь, тем более, что это не сложно сделать при температуре окружающей среды минус 10-30 ° С.

Для этой цели используется воздушный тепловой насос, который отводит тепло от внешней среды и перемещается внутри частного дома.

Это самый доступный способ для цены на оборудование и затраты на установку, он также наименее эффективен. Чем больше морозов на улице, тем меньше тепла вы можете получить. Принцип работы системы показан на рисунке:

Внешний блок теплового насоса воздуха похож на тот же блок разделительной системы, но в нем нет компрессора. Остальная часть представляет собой только плоский теплообменник и вентилятор, задачей которого является увеличение интенсивности процесса путем прокачки большого количества воздуха через пластины.

Водяной / водяной тепловой насос

Более эффективным вариантом является водяной водяной тепловой насос.

Он рисует самое близкое водное тело от тепловой энергии, если оно находится на расстоянии до 100 м от дома.

Вычисление мощности теплового насоса

Другой, более распространенный способ — нагревать грунтовые воды через углубление. На самом деле для углублений требуется 2: один для перекачивания воды, другой для сброса. Ниже приведены диаграммы тепловых насосов, которые работают в соответствии с этим принципом:

Здесь есть несколько оттенков.

Воду из отверстия необходимо очистить, прежде чем нанести на нее теплообменник, а шланги должны быть установлены ниже глубины замерзания почвы. Другое дело — контур дна озера заполнен антифризом (пропиленгликолем), который служит посредником между водой и хладагентом.

Это важно.

Способность обеспечить частный дом тепловой энергией в этом случае зависит от производительности скважины и количества воды в пруду. Существуют также возможности погрузить внешний контур в проточную воду реки или канализационную септик.

Существуют также геотермальные тепловые насосы, принцип работы которых ничем не отличается от предыдущих типов устройств, а только тепло от почвы на глубине, где температура всегда одна и та же — плюс 7 Q.

С этой целью горизонтальный контур трубки, которая занимает большую площадь, зарывается в землю, или геотермальные зонды опускаются в скважины глубиной 25 м. В обоих случаях антифриз используется в качестве хладагента.

Они считают, что работа теплового насоса, который производит тепло от земли, является наиболее стабильной и эффективной. Однако покупка и установка такого оборудования очень дорогостоящая, и местные мастера ремесел редко прибегают к реализации этого варианта.

Как мне построить тепловой насос дома?

Поскольку термодинамический расчет теплового насоса для большинства отечественных мастеров является самозанятым, мы не будем здесь его приводить.

Наша миссия — представить несколько операционных моделей, чтобы любой энтузиаст мог взять один из них в качестве основы для создания вашего ребенка.

Следует отметить, что тепловой насос, спроектированный и составленный из его рук, будет по-прежнему отдаленным, если бы не производственные усилия и много времени для подавляющего большинства обычных пользователей.

Самый простой тепловой насос из старого холодильника описан в статье «Инженер» за 2006 год.

Он установлен как нагреватель для небольшой комнаты или теплицы. Кстати, независимо от того, насколько сильный самодельный холодильник, даже для небольшого дома, будет недостаточно, чтобы нагреть, но для одной комнаты — совсем немного. Решение реализовано двумя способами: внутреннее автоматическое отключение разобрано и все устройства подключены непосредственно к непрерывной работе. В первом случае в помещении установлен старый холодильник, конструкция насоса показана на рисунке:

Снаружи есть две воздуховоды и сбой в передней двери.

Воздух через верхний канал поступает в морозильник, охлаждается и падает на нижний воздуховод, чтобы увеличить плотность. Затем выходит тело холодильника, перемещаемое верхним током. Комната нагревается от теплообменника на задней стенке блока. Другой способ сделать тепловой насос своими руками — это же просто, вам нужно построить холодильник во внешней стене, как показано на схеме:

Внутренний нагреватель от радиатора может работать до наружной температуры минус 5 ° C, но не ниже.

Тепловой насос от кондиционера

Современные сплит-системы, особенно инверторы, успешно выполняют функции одного и того же теплового насоса воздух-воздух.

Их проблема в том, что эффективность работы падает с наружной температурой, даже так называемый зимний комплект не спасает.

Домашние мастера подходили к вопросу: самозаменяемые тепловые насосы состояли из кондиционера, который нагревает тепло проточной воды из скважины. Фактически, от кондиционера воздуха только компрессор, иногда внутренний блок, который играет роль фанкойла.

Как правило, компрессор можно приобрести отдельно.

Для нагрева воды (конденсатора) необходимо заменить теплообменник. Медная трубка с толщиной стенки 1-1,2 мм, длиной 35 м, намотана в катушке диаметром 350-400 мм или баллоном. После этого винты фиксируются перфорированным углом, а затем вся конструкция помещается в стальной контейнер с сантехническими трубами.

Компрессор из сплит-системы подключается к нижнему входу конденсатора, а контрольный клапан подключается к верхней части.

Точно так же образуется испаритель, так как он будет соответствовать простой пластиковой бочке. Кстати, вместо самодельных емкостных теплообменников вы можете использовать заводские теплообменники, но это не будет дорого.

Сам узел насоса не слишком сложный, но важно, чтобы мы могли правильно и качественно припаять швы медных труб.

Даже для зарядки системы Freon потребуются мастер-услуги, вы не станете специальной покупкой аксессуаров. Далее — скорость регулировки и пуска теплового насоса, который не всегда улучшается. Возможно, для достижения результатов потребуется много работы.

вывод

Конечно, отопление дома с тепловым насосом — мечта многих домовладельцев.

К сожалению, затраты на заводы слишком высоки, и они могут иметь дело с производственными единицами ручной работы. А потом достаточно часто хватает только на горячую воду, отопление не идет. Если все было так просто, у нас был внутренний тепловой насос в каждом доме, но пока он все еще недоступен для широкого круга пользователей.

На страницах материалов: http://cotlix.com

Всегда ли эффективен тепловой насос?

1. Сколько стоит?

Многие заказчики, знающие о тепловом насосе понаслышке, не имеют представления о его реальной стоимости, полагая, что затраты на его устройство будут сопоставимы с затратами на покупку привычного газового котла.

В таких случаях их желание установить тепловой насос может исчезнуть тотчас же после того, как он узнает, во что это ему примерно обойдется.

Разумеется, точную цену на предпроектной стадии никто определить не сможет, потому что цена эта зависит от множества факторов, численные значения которых станут известными в процессе проектирования.

Тем не менее, порядок цифр уже известен, и потому рекомендуется на самом начальном этапе проектирования предупредить заказчика, что в результате применения отопительного теплового насоса стоимость здания увеличится примерно на 0,7…

1,1 доллара па каждый Ватт тепловой мощности теплового насоса. Понятно, что чем здание больше, тем этот удельный показатель меньше.

После получения этой информации заказчик, который всегда желает знать, во что ему обойдется квадратный метр строящегося здания, начнет вычислять удорожание строительства, вызванное применением теплового насоса.

Если тепловая защита дома не выполнена должным образом, и удельная тепловая мощность отопительной системы, отнесенная к одному квадратному метру общей площади дома, составляет, например, 80 Вт/м2, то и удорожание будет выражаться примерно тем же числом, но уже в единицах измерения долл./м2.

Таким образом, в дом площадью 400 м2 с отопительным тепловым насосом придется дополнительно вложить (80 х 400) около 30 тыс. долларов. Если этот дом хорошо утеплить и довести удельную тепловую мощность системы отопления до 40 Вт/м2, то и дополнительные затраты на установку теплового насоса можно сократить почти вдвое.

Утеплить дом тоже недешево, но выполненное в процессе строительства утепление сэкономит деньги в течение многих лет эксплуатации, в то время как дорогой тепловой насос в работе обойдется еще дороже.

Поэтому устанавливать отопительный тепловой насос в плохо утепленном доме не рекомендуется.

2. От чего зависит эффективность эксплуатации

2.1. Коэффициент преобразования

Коэффициент преобразования теплового насоса выражается через отношение величины теплового потока Q, полученной в конденсаторе тепловой энергии к затраченной в компрессоре электрической мощности N.

Чем больше коэффициент преобразования, тем эффективнее тепловой насос.

Обычно отопительные тепловые насосы работают с коэффициентом преобразования, значения которого лежат в интервале 3,5…5. Тепловые насосы, работающие с коэффициентом преобразования 3 и ниже, считаются неэффективными, и такая работа, если в этом есть необходимость, допустима лишь в течение относительно короткого промежутка времени, несмотря па то, что при этом получено в три раза больше тепла, чем затрачено электрической энергии.

» Принцип расчета и подбора тепловых насосов

На самом деле, сопоставлять расходы тепловой и электрической энергии только по их количеству некорректно, потому что их качественные характеристики неадекватны, и для выработки одного киловатт-часа электроэнергии на тепловой электростанции нужно втрое больше топлива, чем на производство такого же количества тепла в котельной.

На рис. 1 показано, что при коэффициенте преобразования теплового насоса, равном 2,5, количество тепловой энергии, поступающей в дом для его отопления, меньше энергии топлива, которое сжигают на электростанции, чтобы получить нужное для теплового насоса количество электроэнергии. В этом случае тепловой насос не может считаться энергосберегающим оборудованием, потому что его применение приводит к увеличению расхода топлива в энергетической системе.

Любой котел с КПД бо­лее 83% будет энергетически более эффективен.

При работе теплового насоса с коэффициентом преобразования, равном, например, 5, удается получить намного больше тепла, чем содержится в топливе (рис.2).

С учетом всех этих особенностей преобразования энергии в тепловых насосах, в декабре 2008 года Европейским парламентом принята Директива по ис­пользованию возобновляемых источников энергии (Directive on the Use of Renewable Energy Sources), которая не допускает использования тепловых насосов с коэффициентом преобразования, равном 2,875 и ниже.

Величина коэффициента преобразования теплового насоса зависит от разности температур кипения холодильного агента в испарителе и его конденсации в конденсаторе. Чем меньше эта разность, тем выше коэффициент преобразования.

Температура кипения зависит от температуры окружающей среды, используемой в качестве источника теплоты для теплового насоса, и, проектируя систему теплоснабжения с тепловым насосом, инженер не имеет возможности изменить эту температуру.

Зато, выбирая температуру конденсации, проектировщик должен задаться достаточно низкой температурой. Поэтому обычные для водяных отопительных систем температуры теплоносителя 95-70 °С никогда не применяют в системах с тепловыми насосами.

Наиболее экономичными по расходу энергии являются отопительные системы, например, системы с обогревом по­ла, в которых циркулирует вода с температурой ниже 40 оС.

Теоретический коэффициент преобразования идеального теплового насос вычисляется по формуле Карно:

ε=T2 /(T1 – T2), (2)

где T1 — температура конденсации;

T2 — температура кипения холодильного агента, выраженные в градусах Кельвина.

Если бы тепловой насос был вполне совершенным, то при температуре кипения +5°С (Т2 = 278 К) и при температуре конденсации 55°С (T1= 358 К) он мог бы работать с коэффициентом преобразования, равным 5,56.

На самом деле, коэффициент преобразования будет меньше, потому что вполне совершенных машин не бывает, и степень отклонения реального коэффициента преобразования от теоретически возможного зависит от множества факторов.

К ним относятся физические размеры теплообменных аппаратов, свойства холодильного агента, особенности процесса сжатия в компрессоре и многое другое.

В литературе имеется немало формул для расчета коэффициента преобразования теплового насоса, но все они неточны, и пользоваться ими в практических расчетах затруднительно, да и не имеет смысла, поскольку в полных каталогах производителей тепловых насосов всегда можно найти величины тепловой и электрической мощности любого серийного агрегата при различных температурных условиях.

Отношение этих величин и есть коэффициент преобразования.

Знать температуры кипения и конденсации холодильного агента для проектировщика отопительной системы не столь важно, как располагать информацией о температурах теплоносителя, охлажденного в испарителе или нагретого в конденсаторе. Поэтому в каталогах тепловых насосов «вода-вода» приводятся значения тепловых и электрических мощностей тепловых насосов с учетом именно этих температур.

На рис.3 в качестве примера приведён график, составленный на основе анализа каталожных характеристик одной из серийных моделей теплового насоса.

На графике отображена зависимость коэффициента преобразования от температур теплоносителей на выходе из испарителя и конденсатора.

Другой график (рис. 4), построенный на основе каталожных характеристик конкретного модельного ряда тепловых насосов «воздух-вода», отражает зависимость коэффициента преобразования теплового насоса от температуры теплоносителя на выходе из конденсатора и от температуры наружного воздуха.

Коэффициент преобразования теплового насоса является важнейшим критерием его энергетической эффективности, но для владельца здания важно знать о том, как эта эффективность отразится на его финансовых затратах.

И здесь уже главную роль будут играть тарифы.

2.2. Тарифы на энергоносители

Каким бы эффективным ни был тепловой насос, степень его привлекательности для заказчика зависит не столько от степени его технического совершенства или схемы использования, сколько от тарифной политики государства.

Затраты на электрическую энергию, необходимую для работы теплового насоса, будут меньше, чем затраты на покупку природного газа или тепловой энергии, которые могли бы применяться для традиционных отопительных систем, если соблюдается неравенство:

Тэ<(ε /η).Тт, (3)

где Тэ — тариф па электрическую энергию;

Тт — тариф на один из традиционных энергоносителей;

ε — коэффициент преобразования теплового насоса;

η — коэффициент полезного действия традиционного генератора тепла.

Для того, чтобы можно было применить формулу 3, нужно, чтобы тарифы Тэ и Тт были выражены в одинаковых единицах измерения. Обычно тариф на газ выражают в грн/м3, а тариф на тепловую энергию в грн/Гкал, в то время как тарифы на электрическую энергию всегда выражают в грн/кВт ч.

Для возмож­ности сопоставления тарифов удобно пользоваться следующими зависимостями:

1 грн/м3 = 0,106 грн/кВт. ч ;

100 грн/Гкал = 0,086 грн/кВт. ч.

Пример 1

В односемейном доме система отопления получает тепло от газового котла, работающего с КПДη =0,9. Выгодно ли применить в этом доме тепловой насос, который будет работать с коэффициентом преобразования 3,5, если действующий тариф на электроэнергию составляет 0,7 грн/кВт. ч, а на газ — 1,5 грн/м3?

Пересчитаем тариф на газ:

1,5 грн/м3 = 1,5 . 0,106 = 0,159 грн/кВт. ч) и вычислим правую часть неравенства 3:

Сопоставим теперь левую и правую части неравенства 3:

Поскольку неравенство 3 не выполняется, замена газового котла тепловым насосом при указанных тарифах невыгодна и приведет к увеличению затрат на энергоносители.

Пример 2

Ожидается, что через несколько лет тариф на газ удвоится и составит 3 грн/м3, а тариф на электрическую энергию увеличится на 20% и составит 0,84 грн/кВт. ч.

Выгодна ли будет эксплу­атация теплового насоса, описанного в примере 1, в новых условиях?

Да выгодна, потому что неравенство 3 будет выполняться:

(3,5 /0,9) . (3 . 0,106) = 1,24;

Пример 3

В здании школы система отопления получает тепло из городской тепловой сети по тарифу 200 грн/Гкал, причем к показаниям теплосчетчика теплоснабжающая организация добавляет 15% на неучтенные потери тепла на участке тепловой сети, принадлежащем абоненту.

Уменьшатся ли расходы школы на теплоносители после установки теплового насоса, который будет работать с коэффициентом преобразования 3,2, если тариф на электроэнергию составляет 0,25 грн/кВт. ч?

Пересчитаем тариф на тепловую энергию:

200 грн/Гкал = 2 . 0,086 = 0,172 грн/кВт. ч

и вычислим правую часть неравенства 3, полагая, что дополнительные 15-процентные потери адекватны условному значению КПДη = 0,85:

0,25 < 0,648.

Неравенство 3 выполняется, а это означает, расходы школы на теплоносители после установки теплового насоса уменьшатся.

Примеры показывают, что при отсутствии тарифных перекосов затраты на энергоносители при использовании эффективных тепловых насосов будут меньше, чем при применении обычных источников тепла.

Но заказчика обычно интересует, сможет ли снижение эксплуатационных расходов со временем компенсировать дополнительные единовременные затраты, связанные с приобретением и установкой теплового насоса, а, если сможет, то как скоро.

3. Срок окупаемости

Срок окупаемости дополнительных капитальных затрат определяется, как правило, в результате технико-экономического расчета, выполняющегося на основе проектных проработок объекта, на котором предполагается использование теплового насоса. Но в данном случае, речь не идет о конкретном объекте, и потому здесь уместен самый общий анализ, в результате которого заказчик сможет оценить возможный срок окупаемости на предпроектной стадии.

Экономия эксплуатационных расходов на энергоносители Э, грн/год, при применении теплового насоса может быть вычислена по формуле:

Э = q . (Тт/η -Тэ/ε), (4)

где q — количество кВт. часов тепловой энергии, необходимое для отопления здания л течение одного отопительного периода, а значение остальных символов в формуле такое же, как и в неравенстве 3.

Величину q можно определить по формуле:

q=10-3 . 24 . N . S/(tB — tH), (5)

где N — тепловая мощность, Вт, отопительной системы;

S — число граду со- суток отопительного периода;

tB — tH — разность температур внутреннего и наружного воздуха.

Часть уравнения 5, а именно 10-3 . 24 . S/(tB — tH) характеризует климат района, и для Украины эта величина близка к 2.

Для нашего самого общего анализа допустимо не уточнять это зна­чение, и тогда:

Единовременные капитальные затраты К, грн, на приобретение и установку теплового насоса в соответствии с рекомендациями раздела 2.1 могут быть предварительно оценены по формуле:

К = 0,9 . V . N,(7)

где V — валютный курс, грн/USD;

N — тепловая мощность, Вт, отопительной системы.

Простой срок окупаемости С, лет, может быть определен по формуле:

С = К/Э = 0,9. V. N/, (8)

Подставив вместо величины q ее приближенное значение из формулы 6, получим:

С = 0,45 . V/(Тт/η-Тэ/ε), (9)

Эта формула для приблизительного срока окупаемости теплового насоса, привязана к его коэффициенту преобразования и к чисто экономическим показателям, а именно к тарифам и валютному курсу гривны.

Пользуясь этой формулой, определим па примерах сроки окупаемости некоторых тепловых насосов.

Пример 4

Определить приблизительный срок окупаемости теплового насоса из примера 2,если валютный курс составляет 7,7грн/USD.

Срок окупаемости рассчитывается по формуле 9:

С = 0,45 . 7,7 /(3 . 1,06/0,9-0,84/3,5) = 14,4 года.

Пример 5

Определить приблизительный срок окупаемости теплового насоса из примера 3,если валютный курс составляет 6,5 грн/USD.

С = 0,45 . 6,5 /(0,172/0,85-0,25/3,2) = 23,6 года.

Примеры 4 и 5 показывают, что сроки окупаемости оказались не слишком привлекательными для инвестора, для которого пятилетний период возврата вложенных средств является предельно большим отрезком времени.

Но вдумчивый инвестор с помощью преобразованной формулы 9 может решить обратную задачу:

Пример 6

Несмотря на продолжительный срок окупаемости затрат в тепловой насос, владелец односемейного дома, описанного в примерах 1,2 и 4, понимая, что цены на топливо постоянно растут, решил опре­делить, при каком тарифе на газ срок окупаемости не превысит 5 лет, если все прочие показатели из примера 4 останутся неизменными.

Преобразованную формулу 9 можно представить в виде:

(0,45 . V/C + Tэ/ε).

Подставив в нее С = 5 и исходные данные из примера 4, получим:

ТТ = 0,9 . (0,45 . 7,7 / 5 + 0,84 /3,5) = 0,839 грн/кВт. ч = 7,9 грн/м3.

Результаты расчета, выполненного в примере 6, весьма показательны. С учетом валютного курса гривны полученная величина тарифа соответствует стоимости газа около 1000 долларов за 1000 м3.

Примерно по такой цене покупают газ граждане Дании и многих других европейских стран . Уже упомянутый вдумчивый инвестор быстро сообразит, что европейские цены очень скоро придут в Украину, и, при наличии необходимых средств, вероятно, все же примет решение применить в своем доме тепловой насос.

4. Некоммерческая выгода

Не одними только деньгами порою определяется выбор того или иного технического решения. Если говорить о тепловом насосе, то, по крайней мере, три обстоятельства, прямого отношения к коммерческим выгодам не имеющие, могут послужить причиною благосклонного к нему отношения.

Первое из них — это более высокая степень энергетической независимости объекта.

Можно было бы говорить здесь об автономном отоплении, если бы этот термин апологеты газовых котлов не присвоили совершенно безосновательно системам, привязанным к газопроводу.

На самом деле, полностью автономные отопительные системы не существуют, и даже так называемые «пассивные» дома, утепленные столь тщательно, что для поддержания внутри них комфортной температуры зимой достаточно внутренних тепловыделений, не могут считаться вполне автономными, потому что источ­никами тепла в них является бытовое оборудование, работающее от системы электроснабжения.

Вместе с тем, тепловой насос, использующий энергию окружающей среды, способен обеспечить более высокую степень энергетической независимости здания по сравнению с газовым котлом, получающим топливо из месторождений, расположенных за много тысяч километров от потребителя.

Конечно, остается зависимость от системы электроснабжения здания, но электрическая энергия, в отличие от природного газа, будет существовать пока не исчезнет цивилизация, а проблемы, связанные с возможностью временного отключения энергии, могут быть при необходимости устранены установкой резервных источников, например, дизель-генераторов.

Еще одна некоммерческая выгода от применения теплового насоса состоит в более высокой степени комфорта, который может быть создан в здании, где установлено это оборудование, при помощи которого можно не только oбогревать помещения зимой, но и охлаждать их летом.

Впрочем, в данном случае, выгоду от дополнительного комфорта вполне можно выразить, и в денежных единицах. В зданиях с кондиционированием удорожание, связанное с использованием теплового насоса, можно определить по формуле 7, если дополнительно ввести в нее понижающий коэффициент.

Великое разнообразие систем кондиционирования не позволяет однозначно определить величину этого коэффициента, но можно предположить, что в любом случае он будет не больше 0,6, и тогда сроки окупаемости, рассчитанные по формуле 9, окажутся гораздо более привлекательными.

И наконец, нельзя не упомянуть о таком важном некоммерческом факторе, каким является престижность. Тепловой насос стал модным в паше время, а поклонники современной моды, в том числе и технологической, как известно, готовы тратить любые деньги, чтобы удержаться на гребне модной волны.

Можно лишь пожелать им удачи на этом поприще, потому что их удача в этом случае идеально впишется в реализацию государственной стратегии эффективного использования энергии.

В англоязычных изданиях, в том числе и в тех, которые переведены на русский язык, коэффициент преобразования теплового насоса обозначают английской аббревиатурой СОР -coefficient of performance, что дословно означает «коэффициент эксплуатационных качеств".

При условии, что теплотворная способность природного газа равна 8000 ккал/м3.

Нет ничего удивительного в том, что Украина пока отстает от Европы в области применении тепловых насосов.

В этом отставании виновата не наша косность. Если бы в Европе был дешевый газ, тепловые насосы и там до сих пор, как и у нас, оставались бы полем деятельности немногих энтузиастов.

http://ivik.donetsk.ua

Cодержание:

Тепловой насос: принцип работы — особенности и виды

1. Откуда насос берет тепло?
2. Система отопления с тепловым насосом
3. Примерный расчет теплопроизводительности
4. Виды тепловых насосов
5. Преимущества тепловых насосов
6. Некоторые особенности эксплуатации насосов

Такой агрегат как тепловой насос принцип работы имеет сходный с бытовыми приборами – холодильником и кондиционером.

Примерно 80% своей мощности он заимствует у окружающей среды. Насос перекачивает тепло с улицы в помещение. Его работа подобна принципу функционирования холодильника, отличается только направление переноса тепловой энергии.

Например, для охлаждения бутылки с водой люди ставят ее в холодильник, затем бытовой прибор частично «забирает» у этого предмета тепло и теперь, по закону сохранения энергии должен его отдать.

Но куда? Все просто, для этого в холодильнике имеется радиатор, как правило, находящийся на его задней стенке. В свою очередь радиатор, нагреваясь, отдает тепло помещению, в котором стоит.

Таким образом, холодильник отапливает комнату. До какой степени она прогревается, можно почувствовать в небольших магазинах жарким летом, когда включено несколько холодильных установок.

А теперь немного фантазии.

Предположим, что в холодильник постоянно подкладываются теплые предметы, и он обогревает комнату или его расположили в оконном проеме, открыли дверцу морозильной камеры наружу, при этом радиатор находился в помещении. В процессе своей работы, бытовой прибор, охлаждая воздух на улице, одновременно будет переносить тепловую энергию, которая есть снаружи, в здание. Точно такой имеет тепловой насос принцип действия.

Откуда насос берет тепло?

Функционирует тепловой насос, благодаря эксплуатации природных низкопотенциальных источников тепловой энергии, среди которых:

• окружающий воздух;
• водоемы (реки, озера, моря);
• грунт и грунтовые артезианские и термальные воды.

Система отопления с тепловым насосом

Когда для обогрева используется тепловой насос — принцип работы его основан на интеграции в отопительную систему.

Она состоит из двух контуров, к которым добавляется третий, представляющий собой конструкцию насоса.

Теплоноситель, забирающий на себя тепло из окружающей среды, циркулирует по внешнему контуру. Он попадает в испаритель насоса и отдает хладагенту примерно 4 -7 °C, притом, что его температура кипения равна -10 °C.

Состоит функциональный контур теплового насоса из:

• испарителя;
• хладагента;
• электрического компрессора;
• конденсатора;
• капилляра;
• терморегулирующего управляющего устройства.

Процесс, как работает тепловой насос, выглядит примерно так:

• хладагент после закипания, двигаясь по трубопроводу, попадает в компрессор, работающий при помощи электроэнергии.

  Это устройство сжимает хладагент, находящийся в газообразном состоянии, до высокого давления, что вызывает повышение его температуры;

• горячий газ попадает в другой теплообменник (конденсатор), в котором тепло хладагента отдается теплоносителю, циркулирующему по внутреннему контуру отопительной системы, или воздуху в помещении;
• остывая, хладагент переходит в жидкое состояние, после чего проходит сквозь капиллярный редукционный клапан, теряя давление, и затем снова оказывается в испарителе;
• таким образом, цикл завершился, и процесс готов повториться.

Примерный расчет теплопроизводительности

На протяжении часа через насос по внешнему коллектору проходит 2,5-3 кубометра теплоносителя, который земля в состоянии нагреть на ∆t = 5-7 °C (прочитайте также: «Важно знать: как продумать расчет теплового насоса»).

Q = (T1 — T2) x V, где:
V – расход теплоносителя в час (м3/час);
T1 — T2 - разница температуры на входе и входе (°C) .

Виды тепловых насосов

В зависимости от вида потребляемого рассеянного тепла тепловые насосы бывают:

• грунт-вода — для их работы в водяной отопительной системе используются закрытые грунтовые контуры или геотермальные зонды, находящиеся на глубине (подробнее: «Геотермальные тепловые насосы для отопления: принцип устройства системы»);
• вода-вода — принцип работы теплового насоса для отопления дома в данном случае основывается на использовании открытых скважин для забора грунтовых вод и их сброса (прочитайте: «Как подобрать водяной насос для отопления»).

  При этом внешний контур не закольцован, а система отопления в доме – водяная;

• вода-воздух – устанавливают внешние водяные контуры и задействуют отопительные конструкции воздушного вида;
• воздух-воздух – для их функционирования используют рассеянное тепло наружных воздушных масс плюс воздушная система отопления дома.

Преимущества тепловых насосов

1. Экономичность и эффективность.

   Принцип действия тепловых насосов, изображенных на фото, основан не на производстве тепловой энергии, а на переносе ее. Таким образом, КПД теплового насоса должен быть больше единицы. Но как такое возможно? В отношении работы тепловых насосов используется величина, которая называется коэффициентом преобразования тепла или сокращенно КПТ. Характеристики агрегатов данного типа сравнивают именно по этому параметру. Физический смысл величины заключается в определении соотношения между количеством полученного тепла и затраченной на его получение энергии.

   Например, если коэффициент КПТ равен 4,8, это означает, что электроэнергия в 1кВт, затраченная насосом, позволяет получить 4,8 кВт тепла, причем безвозмездно от природы.

2. Универсальное повсеместное применение.

   В случае отсутствия доступных для потребителей линий электропередач работу компрессора насоса обеспечивают при помощи дизельного привода. Поскольку природное тепло есть повсюду, принцип работы этого устройства позволяет использовать его повсеместно.

3. Экологичность. Принцип работы теплового насоса основан на малом потреблении электроэнергии и отсутствии продуктов горения.

   Используемый агрегатом хладагент не содержит хлоруглеродов и полностью озонобезопасен.

4. Двунаправленный режим функционирования.

   Отопление дома. Схема отопления дома с тепловым насосом

   В отопительный период тепловой насос способен обогревать здание, а в летнее время охлаждать его. Тепло, отобранное у помещения, можно применять для обеспечения дома горячим водоснабжением, а, если имеется бассейн, подогревать в нем воду.

5. Безопасная эксплуатация. В работе тепловых насосов отсутствуют опасные процессы – нет открытого огня, и не выделяются вредные для здоровья человека вещества.

   Теплоноситель не имеет высокой температуры, что делает устройство безопасным и одновременно полезным в быту.

6. Автоматическое управление процессом обогрева помещений.

Принцип работы теплового насоса, достаточно подробное видео:

Некоторые особенности эксплуатации насосов

Чтобы обеспечить эффективную работу теплового насоса, необходимо соблюдать ряд условий:

• помещение должно быть качественно утепленным (теплопотери не могут превышать 100 Вт/ м²);
• тепловой насос выгодно использовать для низкотемпературных отопительных систем.

  Данному критерию соответствует система теплого пола, поскольку ее температура 35-40°C. КПТ во многом зависит от соотношения между температурой входного контура и выходного.

Принцип работы тепловых насосов заключается в переносе тепла, что позволяет получать коэффициент преобразования энергии величиной от 3 до 5.

Другими словами каждый 1 кВт использованной электроэнергии приносит в дом 3-5 кВт тепла.

Тепловой насос — устройство теплопередачи от низкопотенциального источника тепла (низкая температура) до потребителя (теплоносителя) при более высокой температуре.

Термодинамический тепловой насос похож на охлаждающую машину.

Однако, если основной целью охлаждения является получение холода с выбором тепла от любого испарителя масштаба, а конденсатор сбрасывает тепло в окружающую среду, v изображение теплового насоса поворачивается.

Конденсатор — это теплообменник, выделяемый тепло для потребителя, а испарительный теплообменник имеет низкое потенциальное тепло: вторичные источники энергии и (или) возобновляемые источники энергии.

Концепция тепловых насосов была разработана в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (лорд Кельвином) и еще более сложным и точным австрийским инженером Питером Риттером фон Ритингер (Peter Ritter von Rittinger).

Питер Риттер фон Ритингер считается изобретателем теплового насоса, так как в 1855 году он спроектировал и установил первый известный тепловой насос. Но практическое использование теплового насоса в 40-х годах двадцатого века, когда изобретатель-энтузиаст Роберт С. Вебер (Robert C.

Уэббер) экспериментировал с морозильной камерой.

Когда Вебер случайно коснулся горячей ванны на выходе камеры и обнаружил, что тепло отпущено. Изобретатель думал о том, как использовать это тепло, и решил проложить трубу в котле для нагрева воды.

Если тепловой насос используется для обогрева дома

В результате Вебер дал семье столько горячей воды, сколько они не могут физически использовать, в то время как тепло от нагретой воды было выброшено в воздух.

Это привело к мысли о том, что вода и воздух могут нагреваться от одного источника тепла.

Поэтому Вебер улучшил свое изобретение и начал водить горячую воду в спираль (через катушку) и с помощью небольшого вентилятора, чтобы распределить систему отопления вокруг нагревательного дома.

Со временем идея Вебера заключалась в том, чтобы «нагревать» тепло от земли, где температура во время полета не сильно изменилась. Он положил его в медные трубы Земли, через которые распространялся Фрон, который «собрал» теплоту земли.

Газ загустел, он отремонтировал тепло в доме и снова прошел через катушку, чтобы подобрать следующую часть тепла. В воздухе он вел фанат и устраивался по всему дому. В следующем году Вебер продал свою старую углеродистую печь.

В 1940-х годах тепловой насос стал известен своей эффективностью, но в 1970-х годах он появился в связи с появлением глобального энергосберегающего интереса.

Типы тепловых насосов

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на сжатие и поглощение .

Сжатие теплового насоса всегда приводится в действие механической энергией (электричество), а поглощающий тепловой насос может также использоваться в качестве источника тепла (с использованием электричества или топлива).

Тепловые насосы подразделяются на:

1) геотермальная энергия (использование тепла земли, грунтовых вод или подземных грунтовых вод);

2) антенна (источником тепловой энергии является воздух);

3) с использованием производной (вторичной) лихорадки (например, теплопровод центрального отопления).

Геотермальный тепловой насос может быть:

— закрытый (горизонтальный, вертикальный или водный);

— открытый тип;

— с прямым теплообменом.

первый Геотермальный тепловой насос

Рис. второй Воздух теплового насоса

Геотермальные тепловые насосы У них такое устройство.

а) закрытый тип :

— горизонтально :

Коллектор помещается в кольца или погружается в горизонтальные канавы ниже глубины замерзания грунта (обычно 1,2 м или более).

Этот метод является наиболее рентабельным для жилой недвижимости, при отсутствии недостатка земли для контуров.

— вертикальный :

Коллектор размещается вертикально в скважинах глубиной до 200 м. Этот метод используется в тех случаях, когда поверхность земли не позволяет горизонтальную установку контура или угрозу повреждения ландшафта.

— вода :

Коллектор имеет отверстие или кольцо в резервуаре (озеро, пруд, река) ниже глубины замерзания.

Это самый дешевый вариант, но есть требования к минимальной глубине и количеству воды в резервуаре для определенного региона.

— с прямым теплообменом (DX — сокращенно от английского «прямой обмен» — «прямой обмен»).

В отличие от предыдущих типов, компрессор теплового насоса подается через медные трубки, расположенные:

— вертикально в скважинах длиной 30 м и диаметром 80 мм;

— под углом в полостях длиной 15 м и диаметром 80 мм;

— горизонтально в земле ниже глубины замерзания.

Циркуляция хладагента с компрессором теплового насоса и передача тепла фреона непосредственно через стенку медной трубки с повышенной теплопроводностью обеспечивает высокую эффективность и надежность геотермальной системы отопления.

б) открытый тип :

В такой системе используется вода, которая циркулирует непосредственно через систему геотермального теплового насоса как жидкость для теплообмена с открытым циклом, что означает, что вода возвращается к земле после прохождения через систему.

Этот вариант может быть реализован на практике только в том случае, если имеется достаточное количество относительно чистой воды и при условии, что такой метод использования грунтовых вод не запрещен законом.

Рис. третий Схема компрессорного теплового насоса : 1 — конденсатор; 2 — газ; 3 — испаритель; 4 — компрессор

Промышленные модели тепловых насосов в соответствии с типом охлаждающей жидкости во входном и выходном контурах насоса разделены на восемь типов: «поток», «вода-вода», «воздух-вода», «воздух-воздух», «вода-воздух», воздух »,« фреон-вода »,« фреон-воздух ».

Тепловые насосы могут использовать тепло воздуха из комнаты при нагревании приточного воздуха (рекуператоры).

первый

Отделяя тепло от воздуха

Эффективность и выбор конкретного источника тепловой энергии сильно зависят от климатических условий, особенно если источник тепла находится в воздухе.

Фактически, этот тип более известен как кондиционер. В жарких странах таких устройств десятки миллионов. Для северных стран наиболее важным является зимнее отопление. Системы воздух-воздух и воздух-воздух также используются зимой при температурах до минус 25 градусов, некоторые модели до сих пор работают до -40 градусов. Однако их эффективность низкая, примерно в 1,5 раза выше, чем стоимость энергии, а для отопительного сезона она в среднем в 2,2 раза по сравнению с электронагревателями.

В случае тяжелых морозильников используется дополнительный нагрев. Когда мощность основной системы отопления с тепловыми насосами недостаточна, включены дополнительные источники тепла. Такая система называется двойственной.

2. Извлечение тепла из горных пород

Камень требует бурения скважины на достаточной глубине (100-200 метров) или более из таких скважин. U-образная нагрузка падает в отверстие с двумя контурными пластиковыми трубами. Трубы заполнены антифризом.

По экологическим причинам это 30% -ный раствор этилового спирта. Вода естественным образом заполнена подземными водами, и вода течет от тепла к теплу от тепла.

Если длина отверстия недостаточна или если он пытается получить сверхвысокую мощность от земли, эту воду и даже замораживание можно заморозить, что ограничивает максимальную тепловую мощность этих систем. Это температура возвращаемого антифриза и служит одним из индикаторов схемы автоматизации.

Приблизительно 1 метр работает 50-60 Вт тепловой мощности. Таким образом, для установки мощности теплового насоса мощностью 10 кВт требуется глубина около 170 м. Невозможно бурить глубже 200 метров, меньше делать больше скважин на глубине от 0 до 10 метров друг от друга. Даже для относительно небольшого дома площадью 110-120 м2 с низким энергопотреблением срок погашения составляет 10-15 лет.

Почти все существующие подразделения на рынке действуют летом, в то время как тепло (в основном солнечная энергия) берется из комнат и рассеивается в камень или грунтовые воды. В скандинавских странах каменистый гранитный гранит служит огромным радиатором, который получает тепло летом (день) и рассеивает его зимой (ночью).

Кроме того, тепло постоянно поступает из глубин земли и из грунтовых вод.

3. Извлечение тепла из земли

Наиболее эффективные, но и самые дорогие схемы включают сбор тепла от земли, где температура не меняется в течение года на глубине нескольких метров, что позволяет устанавливать почти независимо от времени. Что касается полугодовых приборов в Швеции в 2006 году, то 50000 финских и норвежских лет были установлены на высоте 70000 г. При использовании в качестве источника заземляющей линии циркуляции тепловой энергии Земли, застывшей в земле на 30-50 см при замораживании почвы в этом область.

На практике — на 0,7 — 1,2 метра. Минимальное рекомендуемое расстояние между коллекторскими трубами составляет 1,5 метра,

Бурение не является обязательным, но большая площадь требует обширной работы на земле, а трубопровод более подвержен повреждениям. Эффективность такая же, как при выборе тепла из отверстия. Никакой специальной подготовки почвы не требуется. Однако желательно, чтобы участок использовался с влажным душем, но если он сух, контур должен быть длиннее. Приблизительное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода: в глине — 50-60 Вт, в песке — 30-40 Вт для умеренной ширины, а на севере меньше.

Таким образом, для установки теплового насоса мощностью 10 кВт требуется длина 350-450 м, для чего требуется участок земли площадью около 400 м2 (20 х 20 м).

При правильном расчете контур мало влияет на зеленые насаждения.

Преимущества и недостатки тепловых насосов

Преимущества тепловых насосов — в первую очередь экономия: для передачи 1 кВтч тепловой энергии в систему отопления требуется установка всего 0,2-0,35 кВтч электроэнергии.

Поскольку преобразование тепловой энергии в электричество на крупных электростанциях происходит с КПД до 50%, эффективность использования топлива при использовании тепловых насосов увеличивается. Требования к системам вентиляции помещений упрощаются и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы работают с замкнутыми цепями и не требуют каких-либо эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Рис. четвёртая Схема использования тепла от теплового насоса в доме

пятые Схемы теплового насоса

Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность перехода от режима обогрева к зиме в кондиционировании летом: просто вместо радиатора внешний коллектор соединяет фанкойлы или системы холодного потолка.

Тепловой насос надежен, а работа контролируется автоматизацией.

Во время работы система не требует специального обслуживания, манипуляции не требуют специальных навыков и описаны в инструкции по эксплуатации.

Важной особенностью системы является совершенно индивидуальный характер для каждого потребителя, который является оптимальным выбором стабильного источника низкой потенциальной энергии, расчета коэффициента преобразования, возврата и т. Д.

Тепловой насос компактный (его модуль не превышает размер обычного холодильника) и почти бесшумен.

К 2012 году в Японии более 3,5 миллионов устройств, а в Швеции около 500 000 домов нагревают тепловые насосы.

Недостатками геотермальных тепловых насосов, используемых для отопления, являются высокая стоимость установленного оборудования, необходимость комплексной и радикальной сборки внешних подземных или подводных теплообменников.

Недостатком воздушных тепловых насосов является более низкий коэффициент преобразования тепла, который связан с низкой температурой кипения хладагента во внешнем испарителе воздуха. Общим недостатком тепловых насосов является относительно низкая температура нагретой воды, в большинстве случаев не более +50 ° C ^ +60 ° С, чем выше температура нагретой воды, тем ниже эффективность и надежность теплового насоса.

Как известно, тепловые насосы используют бесплатные и возобновляемые источники энергии: низкопотенциальное тепло воздуха, грунта, подземных, сточных и сбросовых вод технологических процессов, открытых незамерзающих водоемов. На это затрачивается электроэнергия, но отношение количества получаемой тепловой энергии к количеству расходуемой электрической составляет порядка 3-7. Говоря более точно, источниками низкопотенциального тепла могут быть наружный воздух температурой от -15 до +15°С, отводимый из помещения воздух (15-25°С), подпочвенные (4-10°С) и грунтовые (более 10°C) воды, озерная и речная вода (0-10°С), поверхностный (0-10°С) и глубинный (более 20 м) грунт (10°С).

Если в качестве источника тепла выбран атмосферный или вентиляционный воздух, применяются тепловые насосы, работающие по схеме «воздух-вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.

При использовании в качестве источника тепла грунтовой воды она подается из скважины с помощью насоса в теплообменник насоса, работающего по схеме «вода-вода», и либо закачивается в другую скважину, либо сбрасывается в водоем.
Если источник - водоем, на его дно укладывается петля из металлопластиковой или пластиковой трубы. По трубопроводу циркулирует раствор гликоля (антифриз), который через теплообменник теплового насоса передает тепло фреону.

Возможны два варианта получения низкопотенциального тепла из грунта: укладка металлопластиковых труб в траншеи глубиной 1,2-1,5 м либо в вертикальные скважины глубиной 20-100 м. Иногда трубы укладывают в виде спиралей в траншеи глубиной 2-4 м. Это значительно уменьшает общую длину траншей. Максимальная теплоотдача поверхностного грунта составляет 50-70 кВт.ч/м 2 в год. По данным зарубежных компаний, срок службы траншей и скважин составляет более 100 лет.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Съем тепла с каждого метра трубы зависит от многих параметров: глубины укладки, наличия грунтовых вод, качества грунта и т.д. Ориентировочно можно считать, что для горизонтальных коллекторов он составляет 20 Вт/м. Более точно: сухой песок - 10, сухая глина - 20, влажная глина - 25, глина с большим содержанием воды - 35 Вт/м. Разницу температуры теплоносителя в прямой и обратной линии петли при расчетах принимают обычно равной 3 °С. На участке над коллектором не следует возводить строений, чтобы тепло земли пополнялось за счет солнечной радиации.

Минимальное расстояние между проложенными трубами должно быть 0,7-0,8 м. Длина одной траншеи составляет обычно от 30 до 120 м. В качестве теплоносителя первичного контура рекомендуется использовать 25-процентный раствор гликоля. В расчетах следует учесть, что его теплоемкость при температуре 0 °С составляет 3,7 кДж/(кг.К), плотность - 1,05 г/см 3 . При использовании антифриза потери давления в трубах в 1,5 раза больше, чем при циркуляции воды. Для расчета параметров первичного контура теплонасосной установки потребуется определить расход антифриза:

Vs = Qo.3600 / (1,05.3,7..t),

Где.t - разность температур между подающей и возвратной линиями, которую часто принимают равной 3 К, а Qo - тепловая мощность, получаемая от низкопотенциального источника (грунт). Последняя величина рассчитывается как разница полной мощности теплового насоса Qwp и электрической мощности, затрачиваемой на нагрев фреона P:

Qo = Qwp - P, кВт.

Суммарная длина труб коллектора L и общая площадь участка под него A рассчитываются по формулам:

Здесь q - удельный (с 1 м трубы) теплосъем; da - расстояние между трубами (шаг укладки).

Пример расчета Теплового Насоса

Исходные условия: теплопотребность коттеджа площадью 120-240 м 2 (в зависимости от теплоизоляции) - 12 кВт; температура воды в системе отопления должна быть 35 °С; минимальная температура теплоносителя - 0 °С. Для обогрева здания выбран тепловой насос WPS 140 l (Buderus) мощностью 14,5 кВт (ближайший больший типоразмер), затрачивающий на нагрев фреона 3,22 кВт. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина) q равняется 20 Вт/м. В соответствии с показанными выше формулами рассчитываем:

1. требуемую тепловую мощность коллектора Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 кВт;
2. суммарную длину труб L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 м. Для организации такого коллектора потребуется 6 контуров длиной по 100м;
3. при шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка А = 600 Ч 0,75 = 450 м 2 ;
4. общий расход гликолевого раствора Vs = 11,28.3600/ (1,05.3,7.3) = 3,51 м 3 /ч, расход на один контур равен 0,58 м 3 /ч.

Для устройства коллектора выбираем металлопластиковую трубу типоразмера 32Ч3 (например, Henco). Потери давления в ней составят 45 Па/м; сопротивление одного контура - примерно 7 кПа; скорость потока теплоносителя - 0,3 м/с.

Расчет зонда

При использовании вертикальных скважин глубиной от 20 до 100 м в них погружаются U-образные металлопластиковые или пластиковые (при диаметрах выше 32 мм) трубы. Как правило, в одну скважину вставляется две петли, после чего она заливается цементным раствором. В среднем удельный теплосъем такого зонда можно принять равным 50 Вт/м. Можно также ориентироваться на следующие данные по теплосъему:

• сухие осадочные породы - 20 Вт/м;
• каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы - 50 Вт/м;
• каменные породы с высокой теплопроводностью - 70 Вт/м;
• подземные воды - 80 Вт/м.

Температура грунта на глубине более 15 м постоянна и составляет примерно +10 °С. Расстояние между скважинами должно быть больше 5 м. При наличии подземных течений, скважины должны располагаться на линии, перпендикулярной потоку.

Подбор диаметров труб проводится исходя из потерь давления для требуемого расхода теплоносителя. Расчет расхода жидкости может проводиться для.t = 5 °С.

Пример расчета: Исходные данные - те же, что в приведенном выше расчете горизонтального коллектора. При удельном теплосъеме зонда 50 Вт/м и требуемой мощности 11,28 кВт длина зонда L должна составить 225 м.

Для устройства коллектора необходимо пробурить три скважины глубиной по 75 м. В каждой из них размещаем по две петли из металлопластиковой трубы типоразмера 26Ч3; всего - 6 контуров по 150 м.

Общий расход теплоносителя при.t = 5 °С составит 2,1 м3/ч; расход через один контур - 0,35 м3/ч. Контуры будут иметь следующие гидравлические характеристики: потери давления в трубе - 96 Па/м (теплоноситель - 25-процентный раствора гликоля); сопротивление контура - 14,4 кПа; скорость потока - 0,3 м/с.

Выбор оборудования

Поскольку температура антифриза может изменяться (от -5 до +20 °С) в первичном контуре тепло насосной установки необходим расширительный бак.

Рекомендуется также установить на возвратной линии накопительный бак: компрессор теплового насоса работает в режиме «включено-выключено». Слишком частые пуски могут привести к ускоренному износу его деталей. Бак полезен и как аккумулятор энергии - на случай отключения электроэнергии. Его минимальный объем принимается из расчета 10-20 л на 1 кВт мощности теплового насоса.

При использовании второго источника энергии (электрического, газового, жидко- или твердотопливного котла) он подключается к схеме через смесительный клапан, привод которого управляется тепловым насосом или общей системой автоматики.

В случае возможных отключений электроэнергии нужно увеличить мощность устанавливаемого теплового насоса на коэффициент, рассчитываемый по формуле: f = 24/(24 - t откл), где t откл - продолжительность перерыва в электроснабжении.

В случае возможного отключения электроэнергии на 4ч этот коэффициент будет равен 1,2.

Мощность теплового насоса можно подбирать исходя из моновалентного или бивалентного режима его работы. В первом случае предполагается, что тепловой насос используется как единственный генератор тепловой энергии.

Следует принимать во внимание: даже в нашей стране продолжительность периодов с низкой температурой воздуха составляет небольшую часть отопительного сезона. Например, для Центрального региона России время, когда температура опускается ниже -10 °С, составляет всего 900 ч (38 сут), в то время, как продолжительность самого сезона - 5112 ч, а средняя температура января составляет примерно -10 °С. Поэтому наиболее целесообразной является работа теплового насоса в бивалентном режиме, предусматривающая включение дополнительного теплогенератора в периоды, когда температура воздуха опускается ниже определенной: -5 °С - в южных регионах России, -10 °С - в центральных. Это позволяет снизить стоимость теплового насоса и, особенно, работ по монтажу первичного контура (прокладка траншей, бурение скважин и т.п.), которая сильно увеличивается при возрастании мощности установки.

В условиях Центрального региона России для примерной оценки при подборе теплового насоса, работающего в бивалентном режиме, можно ориентироваться на соотношение 70/30: 70 % потребности в тепле покрываются тепловым насосом, а оставшиеся 30 - электрическим котлом или другим теплогенератором. В южных регионах можно руководствоваться соотношением мощности теплового насоса и дополнительного генератора тепла, часто используемым в Западной Европе: 50 на 50.

Для коттеджа площадью 200 м 2 на 4 человек при тепловых потерях 70 Вт/м 2 (при расчете на -28 °С наружной температуры воздуха) потребность в тепле будет 14 кВт. К этой величине следует добавить 700 Вт на приготовление санитарной горячей воды. В результате необходимая мощность теплового насоса составит 14,7 кВт.

При возможности временного отключения электричества нужно увеличить это число на соответствующий коэффициент. Допустим, время ежедневного отключения - 4 ч, тогда мощность теплового насоса должна быть 17,6 кВт (повышающий коэффициент - 1,2). В случае моновалентного режима можно выбрать тепловой насос типа «грунт-вода» Logafix WPS 160 L (Buderus) мощностью 17,1 кВт, потребляющий 5,5 кВт электроэнергии.

Для бивалентной системы с дополнительным электрическим нагревателем и температурой установки -10 °С, с учетом необходимости получения горячей воды и коэффициента запаса, мощность теплового насоса должна быть 11,4 Вт, а электрического котла - 6,2 кВт (в сумме - 17,6). Потребляемая системой пиковая электрическая мощность составит 9,7 кВт.

Виды конструкций тепловых насосов

Тип ТН принято обозначать словосочетанием, указывающим на среду-источник и теплоноситель системы отопления.

Существуют следующие разновидности:

• ТН «воздух – воздух»;
• ТН «воздух – вода»;
• ТН «грунт – вода»;
• ТН «вода – вода».

Самый первый вариант – это обычная сплит-система, работающая в режиме обогрева. Испаритель монтируется на улице, а внутри дома устанавливается блок с конденсатором. Последний обдувается вентилятором, благодаря чему в помещение подается теплая воздушная масса.

Если такую систему оснастить специальным теплообменником с патрубками, получится ТН типа «воздух – вода». Он подключается к водяной системе отопления.

Испаритель ТН типа «воздух – воздух» или «воздух – вода» можно разместить не на улице, а в канале вытяжной вентиляции (она должна быть принудительной). В этом случае эффективность ТН будет увеличена в несколько раз.

Теплонасосы типа «вода – вода» и «грунт – вода» для отбора тепла используют так называемый наружный теплообменник или, как его еще называют, коллектор.

Принципиальная схема работы теплового насоса

Это длинная закольцованная труба, как правило, пластиковая, по которой циркулирует жидкая среда, омывающая испаритель. Обе разновидности ТН представляют собой одно и то же устройство: в одном случае коллектор погружается на дно поверхностного водоема, а во втором – в грунт. Конденсатор такого ТН расположен в теплообменнике, подключаемом к системе водяного отопления.

Подключение ТН по схеме «вода – вода» является гораздо менее трудоемким, чем «грунт – вода», поскольку отпадает необходимость в проведении земляных работ. На дно водоема труба укладывается в виде спирали. Разумеется, для данной схемы подойдет только такой водоем, который зимой не промерзает до дна.

Настало время предметно изучать зарубежный опыт

О тепловых насосах, способных отобрать тепло окружающей среды для отопления зданий, теперь уже знают почти все, и, если еще недавно потенциальный заказчик, как правило, задавал недоуменный вопрос «как это возможно?», то теперь все чаще звучит вопрос «как это правильно сделать?».

Ответить на этот вопрос непросто.

В поисках ответа на многочисленные вопросы, которые неизбежно возникают при попытке проектировать системы отопления с тепловыми насосами, целесообразно обратиться к опыту специалистов тех стран, где тепловые насосы на грунтовых теплообменниках применяются уже давно.

Посещение* американской выставки AHR ЕХРО-2008, которое было предпринято, главным образом, с целью получения информации о методах инженерных расчетов грунтовых теплообменников, прямых результатов в этом направлении не принесло, но на выставочном стенде ASHRAE продавалась книга, некоторые положения которой послужили основой для этой публикации.

Следует сразу сказать, что перенос американской методики на отечественную почву – дело непростое. У американцев все не так, как принято в Европе. Только время они измеряют в тех же единицах, что и мы. Все остальные единицы измерения – чисто американские, а точнее – британские. Особенно не повезло американцам с тепловым потоком, который может измеряться как в британских тепловых единицах, отнесенных к единице времени, так и в тоннах охлаждения, которые придуманы, вероятно, в Америке.

Главная проблема, однако, состояла не в техническом неудобстве пересчета принятых в США единиц измерения, к которым со временем можно и привыкнуть, а в отсутствии в упомянутой книге четкой методической основы построения алгоритма вычислений. Рутинным и широко известным расчетным приемам там уделяется слишком много места, в то время как некоторые важные положения остаются вовсе нераскрытыми.

В частности, такими физически связанными исходными данными для расчета вертикальных грунтовых теплообменников, как температура циркулирующей в теплообменнике жидкости и коэффициент преобразования теплового насоса, нельзя задаваться произвольно, и, прежде чем приступать к вычислениям, связанным с нестационарным теплообменом в грунте, необходимо определить зависимости, связывающие эти параметры.

Критерием эффективности теплового насоса служит коэффициент преобразования?, величина которого определяется отношением его тепловой мощности к мощности электропривода компрессора. Эта величина является функцией температур кипения в испарителе t u и конденсации t k , а применительно к тепловым насосам «вода-вода» можно говорить о температурах жидкости на выходе из испарителя t 2И и на выходе из конденсатора t 2 K:

? = ?(t 2И,t 2 K). (1)

Анализ каталожных характеристик серийных холодильных машин и тепловых насосов «вода-вода» позволил отобразить эту функцию в виде диаграммы (рис. 1).

При помощи диаграммы нетрудно определиться с параметрами теплового насоса на самых начальных стадиях проектирования. Очевидно, например, что, если система отопления, присоединенная к тепловому насосу, рассчитана на подачу теплоносителя с температурой в подающем трубопроводе 50°C, то максимально возможный коэффициент преобразования теплового насоса будет около 3,5. При этом температура гликоля на выходе из испарителя не должна быть ниже +3°С, а это означает, что потребуется дорогой грунтовый теплообменник.

В то же время, если дом обогревается посредством теплого пола, из конденсатора теплового насоса будет поступать в систему отопления теплоноситель с температурой 35°С. В этом случае тепловой насос сможет работать более эффективно, например, с коэффициентом преобразования 4,3, если температура охлажденного в испарителе гликоля будет около –2°С.

Пользуясь электронными таблицами Excel, можно выразить функцию (1) в виде уравнения:

0,1729 (41,5 + t 2И – 0,015t 2И t 2 K – 0,437 t 2 K (2)

Если при желаемом коэффициенте преобразования и заданном значении температуры теплоносителя в системе отопления, работающей от теплового насоса, нужно определить температуру охлажденной в испарителе жидкости, то уравнение (2) можно представить в виде:

Выбрать температуру теплоносителя в системе отопления при заданных величинах коэффициента преобразования теплового насоса и температуры жидкости на выходе из испарителя можно по формуле:

В формулах (2)…(4) температуры выражены в градусах Цельсия.

Определив эти зависимости, можно теперь перейти непосредственно к американскому опыту.

Методика расчета тепловых насосов

Безусловно, процесс выбора и расчет теплового насоса является весьма сложной в техническом отношении операцией и зависит от индивидуальных особенностей объекта, но ориентировочно он может быть сведен к следующим этапам:

Определяются теплопотери через ограждающие конструкции здания (стены, перекрытия, окна, двери). Сделать это можно, применив следующее соотношение:

Qок = S*(tвн – tнар)* (1 + Σ β) *n / Rт(Вт)где

tнар – наружная температура воздуха (°С);

tвн – внутренняя температура воздуха (°С);

S – суммарная площадь всех ограждающих конструкций (м2);

n – коэффициент, указывающийвлияние окружающей среды на характеристики объекта. Для помещений, напрямую контактирующих через перекрытия с наружной средой n=1; для объектов, имеющих чердачные перекрытия n=0,9; если же объект размещен над подвальным помещением n = 0,75;

β – коэффициент добавочных теплопотерь, который зависит от типа строения и его географического расположенияβ может варьироваться от 0,05 до 0,27;

Rт – теплосопротивление, определяется по следующему выражению:

Rт = 1/ α внутр + Σ (δ і / λ і) + 1/ α нар (м2*°С / Вт), где:

δ і / λі – расчетный показатель теплопроводности применяемых при строительстве материалов.

α нар – коэффициент теплового рассеивания наружных поверхностей ограждающих конструкций(Вт/ м2*оС);

α внутр – коэффициент теплового поглощения внутренних поверхностей ограждающих конструкций(Вт/ м2*оС);

— Рассчитываются суммарные теплопотери сооружения по формуле:

Qт.пот = Qок + Qи – Qбп, где:

Qи — затраты энергии на подогрев воздуха поступающего к помещению через естественные неплотности;

Qбп -выделения тепла за счет функционирования бытовых приборов и деятельности людей.

2. На основании полученных данных рассчитывается годичное потребление тепловой энергии для каждого индивидуального объекта:

Qгод = 24*0.63*Qт. пот.*((d*(tвн — tнар.ср.)/ (tвн — tнар.))(кВт/час за год.) где:

tнар – наружная температура воздуха;

tнар.ср – среднеарифметическое значение температуры наружного воздуха за весь отопительный сезон;

d – число дней отопительного периода.

Qгв = V * 17(кВт/час за год.) где:

V –объем каждодневного нагрева воды до 50 °С.

Тогда суммарный расход тепловой энергии определится по формуле:

Q = Qгв + Qгод (кВт/час за год.)

Принимая во внимание полученные данные, подобрать наиболее подходящий тепловой насос для отопления и горячего водоснабжения не составит большого труда. Причем расчетная мощность определится как. Qтн=1,1*Q, где:

Qтн=1,1*Q, где:

1,1 – корректирующий коэффициент, указывающий возможность увеличения нагрузки на тепловой насос в период возникновения критических температур.

Выполнив расчет тепловых насосов можно подобрать наиболее подходящий тепловой насос, способный обеспечить требуемые параметры микроклимата в помещениях с любыми техническими характеристиками. А учитывая возможность интеграции указанной системы с климатической установкой теплый пол можно отметить, не только ее функциональность, но и высокую эстетическую стоимость.

Если Вам понравился материал буду благодарен, если порекомендуете его друзьям или оставите полезный комментарий.

Типы тепловых насосов

Тепловые насосы делят на три основных типа по источнику низкопотенциальной энергии:

• Воздух.
• Грунт.
• Вода - источником могут быть грунтовые воды и водоемы на поверхности.

Для водяных систем отопления, которые более распространены, применяются такие виды тепловых насосов:

«Воздух-вода» - воздушный тип теплового насоса, обогревающий здание путем забора воздуха снаружи посредством внешнего блока. Работает по принципу кондиционера, только наоборот, преобразуя энергию воздуха в тепло. Такой теплонасос не требует больших затрат на установку, под него не нужно отводить участок земли и, тем более, бурить скважину. Однако, эффективность эксплуатации при низких температурах (-25ºС) снижается и требуется дополнительный источник тепловой энергии.

Устройство «грунт-вода» относится к геотермальным и производит забор тепла из земли с помощью коллектора, уложенного на глубину ниже промерзания грунта. Также здесь существует зависимость от площади участка и ландшафта, если коллектор расположен горизонтально. Для вертикального расположения потребуется бурить скважину.

«Вода-вода» устанавливается там, где рядом есть водоем или грунтовые воды. В первом случае коллектор укладывается на дно водоема, во втором бурится скважина или несколько, если позволяет площадь участка. Иногда глубина пролегания подземных вод слишком большая, поэтому затраты на установку такого теплонасоса могут быть очень высоки.

Каждый тип теплового насоса имеет свои преимущества и недостатки, если здание находится далеко от водоема или грунтовые воды слишком глубоко, то «вода-вода» не подойдет. «Воздух-вода» будет актуален только в относительно теплых регионах, где температура воздуха в холодное время года не опускается ниже отметки -25º С.

Методика расчета мощности теплового насоса

Помимо определения оптимального источника энергии, потребуется высчитать необходимую для обогрева мощность теплонасоса. Зависит она от величины теплопотерь здания. Произведем расчет мощности теплового насоса для отопления дома на конкретном примере.

Для этого используем формулу Q=k*V*∆T, где

• Q - это теплопотери (ккал/час). 1 кВт/ч = 860 ккал/ч;
• V - объем дома в м3 (площадь умножаем на высоту потолков);
• ∆Т – отношение минимальных температур снаружи и внутри помещения в самый холодный период года, °С. Из внутренней tº вычитаем наружную;
• k - обобщенный коэффициент теплопередачи здания. Для кирпичного здания с кладкой в два слоя k=1; для хорошо утепленного здания k=0,6.

Таким образом, расчет мощности теплонасоса для отопления кирпичного дома в 100 кв.м и высотой потолков 2,5 м, при перепаде ttº от -30º на улице до +20º внутри, будет таковым:

Q = (100х2.5) х (20- (-30)) х 1 = 12500 ккал/час

12500/860= 14,53 кВт. То есть, для стандартного кирпичного дома площадью 100 м понадобится 14-килловатное устройство.

Выбор типа и мощности теплонасоса потребитель принимает, исходя из ряда условий:

• географические особенности местности (близость водоемов, наличие грунтовых вод, свободного участка под коллектор);
• особенности климата (температуры);
• тип и внутренний объем помещения;
• финансовые возможности.

Учитывая все вышеизложенные аспекты, вы сможете сделать оптимальный выбор оборудования. Для более эффективного и правильного подбора теплового насоса лучше обратиться к специалистам, они смогут сделать более подробные расчеты и предоставить экономическую целесообразность установки оборудования.

Давно и весьма успешно тепловые насосы используются в бытовых и промышленных холодильниках и кондиционерах.

Сегодня эти устройства стали применять и для выполнения функции противоположного характера – обогрева жилища в период холодов.

Давайте же посмотрим, как используются тепловые насосы для отопления частных домов и что нужно знать, чтобы правильно рассчитать все его компоненты.

Пример расчета теплового насоса

Подберем ТН для системы отопления одноэтажного дома общей площадью 70 кв. м со стандартной высотой потолка (2,5 м), рациональной архитектурой и теплоизоляцией ограждающих конструкций, соответствующей требованиям современных строительных норм. На обогрев 1-го кв. м такого объекта по общепринятым нормам приходится тратить 100 Вт тепла. Таким образом, для отопления всего дома понадобится:

Q = 70 х 100 = 7000 Вт = 7 кВт тепловой энергии.

Выбираем тепловой насос марки «ТеплоДаром» (модель L-024-WLC) с тепловой мощностью W = 7,7 кВт. Компрессор агрегата потребляет N = 2,5 кВт электроэнергии.

Расчет коллектора

Грунт на отведенном под строительство коллектора участке – глинистый, уровень грунтовых вод высокий (принимаем теплотворную способность p = 35 Вт/м).

Мощность коллектора определяем по формуле:

Qk = W – N = 7,7 – 2,5 = 5,2 кВт.

L = 5200 / 35 = 148.5 м (приблизительно).

Исходя из того факта, что укладывать контур длиной более 100 м нерационально из-за чрезмерно высокого гидравлического сопротивления, принимаем следующее: коллектор теплового насоса будет состоять из двух контуров – длиной 100 м и 50 м.

Площадь участка, который необходимо будет отвести под коллектор, определим по формуле:

Где А – шаг между соседними участками контура. Принимаем: А = 0,8 м.

Тогда S = 150 x 0.8 = 120 кв. м.

Окупаемость теплового насоса

Когда речь заходит о том, за сколько времени человек сможет вернуть свои деньги, вложенные в что либо, то имеется ввиду насколько выгодно было само вложение. В сфере отопления все довольно трудно, так как мы обеспечиваем себе же комфорт и тепло, и все системы дорого обходятся, но в таком случае можно поискать такой вариант, который бы вернул потраченные средства путем снижения затрат при использовании. И когда начинаешь искать подходящее решение, сравниваешь всё: газовый котел, тепловой насос или электрокотел. Мы разберем, окупаемость какой системы будет быстрее и эффективнее.

Понятие окупаемости, в данном случае внедрения теплового насоса для модернизации действующей системы теплоснабжения, если просто, можно объяснять так:

Есть одна система - индивидуальный газовый котел, который обеспечивает автономное отопление и ГВС. Имеется кондиционер типа сплит-системы, который обеспечивает холодом одну комнату. Установлено 3 сплит-системы в разных помещениях.

И есть более экономичная передовая технология – тепловой насос, который будет отапливать/охлаждать дома и нагревать воду в нужных количествах для дома или квартиры. Необходимо определить, насколько изменилась общая стоимость оборудования и начальных затрат, а также оценить на сколько уменьшились годовые затраты на эксплуатацию выбранных видов оборудования. И определить, за сколько лет при полученной экономии окупится более дорогое оборудование. В идеале сравниваются несколько предлагаемых проектных решений и выбирается наиболее экономически выгодный.

Проведем расчет и выяским, какой срок окупаемости теплового насоса в Украине

Рассмотрим конкретный пример

• Дом в 2 этажа, хорошо утеплен, общей площадью 150 м кв.
• Система разводки тепла / отопления: контур 1 – теплый пол, контур 2 – радиаторы (или фанкойлы).
• Установлен газовый котел для отопления и горячего водоснабжения (ГВС), например 24кВт, двухконтурный.
• Система кондиционирования из сплит-систем для3-х помещений дома.

Годовые затраты на отопление и нагрев воды

1. Ориентировочно стоимость котельной с газовым котлом 24 кВт (котел, обвязка, разводка, бак, счетчик, монтаж) составляет около 1000 Евро. Система кондиционирования воздуха (одна сплит-система) для такого дома будет стоить около 800 евро. Суммарно с обустройством котельной, проектными работами, подключением к сети газопровода и монтажными работами – 6100 евро.

1. Приблизительная стоимость теплового насоса Mycond с дополнительной системой фанкойлов, монтажными работами и подключением к электросети - 6650 евро.

1. Рост капиталовложений составляет: К2-К1 = 6650 – 6100 = 550 евро (или около 16500грн.)
2. Снижение эксплуатационных затрат составляет: С1-С2 = 27252 – 7644 = 19608 грн.
3. Срок окупаемости Токуп. = 16500 / 19608 = 0,84 года!

Удобство использования теплового насоса

Тепловые насосы - самое универсальное, многофункциональное и энергоэффективное оборудование для теплоснабжения дома, квартиры, офиса или коммерческого объекта.

Интеллектуальная система управления с недельным или суточным программированием, автоматическим переключением сезонным настроек, поддержанием температуры в дома, экономных режимов, управлением подчиненным котлом, бойлером, циркуляционными насосами, контролем температур в двух отопительных контурах, является наиболее совершенной и передовой. Инверторное управление работой компрессора, вентилятора, насосов, дает возможность максимальной экономии энергопотребления.

Работа теплового насоса при работе по схеме грунт-вода

Укладку коллектора в грунт можно произвести тремя способами.

Горизонтальный вариант

Трубы укладываются в траншеи «змейкой» на глубину, превышающую глубину промерзания грунта (в среднем – от 1 до 1,5 м).

Для такого коллектора потребуется участок земли достаточно большой площади, но зато его может построить любой домовладелец – никаких навыков, кроме умения работать лопатой, не понадобится.

Следует, правда, учесть, что сооружение теплообменника ручным способом – довольно трудоемкий процесс.

Вертикальный вариант

Трубы коллектора в виде петель, имеющих форму литеры «U», погружаются в скважины глубиной от 20 до 100 м. При необходимости можно построить несколько таких скважин. После установки труб скважины заливают цементным раствором.

Достоинство вертикального коллектора состоит в том, что для его строительства нужен совсем небольшой участок. Однако, пробурить скважины глубиной более 20 м самостоятельно нет никакой возможности – придется нанимать бригаду бурильщиков.

Комбинированный вариант

Этот коллектор можно считать разновидностью горизонтального, но для его строительства потребуется гораздо меньше места.

На участке выкапывается круглый колодец глубиной от 2-х м.

Трубы теплообменника укладываются спиралью, так что контур представляет собой как бы вертикально установленную пружину.

По завершении монтажных работ колодец засыпают. Как и в случае с горизонтальным теплообменником, весь необходимый объем работ можно произвести своими руками.

Коллектор заполняется антифризом – тосолом или раствором этиленгликоля. Для обеспечения его циркуляции в контур врезается специальный насос. Вобрав в себя тепло грунта, антифриз поступает к испарителю, где происходит теплообмен между ним и хладагентом.

Следует учесть, что неограниченный отбор тепла из грунта, особенно при вертикальном расположении коллектора, может привести к нежелательным последствиям для геологии и экологии участка. Поэтому в летний период ТН типа «грунт – вода» весьма желательно эксплуатировать в реверсивном режиме – кондиционирование.

Газовая система отопления имеет массу преимуществ и одно из главных – низкая стоимость газа. Как обустроить обогрев жилища газом, вам подскажет схема отопления частного дома с газовым котлом. Рассмотрим проект отопительной системы и требования к замещению.

Об особенностях выбора солнечных батарей для отопления дома читайте в этой теме.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Эффективность горизонтального коллектора зависит от температуры среды, в которую он погружен, ее теплопроводности, а также площади контакта с поверхностью трубы. Методика расчета достаточно сложна, поэтому в большинстве случаев пользуются усредненными данными.

Считается, что каждый метр теплообменника обеспечивает ТН следующую тепловую мощность:

• 10 Вт – при заглублении в сухой песчаный или каменистый грунт;
• 20 Вт – в сухом глинистом грунте;
• 25 Вт – во влажном глинистом грунте;
• 35 Вт – в очень сыром глинистом грунте.

Таким образом, для расчета длины коллектора (L) следует потребную тепловую мощность (Q) разделить на теплотворную способность грунта (p):

• Участок земли над коллектором не застроен, не затенен и не засажен деревьями или кустами.
• Расстояние между соседними витками спирали или участками «змейки» составляет не менее 0,7 м.

Принцип работы тепловых насосов

В любом ТН имеется рабочая среда, именуемая хладагентом. Обычно в этом качестве выступает фреон, реже – аммиак. Само устройство состоит всего из трех компонентов:

Испаритель и конденсатор – это два резервуара, имеющие вид длинных изогнутых трубок – змеевиков. Конденсатор одним концом присоединяется к выходному патрубку компрессора, а испаритель – ко входному. Концы змеевиков стыкуются и в месте соединения между ними устанавливается редукционный клапан. Испаритель контактирует – непосредственно или косвенно – со средой-источником, а конденсатор – с системой отопления или ГВС.

Принцип работы теплового насоса

Работа ТН основана на взаимозависимости объема, давления и температуры газа. Вот что происходит внутри агрегата:

1. Аммиак, фреон или другой хладагент, двигаясь по испарителю, нагревается от среды-источника, допустим, до температуры +5 градусов.
2. Пройдя испаритель, газ достигает компрессора, который перекачивает его в конденсатор.
3. Нагнетаемый компрессором хладагент удерживается в конденсаторе редукционным клапаном, поэтому его давление здесь выше, чем в испарителе. Как известно, с ростом давления температура любого газа увеличивается. Именно это происходит с хладагентом – он разогревается до 60 – 70 градусов. Поскольку конденсатор омывается циркулирующим в системе отопления теплоносителем, последний также нагревается.
4. Через редукционный клапан хладагент небольшими порциями сбрасывается в испаритель, где его давление снова падает. Газ расширяется и остывает, а поскольку часть внутренней энергии была потеряна им в результате теплообмена на предыдущем этапе, его температура опускается ниже изначальных +5 градусов. Следуя по испарителю, он снова нагревается, далее закачивается в конденсатор компрессором – и так по кругу. По-научному этот процесс называется циклом Карно.

Но ТН все-равно остается очень выгодным: за каждый потраченный кВт*ч электроэнергии удается получить от 3 до 5 кВт*ч тепла.

Влияние исходных данных на результат расчета

Воспользуемся теперь построенной в ходе вычислений математической моделью с тем, чтобы проследить за влиянием различных исходных данных на конечный результат расчета. Отметим при этом, что расчеты, выполненные на Excel, позволяют провести такой анализ очень оперативно.

Для начала посмотрим, как влияет на величину теплового потока к ВГТ от грунта его теплопроводность.