Как сделать геотермальный тепловой насос из кондиционера. Грамотный проект теплового насоса – залог эффективного отопления дома Тепловые насосы с водяными источниками тепла

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 3–6.

Говоря более точно, источниками низкопотенциального тепла могут быть наружный воздух температурой от –10 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).

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/м2 в год. Срок службы траншей и скважин составляет более 100 лет.

Пример расчета теплового насоса

Исходные условия: Необходимо выбрать тепловой насос для отопления и горячего водоснабжения коттеджного двухэтажного дома, площадью 200м 2 ; температура воды в системе отопления должна быть 35 °С; минимальная температура теплоносителя – 0 °С. Теплопотери здания-50Вт/м2. Грунт глиняный,сухой.

Требуемая тепловая мощность на отопление: 200*50=10 кВт;

Требуемая тепловая мощность на отопление и горячее водоснабжение: 200*50*1.25=12.5 кВт

Для обогрева здания выбран тепловой насос WW H R P C 12 мощностью 14,79 кВт (ближайший больший типоразмер), затрачивающий на нагрев фреона 3,44 кВт. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина) q равняется 20 Вт/м. Рассчитываем:

1) требуемую тепловую мощность коллектора Qo = 14,79 – 3,44 = 11,35 кВт;

2) суммарную длину труб L = Qo/q = 11,35/0,020 = 567.5 м. Для организации такого коллектора потребуется 6 контуров длиной по 100 м;

3) при шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка А = 600 х 0,75 = 450 м2;

4) общий расход гликолевого раствора(25%)

Vs = 11,35·3600/ (1,05·3,7·dt) = 3,506 м3/ч,

dt – разность температур между подающей и возвратной линиями, часто принимают равной 3 К.расход на один контур равен 0,584 м3/ч. Для устройства коллектора выбираем металлопластиковую трубу типоразмера 32 (например, РЕ32х2). Потери давления в ней составят 45 Па/м; сопротивление одного контура – примерно 7 кПа; скорость потока теплоносителя – 0,3 м/с.

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/см3. 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:
L=Qo/q, A=L·da.
Здесь q – удельный (с 1 м трубы) теплосъем; da – расстояние между трубами (шаг укладки).

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 горизонтальногоколлектора. При удельном теплосъеме зонда 50 Вт/м и требуемой мощности 11,35 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 25 (РЕ25х2.0); 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.

Любой хозяин частного дома стремится минимизировать расходы на обогрев жилища. В этом плане тепловые насосы существенно выгоднее других вариантов отопления, они дают 2.5-4.5 кВт теплоты с одного потребленного киловатта электричества. Обратная сторона медали: для получения дешевой энергии придется вложить немалые средства в оборудование, самая скромная отопительная установка мощностью 10 кВт обойдется в 3500 у. е. (стартовая цена).

Единственный способ уменьшить затраты в 2-3 раза - сделать тепловой насос своими руками (сокращенно - ТН). Рассмотрим несколько реальных рабочих вариантов, собранных и проверенных мастерами–энтузиастами на практике. Поскольку для изготовления сложного агрегата требуются базовые знания о холодильных машинах, начнем с теории.

Особенности и принцип работы ТН

Чем тепловой насос отличается от других установок для отопления частных домов:

в отличие от котлов и обогревателей, агрегат самостоятельно не производит тепло, а подобно кондиционеру перемещает его внутрь здания;
ТН получил название насоса, поскольку «выкачивает» энергию из источников низкопотенциального тепла – окружающего воздуха, воды либо грунта;
установка питается исключительно электроэнергией, потребляемой компрессором, вентиляторами, циркуляционными насосами и платой управления;
работа аппарата основана на цикле Карно, используемом во всех холодильных машинах, например, кондиционерах и сплит-системах.

В режиме обогрева традиционная сплит-система нормально работает при температуре выше минус 5 градусов, на сильном морозе эффективность резко падает

Справка. Теплота содержится в любых веществах, чья температура выше абсолютного нуля (минус 273 градуса). Современные технологии позволяют отнимать указанную энергию у воздуха с температурой до -30 °С, земли и воды – до +2 °С.

В теплообменном цикле Карно участвует рабочее тело – газ фреон, кипящий при минусовой температуре. Поочередно испаряясь и конденсируясь в двух теплообменниках, хладагент поглощает энергию окружающей среды и переносит внутрь здания. В целом принцип действия теплового насоса повторяет , включенного на обогрев:

Находясь в жидкой фазе, фреон двигается по трубкам наружного теплообменника-испарителя, как изображено на схеме. Получая тепло воздуха или воды сквозь металлические стенки, хладагент нагревается, кипит и испаряется.
Дальше газ поступает в компрессор, нагнетающий давление до расчетного значения. Его задача – поднять точку кипения вещества, чтобы фреон сконденсировался при более высокой температуре.
Проходя через внутренний теплообменник–конденсор, газ снова обращается в жидкость и отдает накопленную энергию теплоносителю (воде) или воздуху помещения напрямую.
На последнем этапе жидкий хладон поступает внутрь ресивера–влагоотделителя, затем в дросселирующее устройство. Давление вещества снова падает, фреон готов пройти повторный цикл.

Схема работы теплового насоса похожа на принцип действия сплит-системы

Примечание. Обычные сплит-системы и заводские теплонасосы имеют общую черту – способность переносить энергию в обоих направлениях и функционировать в 2 режимах – отопление/охлаждение. Переключение реализовано с помощью четырехходового реверсивного клапана, меняющего направление течения газа по контуру.

В бытовых кондиционерах и ТН применяются различные типы терморегулирующей арматуры, снижающей давление хладагента перед испарителем. В бытовых сплит-системах роль регулятора играет простое капиллярное устройство, в насосах ставится дорогой терморегулирующий вентиль (ТРВ).

Заметьте, вышеописанный цикл происходит в тепловых насосах всех типов. Разница состоит в способах подвода/отбора тепла, которые мы перечислим далее.

Виды дроссельной арматуры: капиллярная трубка (фото слева) и терморегулирующий вентиль (ТРВ)

Разновидности установок

Согласно общепринятой классификации, ТН делятся на типы по источнику получаемой энергии и виду теплоносителя, которому она передается:

Справка. Разновидности тепловых насосов перечислены в порядке увеличения стоимости оборудования вместе с монтажом. Воздушные установки – самые дешевые, геотермальные – дорогие.

Основной параметр, характеризующий тепловой насос для отопления дома, – коэффициент эффективности COP, равный отношению между полученной и затраченной энергией. Например, относительно недорогие воздушные отопители не могут похвастать высоким COP – 2.5…3.5. Поясняем: затратив 1 кВт электричества, установка подает в жилище 2.5-3.5 кВт теплоты.

Способы отбора тепла водных источников: из пруда (слева) и через скважины (справа)

Водяные и грунтовые системы эффективнее, их реальный коэффициент лежит в диапазоне 3…4.5. Производительность – величина переменная, зависящая от многих факторов: конструкции теплообменного контура, глубины погружения, температуры и протока воды.

Важный момент. Водогрейные тепловые насосы не способны разогреть теплоноситель до 60-90 °С без дополнительных контуров. Нормальная температура воды от ТН составляет 35…40 градусов, котлы здесь явно выигрывают. Отсюда рекомендация производителей: подключайте оборудование к низкотемпературному отоплению – водяным .

Какой ТН лучше собирать

Формулируем задачу: нужно построить самодельный тепловой насос с наименьшими затратами. Отсюда вытекает ряд логичных выводов:

В установке придется использовать минимум дорогостоящих деталей, поэтому достичь высокого значения COP не удастся. По коэффициенту производительности наш аппарат проиграет заводским моделям.
Соответственно, делать чисто воздушный ТН бессмысленно, проще пользоваться в режиме обогрева.
Чтобы получить реальную выгоду, нужно изготавливать тепловой насос «воздух – вода», «вода-вода» либо строить геотермальную установку. В первом случае можно добиться COP около 2-2.2, в остальных – достичь показателя 3-3.5.
Без контуров напольного отопления обойтись не удастся. Теплоноситель, нагретый до 30-35 градусов, несовместим с радиаторной сетью, разве только в южных регионах.

Прокладка внешнего контура ТН к водоему

Замечание. Производители утверждают: инверторная сплит-система функционирует при уличной температуре минус 15-30 °С. В действительности эффективность обогрева существенно снижается. По отзывам домовладельцев, в морозные дни внутренний блок подает еле теплый поток воздуха.

Для реализации водяной версии ТН необходимы определенные условия (на выбор):

водоем за 25-50 м от жилища, на большем расстоянии потребление электричества сильно вырастет за счет мощного циркуляционного насоса;
колодец либо скважина с достаточным запасом (дебетом) воды и место для слива (шурф, вторая скважина, сточная канава, канализация);
сборный канализационный коллектор (если вам позволят туда врезаться).

Расход грунтовых вод рассчитать нетрудно. В процессе отбора теплоты самодельный ТН понизит их температуру на 4-5 °С, отсюда через теплоемкость воды определяется объем протока. Для получения 1 кВт тепла (дельту температур воды принимаем 5 градусов) нужно прогнать через ТН около 170 литров в течение часа.

На отопление дома площадью 100 м² потребуется мощность 10 кВт и расход воды 1.7 тонны в час - объем впечатляющий. Подобный тепловой водяной насос сгодится для небольшого дачного домика 30-40 м², желательно – утепленного.

Способы отбора теплоты геотермальным ТН

Сборка геотермальной системы более реальна, хотя процесс довольно трудоемкий. Вариант горизонтальной раскладки трубы по площади на глубине 1.5 м отметаем сразу – вам придется перелопатить весь участок либо платить деньги за услуги землеройной техники. Способ пробивки скважин реализовать гораздо проще и дешевле, практически без нарушения ландшафта.

Простейший тепловой насос из оконного кондиционера

Как нетрудно догадаться, для изготовления ТН «вода – воздух» потребуется оконный охладитель в рабочем состоянии. Очень желательно купить модель, оборудованную реверсивным клапаном и способную работать на обогрев, иначе придется переделывать фреоновый контур.

Совет. При покупке б/у кондиционера обратите внимание на шильдик, где отображены технические характеристики бытового прибора. Интересующий вас параметр – (указывается в киловаттах или Британских тепловых единицах – BTU).

Отопительная мощность аппарата больше холодильной и равна сумме двух параметров - производительность плюс тепло, выделяемое компрессором

При некоторой доле везения вам даже не придется выпускать фреон и перепаивать трубки. Как переделать кондиционер в тепловой насос:

Рекомендация. Если теплообменник не удается поместить в резервуар без нарушения фреоновых магистралей, постарайтесь эвакуировать газ и разрезать трубки в нужных точках (подальше от испарителя). После сборки водяного теплообменного узла контур придется спаять и заправить фреоном. Количество хладагента тоже указано на табличке.

Теперь остается запустить самодельный ТН и отрегулировать водяной поток, добиваясь максимальной эффективности. Обратите внимание: импровизированный отопитель использует полностью заводскую «начинку», вы только переместили радиатор из воздушной среды в жидкую. Как система работает вживую, смотрите на видео мастера–умельца:

Делаем геотермальную установку

Если предыдущий вариант позволит добиться примерно двойной экономии, то даже самодельный земляной контур даст COP в районе 3 (три киловатта тепла на 1 кВт израсходованного электричества). Правда, финансовые и трудовые затраты тоже существенно увеличатся.

Хотя в интернете опубликована масса примеров сборки подобных аппаратов, универсальной инструкции с чертежами не существует. Мы предложим рабочий вариант, собранный и проверенный реальным домашним мастером, хотя многие вещи придется додумывать и доделывать самостоятельно – всю информацию о тепловых насосах сложно поместить в одной публикации.

Расчет грунтового контура и теплообменников насоса

Следуя собственным рекомендациям, приступаем к расчетам геотермального насоса с вертикальными U-образными зондами, помещенными в скважины. Необходимо узнать общую протяженность внешнего контура, а потом – глубину и количество вертикальных шахт.

Исходные данные для примера: нужно обогреть частный утепленный дом площадью 80 м² и высотой потолков 2.8 м, расположенный в средней полосе. на отопление производить не станем, определим потребность в тепле по площади с учетом теплоизоляции – 7 кВт.

По желанию можно обустроить горизонтальный коллектор, но тогда придется выделить большую площадь под земляные работы

Важное уточнение. Инженерные расчеты теплонасосов довольно сложны и требуют высокой квалификации исполнителя, данной теме посвящены целые книги. В статье приводятся упрощенные вычисления, взятые из практического опыта строителей и мастеров – любителей самоделок.

Интенсивность теплообмена между землей и незамерзающей жидкостью, циркулирующей по контуру, зависит от типа грунтов:

1 погонный метр вертикального зонда, погруженного в подземные воды, получит около 80 Вт теплоты;
в каменистых грунтах теплосъем составит порядка 70 Вт/м;
глинистые почвы, насыщенные влагой, отдадут примерно 50 Вт на 1 м коллектора;
сухие породы – 20 Вт/м.

Справка. Вертикальный зонд представляет собой 2 петли из труб, опущенных до дна скважины и залитых бетоном.

Пример вычисления длины трубы. Чтобы извлечь из сырой глинистой породы необходимые 7 кВт тепловой энергии, понадобится 7000 Вт поделить на показатель 50 Вт/м, получаем общую глубину зонда 140 м. Теперь трубопровод распределяется по скважинам глубиной 20 м, которые вы сможете пробурить своими руками. Итого 7 сверлений по 2 теплообменных петли, общая протяженность трубы – 7 х 20 х 4 = 560 м.

Следующий этап – расчет площади теплообмена испарителя и конденсора. На различных интернет-ресурсах и форумах предлагаются некие расчетные формулы, в большинстве случаев – некорректные. Мы не возьмем на себя смелость рекомендовать подобные методики и вводить вас в заблуждение, но предложим некий хитрый вариант:

Обратитесь к любому известному производителю пластинчатых теплообменников, например, Alfa Laval, Kaori, «Анвитэк» и так далее. Можно выйти на официальный сайт бренда.
Заполните форму подбора теплообменника либо созвонитесь с менеджером и закажите подбор агрегата, перечислив параметры сред (антифриз, фреон) – температуру на входе и выходе, тепловую нагрузку.
Специалист фирмы произведет необходимые расчеты и предложит подходящую модель теплообменника. Среди его характеристик вы найдете главную – площадь поверхности обмена.

Пластинчатые агрегаты очень эффективны, но дороги (200-500 евро). Дешевле собрать кожухотрубный теплообменник из медной трубки наружным диаметром 9.5 или 12.7 мм. Выданную производителем цифру умножьте на коэффициент запаса 1.1 и поделите на длину окружности трубы, получите метраж.

Пластинчатый теплообменник из нержавейки – идеальный вариант испарителя, он эффективен и занимает мало места. Проблема в высокой цене изделия

Пример. Площадь теплового обмена предложенного агрегата составила 0.9 м². Выбрав медную трубку ½” диаметром 12.7 мм, вычисляем длину окружности в метрах: 12.7 х 3.14 / 1000 ≈ 0.04 м. Определяем общий метраж: 0.9 х 1.1 / 0.04 ≈ 25 м.

Оборудование и материалы

Будущий тепловой насос предлагается строить на базе наружного блока сплит-системы подходящей мощности (указана на табличке). Почему лучше использовать б/у кондиционер:

аппарат уже оснащен всеми комплектующими – компрессором, дросселем, ресивером и пусковой электрикой;
самодельные теплообменники можно поместить в корпус холодильной машины;
есть удобные сервисные порты для заправки фреона.

Примечание. Разбирающиеся в теме пользователи подбирают оборудование отдельно – компрессор, ТРВ, контроллер и так далее. При наличии опыта и знаний подобный подход только приветствуется.

Собирать ТН на базе старого холодильника нецелесообразно – мощность агрегата слишком мала. В лучшем случае удастся «выжать» до 1 кВт теплоты, чего хватит на обогрев одной небольшой комнаты.

Помимо внешнего блока «сплита» понадобятся следующие материалы:

труба ПНД Ø20 мм – на земляной контур;
полиэтиленовые фитинги для сборки коллекторов и подключения к теплообменникам;
циркуляционные насосы – 2 шт.;
манометры, термометры;
качественный водопроводный шланг либо труба ПНД диаметром 25-32 мм на оболочку испарителя и конденсатора;
трубка медная Ø9.5-12.7 мм с толщиной стенки не менее 1 мм;
утеплитель для трубопроводов и фреоновых магистралей;
комплект для герметизации греющих кабелей, укладываемых внутри водопровода (понадобится для уплотнения концов медных трубок).

Комплект втулок для герметичного ввода медной трубки

В качестве внешнего теплоносителя применяется солевой раствор воды либо антифриз для отопления – этиленгликоль. Также понадобится запас фреона, чья марка указана на шильдике сплит-системы.

Сборка теплообменного блока

Перед началом монтажных работ наружный модуль надо разобрать – снять все крышки, удалить вентилятор и большой штатный радиатор. Отключите электромагнит, управляющий реверсивным клапаном, если не планируете использовать насос в качестве охладителя. Датчики температуры и давления необходимо сохранить.

Порядок сборки основного блока ТН:

Изготовьте конденсор и испаритель, просунув медную трубку внутрь шланга расчетной длины. На концах установите тройники для присоединения грунтового и отопительного контура, выступающие медные трубки уплотните с помощью специального комплекта для греющего кабеля.
Используя в качестве сердечника отрезок пластиковой трубы Ø150-250 мм, намотайте самодельные двухтрубные контуры и выведите концы в нужные стороны, как это делается ниже на видео.
Разместите и закрепите оба кожухотрубных теплообменника на месте штатного радиатора, медные трубки подпаяйте к соответствующим выводам. «Горячий» теплообменник–конденсатор лучше подключить к сервисным портам.
Установите заводские датчики, измеряющие температуру хладагента. Утеплите голые участки трубок и сами теплообменные устройства.
На водяных магистралях поставьте термометры и манометры.

Совет. Если планируется ставить основной блок на улице, нужно принять меры от застывания масла в компрессоре. Приобретите и смонтируйте зимний комплект электрического подогрева масляного картера.

На тематических форумах встречается другой способ изготовления испарителя – трубка из меди навивается спиралью, затем вставляется внутрь закрытой емкости (бака или бочки). Вариант вполне разумен при большом количестве витков, когда рассчитанный теплообменник попросту не помещается в корпусе кондиционера.

Устройство грунтового контура

На данном этапе выполняются несложные, но трудоемкие земляные работы и раскладка зондов по скважинам. Последние можно проделать вручную либо пригласить буровую машину. Расстояние между соседними скважинами – не менее 5 м. Дальнейший порядок работ:

Прокопайте между сверлениями неглубокую траншею для укладки подводящих трубопроводов.
В каждое отверстие опустите по 2 петли из полиэтиленовых труб и залейте ямы бетоном.
Сведите магистрали к точке соединения и смонтируйте общий коллектор, используя фитинги ПНД.
Проложенные в земле трубопроводы утеплите и засыпьте грунтом.

Слева на фото – опускание зонда в обсадную пластиковую трубу, справа – прокладка подводок в траншее

Важный момент. Перед бетонированием и засыпкой обязательно проверьте герметичность контура. Например, подключите к коллектору воздушный компрессор, накачайте давление 3-4 Бар и оставьте на несколько часов.

При соединении магистралей ориентируйтесь по схеме, представленной ниже. Отводы с кранами понадобятся при заполнении системы рассолом либо этиленгликолем. Две основные трубы от коллектора подведите к тепловому насосу и подключите к «холодному» теплообменнику–испарителю.

В высших точках обеих водяных контуров обязательно ставятся воздухоотводчики, на схеме условно не показаны

Не забудьте установить насосный агрегат, отвечающий за циркуляцию жидкости, направление течения – навстречу фреону в испарителе. Среды, проходящие через конденсор и испаритель, должны двигаться навстречу друг другу. Как правильно заполнить магистрали «холодной» стороны, смотрите на видео:

Аналогичным образом конденсор подсоединяется к домовой системе теплых полов. Смесительный узел с трехходовым клапаном монтировать необязательно благодаря низкой температуре подачи. Если необходимо объединить ТН с другими источниками тепла (солнечные коллекторы, котлы), используйте на несколько выводов.

Заправка и запуск системы

После монтажа и подключения агрегата к электросети наступает важный этап – заполнение системы хладагентом. Здесь ожидает подводный камень: вы не знаете, сколько фреона необходимо заправить, ведь объем основного контура сильно вырос за счет установки самодельного конденсатора с испарителем.

Вопрос решается методом заправки по давлению и температуре перегрева хладона, измеряемой на входе компрессора (туда фреон подается в газообразном состоянии). Подробная инструкция по заполнению методом измерения температуры изложена в .

Во второй части представленного видео рассказывается, как нужно заполнять систему фреоном марки R22 по давлению и температуре перегрева хладагента:

По окончании заправки включите оба циркуляционных насоса на первую скорость и запускайте компрессор в работу. Показатели температуры рассола и внутреннего теплоносителя контролируйте по термометрам. На этапе прогрева магистрали с хладагентом могут обмерзать, впоследствии иней должен растаять.

Заключение

Сделать и запустить тепловой геотермальный насос своими руками весьма непросто. Наверняка потребуются неоднократные доработки, исправления ошибок, настройки. Как правило, большинство неполадок в самодельных ТН возникает из-за неправильной сборки либо заправки основного теплообменного контура. Если агрегат сразу отказал (сработала автоматика безопасности) либо не греет теплоноситель, стоит вызвать мастера по холодильному оборудованию – он проведет диагностику и укажет на допущенные ошибки.

Многие владельцы частных домов принимают решение о создании в своем жилище автономной системы отопления. Выполняя работы по её созданию, им приходится сталкиваться с целым рядом затруднений. Уже в самом начале они вынуждены решать вопрос, какой энергоноситель использовать в системе.

Если рядом с участком проходит магистральный газопровод, то в этом случае выбор очевиден. Чтобы провести газ в дом, достаточно подать документы на газификацию, и через некоторое время специалисты подключат жилище к природному газу. Однако в нашей стране, несмотря на высокие темпы газификации областей и районов, немало людей не имеют возможности провести газ в свой частный дом. Поэтому им приходится пользоваться газом в баллонах.

Что же делать в такой ситуации? Использовать для обогрева обычную печь, работающую на дровах и угле - хлопотное занятие. А если установить оборудование, работающее за счет электрической энергии, то это обойдется довольно дорого, хотя в этом случае и будет в меньшем количестве поступать холодный воздух. Однако есть новые решения , которые недавно появились на рынке. Установка оборудования, которое при работе использует альтернативные источники энергии – это возможность обеспечить тепло в жилище при минимальных затратах. В случае с подобным вариантом обогрева тепло получают из земли, воды и воздуха.

Оно дает возможность извлекать тепло из земли, воды и воздуха.

Одно из новых решений, которое доступно на рынке – система отопления, предусматривающая в качестве главного рабочего элемента тепловой насос. Необязательно покупать это оборудование, если вы решили использовать его в составе своей системы отопления. Своими руками вполне возможно изготовить такой насос. Главное - иметь желание.

Система отопления, основанная на тепловом насосе, включается в свой состав кроме этого оборудования еще и устройства для забора и распределение тепла. Если говорить о составе внутреннего контура такого насосного оборудования, то выделим следующие компоненты:

Заметим, что основные принципы работы этого оборудования были разработаны еще два столетия назад и известны как цикл Карно . Работа теплового насоса осуществляется следующим образом:

В качестве теплоносителя используется незамерзающая жидкость, которая подается в коллектор. Незамерзайка может представлять собой:
- воду, разведенную со спиртом;
- соляной раствор;
- гликолевую смесь.
- Эти вещества обладают способностью поглощать тепловую энергию и транспортировать ее к насосу.
Оказавшись в испарителе, тепло направляется к хладагенту. Это вещество отличается низкой температурой кипения. Под воздействием тепловой энергии хладагент вскипает. В результате образуется пар.
Работающий компрессор поднимает давление пара, из-за чего происходит рост температуры воздуха.
Передача тепла от воды системе отопления осуществляется через другой элемент - конденсатор. Хладагент с целью выжима дополнительного тепла еще раз охлаждается, превращается в жидкость, а затем отправляется в коллектор.
Далее этот процесс повторяется по такому же циклу.

Если говорить простыми словами, то тепловой насос представляет собой оборудование, которое работает почти по такому же принципу, что и холодильник, только наоборот. Если взять обычный холодильник, то в нем хладагент, движущийся по контуру, получает тепло от продуктов питания, размещаемых на хранение. В конце цикла он выводит его на заднюю стенку. То же самое тепло используется и в случае с тепловым насосом, только оно применяется для подогрева теплоносителя, благодаря которому обеспечивается нагрев воздуха .

Система отопления на основе теплового насоса, конечно же, потребляет электрическую энергию. Но, заметим, что ее количество, требуемое для работы, неизмеримо меньше, чем для обычного электрического котла. Так, расходуя 1 кВт электрической энергии, котел, нагревающий воду, производит 5 кВт тепловой энергии.

Расходы, которые возникают при приобретении этого оборудования и при работах по монтажу теплового насоса , достаточно высокие. Они больше, чем затраты при установке нагревательного котла, работающего за счет электрической энергии. Здесь у каждого, кто задумался о создании своей автономной системы отопления в доме, может возникнуть вопрос: выгодно ли устраивать такую систему? По этому поводу можно сказать следующее: если система устанавливается в дом площадью 100 квадратных метров, то дополнительные затраты, понесенные на установку оборудования, окупятся в течение 2 лет. Дальше владелец жилища будет только экономить на отоплении.

Система отопления на основе теплового насоса имеет одно важное преимущество: она может не только обогревать помещение, но и охлаждать воздух, то есть, работать как кондиционер. Поэтому в летнее время, чтобы избавиться от ненужного тепла в помещениях дома, можно включить специальный режим работы теплового насоса.

Как выполнить расчет оборудования?

При расчете мощности теплового насоса в первую очередь необходимо ориентироваться на уровень теплопотерь в своем жилище. Естественно, перед тем как устраивать в жилище такую систему отопления, необходимо провести работы по теплоизоляции дома. Утеплить следует не только стены и пол, но и крышу и окна.

Оптимально, если такая система отопления закладывается еще на стадии проектирования здания . Это позволит создать систему отопления, которая обеспечивает наиболее эффективный обогрев помещений строения в зимний период.

Практический опыт показывает, что лучший вариант отопительной системы на основе теплового насоса - водяной теплый пол. При его устройстве во внимание необходимо принимать тип напольного покрытия. Керамическая плитка является идеальным материалом для оформления напольного пола. А вот ковры, ламинат и паркет обладают низкой теплопроводностью, Поэтому при использовании подобной системы температура воды должна быть выше 8 градусов.

Как сделать тепловой насос своими руками?

Достаточно высокой является стоимость теплового насоса, даже если не учитывать оплату услуг специалиста, который будет производить его монтаж. Не все имеют достаточные финансовые возможности , чтобы сразу оплатить установку такого оборудования. В этой связи многие начинают задаваться вопросом, а можно ли сделать тепловой насос своими руками из подручных материалов? Это вполне возможно. К тому же при работах можно использовать не новые, а б/у запчасти.

Итак, если вы решили создать тепловой насос своими руками, то прежде чем приступать к работам, необходимо:

проверить состояние проводки в вашем доме;
убедиться в работоспособности электросчетчика и проверить, чтобы мощность этого прибора была не менее 40 ампер.

Первым делом необходимо приобрести компрессор . Купить его можно в специализированных компаниях или обратившись в мастерскую по ремонту холодильного оборудования. Там вы можете приобрести компрессор от кондиционера. Для создания теплового насоса он вполне подойдет. Далее его необходимо закрепить на стене, используя кронштейны L-300.

Теперь можно переходить к следующему этапу - изготовлению конденсатора. Для этого необходимо найти бак из нержавейки для воды объемом до 120 литров. Он разрезается пополам, а внутри него устанавливают змеевик. Изготовить его можно своими руками, используя для этого медную трубку от холодильника. Или же можно создать его из медной трубы небольшого диаметра.

Чтобы не испытывать проблем с изготовлением змеевика, необходимо взять обычный газовый баллон и намотать на него медную проволоку . Во время этой работы необходимо обращать внимание на расстояние между витками, которое должно быть одинаковым. Чтобы трубка была зафиксирована в таком положении, следует воспользоваться алюминиевым уголком с перфорацией, который применяют для защиты углов шпаклевки. Используя витки, трубки следует расположить так, что витки проволоки находились напротив отверстий в уголке. Это позволит обеспечить одинаковый шаг витков, а помимо этого конструкция будет достаточно прочной.

Когда змеевик установлен, две половинки подготовленного бака соединяют при помощи сварки. При этом нужно позаботиться об вваривании резьбовых соединений.

Для создания испарителя можно использовать пластмассовые емкости для воды общим объемом 60 – 80 литров. В неё монтируется змеевик из трубы диаметром ¾ дюйма. Обычные водопроводные трубы можно использовать для доставки и слива воды.

На стене при помощи L-кронштейна нужного размера выполняется закрепление испарителя .

Когда все работы завершены, остается только пригласить специалиста по холодильному оборудованию. Он соберет систему, выполнит сварку медных трубок и закачает фреон.

Монтаж теплового насоса своими руками

Теперь, когда основная часть системы готова, остается выполнить её подсоединение к устройствам забора и распределения тепла. Эта работа может быть выполнена самостоятельно. В этом нет ничего сложного. Процесс установки устройства забора тепла может быть разным и во многом зависит от типа насоса, который будет использоваться в составе системы отопления.

Вертикальный насос типа грунт вода

Здесь тоже потребуются определенные затраты, поскольку при установке такого насоса без использования буровой установки просто не обойтись. Все работы начинаются с создания скважины, глубина которой должна составлять 50-150 метров . Далее опускается геотермальный зонд, после чего выполняется его подключение к насосу.

Горизонтальный насос типа грунт вода

Когда устанавливается такой насос, то необходимо использовать коллектор, образованный системой труб. Его следует расположить ниже уровня промерзания почвы. От климатической зоны во многом зависит точность, глубина размещения коллектора. Сначала убирается слой почвы. Потом укладываются трубы, а далее осуществляется их засыпка землей.

Можно воспользоваться и другим способом - прокладка отдельных труб для воды в заранее выкопанной траншее. Решив воспользоваться им, сначала необходимо вырыть траншеи, у которых глубина должна быть ниже уровня промерзания.

Заключение

Если для вас использование для обогрева жилища электрического котла - дорогое удовольствие, то вы можете сделать выбор в пользу системы отопления на основе теплового насоса. Чтобы сэкономить, можно сделать тепловой насос самостоятельно. Его конструкция проста . Вам лишь нужно выделить немного своего времени на проведение этой работы и приобретение необходимых деталей и компонентов. Сделав его, вы получите систему отопления, которая позволит создать теплую атмосферу с минимальными затратами.

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: “Геотермальные тепловые насосы для отопления: принцип устройства системы”).

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

Прежде всего, определяют потери тепла, происходящие через ограждающие конструкции постройки (к ним относятся окна, двери, стены, перекрытия). Для этого пользуются следующей формулой:

tвн – температура воздуха внутри здания (°С);

tнар – температура воздуха снаружи (°С);

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;

δі / λі – является расчетным показателем теплопроводности материалов, применяемых при строительстве;

α нар – величина теплового рассеивания наружных поверхностей конструкций ограждения (Вт/ м²х°С);

Qбп – выделение тепла в результате работы бытовых приборов и человеческой деятельности.

tнар.ср – среднеарифметическое значение температур, которые фиксируются у наружного воздуха на протяжении всего отопительного периода;

d – количество дней в отопительном сезоне.

V х17 – ежедневный объем нагрева воды до 50 °С.

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:

Как правильно сделать расчет теплового насоса, подробное фото и видео

Методы и программы расчета мощности теплового насоса для отопления дома

Использование 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.

Источники тепловой энергии

Источниками 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:

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.

Прежде, чем определить необходимую для отопления дома мощность насоса вручную, необходимо определить тепловой баланс дома

Требуемая тепловая мощность на отопление: 200*50=10 кВт;

Требуемая тепловая мощность на отопление и горячее водоснабжение: 200*50*1.25=12.5 кВт

1) требуемую тепловую мощность коллектора Qo = 14,79 – 3,44 = 11,35 кВт;

3) при шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка А = 600 х 0,75 = 450 м2;

4) общий расход гликолевого раствора(25%)

Vs = 11,35·3600/ (1,05·3,7·dt) = 3,506 м3/ч,

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:

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).

* 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.

Библиотека статей на профессиональную тему

Тепловые насосы. Расчет, выбор оборудования, монтаж.

4.1. Принцип действия теплового насоса

Использование альтернативных экологически чистых источников энергии может предотвратить назревающий энергетический кризис в Украине. Наряду с поисками и освоением традиционных источников (газ, нефть), перспективным направлением является использование энергии, накапливаемой в водоемах, грунте, геотермальных источниках, технологических выбросах (воздух, вода, стоки и др.). Однако температура этих источников довольно низкая (0–25 °С) и для эффективного их использования необходимо осуществить перенос этой энергии на более высокий температурный уровень (50–90 °С). Реализуется такое преобразование тепловыми насосами (TH), которые, по сути, являются парокомпрессионными холодильными машинами (рис. 4.1).

Низкотемпературный источник (ИНТ) нагревает испаритель (3), в котором хладагент кипит при температуре –10 °С…+5 °С. Далее тепло, переданное хладагенту, переносится классическим парокомпрессионным циклом к конденсатору (4), откуда поступает к потребителю (ПВТ) на более высоком уровне.

Тепловые насосы используют в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторе. В настоящее время в мире эксплуатируется более 10 млн. тепловых насосов различной мощности: от десятков киловатт до мегаватт. Ежегодно парк ТН пополняется примерно на 1 млн. штук. Так, в Стокгольме тепловая насосная станция мощностью 320 МВт, используя зимой морскую воду с температурой +4 °С, обеспечивает теплом весь город . В 2004 г. мощность тепловых насосов, установленных в Европе, составляла 4 531 МВт, а во всем мире тепловыми насосами была получена тепловая энергия эквивалентная 1,81 млрд. м 3 природного газа. Энергетически эффективны тепловые насосы, использующие геотермальные и подземные воды. В США федеральным законодательством утверждены требования по обязательному использованию геотермальных тепловых насосов (ГТН) при строительстве новых общественных зданий. В Швеции 50 % всего отопления обеспечивается геотермальными тепловыми насосами. К 2020 г. по прогнозам Мирового энергетического комитета доля геотермальных тепловых насосов составит 75 %. Срок службы ГТН составляет 25–50 лет. Перспективность применения тепловых насосов в Украине показана в .

Тепловые насосы подразделяют по принципу действия (компрессорные, абсорбционные) и по типу цепи передачи тепла «источник-потребитель». Различают следующие типы тепловых насосов: воздух-воздух, воздух-вода, вода-воздух, вода-вода, грунт-воздух, грунт-вода, где первым указывается источник тепла. Если для отопления используется только тепловой насос, то система называется моновалентной. Если дополнительно к тепловому насосу подключается другой источник тепла, работающий отдельно или параллельно с тепловым насосом, система называется бивалентной.

Рис. 4.1. Схема гидравлическая теплового насоса:

1 – компрессор; 2 – источник теплоты низкого уровня (ИНТ); 3 – испаритель теплового насоса;

4 – конденсатор теплового насоса; 5 – потребитель теплоты высокого уровня (ПВТ);

6 – низкотемпературный теплообменник; 7 – регулятор потока хладагента;

8 – высокотемпературный теплообменник

Тепловой насос с гидравлической обвязкой (водяными насосами, теплообменниками, запорной арматурой и др.) называют тепловой насосной установкой. Если среда, охлаждаемая в испарителе, такая же, как и среда, нагреваемая в конденсаторе (вода-вода, воздух-воздух), то путем изменения потоков этих сред можно изменить режим ТН на обратный (охлаждение на нагрев и наоборот). Если среды – газы, то такое изменение режима называют обратимым пневматическим циклом, если жидкости – обратимым гидравлическим циклом (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

В случае, когда обратимость цикла осуществляется изменением направления хладагента с помощью клапана обратимости цикла, используют термин «тепловой насос, работающий в обратимом холодильном цикле».

4.2. Низкопотенциальные источники тепла

4.2.1. Низкопотенциальный источник – воздух

Рис. 4.3. Схема теплового насоса «воздух- вода»

В системах кондиционирования широко используются тепловые насосы типа «воздух-вода». Наружный воздух продувается через испаритель, а тепло, отводимое от конденсатора, нагревает воду, используемую для обогрева помещения в помещении (рис. 4.3).

Преимуществом таких систем является доступность низкопотенциалного источника тепла (воздуха). Однако температура воздуха изменяется в большом диапазоне, достигая отрицательных значений. При этом эффективность теплового насоса сильно снижается. Так, изменение температуры наружного воздуха с 7 °С до минус 10 °С приводит к снижение производительности теплового насоса в 1,5–2 раза.

Для подачи воды от ТН к обогреваемым помещениям в них устанавливаются теплообменники, именуемых в литературе «фэнкойлами». Вода к фэнкойлам подается гидравлической системой – насосной станцией (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Схема насосной станции:

Р – манометры; РБ – расширительный бак; АБ – аккумулирующий бак; РП – реле протока; Н – насос;

БК – балансный клапан; Ф – фильтр; ОК – обратный клапан; В – вентиль; Т – термометр;

ПК – предохранительный клапан; ТП – теплообменник «фреон–жидкость»; ТХК – трехходовой клапан; КПЖ – клапан подпитки жидкости; КПВ – клапан подпитки воздуха; КВВ – клапан выпуска воздуха

Для повышения точности поддержания температуры в помещении и уменьшения инерционности в гидравлической системе устанавливаются аккумулирующие баки. Емкость аккумулирующего бака может быть определена по формуле :

где – холодопроизводительность ТН, кВт;

– объем охлаждаемых помещений, м 3 ;

– количество воды в системе, л;

Z – количество ступеней мощности ТН.

Если V АБ получится отрицательным, то аккумулирующий бак не устанавливают.

Для компенсации температурного расширения воды в гидравлической системе устанавливают расширительные баки. Расширительные баки устанавливаются на всасывающей стороне насоса. Объем расширительного бака определяется по формуле :

где V сист – объем системы, л;

k – коэффициент объемного расширения жидкости (вода 3,7·10 -4 , антифриз (4,0–5,5)·10 -4);

ΔT – перепад температуры жидкости (при работе только в режиме охлаждения)

ΔT = t окр – 4 °С; при работе в режиме теплового насоса ΔT=60 °С – 4 °С = 56 °С);

Р пред – настройка предохранительного клапана.

Давление в системе (Р сист) зависит от взаимного расположения насосной станции и конечного потребителя (фанкойла). Если насосная станция расположена ниже конечного потребителя, то давление (Р сист) определяют как максимальный перепад высот (в барах) плюс 0,3 бара. Если насосная станция расположена выше всех потребителей, то Р сист = 1,5 бара.

Расширительный бак предварительно накачивается воздухом до давления на 0,1–0,3 бара меньше расчетного, а после монтажа давление доводится до нормы.

Конструкция расширительных баков показана на рис. 4.5.

Тепловые насосы

Источник: IVIK.ua4.1. Принцип действия теплового насоса Использование альтернативных экологически чистых источников энергии может предотвратить назревающий энергетический кризис в Украине. Наряду с поисками и освоением традиционных источников (газ, нефть), перспективным направлением является использование энергии, накапливаемой в водоемах, грунте, геотермальных источниках, технологических выбросах (воздух, вода, стоки и др.). Однако температура этих источников довольно низкая (0–25 °С) и…

Отопление дома. Схема отопления дома с тепловым насосом

В данной статье описаны варианты отопления дома и горячего водоснабжения с помощью теплового насоса, солнечного коллектора и кавитационного теплогенератора. Дана приближенная методика расчета теплового насоса и теплогенератора. Приведены примерная стоимость затрат для обогрева дома с помощью теплового насоса.

Тепловой насос. Конструкция обогрева дома

Чтобы понять его принцип действия можно посмотреть на обычный бытовой холодильник или кондиционер.

Современные тепловые насосы используют для своей работы низкопотенциальные источники тепла землю, грунтовые воды, воздух. И в холодильнике и в тепловом насосе действует один и тот же физический принцип (физики называют такой процесс циклом Карно). Тепловой насос – устройство, которое «выкачивает» тепло из холодильной камеры и выбрасывает его на радиатор. Кондиционер «выкачивает» тепло из воздуха комнаты и выбрасывает ее на радиатор, но находящийся на улице. При этом к теплу, «высосанному» из комнаты, добавляется ещё тепло, в которое превратилась электрическая энергия, потреблённая электродвигателем кондиционера.

Число, выражающее отношение вырабатываемой тепловым насосом (кондиционером или холодильником) тепловой энергии к потребляемой им электрической энергии, специалисты по тепловым насосам называют «отопительным коэффициентом». В лучших тепловых насосах отопительный коэффициент достигает 3-4. То есть на каждый потреблённый электродвигателем киловатт-час электроэнергии вырабатывается 3-4 киловатт-часа тепловой энергии. (Один киловатт-час соответствует 860 килокалориям.) Этот коэффициент преобразования (отопительный коэффициент) напрямую зависит от температуры источника тепла, чем выше температура источника, тем больше коэффициент преобразования.

Кондиционер берёт эту тепловую энергию из воздуха улицы, а большие тепловые насосы «выкачивают» это дополнительное тепло обычно из водоема/подземных вод или грунта.

Хотя температура этих источников гораздо меньше, чем температура воздуха в обогреваемом доме, но и это низкотемпературное тепло грунта или воды, тепловой насос и превращает в высокотемпературное, необходимое для обогрева дома. Поэтому тепловые насосы называют ещё «трансформаторами тепла». (процесс превращения см. ниже)

Примечание: Тепловые насосы не только согревают дома, но и остужают воду в реке, из которой выкачивают тепло. А в наше время, когда реки слишком перегреты промышленными и бытовыми стоками, охлаждать реку очень полезно для жизни в ней живых организмов и рыбы. Чем ниже температура воды, тем больше в ней может раствориться кислорода, необходимого для рыбы. В тёплой воде рыба задыхается, а в холодной блаженствует.Поэтому тепловые насосы очень перспективны в деле спасения окружающей среды от ” теплового загрязнения “.

Но установка системы отопления с помощью тепловых насосов пока слишком дорога, потому что требуются большое количество земляных работ плюс расходных материалов, например, труб для создания коллектора/теплообменника.

Так же стоит помнить что в тепловых насосах, как и в обычных холодильниках, используется компрессор, сжимающий рабочее тело – аммиак или фреон. На фреоне тепловые насосы работают лучше, но фреон уже запрещён к применению из-за того, что он, попадая в атмосферу, выжигает в её верхних слоях озон, защищающий Землю от ультрафиолетовых лучей Солнца.

И все-таки мне кажется, что будущее за тепловыми насосами. Но их, никто пока не производит массово. Почему? Не трудно догадаться.

Если появляется альтернативный источник дешевой энергии, то куда девать добываемый газ, нефть и уголь, кому его продавать. А на что списывать многомиллиардные убытки от взрывов на шахтах и рудниках.

Принципиальная схема обогрева дома с помощью теплового насоса

Принцип действия теплового насоса

В качестве источника низкопотенциального тепла может выступать наружный воздух, имеющий температуру от -15 до +15°С, воздух отводимый из помещения с температурой 15-25°С, подпочвенные (4-10°С) и грунтовые (более 10°C) воды, озерная и речная вода (0-10°С), поверхностный (0-10°С) и глубинный (более 20 м) грунт (10°С). В Нидерландах, например, в городе Херлен (Heerlen) для этих целей используется затопленная шахта. Вода, наполняющая старую шахту, на уровне 700 метров имеет постоянную температуру в 32°C.

В случае использования в качестве источника тепла атмосферного или вентиляционного воздуха, система отопления работает по схеме «воздух-вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.

Если в качестве источника тепла используются грунтовые воды, то система работает по схеме «вода-вода». Вода подается из скважины с помощью насоса в теплообменник насоса, а после отбора тепла, сбрасывается либо в другую скважину, либо в водоем. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать антифриз или тосол. Если в качестве источника энергии выступает водоем, на его дно укладывается петля из металлопластиковой или пластиковой трубы. По трубопроводу циркулирует раствор гликоля (антифриз) или тосола который через теплообменник теплового насоса передает тепло фреону.

При использовании в качестве источника тепла грунта, система работает по схеме «грунт-вода». Возможны два варианта устройства коллектора - вертикальный и горизонтальный.

При горизонтальном расположении коллектора, металлопластиковых трубы укладывают в траншеи глубиной 1,2-1,5 м или в виде спиралей в траншеи глубиной 2-4 м. Такой способ укладки позволяет значительно уменьшить длину траншей.

Схема теплового насоса при горизонтальном коллекторе со спиральной укладкой труб

1 – тепловой насос; 2 – трубопровод, уложенный в земле; 3 – бойлер косвенного нагрева; 4 – система отопления «теплый пол»; 5 – контур подачи горячей воды.

Однако при укладке спиралью сильно увеличивается гидродинамическое сопротивление, что приводит к дополнительным затратам на прокачку теплоносителя, так же сопротивление увеличивается по мере увеличения длины труб.

При вертикальном расположении коллектора трубы укладывают в вертикальные скважины на глубину 20-100 м.

Схема вертикального зонда

Фото зонда в бухте

Установка зонда в скважину

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса.

q - удельный теплосъем (с 1 м пог. трубы).

сухой песок - 10 Вт/м,
сухая глина - 20 Вт/м,
влажная глина - 25 Вт/м,
глина с большим содержанием воды - 35 Вт/м.

Между прямой и обратной петлей коллектора появляется разность температур теплоносителя.

Обычно для расчета ее принимают равной 3°С. Недостатком такой схемы является то, что на участке над коллектором не желательно возводить строений, чтобы тепло земли пополнялось за счет солнечной радиации. Оптимальная дистанция между трубами считается 0,7-0,8 м. При этом длина одной траншеи выбирается от 30 до 120 м.

Пример расчета теплового насоса

Я приведу примерный расчет теплового насоса для нашего экодома, описанного в статье Экодом. Теплоснабжение экодома.

Считается, что для обогрева дома с высотой потолка 3 м, необходимо расходовать 1 кВт. Тепловой энергии на 10 м2 площади. При площади дома 10х10м=100 м2, необходимо 10кВт тепловой энергии.

При использовании теплого пола, температура теплоносителя в системе, должна быть 35°С, а минимальная температура теплоносителя - 0°С.

Таблица 1. Данные теплового насоса Thermia Villa.

Для обогрева здания нужно выбирать тепловой насос мощностью 15,6 кВт (ближайший больший типоразмер), расходующий на работу компрессора 5 кВт. Выбираем по типу грунта теплосъем с поверхностного слоя грунта. Для (влажной глины) q равняется 25 Вт/м.

Рассчитаем мощность теплового коллектора:

Qo - мощность теплового коллектора, кВт;

Qwp - мощность теплового насоса, кВт;

P - электрическая мощность компрессора, кВт.

Требуемая тепловая мощность коллектора составит:

Теперь определим суммарную длину труб:

L=Qo/q, где q - удельный (с 1 м. пог. трубы) теплосъем, кВт/м.

L=10,6/0,025 = 424 м.

Для организации такого коллектора потребуется 5 контуров длиной по 100 м. Исходя из этого, определим необходимую площадь участка для укладки контура.

A=Lхda, где da - расстояние между трубами (шаг укладки), м.

При шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка составит:

Расчет вертикального коллектора

При выборе вертикального коллектора, бурят скважины глубиной от 20 до 100 м. В них погружаются U-образные металлопластиковые или пластиковые трубы. Для этого в одну скважину вставляется две петли, которые заливается цементным раствором. Удельный теплосъем такого коллектора составляет 50 Вт/м.

Для более точных расчетов применяют следующие данные:

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

На глубинах более 15 м, температура грунта составляет примерно +10°С. Необходимо учитывать, что расстояние между скважинами должно быть больше 5 м. Если в грунте существуют подземные течения, то скважины необходимо бурить перпендикулярной потоку.

Таким образом, при удельном теплосъеме вертикального коллектора 50 Вт/м и требуемой мощности 10,6 кВт длина трубы L должна составить 212 м.

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

Работа теплового насоса при работе по схеме «Грунт-вода»

Трубопровод укладывается в землю. При прокачивании через него теплоносителя, последний нагревается до температуры грунта. Дальше по схеме вода поступает в теплообменник теплового насоса и отдает все тепло во внутренний контур теплового насоса.

Во внутренний контур теплонасоса закачан хладагент под давлением. В качестве хладагента используется фреон или его заменители, поскольку фреон разрушает озоновый слой атмосферы и запрещен к использованию в новых разработках. У хладагента низкая температура кипения и поэтому когда в испарителе резко снижается давление, он переходит из жидкого состояния в газ при низкой температуре.

После испарителя газообразный хладагент поступает в компрессор и сжимается компрессором. При этом он разогревается, и давление его повышается. Горячий хладагент поступает в конденсатор, где протекает теплообмен между ним и теплоносителем из обратного трубопровода. Отдавая свое тепло, хладагент охлаждается и переходит в жидкое состояние. Теплоноситель поступает в отопительную систему и снова охлаждаясь, передает свое тепло в помещение. Когда хладагент проходит через редукционный клапан,его давление падает, и он снова переходит в жидкую фазу. После этого цикл повторяется.

В холодное время года теплонасос работает как обогреватель, а в жаркое время может использоваться для охлаждения помещения (при этом тепловой насос не подогревает, а охлаждает теплоноситель – воду. А охлажденная вода, в свою очередь может использоваться для охлаждения воздуха в помещении).

В общем случае, теплонасос представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если поместить холодильник на улице, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его вовнутрь дома, то можно таким нехитрым способом, в какой-то степени, обогревать помещение.

Однако, как показывает практика, одного лишь теплового насоса для снабжения дома теплом и горячей водой недостаточно. Осмелюсь предложить оптимальную, на мой взгляд, схему отопления и горячего водоснабжения дома.

Предлагаемая схема снабжения дома теплом и горячей водой

1 – теплогенератор; 2 – солнечный коллектор; 3 – бойлер косвенного нагрева; 4 – тепловой насос; 5 – трубопровод в земле; 6 – циркуляционный блок гелиосистемы; 7 – радиатор отопления; 8 – контур подачи горячей воды; 9 – система отопления «теплый пол».

Данная схема предполагает одновременное использование трех источников тепла. Основную роль играет в ней теплогенератор (1), тепловой насос (4) и солнечный коллектор (2), которые служат вспомогательными элементами и способствуют снижению затрат потребляемой электроэнергии, как следствие, и повышению эффективности нагрева. Одновременное использование трех источников нагрева практически полностью исключает опасность размерзания системы.

Ведь вероятность выхода из строя одновременно и теплогенератора, и теплового насоса, и солнечного коллектора ничтожно мала. На схеме показаны два варианта обогрева помещений: радиаторы (7) и «теплый пол» (9). Это не значит, что надо использовать оба варианта, а лишь иллюстрирует возможность использования и одного и второго.

Принцип работы схемы отопления

Теплогенератор (1) подает нагретую воду в бойлер (3) и контур, состоящий из радиаторов отопления (7). Также в бойлер поступает нагретый теплоноситель от теплового насоса (4) и солнечного коллектора (2). Часть нагретой тепловым насосом воды также подается на вход теплогенератора. Смешиваясь с «обраткой» обогревающего контура, она повышает ее температуру. Это способствует более эффективному нагреву воды в кавитаторе теплогенератора. Нагретая и накопленная в бойлере вода подается в контур системы «теплый пол» (9) и контур подачи горячей воды (8).

Конечно, эффективность данной схемы будет неодинаковой в различных широтах. Ведь солнечный коллектор будет иметь наибольшую эффективность в летнее время года и, конечно же, в солнечную погоду. В наших широтах летом отапливать жилые помещения нет необходимости, поэтому теплогенератор можно вообще отключить. А так как лето у нас довольно жаркое и мы уже с трудом представляем свой быт без кондиционера, то тепловой насос предполагается включить на режим охлаждения. Естественно трубопровод, идущий от теплового насоса к бойлеру, будет перекрыт. Таким образом решать задачу горячего водоснабжения предполагается только с помощью гелиосистемы. И лишь в случае, если гелиосистема не справляется с этой задачей, использовать теплогенератор.

Как видим, схема довольно сложная и дорогостоящая. Общие приблизительные затраты в зависимости от выбранной схемы приведены ниже.

Затраты для вертикального коллектора:

Тепловой насос 6000 €;
Буровые работы 6000 €;
Эксплуатационные расходы (электричество): около 400 € в год.

Для горизонтального коллектора:

Тепловой насос 6000 €;
Буровые работы 3000 €;
Эксплуатационные расходы (электричество): около 450 евро в год.

Из крупных затрат потребуются расходы на закупку труб и на оплату труда рабочих.

Установка плоского солнечного коллектора (например, Vitosol 100-F и водонагревателя 300 л) обойдется в 3200 €.

Поэтому давайте, пойдем от простого к сложному. Сначала соберем простую схему отопления дома на основе теплогенератора, отладим ее, и постепенно будем добавлять в неё новые элементы, позволяющие увеличивать КПД установки.

Соберем систему отопления по схеме:

Схема теплоснабжения дома с использованием теплогенератора

1 – теплогенератор; 2 – бойлер косвенного нагрева; 3 – система отопления «теплый пол»; 4 – контур подачи горячей воды.

В итоге мы получили простейшую схему теплоснабжения дома, Я поделился своими мыслями для того, что бы побудить инициативных людей к развитию альтернативных источников энергии. Если у кого-то возникнут идеи или возражения по поводу написанного выше, давайте делиться мыслями, давайте накапливать знания и опыт в данном вопросе, и мы сбережем нашу экологию и сделаем жизнь немножко лучше.

Как видим здесь основной и единственный элемент, нагревающий теплоноситель, - это теплогенератор. Хотя в схеме и предусмотрен лишь один источник нагрева, она предусматривает возможность дальнейшего добавления дополнительных нагревательных устройств. Для этого предполагается использование бойлера косвенного нагрева с возможностью добавления или извлечения теплообменников.

Использование радиаторов отопления, имеющихся в схеме, изображенной на рисунке на один выше, не предполагается. Как известно система «теплый пол» более эффективно справляется с задачей обогрева помещений и позволяет экономить затрачиваемую энергию.

Отопление дома

В данной статье описаны варианты отопления дома и горячего водоснабжения с помощью теплового насоса, солнечного коллектора и кавитационного теплогенератора.

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.

Техника расчета мощности теплового насоса

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.

Пример расчета мощности насоса

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

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

12500 ккал/час / 860 = 14,53 кВт.

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

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.
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.
Экологичность. Принцип работы теплового насоса основан на малом потреблении электроэнергии и отсутствии продуктов горения.
Используемый агрегатом хладагент не содержит хлоруглеродов и полностью озонобезопасен.
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.
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.
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.

Особенности и принцип работы ТН

Разновидности установок

Какой ТН лучше собирать

Простейший тепловой насос из оконного кондиционера

Делаем геотермальную установку

Расчет грунтового контура и теплообменников насоса

Оборудование и материалы

Сборка теплообменного блока

Устройство грунтового контура

Заправка и запуск системы

Заключение

Как выполнить расчет оборудования?

Как сделать тепловой насос своими руками?

Монтаж теплового насоса своими руками

Вертикальный насос типа грунт вода

Горизонтальный насос типа грунт вода

Заключение

Порядок расчета тепловых насосов

Методы и программы расчета мощности теплового насоса для отопления дома

Источники тепловой энергии

Библиотека статей на профессиональную тему

Тепловые насосы. Расчет, выбор оборудования, монтаж.

4.2. Низкопотенциальные источники тепла

4.2.1. Низкопотенциальный источник – воздух

Отопление дома. Схема отопления дома с тепловым насосом

Тепловой насос. Конструкция обогрева дома

Принцип действия теплового насоса

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Пример расчета теплового насоса

Расчет вертикального коллектора

Работа теплового насоса при работе по схеме «Грунт-вода»

�?сточники тепловой энергии

Техника расчета мощности теплового насоса

Пример расчета мощности насоса

Цена вопроса

Обсудить «Тепловой насос своими руками» на форуме

Технические находки

Первичный контур

Выбор и расчет теплового насоса

Борьба за эффективность

Есть опасения…

Принцип работы устройства и работы

Тепловой насос воздух-воздух

Водяной / водяной тепловой насос

Вычисление мощности теплового насоса

Как мне построить тепловой насос дома?

Тепловой насос от кондиционера

вывод

Всегда ли эффективен тепловой насос?

1. Сколько стоит?

2. От чего зависит эффективность эксплуатации

2.1. Коэффициент преобразования

» Принцип расчета и подбора тепловых насосов

2.2. Тарифы на энергоносители

Пример 1

Пример 2

Пример 3

3. Срок окупаемости

Пример 4

Пример 5

Пример 6

4. Некоммерческая выгода

Тепловой насос: принцип работы — особенности и виды

Откуда насос берет тепло?

Система отопления с тепловым насосом

Примерный расчет теплопроизводительности

Виды тепловых насосов

Преимущества тепловых насосов

Отопление дома. Схема отопления дома с тепловым насосом

Некоторые особенности эксплуатации насосов

Если тепловой насос используется для обогрева дома

Типы тепловых насосов

первый Отделяя тепло от воздуха

2. Извлечение тепла из горных пород

3. Извлечение тепла из земли

Преимущества и недостатки тепловых насосов

первый
Отделяя тепло от воздуха