Давно и весьма успешно тепловые насосы используются в бытовых и промышленных холодильниках и кондиционерах.
Сегодня эти устройства стали применять и для выполнения функции противоположного характера – обогрева жилища в период холодов.
Давайте же посмотрим, как используются тепловые насосы для отопления частных домов и что нужно знать, чтобы правильно рассчитать все его компоненты.
Тепловой насос. Конструкция обогрева дома
В системе отопления дома тепловой насос (ТН) играет ту же роль, что и котел, то есть является теплогенератором.
Разница состоит только в том, что котел сжигает топливо, а ТН «выкачивает» тепловую энергию из источников, которые, на первый взгляд, совсем ею не богаты.
Грунт и речная вода с температурой 5 – 7 градусов, или даже морозный зимний воздух, температура которого вообще оказалась ниже нуля.
Такие источники называются низкопотенциальными, и хотя с понятием тепла они никак не ассоциируются, ТН умудряется «выжать» из них внушительный объем живительной энергии. К этому следует добавить тепло, выделяемое электродвигателем компрессора ТН: здесь, в отличие от холодильника и кондиционера, оно не пропадает даром.
В остальном система отопления на базе ТН ничем не отличается от обычной: используется теплоноситель – вода или воздух, который нагревается, протекая через теплообменник, а затем разносит тепло по всему дому. Циркуляцию обеспечивает насос (для водяного отопления) или вентилятор (для воздушного). Точно также, как и традиционный теплогенератор, ТН можно одновременно подключить к контуру горячего водоснабжения (ГВС) как с накопительной емкостью (бойлером), так и без нее.
Знаете ли вы, что можно обогревать жилище практически бесплатно? Геотермальное отопление: принцип работы, достоинства и недостатки технологии, читайте внимательно.
О том, как самостоятельно установить двухконтурный газовый котел для отопления частного дома, читайте тут.
В России паровое отопление появилось раньше водяного, однако сейчас такая система используется редко. Здесь https://4air.ru/sistemy-otopleniya/montazh-sistem-otopleniya/parovoe-otoplenie-v-chastnom-dome-sxema.html вы найдете обзор основных видов котлов и способов парового отопления.
Принцип работы тепловых насосов
В любом ТН имеется рабочая среда, именуемая хладагентом. Обычно в этом качестве выступает фреон, реже – аммиак. Само устройство состоит всего из трех компонентов:
- испаритель,
- компрессор,
- конденсатор.
Испаритель и конденсатор – это два резервуара, имеющие вид длинных изогнутых трубок – змеевиков. Конденсатор одним концом присоединяется к выходному патрубку компрессора, а испаритель ко входному. Концы змеевиков стыкуются и в месте соединения между ними устанавливается редукционный клапан. Испаритель контактирует – непосредственно или косвенно – со средой-источником, а конденсатор – с системой отопления или ГВС.
Принцип работы теплового насоса
Работа ТН основана на взаимозависимости объема, давления и температуры газа. Вот что происходит внутри агрегата:
- Аммиак, фреон или другой хладагент, двигаясь по испарителю, нагревается от среды-источника, допустим, до температуры +5 градусов.
- Пройдя испаритель, газ достигает компрессора, который перекачивает его в конденсатор.
- Нагнетаемый компрессором хладагент удерживается в конденсаторе редукционным клапаном, поэтому его давление здесь выше, чем в испарителе. Как известно, с ростом давления температура любого газа увеличивается. Именно это происходит с хладагентом – он разогревается до 60 – 70 градусов. Поскольку конденсатор омывается циркулирующим в системе отопления теплоносителем, последний также нагревается.
- Через редукционный клапан хладагент небольшими порциями сбрасывается в испаритель, где его давление снова падает. Газ расширяется и остывает, а поскольку часть внутренней энергии была потеряна им в результате теплообмена на предыдущем этапе, его температура опускается ниже изначальных +5 градусов. Следуя по испарителю, он снова нагревается, далее закачивается в конденсатор компрессором – и так по кругу. По-научному этот процесс называется циклом Карно.
Главная особенность ТН состоит в том, что тепловая энергия берется из окружающей среды буквально даром. Правда, для ее добычи необходимо потратить некоторое количество электроэнергии (для компрессора и циркуляционного насоса/вентилятора).
Но ТН все-равно остается очень выгодным: за каждый потраченный кВт*ч электроэнергии удается получить от 3 до 5 кВт*ч тепла.
Виды конструкций тепловых насосов
Тип ТН принято обозначать словосочетанием, указывающим на среду-источник и теплоноситель системы отопления.
Существуют следующие разновидности:
- ТН «воздух воздух»,
- ТН «воздух вода»,
- ТН «грунт вода»,
- ТН «вода вода».
Самый первый вариант – это обычная сплит-система, работающая в режиме обогрева. Испаритель монтируется на улице, а внутри дома устанавливается блок с конденсатором. Последний обдувается вентилятором, благодаря чему в помещение подается теплая воздушная масса.
Если такую систему оснастить специальным теплообменником с патрубками, получится ТН типа «воздух вода». Он подключается к водяной системе отопления.
Испаритель ТН типа «воздух воздух» или «воздух вода» можно разместить не на улице, а в канале вытяжной вентиляции (она должна быть принудительной). В этом случае эффективность ТН будет увеличена в несколько раз.
Теплонасосы типа «вода вода» и «грунт – вода» для отбора тепла используют так называемый наружный теплообменник или, как его еще называют, коллектор.
Принципиальная схема работы теплового насоса
Это длинная закольцованная труба, как правило, пластиковая, по которой циркулирует жидкая среда, омывающая испаритель. Обе разновидности ТН представляют собой одно и то же устройство: в одном случае коллектор погружается на дно поверхностного водоема, а во втором – в грунт. Конденсатор такого ТН расположен в теплообменнике, подключаемом к системе водяного отопления.
Подключение ТН по схеме «вода вода» является гораздо менее трудоемким, чем «грунт вода», поскольку отпадает необходимость в проведении земляных работ. На дно водоема труба укладывается в виде спирали. Разумеется, для данной схемы подойдет только такой водоем, который зимой не промерзает до дна.
Работа теплового насоса при работе по схеме «грунт-вода»
Укладку коллектора в грунт можно произвести тремя способами.
Горизонтальный вариант
Трубы укладываются в траншеи «змейкой» на глубину, превышающую глубину промерзания грунта (в среднем – от 1 до 1,5 м).
Для такого коллектора потребуется участок земли достаточно большой площади, но зато его может построить любой домовладелец – никаких навыков, кроме умения работать лопатой, не понадобится.
Следует, правда, учесть, что сооружение теплообменника ручным способом – довольно трудоемкий процесс.
Вертикальный вариант
Трубы коллектора в виде петель, имеющих форму литеры «U», погружаются в скважины глубиной от 20 до 100 м. При необходимости можно построить несколько таких скважин. После установки труб скважины заливают цементным раствором.
Достоинство вертикального коллектора состоит в том, что для его строительства нужен совсем небольшой участок. Однако, пробурить скважины глубиной более 20 м самостоятельно нет никакой возможности – придется нанимать бригаду бурильщиков.
Комбинированный вариант
Этот коллектор можно считать разновидностью горизонтального, но для его строительства потребуется гораздо меньше места.
На участке выкапывается круглый колодец глубиной от 2-х м.
Трубы теплообменника укладываются спиралью, так что контур представляет собой как бы вертикально установленную пружину.
По завершении монтажных работ колодец засыпают. Как и в случае с горизонтальным теплообменником, весь необходимый объем работ можно произвести своими руками.
Коллектор заполняется антифризом – тосолом или раствором этиленгликоля. Для обеспечения его циркуляции в контур врезается специальный насос. Вобрав в себя тепло грунта, антифриз поступает к испарителю, где происходит теплообмен между ним и хладагентом.
Следует учесть, что неограниченный отбор тепла из грунта, особенно при вертикальном расположении коллектора, может привести к нежелательным последствиям для геологии и экологии участка. Поэтому в летний период ТН типа «грунт вода» весьма желательно эксплуатировать в реверсивном режиме кондиционирование.
Газовая система отопления имеет массу преимуществ и одно из главных низкая стоимость газа. Как обустроить обогрев жилища газом, вам подскажет схема отопления частного дома с газовым котлом. Рассмотрим проект отопительной системы и требования к замещению.
Об особенностях выбора солнечных батарей для отопления дома читайте в этой теме.
Расчет горизонтального коллектора теплового насоса
Эффективность горизонтального коллектора зависит от температуры среды, в которую он погружен, ее теплопроводности, а также площади контакта с поверхностью трубы. Методика расчета достаточно сложна, поэтому в большинстве случаев пользуются усредненными данными.
Считается, что каждый метр теплообменника обеспечивает ТН следующую тепловую мощность:
- 10 Вт – при заглублении в сухой песчаный или каменистый грунт,
- 20 Вт – в сухом глинистом грунте,
- 25 Вт – во влажном глинистом грунте,
- 35 Вт – в очень сыром глинистом грунте.
Таким образом, для расчета длины коллектора (L) следует потребную тепловую мощность (Q) разделить на теплотворную способность грунта (p):
L = Q / p.
Приведенные значения можно считать действительными только при соблюдении следующих условий:
- Участок земли над коллектором не застроен, не затенен и не засажен деревьями или кустами.
- Расстояние между соседними витками спирали или участками «змейки» составляет не менее 0,7 м.
При расчете коллектора следует учитывать, что температура грунта после первого года эксплуатации понижается на несколько градусов.
Пример расчета теплового насоса
Подберем ТН для системы отопления одноэтажного дома общей площадью 70 кв. м со стандартной высотой потолка (2,5 м), рациональной архитектурой и теплоизоляцией ограждающих конструкций, соответствующей требованиям современных строительных норм. На обогрев 1-го кв. м такого объекта по общепринятым нормам приходится тратить 100 Вт тепла. Таким образом, для отопления всего дома понадобится:
Q = 70 х 100 = 7000 Вт = 7 кВт тепловой энергии.
Выбираем тепловой насос марки «ТеплоДаром» (модель L-024-WLC) с тепловой мощностью W = 7,7 кВт. Компрессор агрегата потребляет N = 2,5 кВт электроэнергии.
Расчет коллектора
Грунт на отведенном под строительство коллектора участке – глинистый, уровень грунтовых вод высокий (принимаем теплотворную способность p = 35 Вт/м).
Мощность коллектора определяем по формуле:
Qk = W – N = 7,7 – 2,5 = 5,2 кВт.
Определяем длину трубы коллектора:
L = 5200 / 35 = 148.5 м (приблизительно).
Исходя из того факта, что укладывать контур длиной более 100 м нерационально из-за чрезмерно высокого гидравлического сопротивления, принимаем следующее: коллектор теплового насоса будет состоять из двух контуров длиной 100 м и 50 м.
Площадь участка, который необходимо будет отвести под коллектор, определим по формуле:
S = L x A,
Где А – шаг между соседними участками контура. Принимаем: А = 0,8 м.
Тогда S = 150 x 0.8 = 120 кв. м.
Расчет вертикального коллектора
На глубине свыше 15 м температура грунта стабильно держится на отметке +10 градусов круглый год. Поэтому эффективность вертикального коллектора является более высокой – в среднем с метрового участка удается снимать до 50 Вт тепла. Для расчета длины теплообменника также необходимо учитывать тип среды. Так, с 1-го метра трубы удается получить такую тепловую мощность:
- 20 Вт – при погружении в осадочный грунт (сухой),
- 50 Вт – в каменистом либо влажном осадочном грунте,
- 70 Вт – твердые породы (камень),
- 80 Вт – подземные воды.
Применение вертикального зонда для теплового насоса
При строительстве скважин следует соблюдать условие: расстояние между ними должно составлять не менее 5 м.
Для работы теплового насоса из вышеприведенного примера понадобится коллектор длиной L = 5200 / 50 = 140 м.
Следовательно, для обустройства коллектора потребуется пробурить две скважины глубиной 70 м. В каждой из них нужно будет установить по две U-образные петли, для чего необходимо будет закупить 4х140 = 560 м труб.