Одной из разновидностей тепловых насосов, имеющих простую конструкцию, является тепловой насос воздух-воздух. Принцип работы насоса схож с принципом действия геотермального теплового насоса. Разница заключается в том, что отбор тепла происходит не из грунта или воды, а из наружных воздушных масс. Соответственно, отопление здания происходит путём нагрева воздуха в помещениях.
Можно сказать, что тепловой насос воздух-воздух – это кондиционер наоборот. В этом и заключается основное достоинство теплового насоса воздух-воздух – для его установки и эксплуатации не требуется бурение скважин и прокладка подземного контура.
Если в силу ряда причин нет возможности проложить контур подземного теплообменника для отбора тепла (отсутствует финансовая возможность, не хватает места на участке для горизонтальной укладки, отсутствуют грунтовые воды под участком или нет озера рядом с ним, наличие гранитного пласта на небольших глубинах) – тепловой насос типа воздух-воздух будет наиболее приемлемым вариантом решения экономного и экологически чистого отопления.
Устройство и принцип работы теплового насоса воздух-воздух
Тепловой насос типа воздух-воздух состоит из наружного и внутреннего блоков. Наружный, он же испарительный блок, размещается снаружи здания. Именно с его помощью из наружного воздуха извлекается тепло. Это тепло нагревает хладагент, который вскипает, переходя в газообразное состояние. Затем компрессор сжимает этот газ, значительно повышая его температуру. Тепло сжатого газа передаётся в конденсатор (внутренний блок), который находится внутри помещения. Конденсатор отдаёт тепло воздуху внутри помещения. Этот процесс происходит непрерывно и контролируется автоматически до тех пор, пока не будет достигнута заданная температура в помещении.
Если есть необходимость в обогреве нескольких помещений или одного большого, то в этом случае используются различные системы распределения и подачи тёплого воздуха.
В силу того, что тепловые насосы данного типа нагревают лишь воздух в помещениях (происходит прямой нагрев воздуха), то такие теплонасосы можно использовать только для отопления. То есть, для подогрева воды в ванной или кухне необходимо предусмотреть иные решения.
Плюсы использования
Положительным моментом теплового насоса типа воздух-воздух, по сравнению с насосом воздух-вода, является низкая температура воздуха, которая проходит через теплообменник конденсатора. Проще говоря, если для теплонасосов типа воздух-вода для качественного отопления требуется нагрев теплоносителя (воды) до достаточно высоких температур, то в случае использования теплового насоса воздух-воздух требуемая температура нагрева воздуха значительно ниже. Тем более что коэффициент эффективности теплового насоса тем выше, чем меньше разница между температурой источника тепла и температурой в отопительной системе.
Основные преимущества теплового насоса типа воздух-воздух:
- простота конструкции, монтажа и эксплуатации – для установки таких теплонасосов нет необходимости в буровых работах, прокладывании сложных коммуникаций, отведении специальных помещений и прочее;
- возможность установки практически в любой климатической зоне;
- теплонасосы такого типа можно установить в уже построенном доме с имеющейся традиционной системой отопления, тем самым достигнув значительной экономии средств на отоплении. Установка потребует минимального изменения и вмешательства в существующий дизайн;
- имеют наименьшую стоимость и наименьший срок окупаемости, по сравнению с другими типами теплонасосов;
- низкое энергопотребление;
- автономность, компактность и бесшумность работы;
- в летнее время тепловые насосы типа воздух-воздух можно переключать на режим охлаждения, а наличие высокоэффективных воздушных фильтров поможет создать в помещениях требуемый микроклимат.
Недостатки теплового насоса воздух-воздух
К сожалению, тепловые насосы типа воздух-воздух имеют и свои недостатки. К одним из них относится зависимость величины производительности от колебаний температуры наружного воздуха.
При температуре наружного воздуха 0°С коэффициент энергоэффективности теплонасоса падает до уровня 2-2,5, то есть на 1 кВт затраченной энергии, будет произведено 2-2,5 кВт тепла.
Для сравнения, при более высокой температуре эти теплонасосы имеют коэффициент энергоэффективности 3-4. А при падении температуры до -20°С коэффициент энергоэффективности падает до 1. То есть, появляется необходимость производить обогрев помещения другими средствами. Хотя, на сегодняшний момент есть производители с всемирно известными именами, которые предлагают тепловые насосы воздух-воздух, способные эффективно работать при температуре до -25°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.
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.
Оплачивать электроэнергию и теплоснабжение с каждым годом становится сложнее. При строительстве или покупке нового жилья проблема экономичного энергоснабжения становится особенно острой. Из-за периодически повторяющихся энергетических кризисов выгоднее увеличить первоначальные расходы на высокотехнологичное оборудование, чтобы потом десятилетиями получать тепло по минимальной стоимости.
Наиболее рентабельным вариантом в некоторых случаях является тепловой насос для отопления дома, принцип работы этого устройства довольно простой. Перекачивать тепло в прямом смысле этого слова невозможно. Но закон сохранения энергии позволяет техническим устройствам понижать температуру вещества в каком-то одном объеме, одновременно нагревая что-либо в другом месте.
Что такое тепловой насос (ТН)
Возьмем для примера обычный бытовой холодильник. Внутри морозильника вода быстро превращается в лед. Снаружи находится горячая на ощупь радиаторная решетка. От нее тепло, собранное внутри морозильной камеры, передается комнатному воздуху.
То же самое, но в обратной последовательности, делает ТН. Радиаторная решетка, расположенная снаружи здания, имеет гораздо большие размеры, чтобы собрать достаточно тепла из окружающей среды для обогрева жилья. Теплоноситель внутри трубок радиатора или коллектора отдает энергию отопительной системе внутри дома, а затем нагревается снова вне дома.
Устройство
Обеспечить дом теплом - это более сложная техническая задача, чем охладить небольшой объем холодильника, где установлен компрессор с морозильным и радиаторным контурами. Почти так же просто устроен воздушный ТН, который получает тепло из атмосферы и подогревает внутренний воздух. Добавляются только вентиляторы для обдува контуров.
Получить большой экономический эффект от установки системы «воздух-воздух» сложно из-за малого удельного веса атмосферных газов. Один кубический метр воздуха весит всего лишь 1,2 кг. Вода примерно в 800 раз тяжелее, поэтому теплотворная способность тоже имеет многократную разницу. Из 1 кВт электрической энергии, потраченной устройством типа «воздух-воздух», можно получить только 2 кВт тепла, а ТН «вода-вода» дает 5–6 кВт. Гарантировать такой высокий коэффициент полезного действия (КПД) может ТН.
Состав компонентов насоса:
- Система отопления дома, для которой лучше применить теплые полы.
- Бойлер для горячего водоснабжения.
- Конденсатор, передающий энергию, собранную вовне, к теплоносителю внутридомового отопления.
- Испаритель, отбирающий энергию у теплоносителя, который циркулирует во внешнем контуре.
- Компрессор, который перекачивает хладагент от испарителя, переводя его из газообразного в жидкое состояние, повышая давление и охлаждая в конденсаторе.
- Расширительный клапан, устанавливается перед испарителем для регулирования потока хладагента.
- Внешний контур укладывается на дно водоема, закапывается в траншеи или опускается в скважины. Для ТН типа «воздух-воздух» контуром служит наружная радиаторная решетка, обдуваемая вентилятором.
- Насосы перекачивают теплоноситель по трубам снаружи и внутри дома.
- Автоматика для управления по заданной программе обогрева помещения, которая зависит от изменений температуры наружного воздуха.
Внутри испарителя теплоноситель внешнего трубного регистра охлаждается, отдавая тепло хладагенту компрессорного контура, а затем насосом перекачивается по трубам на дне водоема. Там он нагревается и цикл вновь повторяется. В конденсаторе происходит передача тепла системе отопления коттеджа.
Цены на разные модели тепловых насосов
тепловой насос
Принцип работы
Открытый в начале XIX века французским ученым Карно термодинамический принцип переноса тепла потом был детализирован лордом Кельвином. Но практическая польза их трудов, посвященных решению проблемы отопления жилья от альтернативных источников, появилась только в последние пятьдесят лет.
В начале семидесятых годов прошлого столетия произошел первый энергетический кризис мирового масштаба. Поиски экономичных способов отопления привели к созданию устройств, способных собирать из окружающий среды энергию, концентрировать ее и направлять на обогрев дома.
В результате была разработана конструкция ТН со взаимодействующими между собой несколькими термодинамическими процессами:
- Когда хладагент компрессорного контура попадает в испаритель, давление и температура фреона почти мгновенно снижаются. Полученный в результате температурный перепад способствует отбору тепловой энергии от теплоносителя внешнего коллектора. Эта фаза называется изотермическим расширением.
- Затем происходит адиабатическое сжатие - компрессор увеличивает давление хладагента. При этом его температура возрастает до +70 °С.
- Проходя конденсатор, фреон становится жидкостью, так как при повышенном давлении отдает тепло контуру внутридомового отопления. Эта фаза называется изотермическим сжатием.
- Когда хладон проходит дроссель, давление и температура резко падают. Происходит адиабатическое расширение.
Нагревание внутреннего объема помещения по принципу ТН возможно только с использованием высокотехнологичного оборудования, снабженного автоматикой для управления всеми вышеперечисленными процессами. Кроме того, программируемые контроллеры регулируют интенсивность генерации тепла соответственно колебаниям температуры наружного воздуха.
Альтернативное топливо для насосов
Использовать углеродное топливо в виде дров, угля, газа для работы ТН вовсе не нужно. Источником энергии служит рассеянное в окружающем пространстве тепло планеты, внутри которой находится постоянно действующий ядерный реактор.
Твердая оболочка материковых плит плавает на поверхности жидкой раскаленной магмы. Иногда она прорывается наружу при вулканических извержениях. Вблизи вулканов встречаются геотермальные источники, где даже зимой можно купаться и загорать. Тепловой насос способен собирать энергию практически повсеместно.
Для работы с различными источниками рассеянного тепла существует несколько типов ТН:
- «Воздух-воздух». Извлекает энергию из атмосферы и нагревает воздушные массы внутри помещения.
- «Вода-воздух». Тепло собирается внешним контуром со дна водоема для последующего использования в вентиляционных системах.
- «Грунт-вода». Трубы для сбора тепла располагаются горизонтально под землей ниже уровня промерзания, чтобы даже в самый сильный мороз получать энергию для подогрева теплоносителя в отопительной системе здания.
- «Вода-вода». Коллектор раскладывают по дну водоема на глубине от трех метров, собранное тепло нагревает воду, циркулирующую в теплых полах внутри дома.
Существует вариант с открытым внешним коллектором, когда можно обойтись двумя скважинами: одна - для забора грунтовых вод, а вторая - для слива обратно в водоносный слой. Такой вариант возможен только при хорошем качестве жидкости, потому что фильтры быстро засоряются, если в составе теплоносителя имеется слишком много солей жесткости или взвешенных микрочастиц. Перед монтажом надо обязательно сделать анализ воды.
Если пробуренная скважина быстро заиливается или вода содержит много солей жесткости, тогда стабильная работа ТН обеспечивается бурением большего количества отверстий в земле. В них опускают петли герметичного внешнего контура. Затем скважины закупоривают с помощью тампонажа из смеси глины и песка.
Использование грунтовых насосов
Извлечь дополнительную пользу из участков, занятых газонами или цветниками, можно с помощью ТН типа «грунт-вода». Для этого нужно уложить в траншеи трубы на глубину ниже уровня промерзания для сбора подземного тепла. Расстояние между параллельными траншеями не менее 1,5 м.
На юге России даже в экстремально холодные зимы земля замерзает максимум на 0,5 м, поэтому проще снять грейдером полностью слой земли на монтажном участке, уложить коллектор, а затем засыпать экскаватором котлован. На этом месте нельзя сажать кустарники и деревья, корни которых способны повредить внешний контур.
Количество получаемого тепла от каждого метра трубы зависит от типа почвы:
- сухой песок, глина - 10–20 Вт/м;
- влажная глина - 25 Вт/м;
- увлажненный песок и гравий - 35 Вт/м.
Площади прилегающего к дому участка земли может быть недостаточно для размещения внешнего регистра труб. Сухие песчаные грунты не дают достаточного теплового потока. Тогда применяют бурение скважин глубиной до 50 метров, чтобы достичь водоносного слоя. В скважины опускают U-образные петли коллектора.
Чем больше глубина, тем выше возрастает тепловая эффективность зондов внутри скважин. Температура земных недр повышается на 3 градуса каждые 100 м. Эффективность съема энергии скважинного коллектора может достигать 50 Вт/м.
Монтаж и запуск систем ТН - это технологически сложный комплекс работ, которые могут выполнить только опытные специалисты. Общая стоимость оборудования и комплектующих материалов значительно выше, если сравнивать с обычным газовым оборудованием для теплоснабжения. Поэтому срок окупаемости первоначальных затрат растягивается на годы. Но дом строится на десятилетия, а геотермальные тепловые насосы - самый выгодный способ отопления для загородных коттеджей.
Ежегодная экономия в сравнении с:
- газовым котлом - 70 % ;
- электрообогревом - 350 %;
- твердотопливным котлом - 50 %.
При расчете срока окупаемости ТН стоит учитывать эксплуатационные расходы за все время службы оборудования - минимум 30 лет, тогда экономия многократно превысит первоначальные затраты.
Насосы типа «вода-вода»
Разместить на дне близлежащего водоема полиэтиленовые трубы коллектора может практически любой человек. Для этого не понадобится больших профессиональных знаний, навыков, инструментов. Достаточно равномерно распределить витки бухты по поверхности воды. Между витками должно быть расстояние не менее 30 см, а глубина затопления не менее 3 м. Затем надо привязать грузы к трубам, чтобы они ушли на дно. Тут вполне подойдет некондиционный кирпич или природный камень.
На монтаж коллектора ТН типа «вода-вода» потребуется значительно меньше времени и денег, чем при рытье траншей или бурении скважин. Расходы на приобретение труб также будут минимальными, поскольку съем тепла при конвективном теплообмене в водной среде достигает 80 Вт/м. Очевидная выгода применения ТН - не нужно сжигать углеродное топливо для получения тепла.
Альтернативный способ отопления дома становится все более востребованным, поскольку обладает еще несколькими преимуществами:
- Экологически безопасен.
- Использует возобновляемый источник энергии.
- После окончания пусконаладочных работ отсутствуют регулярные затраты расходных материалов.
- Автоматически регулирует нагревание внутри дома по температуре наружного воздуха.
- Срок окупаемости начальных затрат 5–10 лет.
- Можно подключить бойлер для горячего водоснабжения коттеджа.
- Летом работает как кондиционер, охлаждая приточный воздух.
- Срок службы оборудования - более 30 лет.
- Минимальные энергозатраты - генерирует до 6 кВт тепла при использовании 1 кВт электричества.
- Полная независимость отопления и кондиционирования коттеджа при наличии электрогенератора любого типа.
- Возможна адаптация к системе «умный дом» для дистанционного управления, дополнительной экономии энергии.
Для работы ТН типа «вода-вода» необходимы три независимых системы: внешний, внутридомовой и компрессорный контуры. Они объединены в одну схему теплообменниками, в которых циркулируют различные теплоносители.
При проектировании системы энергоснабжения следует учитывать, что на перекачивание насосом теплоносителя по внешнему контуру расходуется электроэнергия. Чем больше длина труб, изгибов, поворотов, тем менее выгоден ТН. Оптимальное расстояние от дома до берега - 100 м. Его можно удлинить на 25 % за счет увеличения диаметра труб коллектора с 32 до 40 мм.
Воздушные - сплит и моно
Применять воздушные ТН выгоднее в южных регионах, где температура редко опускается ниже 0 °С, но современное оборудование способно работать и при -25 °С. Чаще всего устанавливают сплит-системы, состоящие из внутридомового и наружного блоков. Внешний комплект состоит из вентилятора, обдувающего радиаторную решетку, внутренний - из конденсаторного теплообменника и компрессора.
Конструкцией сплит-систем предусматривается реверсивное переключение режимов работы с помощью клапана. Зимой внешний блок является генератором тепла, а летом наоборот - отдает его наружному воздуху, работая как кондиционер. Воздушные ТН отличаются предельно простым монтажом внешнего блока.
Другие преимущества:
- Высокая эффективность работы наружного блока обеспечивается большой площадью теплообмена радиаторной решетки испарителя.
- Бесперебойная работа возможна при температуре наружного воздуха до -25 °С.
- Вентилятор размещается за пределами помещения, поэтому уровень шума находится в допустимых пределах.
- Летом сплит-система работает как кондиционер.
- Автоматически поддерживается заданная температура внутри помещения.
Проектируя отопление зданий, расположенных в регионах с продолжительной и морозной зимой, необходимо учитывать низкую эффективность воздушных ТН при отрицательных температурах. На 1 кВт затраченной электроэнергии приходится 1,5–2 кВт тепла. Поэтому надо предусматривать дополнительные источники теплоснабжения.
Самый простой монтаж ТН возможен в случае применения моноблочных систем. Внутрь помещения заходят только трубки с теплоносителем, а все остальные механизмы находятся снаружи в одном корпусе. Такая конструкция существенно повышает надежность работы оборудования, а также снижает шум до величины менее 35 дБ - это на уровне обычного разговора двух человек.
Когда установка насоса нерентабельна
Найти в городе свободные участки земли для расположения внешнего контура ТН типа «грунт-вода» практически невозможно. Проще установить на внешней стене здания воздушный тепловой насос, который особенно выгоден в южных регионах. Для более холодных территорий с продолжительными морозами существует вероятность обледенения наружной радиаторной решетки сплит-системы.
Высокий коэффициент полезного действия ТН обеспечивается при выполнении следующих условий:
- Обогреваемое помещение должно иметь утепленные внешние ограждающие конструкции. Максимальная величина тепловых потерь не может превышать 100 Вт/м 2 .
- ТН способен работать эффективно только с инерционной низкотемпературной системой «теплый пол».
- В северных регионах ТН следует использовать совместно с дополнительными источниками тепла.
Когда температура наружного воздуха резко падает, то инерционный контур «теплого пола» просто не успевает прогревать помещение. Зимой так бывает часто. Днем солнышко пригрело, на градуснике -5 °С. Ночью температура может быстро опуститься до -15 °С, а если подует сильный ветер, то мороз будет еще сильнее.
Тогда надо установить под окнами и вдоль наружных стен обычные батареи. Но температура теплоносителя в них должна быть в два раза выше, чем в контуре «теплого пола». Дополнительную энергию в загородном коттедже может дать камин с водяным контуром, а городской квартире - электрический котел.
Остается только определить, будет ли ТН основным или дополняющим источником тепла. В первом случае он должен компенсировать 70 % общего количества тепловых потерь помещения, а во втором - 30 %.
Видео
В ролике проводится визуальное сравнение достоинств и недостатков различных типов тепловых насосов, подробно объясняется устройство системы «воздух-вода».
Евгений Афанасьев главный редактор
Автор публикации 05.02.2019
Простым языком, принцип работы теплового насоса близок к бытовому холодильнику — берет тепловую энергию у источника тепла и передает его в систему отопления. Источником тепла для насоса может быть грунт, скальная порода, атмосферный воздух, вода из разных источников (реки, ручьи, грунтовки, озера).
Типы тепловых насосов классифицируют по источнику тепла:
- воздух-воздух;
- вода-воздух;
- вода-вода;
- грунт-вода (земля-вода);
- лед-вода (редко).
Обогрев, кондиционирование и ГВС — все это может обеспечить тепловой насос. Для обеспечения всего этого ему не нужно горючее. Электричество, идущее на поддержание работы насоса, составляет примерно 1/4 от потребления другими видами отопления.
Компоненты системы отопления на тепловом насосе
Компрессор — сердце системы отопления на тепловом насосе. Он концентрирует рассеянное низкопотенциальное тепло, повышая его температуру за счет сжатия, и передает теплоносителю в систему. При этом электроэнергия тратится исключительно на сжатие и перенос тепловой энергии, а не на нагрев теплоносителя — воды или воздуха. По усредненным подсчетам, на 10 кВт тепла тратится до 2,5 кВт электричества.
Накопительный бак для горячей воды (для инверторных систем). Аккумулирующий бак накапливает воду, выравнивающую тепловые нагрузки отопительной системы и ГВС.
Хладагент . Так называемое рабочее тело, находящееся под низким давлением и кипящее при низких температурах, поглотитель низкопотенциальной энергии источника тепла. Это газ, циркулирующий в системе (фреон, аммиак).
Испаритель , обеспечивающий отбор и передачу тепловой энергии насосу из низкотемпературного источника.
Конденсатор
, передающий тепло от хладагента воде или воздуху в системе.
Терморегулятор.
Первичный и вторичный грунтовый контур . Передающая тепло от источника к насосу и от насоса в домашнее отопление циркуляционная система. Первичный контур состоит из: испарителя, насоса, труб. Вторичный контур включает в себя: конденсатор, насос, трубопровод.
Тепловой насос воздух-вода 5-28 кВт
Тепловой насос воздух-вода на отопление и ГВС 12-20 кВт
Принцип работы теплового насоса заключается в поглощении и последующем выделении тепловой энергии в процессе испарения и конденсации жидкости а так же в смене давления и последующем изменении температуры конденсации и испарения.
Тепловой насос изменяет движение тепла — заставляет двигаться в обратном направлении. То есть ТН тот же гидравлический, перекачивающий жидкости снизу-вверх, вопреки природному движению сверху-вниз.
Хладагент подвергается сжатию в компрессоре и передается конденсатору. Высокое давление и температура конденсирует газ (фреон чеще всего), тепло передается теплоносителю в систему. Процесс повторяется, когда хладагент проходит испаритель снова — давление снижается и запускается процесс низкотемпературного кипения.
В зависимости от источника низкопотенциального тепла, каждый вид насосов имеет свои нюансы.
Особенности тепловых насосов в зависимости от источника тепла
Тепловой насос воздух-вода зависит от температуры воздуха, которая не должна опускаться ниже +5°С за бортом, а заявленный коефициент преобразования теплоты СОР 3,5-6 реально получить только при 10°С и выше. Насосы такого типа инсталлируются на участке, в самом продуваем месте, устанавливают и на крышах. Примерно то же можно сказать о насосах «воздух-воздух».
Тип насоса «грунт-вода»
Насос «грунт-вода» или геотермальный тепловой насос совершает забор тепловой энергии из грунта. Земля имеет температуру от 4°С до 12°С, всегда стабильных на глубине 1,2 -1,5 м.
Размещать горизонтальный коллектор нужно на участке, площадь зависит от температур грунта и размера отапливаемой площади, над системой кроме травки ничего сажать и размещать нельзя. Есть вариант вертикального коллектора со скважиной до 150 м. Промежуточный теплоноситель церкулирует по трубам, проложенным в грунте и прогревается до 4°С, охлаждая почву. В свою очередь, грунт должен восполнить потери тепла, а это значит, что для эффективной работы ТН нужны сотни метров труб по участку.
Тепловой насос «вода-вода»
Тепловой насос «вода-вода» работает на низкопотенциальном тепле рек, ручьев, сточных водах и грунтовках. Вода более теплоемкая, нежели воздух, но в охлаждении грунтовых вод есть свои нюансы — нельзя охлаждать до замерзания, вода должна свободно дренировать в грунт.
Нужно иметь стопроцентную уверенность, что за сутки получится беспрепятственно пропустить сквозь себя десятки тонн воды. Эта проблема часто решается сбросом охлажденной воды в ближайший водоем, с тем лишь условием, что водоем у вас за забором, иначе такое отопление выливается в миллионы. Если до проточного водоема десяток метров, то отопление тепловым насосом «вода-вода» будет самым эффективным.
Тепловой насос «лед-вода»
Тепловой насос «лед-вода» достаточно экзотический тип насосов, требующий доработки теплообменника — насос воздух-вода переделывается под охлаждение воды и отводит лед.
За отопительный сезон накапливается около 250 тонн льда, которые можно складировать (такой обьем льда может наполнить средний бассейн). Этот тип тепловых насосов хорош для наших зим. 330 Кдж/кг — столько тепла выделяет вода в процессе замерзания. В свою очередь, остывание воды на 1°С дает в 80 раз меньше тепла. Норма отопления 36000 Кдж/ч получается из заморозки 120 литров воды. На этом тепле можно построить систему отопления тепловым насосом лед-вода. Пока информации по данному типу насосов очень мало, буду искать.
Плюсы и минусы тепловых насосов
Не хочется мне тут разглагольствовать по поводу «зеленой» энергии и экологичности, так как цена на всю систему оказывается заоблачной и тут в последнюю очередь задумываешься об озоновом слое. Если опустить стоимость системы отопления на тепловом насосе, то плюсы такие:
- Безопасное отопление
. Сужу по себе — когда мой газовый котел врубает горелку с хлопком, на голове каждые 15 минут появляется седой волос. Тепловой насос не использует открытого пламени, горючего топлива. Никаких запасов дров и угля.
КПД теплового насоса около 400-500% (берет 1 кВт электроэнергии, тратит 5). - «Чистое» отопление без отходов сгорания, выхлопа, запаха.
- Тихая работа при «правильном» компрессоре.
Жирный минус тепловых насосов — цена на всю систему в целом и редко встречающиеся идеальные условия для эффективной работы насоса.
Окупаемость системы отопления на основе теплового насоса может быть и 5 лет, а может и 35, и вторая цифра, к сожалению, более реальна. Это очень дорогая система на этапе внедрения и очень трудоемкая.
Кто бы что вам не рассказывал, нынче развелось кулибиных, расчетами на тепловой насос должен заниматься только специалист теплотехник, с выездом на объект.
Загрузка...