Одним з різновидів теплових насосів, що мають просту конструкцію, є тепловий насос повітря-повітря. Принцип роботи насоса схожий на принцип дії геотермального теплового насоса. Різниця полягає в тому, що відбір тепла відбувається не з ґрунту або води, а із зовнішніх повітряних мас. Відповідно, опалення будівлі відбувається шляхом нагрівання повітря у приміщеннях.
Можна сказати, що тепловий насос повітря-повітря це кондиціонер навпаки. В цьому і полягає основна перевага теплового насоса повітря-повітря – для його встановлення та експлуатації не потрібно буріння свердловин та прокладання підземного контуру.
Якщо через ряд причин немає можливості прокласти контур підземного теплообмінника для відбору тепла (відсутня фінансова можливість, не вистачає місця на ділянці для горизонтального укладання, відсутні ґрунтові води під ділянкою чи ні озера поряд з ним, наявність гранітного пласта на невеликих глибинах) – тепловий насос типу повітря-повітря буде найбільш прийнятним варіантом вирішення економного та екологічно чистого опалення.
Пристрій та принцип роботи теплового насосу повітря-повітря
Тепловий насос типу повітря-повітря складається із зовнішнього та внутрішнього блоків. Зовнішній, він випарний блок, розміщується зовні будівлі. Саме з його допомогою із зовнішнього повітря витягується тепло. Це тепло нагріває холодоагент, який закипає, переходячи до газоподібного стану. Потім компресор стискає газ, значно підвищуючи його температуру. Тепло стисненого газу передається в конденсатор (внутрішній блок), що знаходиться усередині приміщення. Конденсатор віддає тепло повітря усередині приміщення. Цей процес відбувається безперервно і контролюється автоматично до тих пір, поки не буде досягнуто заданої температури в приміщенні.
Якщо є необхідність в обігріві кількох приміщень або одного великого, то в цьому випадку використовуються різні системи розподілу та подачі теплого повітря.
Оскільки теплові насоси даного типу нагрівають лише повітря в приміщеннях (відбувається прямий нагрівання повітря), то такі теплонасоси можна використовувати тільки для опалення. Тобто для підігріву води у ванній або кухні необхідно передбачити інші рішення.
Плюси використання
Позитивним моментом теплового насоса типу повітря-повітря, порівняно з насосом повітря-вода є низька температура повітря, яка проходить через теплообмінник конденсатора. Простіше кажучи, якщо для теплонасосів типу повітря-вода для якісного опалення потрібне нагрівання теплоносія (води) до досить високих температур, то у разі використання теплового насоса повітря-повітря потрібна температура нагрівання повітря значно нижча. Тим більше що коефіцієнт ефективності теплового насоса тим вищий, що менше різниця між температурою джерела тепла та температурою в опалювальній системі.
Основні переваги теплового насоса типу повітря-повітря:
- простота конструкції, монтажу та експлуатації – для встановлення таких теплонасосів немає потреби у бурових роботах, прокладанні складних комунікацій, відведенні спеціальних приміщень та інше;
- можливість встановлення практично у будь-якій кліматичній зоні;
- теплонасоси такого типу можна встановити в вже збудованому будинку з наявною традиційною системою опалення, тим самим досягнувши значної економії коштів на опаленні. Установка потребує мінімальної зміни та втручання у існуючий дизайн;
- мають найменшу вартість та найменший термін окупності, в порівнянні з іншими типами теплонасосів;
- низьке енергоспоживання;
- автономність, компактність та безшумність роботи;
- Влітку теплові насоси типу повітря-повітря можна перемикати на режим охолодження, а наявність високоефективних повітряних фільтрів допоможе створити в приміщеннях необхідний мікроклімат.
Недоліки теплового насосу повітря-повітря
На жаль, теплові насоси типу повітря-повітря мають свої недоліки. До них належить залежність величини продуктивності від коливань температури зовнішнього повітря.
При температурі зовнішнього повітря 0°С коефіцієнт енергоефективності теплонасоса знижується до рівня 2-2,5, тобто на 1 кВт витраченої енергії, буде вироблено 2-2,5 кВт тепла.
Для порівняння, за більш високої температури ці теплонасоси мають коефіцієнт енергоефективності 3-4. А при падінні температури до -20°С коефіцієнт енергоефективності падає до 1. Тобто, виникає потреба виробляти обігрів приміщення іншими засобами. Хоча, на сьогоднішній момент є виробники із всесвітньо відомими іменами, які пропонують теплові насоси повітря-повітря, здатні ефективно працювати за температури до -25°С.
Будь-який господар приватного будинку прагне мінімізувати витрати на обігрів житла. У цьому плані теплові насоси значно вигідніші за інші варіанти опалення, вони дають 2.5-4.5 кВт теплоти з одного спожитого кіловата електрики. Зворотний бік медалі: для отримання дешевої енергії доведеться вкласти чималі кошти в обладнання, найскромніша опалювальна установка потужністю 10 кВт коштуватиме 3500 у. е. (стартова ціна).
Єдиний спосіб зменшити витрати в 2-3 рази – зробити тепловий насос своїми руками (скорочено – ТН). Розглянемо кілька реальних робочих варіантів, зібраних та перевірених майстрами-ентузіастами на практиці. Оскільки для виготовлення складного агрегату потрібні базові знання про холодильні машини, почнемо з теорії.
Особливості та принцип роботи ТН
Чим тепловий насос відрізняється від інших установок для опалення приватних будинків:
- на відміну від котлів та обігрівачів, агрегат самостійно не виробляє тепло, а подібно до кондиціонера переміщає його всередину будівлі;
- ТН отримав назву насоса, оскільки "викачує" енергію з джерел низькопотенційного тепла - навколишнього повітря, води або ґрунту;
- установка живиться виключно електроенергією, що споживається компресором, вентиляторами, циркуляційними насосами та платою управління;
- Робота апарату заснована на циклі Карно, який використовується у всіх холодильних машинах, наприклад, кондиціонерах та спліт-системах.
Довідка. Теплота міститься в будь-яких речовинах, температура яких вище абсолютного нуля (мінус 273 градуси). Сучасні технології дозволяють забирати вказану енергію у повітря з температурою до -30 °С, землі та води – до +2 °С.
У теплообмінному циклі Карно бере участь робоче тіло – газ фреон, що кипить за мінусової температури. По черзі випаровуючись і конденсуючись у двох теплообмінниках, холодоагент поглинає енергію навколишнього середовища та переносить усередину будівлі. В цілому принцип дії теплового насоса повторює, включеного на обігрів:
- Перебуваючи в рідкій фазі, фреон рухається трубками зовнішнього теплообмінника-випарника, як зображено на схемі. Отримуючи тепло повітря чи води крізь металеві стінки, холодоагент нагрівається, кипить і випаровується.
- Далі газ надходить у компресор, що нагнітає тиск до розрахункового значення. Його завдання – підняти точку кипіння речовини, щоб фреон сконденсувався за більш високої температури.
- Проходячи через внутрішній теплообмінник-конденсор, газ знову звертається в рідину і віддає накопичену енергію теплоносія (воді) або повітрі приміщення безпосередньо.
- На останньому етапі рідкий хладон надходить всередину ресивера-вологовідділювача, потім в пристрій, що дроселює. Тиск речовини знову знижується, фреон готовий пройти повторний цикл.
Схема роботи теплового насоса подібна до принципу дії спліт-системи. Примітка. Звичайні спліт-системи та заводські теплонасоси мають спільну рису – здатність переносити енергію в обох напрямках та функціонувати у 2 режимах – опалення/охолодження. Перемикання реалізовано за допомогою чотириходового реверсивного клапана, що змінює напрямок течії газу по контуру.
У побутових кондиціонерах та ТН застосовуються різні типи терморегулюючої арматури, що знижує тиск холодоагенту перед випарником. У побутових спліт-системах роль регулятора грає простий капілярний пристрій, в насосах ставиться дорогий терморегулюючий вентиль (ТРВ).
Зауважте, що вищеописаний цикл відбувається в теплових насосах всіх типів. Різниця полягає у способах підведення/відбору тепла, які ми перерахуємо далі.
Види дросельної арматури: капілярна трубка (фото зліва) та терморегулюючий вентиль (ТРВ) Різновиди установок
Відповідно до загальноприйнятої класифікації, ТН діляться на типи за джерелом одержуваної енергії та видом теплоносія, якому вона передається:
Довідка. Різновиди теплових насосів перераховані у порядку збільшення вартості обладнання разом із монтажем. Повітряні установки – найдешевші, геотермальні – найдорожчі.
Основний параметр, що характеризує тепловий насос для опалення будинку, – коефіцієнт ефективності COP, що дорівнює відношенню між отриманою та витраченою енергією. Наприклад, відносно недорогі повітряні опалювачі не можуть похвалитися високим COP – 2.5…3.5. Пояснюємо: витративши 1 кВт електрики, монтаж подає в житло 2.5-3.5 кВт теплоти.
Способи відбору тепла водних джерел: зі ставка (ліворуч) та через свердловини (праворуч) Водяні та ґрунтові системи ефективніші, їх реальний коефіцієнт лежить у діапазоні 3…4.5. Продуктивність - величина змінна, що залежить від багатьох факторів: конструкції теплообмінного контуру, глибини занурення, температури та протоки води.
Важливий момент. Водогрійні теплові насоси не можуть розігріти теплоносій до 60-90 ° С без додаткових контурів. Нормальна температура води від ТН становить 35...40 градусів, котли тут явно виграють. Звідси рекомендація виробників: підключайте обладнання до низькотемпературного опалення водяним.
Який ТН краще збирати
Формулюємо завдання: потрібно побудувати саморобний тепловий насос із найменшими витратами. Звідси випливає низка логічних висновків:
- В установці доведеться використовувати мінімум дорогих деталей, тому досягти високого значення COP не вдасться. За коефіцієнтом продуктивності апарат програє заводським моделям.
- Відповідно, робити чисто повітряний ТН безглуздо, простіше користуватися в режимі обігріву.
- Щоб отримати реальний зиск, потрібно виготовляти тепловий насос «повітря – вода», «вода-вода» або будувати геотермальну установку. У першому випадку можна досягти COP близько 2-2.2, у решті – досягти показника 3-3.5.
- Без контурів опалення підлоги обійтися не вдасться. Теплоносій, нагрітий до 30-35 градусів, несумісний із радіаторною мережею, хіба що у південних регіонах.
Прокладання зовнішнього контуру ТН до водойми Зауваження. Виробники стверджують: інверторна спліт-система працює при вуличній температурі мінус 15-30 °С. Насправді ефективність обігріву значно знижується. За відгуками домовласників, у морозні дні внутрішній блок подає ледь теплий потік повітря.
Для реалізації водяної версії ТН необхідні певні умови (на вибір):
- водоймище за 25-50 м від житла, на більшій відстані споживання електрики сильно зросте за рахунок потужного циркуляційного насоса;
- колодязь або свердловина з достатнім запасом (дебетом) води та місце для зливу (шурф, друга свердловина, стічна канава, каналізація);
- збірний каналізаційний колектор (якщо дозволять туди врізатися).
Витрата ґрунтових вод розрахувати неважко. У процесі відбору теплоти саморобний ТН зменшить їх температуру на 4-5 °С, звідси через теплоємність води визначається обсяг протоки. Для отримання 1 кВт тепла (дельту температур води приймаємо 5 градусів) слід прогнати через ТН близько 170 літрів протягом години.
На опалення будинку площею 100 м² знадобиться потужність 10 кВт і витрата води 1.7 тонни на годину – обсяг вражаючий. Подібний тепловий водяний насос придатний для невеликого дачного будиночка 30-40 м², бажано утепленого.
Способи відбору теплоти геотермальним ТН Складання геотермальної системи реальніше, хоча процес досить трудомісткий. Варіант горизонтальної розкладки труби по площі на глибині 1.5 м відкидаємо відразу - вам доведеться перелопатити всю ділянку або платити гроші за послуги землерийної техніки. Спосіб пробивання свердловин реалізувати набагато простіше та дешевше, практично без порушення ландшафту.
Найпростіший тепловий насос із віконного кондиціонера
Як неважко здогадатися, для виготовлення ТН «вода – повітря» потрібен віконний охолоджувач у робочому стані. Дуже бажано купити модель, обладнану реверсивним клапаном та здатну працювати на обігрів, інакше доведеться переробляти фреоновий контур.
Порада. Купуючи б/у кондиціонер, зверніть увагу на шильдик, де відображені технічні характеристики побутового приладу. Параметр, що вас цікавить - (вказується в кіловатах або Британських теплових одиницях - BTU).
Опалювальна потужність апарату більша за холодильну і дорівнює сумі двох параметрів - продуктивність плюс тепло, що виділяється компресором При деякій частці везіння вам навіть не доведеться випускати фреон і перепаювати трубки. Як переробити кондиціонер у тепловий насос:
Рекомендація. Якщо теплообмінник не вдається помістити в резервуар без порушення фреонових магістралей, постарайтеся евакуювати газ і розрізати трубки в потрібних точках (далі від випарника). Після складання водяного теплообмінного вузла контур доведеться спаяти та заправити фреоном. Кількість холодоагенту також вказано на табличці.
Тепер залишається запустити саморобний ТН та відрегулювати водяний потік, добиваючись максимальної ефективності. Зверніть увагу: імпровізований обігрівач використовує повністю заводську начинку, ви тільки перемістили радіатор з повітряного середовища в рідке. Як система працює наживо, дивіться на відео майстра-умільця:
Робимо геотермальну установку
Якщо попередній варіант дозволить досягти приблизно подвійної економії, то навіть саморобний земляний контур дасть COP в районі 3 (три кіловати тепла на 1 кВт витраченої електрики). Щоправда, фінансові та трудові витрати теж суттєво збільшаться.
Хоча в інтернеті опубліковано безліч прикладів складання подібних апаратів, універсальної інструкції з кресленнями не існує. Ми запропонуємо робочий варіант, зібраний і перевірений реальним домашнім майстром, хоча багато речей доведеться додумувати та доробляти самостійно – всю інформацію про теплові насоси складно помістити в одній публікації.
Розрахунок ґрунтового контуру та теплообмінників насоса
Наслідуючи власні рекомендації, приступаємо до розрахунків геотермального насоса з вертикальними U-подібними зондами, поміщеними в свердловини. Необхідно дізнатися загальну довжину зовнішнього контуру, а потім – глибину та кількість вертикальних шахт.
Вихідні дані для прикладу: потрібно обігріти приватний будинок, що утеплює, площею 80 м² і висотою стель 2.8 м, розташований в середній смузі. на опалення проводити не станемо, визначимо потребу в теплі за площею з урахуванням теплоізоляції – 7 кВт.
За бажанням можна облаштувати горизонтальний колектор, але тоді доведеться виділити велику площу під земляні роботи Важливе уточнення. Інженерні розрахунки теплонасосів досить складні та вимагають високої кваліфікації виконавця, цій темі присвячені цілі книги. У статті наводяться спрощені обчислення, взяті із практичного досвіду будівельників та майстрів – любителів саморобок.
Інтенсивність теплообміну між землею та незамерзаючою рідиною, що циркулює за контуром, залежить від типу ґрунтів:
- 1 метр вертикального зонда, зануреного в підземні води, отримає близько 80 Вт теплоти;
- в кам'янистих ґрунтах теплознімання становитиме близько 70 Вт/м;
- глинисті ґрунти, насичені вологою, віддадуть приблизно 50 Вт на 1 м колектора;
- сухі породи – 20 Вт/м.
Довідка. Вертикальний зонд є 2 петлі з труб, опущених до дна свердловини і залитих бетоном.
Приклад обчислення довжини труби.Щоб витягти із сирої глинистої породи необхідні 7 кВт теплової енергії, знадобиться 7000 Вт поділити на показник 50 Вт/м, отримуємо загальну глибину зонда 140 м. Тепер трубопровід розподіляється по свердловинах глибиною 20 м, які ви зможете пробурити своїми руками. Разом 7 свердлінь по 2 теплообмінні петлі, загальна довжина труби - 7 х 20 х 4 = 560 м.
Наступний етап – розрахунок площі теплообміну випарника та конденсора. На різних інтернет-ресурсах і форумах пропонуються деякі розрахункові формули, найчастіше – некоректні. Ми не візьмемо на себе сміливість рекомендувати подібні методики і вводити вас в оману, але запропонуємо якийсь хитрий варіант:
- Зверніться до будь-якого відомого виробника пластинчатих теплообмінників, наприклад, Alfa Laval, Kaori, «Анвітек» і так далі. Ви можете вийти на офіційний сайт бренду.
- Заповніть форму підбору теплообмінника або зателефонуйте менеджеру і замовте підбір агрегату, перерахувавши параметри середовищ (антифриз, фреон) – температуру на вході та виході, теплове навантаження.
- Фахівець фірми здійснить необхідні розрахунки та запропонує відповідну модель теплообмінника. Серед його характеристик ви знайдете головну – площу поверхні обміну.
Пластинчасті агрегати дуже ефективні, але дорогі (200-500 євро). Дешевше зібрати кожухотрубний теплообмінник із мідної трубки зовнішнім діаметром 9.5 або 12.7 мм. Видану виробником цифру помножте на коефіцієнт запасу 1.1 та поділіть на довжину кола труби, отримайте метраж.
Пластинчастий теплообмінник з нержавіючої сталі - ідеальний варіант випарника, він ефективний і займає мало місця. Проблема у високій ціні виробу приклад.Площа теплового обміну запропонованого агрегату становить 0.9 м². Вибравши мідну трубку ½” діаметром 12.7 мм, обчислюємо довжину кола в метрах: 12.7 х 3.14 / 1000 ≈ 0.04 м. Визначаємо загальний метраж: 0.9 х 1.1 / 0.04 ≈ 25 м.
Обладнання та матеріали
Майбутній тепловий насос пропонується будувати на базі зовнішнього блоку спліт-системи відповідної потужності (зазначена на табличці). Чому краще використовувати б/у кондиціонер:
- апарат вже оснащений усіма комплектуючими – компресором, дроселем, ресивером та пусковою електрикою;
- саморобні теплообмінники можна помістити у корпус холодильної машини;
- є зручні сервісні порти для заправки фреону.
Примітка. Користувачі, що розбираються в темі, підбирають обладнання окремо - компресор, ТРВ, контролер і так далі. За наявності досвіду та знань подібний підхід лише вітається.
Збирати ТН з урахуванням старого холодильника недоцільно – потужність агрегату дуже мала. У кращому випадку вдасться "вичавити" до 1 кВт теплоти, чого вистачить на обігрів однієї невеликої кімнати.
Крім зовнішнього блоку «спліту» знадобляться такі матеріали:
- труба ПНД Ø20 мм – на земляний контур;
- поліетиленові фітинги для збирання колекторів та підключення до теплообмінників;
- циркуляційні насоси – 2 шт.;
- манометри; термометри;
- якісний водопровідний шланг або труба ПНД діаметром 25-32 мм на оболонку випарника та конденсатора;
- мідна трубка Ø9.5-12.7 мм з товщиною стінки не менше 1 мм;
- утеплювач для трубопроводів та фреонових магістралей;
- комплект для герметизації гріючих кабелів, що укладаються всередині водопроводу (потрібно для ущільнення кінців мідних трубок).
Комплект втулок для герметичного введення мідної трубки Як зовнішній теплоносій використовується сольовий розчин води або антифриз для опалення - етиленгліколь. Також знадобиться запас фреону, чия марка вказана на шильдику спліт-системи.
Складання теплообмінного блоку
Перед початком монтажних робіт зовнішній модуль треба розібрати – зняти кришки, видалити вентилятор і великий штатний радіатор. Вимкніть електромагніт, що управляє реверсивним клапаном, якщо не плануєте використовувати насос як охолоджувач. Датчики температури та тиску необхідно зберегти.
Порядок збирання основного блоку ТН:
- Виготовте конденсор та випарник, просунувши мідну трубку всередину шланга розрахункової довжини. На кінцях встановіть трійники для приєднання ґрунтового та опалювального контуру, мідні трубки, що виступають, ущільніть за допомогою спеціального комплекту для гріючого кабелю.
- Використовуючи як осердя відрізок пластикової труби Ø150-250 мм, намотайте саморобні двотрубні контури і виведіть кінці в потрібні сторони, як це робиться нижче на відео.
- Розмістіть і закріпіть обидва кожухотрубні теплообмінники на місці штатного радіатора, мідні трубки підпаяйте до відповідних висновків. "Гарячий" теплообмінник-конденсатор краще підключити до сервісних портів.
- Встановіть заводські датчики, які вимірюють температуру холодоагенту. Утепліть голі ділянки трубок та самі теплообмінні пристрої.
- На водяних магістралях поставте термометри та манометри.
Порада. Якщо планується ставити основний блок на вулиці, потрібно вжити заходів від застигання олії у компресорі. Придбайте та змонтуйте зимовий комплект електричного підігріву масляного картера.
На тематичних форумах зустрічається інший спосіб виготовлення випарника - трубка з міді навівається спіраллю, потім вставляється всередину закритої ємності (бака або бочки). Варіант цілком розумний при великій кількості витків, коли розрахований теплообмінник просто не міститься в корпусі кондиціонера.
Влаштування ґрунтового контуру
На цьому етапі виконуються нескладні, але трудомісткі земляні роботи та розкладка зондів по свердловинах. Останні можна зробити вручну або запросити бурову машину. Відстань між сусідніми свердловинами – не менше 5 м. Подальший порядок робіт:
- Прокопайте між свердліннями неглибоку траншею для укладання трубопроводів, що підводять.
- У кожен отвір опустіть по 2 петлі з поліетиленових труб і залийте ями бетоном.
- Зведіть магістралі до точки з'єднання та змонтуйте загальний колектор, використовуючи фітинги ПНД.
- Прокладені у землі трубопроводи утепліть і засипте ґрунтом.
Зліва на фото – опускання зонда в обсадну пластикову трубу, праворуч – прокладання підводок у траншеї Важливий момент. Перед бетонуванням та засипкою обов'язково перевірте герметичність контуру. Наприклад, підключіть до колектора повітряний компресор, накачайте тиск 3-4 бар і залиште на кілька годин.
При з'єднанні магістралей орієнтуйтеся за схемою, наведеною нижче. Відведення з кранами знадобляться при заповненні системи розсолом або етиленгліколем. Дві основні труби від колектора підведіть до теплового насоса та підключіть до «холодного» теплообмінника-випарника.
У вищих точках обох водяних контурів обов'язково ставляться відвідники повітря, на схемі умовно не показані Не забудьте встановити насосний агрегат, який відповідає за циркуляцію рідини, напрямок течії – назустріч фреону у випарнику. Середовища, що проходять через конденсор та випарник, повинні рухатися назустріч один одному. Як правильно заповнити магістралі холодної сторони, дивіться на відео:
Аналогічним чином конденсор приєднується до будинкової системи теплої підлоги. Змішувальний вузол із триходовим клапаном монтувати необов'язково завдяки низькій температурі подачі. Якщо необхідно об'єднати ТН з іншими джерелами тепла (сонячні колектори, котли), використовуйте кілька висновків.
Заправка та запуск системи
Після монтажу та підключення агрегату до електромережі настає важливий етап – заповнення системи холодоагентом. Тут очікує підводний камінь: ви не знаєте, скільки фреону необхідно заправити, адже обсяг основного контуру сильно зріс за рахунок встановлення саморобного конденсатора з випарником.
Питання вирішується методом заправки за тиском та температурою перегріву хладону, що вимірюється на вході компресора (туди фреон подається в газоподібному стані). Детальна інструкція щодо заповнення методом вимірювання температури викладена у .
У другій частині представленого відео розповідається, як потрібно заповнювати систему фреоном марки R22 за тиском та температурою перегріву холодоагенту:
Після закінчення заправки увімкніть обидва циркуляційні насоси на першу швидкість і запускайте компресор у роботу. Показники температури розсолу та внутрішнього теплоносія контролюйте за термометрами. На етапі прогріву магістралі з холодоагентом можуть обмерзати, згодом іній повинен розтанути.
Висновок
Зробити та запустити тепловий геотермальний насос своїми руками дуже непросто. Напевно, знадобляться неодноразові доробки, виправлення помилок, налаштування. Як правило, більшість неполадок у саморобних ТН виникає через неправильне складання або заправлення основного теплообмінного контуру. Якщо агрегат відразу відмовив (спрацювала автоматика безпеки) або не гріє теплоносій, варто викликати майстра з холодильного обладнання - він проведе діагностику та вкаже на допущені помилки.
Оплачувати електроенергію та теплопостачання з кожним роком стає складніше. При будівництві чи купівлі нового житла проблема економічного енергопостачання стає особливо гострою. Через енергетичні кризи, що періодично повторюються, вигідніше збільшити первісні витрати на високотехнологічне обладнання, щоб потім десятиліттями отримувати тепло за мінімальною вартістю.
Найбільш рентабельним варіантом у деяких випадках є тепловий насос для опалення будинку, принцип роботи цього пристрою є досить простим. Перекачувати тепло в прямому значенні цього слова неможливо. Але закон збереження енергії дозволяє технічним пристроям знижувати температуру речовини в одному обсязі, одночасно нагріваючи що-небудь в іншому місці.
Що таке тепловий насос (ТН)
Візьмемо для прикладу звичайний побутовий холодильник. Усередині морозильника вода швидко перетворюється на лід. Зовні знаходиться гаряча на дотик решітка радіатора. Від неї тепло, зібране всередині морозильної камери, передається кімнатному повітрі.
Те саме, але у зворотній послідовності, робить ТН. Решітка радіатора, розташована зовні будівлі, має набагато більші розміри, щоб зібрати достатньо тепла з навколишнього середовища для обігріву житла. Теплоносій всередині трубок радіатора або колектора віддає енергію опалювальній системі всередині будинку, а потім знову нагрівається поза домом.
Пристрій
Забезпечити будинок теплом – це складніше технічне завдання, ніж охолодити невеликий об'єм холодильника, де встановлений компресор з морозильним та радіаторним контурами. Майже так само просто влаштований повітряний ТН, який отримує тепло з атмосфери та підігріває внутрішнє повітря. Додаються лише вентилятори для обдуву контурів.
Отримати великий економічний ефект від установки системи «повітря-повітря» складно через малу питому вагу атмосферних газів. Один кубічний метр повітря важить лише 1,2 кг. Вода приблизно в 800 разів важча, тому теплотворна здатність також має багаторазову різницю. З 1 кВт електричної енергії, витраченої пристроєм типу "повітря-повітря", можна отримати лише 2 кВт тепла, а ТН "вода-вода" дає 5-6 кВт. Гарантувати такий високий коефіцієнт корисної дії (ККД) може ТН.
склад компонентів насоса:
- Система опалення будинку, для якої краще застосувати теплу підлогу.
- Бойлери для гарячого водопостачання.
- Конденсатор, що передає енергію, зібрану зовні, до теплоносія внутрішньобудинкового опалення.
- Випарник, що відбирає енергію у теплоносія, що циркулює у зовнішньому контурі.
- Компресор, який перекачує холодоагент від випарника, переводячи його з газоподібного рідкий стан, підвищуючи тиск і охолоджуючи в конденсаторі.
- Розширювальний клапан, що встановлюється перед випарником для регулювання потоку холодоагенту.
- Зовнішній контур укладається на дно водойми, закопується в траншеї або опускається в свердловини. Для ТН типу «повітря-повітря» контуром служить зовнішня решітка радіатора, що обдувається вентилятором.
- Насоси перекачують теплоносій трубами зовні і всередині будинку.
- Автоматика для керування заданою програмою обігріву приміщення, яка залежить від змін температури зовнішнього повітря.
Всередині випарника теплоносій зовнішнього трубного регістру охолоджується, віддаючи тепло холодоагенту компресорного контуру, а потім насосом перекачується трубами на дні водойми. Там він нагрівається і цикл знову повторюється. У конденсаторі відбувається передача тепла системі опалення котеджу.
Ціни на різні моделі теплових насосів
тепловий насос
Принцип роботи
Відкритий на початку XIX століття французьким ученим Карно термодинамічний принцип перенесення тепла згодом був деталізований лордом Кельвіном. Але практична користь їхніх праць, присвячених вирішенню проблеми опалення житла від альтернативних джерел, з'явилася лише останні п'ятдесят років.
На початку сімдесятих років минулого століття відбулася перша енергетична криза світового масштабу. Пошуки економічних способів опалення призвели до створення пристроїв, здатних збирати з навколишнього середовища енергію, концентрувати її та спрямовувати на обігрів будинку.
В результаті була розроблена конструкція ТН з декількома термодинамічними процесами, що взаємодіють між собою:
- Коли холодоагент компресорного контуру потрапляє у випарник, тиск та температура фреону майже миттєво знижуються. Отриманий в результаті перепад температурний сприяє відбору теплової енергії від теплоносія зовнішнього колектора. Ця фаза називається ізотермічним розширенням.
- Потім відбувається адіабатичний стиск - компресор збільшує тиск холодоагенту. У цьому його температура зростає до +70 °З.
- Проходячи конденсатор, фреон стає рідиною, так як за підвищеного тиску віддає тепло контуру внутрішньобудинкового опалення. Ця фаза називається ізотермічним стиском.
- Коли хладон проходить дросель, тиск та температура різко падають. Відбувається адіабатичне розширення.
Нагрівання внутрішнього обсягу приміщення за принципом ТН можливе лише з використанням високотехнологічного обладнання, забезпеченого автоматикою для керування усіма перерахованими процесами. Крім того, програмовані контролери регулюють інтенсивність генерації тепла відповідно до коливань температури зовнішнього повітря.
Альтернативне паливо для насосів
Використовувати вуглецеве паливо у вигляді дров, вугілля, газу для роботи ТН зовсім не потрібно. Джерелом енергії служить розсіяне в навколишньому просторі тепло планети, всередині якої знаходиться ядерний реактор, що постійно діє.
Тверда оболонка материкових плит плаває на поверхні рідкої розпеченої магми. Іноді вона проривається назовні при вулканічних виверженнях. Поблизу вулканів зустрічаються геотермальні джерела, де навіть узимку можна купатися та засмагати. Тепловий насос здатний збирати енергію майже повсюдно.
Для роботи з різними джерелами розсіяного тепла існує кілька типів ТН:
- «Повітря-повітря».Витягує енергію з атмосфери та нагріває повітряні маси всередині приміщення.
- «Вода-повітря».Тепло збирається зовнішнім контуром з дна водойми для подальшого використання у вентиляційних системах.
- "Грунт-вода".Труби для збору тепла розташовуються горизонтально під землею нижче за рівень промерзання, щоб навіть у найсильніший мороз отримувати енергію для підігріву теплоносія в опалювальній системі будівлі.
- "Вода-вода".Колектор розкладають дном водойми на глибині від трьох метрів, зібране тепло нагріває воду, що циркулює в теплих підлогах усередині будинку.
Існує варіант з відкритим зовнішнім колектором, коли можна обійтися двома свердловинами: одна – для забору ґрунтових вод, а друга – для зливу назад у водоносний шар. Такий варіант можливий тільки при високій якості рідини, тому що фільтри швидко засмічуються, якщо в складі теплоносія є занадто багато солей жорсткості або завислих мікрочастинок. Перед монтажем необхідно обов'язково зробити аналіз води.
Якщо свердловина швидко замулюється або вода містить багато солей жорсткості, тоді стабільна робота ТН забезпечується бурінням більшої кількості отворів у землі. Вони опускають петлі герметичного зовнішнього контуру. Потім свердловини закупорюють за допомогою тампонажу із суміші глини та піску.
Використання ґрунтових насосів
Здобути додаткову користь із ділянок, зайнятих газонами або квітниками, можна за допомогою ТН типу «грунт-вода». Для цього потрібно укласти в траншеї труби на глибину нижче за рівень промерзання для збору підземного тепла. Відстань між паралельними траншеями не менше ніж 1,5 м.
На півдні Росії навіть в екстремально холодні зими земля замерзає максимум на 0,5 м, тому простіше зняти грейдером шар землі на монтажній ділянці, укласти колектор, а потім засипати екскаватором котлован. На цьому місці не можна садити чагарники та дерева, коріння яких здатне пошкодити зовнішній контур.
Кількість одержуваного тепла від кожного метра труби залежить від типу ґрунту:
- сухий пісок, глина – 10–20 Вт/м;
- волога глина – 25 Вт/м;
- зволожений пісок та гравій – 35 Вт/м.
Площі прилеглої до будинку ділянки землі може бути недостатньо для розміщення зовнішнього регістру труб. Сухі піщані ґрунти не дають достатнього теплового потоку. Тоді застосовують буріння свердловин завглибшки до 50 метрів, щоб досягти водоносного шару. У свердловини опускають U-подібні петлі колектора.
Чим більша глибина, тим вище зростає теплова ефективність зондів усередині свердловин. Температура земних надр підвищується на 3 градуси кожних 100 м. Ефективність знімання енергії свердловинного колектора може досягати 50 Вт/м.
Монтаж та запуск систем ТН – це технологічно складний комплекс робіт, які можуть виконати лише досвідчені фахівці. Загальна вартість обладнання та комплектуючих матеріалів значно вища, якщо порівнювати із звичайним газовим обладнанням для теплопостачання. Тому термін окупності початкових витрат розтягується роки. Але будинок будується на десятиліття, а геотермальні теплові насоси – найвигідніший спосіб опалення для заміських котеджів.
Щорічна економія порівняно з:
- газовим котлом - 70%;
- електрообігрівом - 350%;
- твердопаливним котлом – 50 %.
При розрахунку терміну окупності ТН варто враховувати експлуатаційні витрати за весь час служби обладнання – щонайменше 30 років, тоді економія багаторазово перевищить початкові витрати.
Насоси типу «вода-вода»
Розмістити на дні поблизу водоймища поліетиленові труби колектора може практично будь-яка людина. І тому не знадобиться великих професійних знань, навичок, інструментів. Достатньо рівномірно розподілити витки бухти по поверхні води. Між витками має бути відстань не менше ніж 30 см, а глибина затоплення не менше ніж 3 м. Потім треба прив'язати вантажі до труб, щоб вони пішли на дно. Тут цілком підійде некондиційна цегла або природний камінь.
На монтаж колектора ТН типу «вода-вода» потрібно значно менше часу та грошей, ніж при копанні траншей або бурінні свердловин. Витрати на придбання труб також будуть мінімальними, оскільки знімання тепла при конвективному теплообміні у водному середовищі досягає 80 Вт/м. Очевидна вигода застосування ТН – не потрібно спалювати вуглецеве паливо для отримання тепла.
Альтернативний спосіб опалення будинку стає все більш затребуваним, оскільки має ще кілька переваг:
- Екологічно безпечний.
- Використовує відновлюване джерело енергії.
- Після закінчення пусконалагоджувальних робіт відсутні регулярні витрати витратних матеріалів.
- Автоматично регулює нагрівання всередині будинку за температури зовнішнього повітря.
- Термін окупності початкових витрат 5-10 років.
- Можна підключити котел для гарячого водопостачання.
- Влітку працює як кондиціонер, охолоджуючи припливне повітря.
- Термін служби обладнання – понад 30 років.
- Мінімальні енерговитрати – генерує до 6 кВт тепла при використанні 1 кВт електрики.
- Повна незалежність опалення та кондиціонування котеджу за наявності електрогенератора будь-якого типу.
- Можлива адаптація до системи «Розумний дім» для дистанційного керування, додаткової економії енергії.
Для роботи ТН типу «вода-вода» необхідні три незалежні системи: зовнішній, внутрішньобудинковий та компресорний контури. Вони об'єднані в одну схему теплообмінників, в яких циркулюють різні теплоносії.
При проектуванні системи енергопостачання слід враховувати, що на перекачування насосом теплоносія за зовнішнім контуром витрачається електроенергія. Чим більша довжина труб, вигинів, поворотів, тим менш вигідний ТН. Оптимальна відстань від будинку до берега – 100 м. Його можна подовжити на 25% за рахунок збільшення діаметра труб колектора з 32 до 40 мм.
Повітряні - спліт та моно
Застосовувати повітряні ТН вигідніше у південних регіонах, де температура рідко опускається нижче 0 °С, але сучасне обладнання здатне працювати при -25 °С. Найчастіше встановлюють спліт-системи, що складаються із внутрішньобудинкового та зовнішнього блоків. Зовнішній комплект складається з вентилятора, що обдує радіаторну решітку, внутрішній - з конденсаторного теплообмінника та компресора.
Конструкцією спліт-систем передбачається реверсивне перемикання режимів роботи за допомогою клапана. Взимку зовнішній блок є генератором тепла, а влітку навпаки – віддає його зовнішньому повітрі, працюючи як кондиціонер. Повітряні ТН відрізняються дуже простим монтажем зовнішнього блоку.
Інші переваги:
- Висока ефективність роботи зовнішнього блоку забезпечується великою площею теплообміну решітки радіатора випарника.
- Безперебійна робота можлива за температури зовнішнього повітря до -25 °С.
- Вентилятор розміщується поза приміщенням, тому рівень шуму знаходиться в допустимих межах.
- Влітку спліт-система працює як кондиціонер.
- Автоматично підтримується задана температура усередині приміщення.
Проектуючи опалення будівель, розташованих у регіонах із тривалою та морозною зимою, необхідно враховувати низьку ефективність повітряних ТН за негативних температур. На 1 кВт витраченої електроенергії припадає 1,5-2 кВт тепла. Тому слід передбачати додаткові джерела теплопостачання.
Найпростіший монтаж ТН можливий у разі застосування моноблочних систем. Всередину приміщення заходять тільки трубки з теплоносієм, а решта механізмів знаходяться зовні в одному корпусі. Така конструкція суттєво підвищує надійність роботи обладнання, а також знижує шум до величини менше 35 дБ – це на рівні звичайної розмови двох людей.
Коли установка насоса нерентабельна
Знайти у місті вільні ділянки землі розташування зовнішнього контуру ТН типу «грунт-вода» практично неможливо. Простіше встановити на зовнішній стіні будівлі повітряний тепловий насос, який особливо вигідний у південних регіонах. Для холодніших територій з тривалими морозами існує ймовірність зледеніння зовнішньої радіаторної решітки спліт-системи.
Високий коефіцієнт корисної дії ТН забезпечується при виконанні наступних умов:
- Приміщення, що обігрівається, повинно мати утеплені зовнішні огороджувальні конструкції. Максимальна величина теплових втрат не може перевищувати 100 Вт/м2.
- ТН здатний працювати ефективно лише з інерційною низькотемпературною системою «тепла підлога».
- У північних регіонах ТН слід використовувати разом із додатковими джерелами тепла.
Коли температура зовнішнього повітря різко падає, то інерційний контур теплої підлоги просто не встигає прогрівати приміщення. Взимку так часто буває. Вдень сонечко пригріло, на градуснику -5°С. Вночі температура може швидко опуститися до -15 °С, а якщо повіє сильний вітер, то мороз буде ще сильнішим.
Тоді треба встановити під вікнами та вздовж зовнішніх стін звичайні батареї. Але температура теплоносія в них має бути вдвічі вищою, ніж у контурі «теплої підлоги». Додаткову енергію у заміському котеджі може дати камін із водяним контуром, а міській квартирі – електричний котел.
Залишається тільки визначити, чи буде ТН основним або джерелом тепла, що доповнює. У першому випадку він має компенсувати 70% загальної кількості теплових втрат приміщення, а у другому – 30%.
Відео
У ролику проводиться візуальне порівняння переваг та недоліків різних типів теплових насосів, докладно пояснюється влаштування системи «повітря-вода».
Євген Афанасьєвголовний редактор
Автор публікації 05.02.2019
Простим мовою принцип роботи теплового насоса близький до побутового холодильника - бере теплову енергію у джерела тепла і передає його в систему опалення. Джерелом тепла для насоса може бути ґрунт, скельна порода, атмосферне повітря, вода з різних джерел (річки, струмки, ґрунтовки, озера).
Типи теплових насосів класифікують за джерелом тепла:
- повітря-повітря;
- вода-повітря;
- вода-вода;
- ґрунт-вода (земля-вода);
- лід-вода (рідко).
Обігрів, кондиціювання та ГВП - все це може забезпечити тепловий насос. Для забезпечення всього цього йому не потрібне пальне. Електрика, що йде на підтримку роботи насоса, становить приблизно 1/4 споживання іншими видами опалення.
Компоненти системи опалення на тепловому насосі
Компресор- Серце системи опалення на тепловому насосі. Він концентрує розсіяне низькопотенційне тепло, підвищуючи його температуру за рахунок стиснення і передає теплоносію в систему. При цьому електроенергія витрачається виключно на стиснення та перенесення теплової енергії, а не на нагрівання теплоносія – води чи повітря. За середніми підрахунками, на 10 кВт тепла витрачається до 2,5 кВт електрики.
Накопичувальний бак для гарячої води(Для інверторних систем). Акумулюючий бак накопичує воду, що вирівнює теплові навантаження опалювальної системи та ГВП.
Холодоагент. Так зване робоче тіло, що знаходиться під низьким тиском і кипить за низьких температур, поглинач низькопотенційної енергії джерела тепла. Це газ, що циркулює у системі (фреон, аміак).
Випарник, що забезпечує відбір та передачу теплової енергії насосу із низькотемпературного джерела.
Конденсатор, що передає тепло від холодоагенту воді чи повітрі у системі.
Терморегулятор.
Первинний та вторинний ґрунтовий контур. циркуляційна система, що передає тепло від джерела до насоса і від насоса в домашнє опалення. Первинний контур складається з випарника, насоса, труб. Вторинний контур включає: конденсатор, насос, трубопровід.
Тепловий насос повітря-вода 5-28 кВт
Тепловий насос повітря-вода на опалення та ГВП 12-20 кВт
Принцип роботи теплового насоса полягає в поглинанні і подальшому виділенні теплової енергії в процесі випаровування і конденсації рідини і зміні тиску і подальшій зміні температури конденсації і випаровування.
Тепловий насос змінює рух тепла – змушує рухатися у зворотному напрямку. Тобто ТН той же гідравлічний, що перекачує рідини знизу вгору, всупереч природному руху зверху вниз.
Холодоагент піддається стиску в компресорі і передається конденсатору. Високий тиск і температура конденсує газ (найчастіше фреон), тепло передається теплоносію в систему. Процес повторюється, коли холодоагент проходить випарник знову тиск знижується і запускається процес низькотемпературного кипіння.
Залежно від джерела низькопотенційного тепла кожен вид насосів має свої нюанси.
Особливості теплових насосів в залежності від джерела тепла
Тепловий насос повітря-вода залежить від температури повітря, яка повинна опускатися нижче +5°С за бортом, а заявлений коефіцієнт перетворення теплоти СОР 3,5-6 реально отримати лише за 10°З вище. Насоси такого типу встановлюються на ділянці, в самому місці, встановлюють і на дахах. Приблизно те саме можна сказати про насоси «повітря-повітря».
Тип насоса "грунт-вода"
Насос «грунт-вода»або геотермальний тепловий насос здійснює забір теплової енергії з ґрунту. Земля має температуру від 4 до 12°С, завжди стабільних на глибині 1,2 -1,5 м.
Розміщувати горизонтальний колектор потрібно на ділянці, площа залежить від температур ґрунту та розміру опалювальної площі, над системою крім трави нічого саджати та розміщувати не можна. Є варіант вертикального колектора зі свердловиною до 150 м. Проміжний теплоносій церкулює по трубах, прокладених у ґрунті та прогрівається до 4°С, охолоджуючи ґрунт. У свою чергу, ґрунт повинен заповнити втрати тепла, а це означає, що для ефективної роботи ТН потрібні сотні метрів труб по ділянці.
Тепловий насос«вода-вода»
Тепловий насос «вода-вода»працює на низькопотенційному теплі річок, струмків, стічних вод і грунтовках. Вода більш теплоємна, ніж повітря, але в охолодженні грунтових вод є свої нюанси - не можна охолоджувати до замерзання, вода повинна вільно дренувати в грунт.
Потрібно мати стовідсоткову впевненість, що за добу вдасться безперешкодно пропустити крізь себе десятки тонн води. Ця проблема часто вирішується скиданням охолодженої води в найближчу водойму, з тим лише умовою, що водоймище у вас за парканом, інакше таке опалення виливається в мільйони. Якщо до проточної водойми десяток метрів, то опалення тепловим насосом «вода-вода» буде найефективнішим.
Тепловий насос «лід-вода»
Тепловий насос «лід-вода»досить екзотичний тип насосів, що вимагає доробки теплообмінника - насос повітря-вода переробляється під охолодження води та відводить лід.
За опалювальний сезон накопичується близько 250 тонн льоду, які можна складувати (такий обсяг льоду може наповнити середній басейн). Цей тип теплових насосів є хорошим для наших зим. 330 КДж/кг — стільки тепла виділяє вода в процесі замерзання. У свою чергу, остигання води на 1 ° С дає у 80 разів менше тепла. Норма опалення 36000 КДж/год виходить із заморозки 120 літрів води. На цьому теплі можна побудувати систему опалення тепловим насосом льоду. Поки інформації щодо даного типу насосів дуже мало, шукатиму.
Плюси та мінуси теплових насосів
Не хочеться мені тут говорити з приводу «зеленої» енергії та екологічності, тому що вартість на всю систему виявляється захмарною і тут в останню чергу замислюєшся про озоновий шар. Якщо опустити вартість системи опалення на тепловому насосі, то плюси такі:
- Безпечне опалення. Суджу по собі - коли мій газовий котел врубає пальник з бавовною, на голові кожні 15 хвилин з'являється сиве волосся. Тепловий насос не використовує відкрите полум'я, паливо. Ніяких запасів дров та вугілля.
ККД теплового насоса близько 400-500% (бере 1 кВт електроенергії, витрачає 5). - «Чисте» опаленнябез відходів згоряння, вихлопу, запаху.
- Тиха роботапри "правильному" компресорі.
жирний мінус теплових насосів- ціна на всю систему в цілому і рідкісні умови для ефективної роботи насоса.
Окупність системи опалення на основі теплового насоса може бути і 5 років, а може і 35 і друга цифра, на жаль, більш реальна. Це дуже дорога система на етапі впровадження та дуже трудомістка.
Хто б що вам не розповідав, нині розлучилося кулібіних, розрахунками на тепловий насос повинен займатися лише спеціаліст теплотехнік з виїздом на об'єкт.
Завантаження...