Тепловой насос для отопления дома: как выбрать

Мировой энергетический комитет составил прогноз использования источников тепла для обогрева зданий на 2020 год. В нем утверждается, что в развитых странах 75% домов будут получать горячее водоснабжение и отапливаться геотермальной энергией нашей планеты.

Принципы работы

Для обогрева здания используется перенос энергии источника низкого потенциала (температуры) теплоносителем к потребителю. В технологическом процессе используется закон термодинамики, обеспечивающий выравнивание тепловых энергий двух систем с разными температурами: передача мощности горячего источника холодному потребителю.

При использовании тепла окружающей среды осуществляется повышение его температурного потенциала для обогрева и горячего водоснабжения.

Источником регенеративного тепла могут быть:

  • поверхность земли или ее объем;
  • водная среда (озеро, река);
  • воздушные массы.

Более популярны модели, забирающие энергию от земли, поверхность которой обогревается солнечными лучами и энергией внешнего и внутреннего ядра планеты. Они отмечаются:

  1. лучшим сочетанием потребительских качеств;
  2. эффективностью;
  3. ценой.

Типы тепловых насосных систем 

несколько вариантовсъема тепла из грунтагоризонтальный коллекторгеотермальный зонд

Горизонтальный грунтовый коллекторЭто система труб, уложенных на глубине ниже уровня промерзания (то есть около 2 м) в специально вырытые траншеи. Трубы могут соединяться последовательно или параллельно, располагаться в одной плоскости или даже образовывать пространственную спираль. Параметры такого теплообменника зависят от длины труб, которую рассчитывают исходя из:

  • потребной мощности насоса, 
  • грунта данного места (влажный — лучше), 
  • уровня солнечной радиации и т.д. 

В любом случае площадь, занимаемая таким коллектором, сравнительно велика. В средней полосе России примерное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 погонный метр трубы теплообменника, составляет 20-30 Вт. Это означает, что для обеспечения теплом коттеджа площадью около 50 кв. м потребуется коллектор площадью 150-200 кв.м.   На площадке, под которой располагается коллектор, можно сажать кусты и деревья, устанавливать малые архитектурные формы (беседки, перголы и арки, садовые скульптуры, стационарные садовые светильники и т.д.). Но какая-либо серьезная застройка там запрещена. Такой запрет позволяет тепловым «запасам» грунта, остывшего за зиму, восстанавливаться естественным путем. А это происходит в том числе за счет летних дождей. Поэтому ничто не должно препятствовать проникновению влаги в почву. Так что «энергетическое поле» вашего участка будет представлять собой только садово-огородный ландшафт, даже без теплиц.Вертикальный коллектор, или геотермальный зондВертикальный коллектор — другой тип грунтового теплообменника. Он представляет собой вертикальную скважину глубиной 30-100 м (иногда и более), в которой размещается U-образный или коаксиальный (труба в трубе) теплообменник. У него есть и другое название — геотермальный зонд. Важнейшее преимущество вертикальных грунтовых теплообменников — в том, что для их устройства требуется минимальная площадь.  Велика ли эффективность теплового насоса? Уровень эффективности теплового насоса определяется коэффициентом преобразования (коэффициентом мощности), который показывает отношение полученной тепловой энергии к количеству электрической энергии, затраченной на работу компрессора. В любое время года для тепловых насосов «грунт-вода» величина коэффициента составляет около 4. Это означает, что при потреблении 2 кВт∙ч электрической энергии установка производит 8 кВт∙ч тепловой энергии.   Я выбрал для примера скромные 2 кВт∙ч, потому что это тот минимум, который может получить одно домохозяйство в обычном садоводческом товариществе в регионе с ограниченным энергопотреблением. А мощности в 8 кВт∙ч тепловой энергии достаточно, чтобы отопить грамотно утепленный дом площадью до 100 кв. м и более.  Второе назначение Тепловые насосы могут работать не только в режиме отопления, но и в режиме кондиционирования всех комнат. То есть если собрать гидравлическую развязку в котельной, обычный тепловой насос можно использовать и для охлаждения. У передовых котловых компаний уже есть модели тепловых насосов, которые легко переходят с одного режима на другой. Оба эти варианта не отличаются сложностью и не требуют больших вложений. Читателям, которым в целом понравилась идея тепловых насосов, надо помнить, что традиционные  отопительные радиаторы не пригодны для охлаждения воздуха, а «теплые» полы превращаются в «ледяные». Поэтому эффективное совмещение функций отопления и охлаждения возможно только при использовании воздушных систем отопления/кондиционирования. Этот вариант распространен в США, где тепловой насос большую часть года работает именно в режиме охлаждения.  

Что такое тепловой насос

Рассматриваем принцип работы и виды необычного устройства для экономичного отопления коттеджа – теплового насоса.

Что такое тепловой насос

Тепловой насос – устройство, которое использует тепло окружающей природы – воздуха, воды, грунта для отопления коттеджа и нагрева горячей воды. Сердце теплового насоса – фреоновый контур, включающий компрессор, расширительный клапан, два теплообменника и медный трубопровод.

Что такое тепловой насос

Посмотрите товары для изобретателей. Ссылка на магазин.

Что такое тепловой насос

Принцип работы теплового насоса – перекачивание тепла из одной среды (воздух, вода, грунт) в другую – в систему отопления.

Что такое тепловой насос

Казалось бы, тепловой насос – сложное и непонятное устройство, одна абсолютное большинство из нас используют тепловой насос ежедневно. Дело в том, что холодильник – тоже тепловой насос: он также имеет фреоновый контур и компрессор, он также перекачивает тепло – охлаждая продукты и грея импровизированную “систему отопления” – решетку на задней стенке. Да и выглядит похоже.

Что такое тепловой насос
Что такое тепловой насос

Принцип работы теплового насоса. Тепловой насос отбирает низкопотенциальное тепло у воздуха (-25…+35 градусов), у воды (+2…+7 градусов), у грунта (-5…+5 градусов), охлаждая эту среду на несколько градусов. Фреон во внутреннем контуре теплового насоса закипает и превращается в газ, компрессор сжимает газ, у которого резко уменьшается объем, но увеличивается давление и температура, далее разогретый фреон передает тепло через теплообменник в систему отопления. Далее цикл повторяется.

Что такое тепловой насос

Электроника для самоделок в китайском магазине.

Что такое тепловой насос

Схема работы теплового насоса

Что такое тепловой насос

Важно отметить, что тепловой насос потребляет электроэнергию только на перекачку тепла (циркуляционные насосы) и привод компрессора – а прямого нагрева теплоносителя не происходит. За счет этого на 1 кВт потребленной электроэнергии можно получить от 3 до 5 кВт тепловой энергии! Законы сохранения энергии не нарушаются – они применимы только для замкнутой системы, а у нас их здесь три – контур источника тепла, фреоновый контур, контур системы отопления.

Что такое тепловой насос

Виды тепловых насосов и их краткое сравнение. Важнейшая классификация тепловых насосов – по источнику низкопотенциальной энергии, у которого они отбирают тепло, повышают его температуру и передают в систему отопления.

Что такое тепловой насос
  • Воздушные тепловые насосы – первые в списке. Они охлаждают уличный воздух, получая таким образом низкопотенциальное тепло. Данные тепловые насосы довольно просты в установке – не требуется проводить земляные работы, но у них есть недостаток: их эффективность и тепловая мощность зависит от температуры уличного воздуха. Чем холоднее на улице, тем хуже они работают. К сожалению, без резервного котла в средних и северных широтах России они не могут являться полноценным теплогенератором.
Что такое тепловой насос

Принцип работы водяного теплового насоса

  • Грунтовый тепловой насос отбирает тепло у почвы. Этот тип тепловых насосов также способе круглый год отапливать дом (и быть единственным котлом в коттедже – тоже), и имеет довольно высокую эффективность. Система отбора низкопотенциаьного тепла здесь следующая: либо бурятся скважины, в которые опускаются геотермальные зонды (по которым по замкнутому контуру циркулирует теплоноситель, нагреваясь от грунта через стенки трубы), либо такой же контур раскладывается в горизонтальной плоскости (почти как теплый пол) в грунте. У каждого есть свои плюсы и минусы.
Что такое тепловой насос

Грунтовой тепловой насос с горизонтальным коллектором

Что такое тепловой насос

Грунтовой тепловой насос с вертикальными скважинами

Читайте также:  Типы и назначение ребойлеров различной конструкции

В целом, при правильном подходе, тепловой насос – удобный агрегат для отопления коттеджа, а в некоторых случаях он быстро окупается, несмотря на высокую первоначальную стоимость.

Пример котельной с тепловым насосом DANFOSS для отопления и нагрева горячей воды

С вами продолжает мастерить дед Андрей…

Откуда тепло в холодном воздухе?

  • Для того чтобы ответить на данный вопрос нужно вспомнить формулу из школьной физики:
  • Q = c x m x (T1 — T0)
  • Q – ко­ли­че­ство теп­ло­ты, из­ме­ря­ет­ся в Джо­у­лях [Дж];
  • c – удель­ная теп­ло­ём­кость ве­ще­ства, из­ме­ря­ет­ся в [Дж/кг*°С].
  • m – масса вещества, измеряется в килограммах [кг];
  • T0 – начальная температура, измеряется в градусах цельсия [°С];
  • T1 – конечная температура, измеряется в градусах цельсия [°С];
  • Пример. Сколько тепла можно отобрать у 1 м3 воздуха при начальной температуре -20 °С, если испаритель теплового насоса способен отобрать Δ10°С?
  • Удельная теплоемкость воздуха равна 1003 Дж/кг*°С
  • Плотность воздуха равна 1,225 кг/м3
  • Q = 1003 x 1,225 x (-20 — (-30)) = 12286,75 [Дж]
  • Ответ: 1 м3 воздуха содержит количество теплоты равное: Q=12286,75 [Дж] = 3,4 Вт*час

Вентиляторы наружного блока Zubadan PUHZ-SHW230YKA имеют максимальную производительность 8400 м3/час, что позволяет извлекать до 28,56 кВт*час тепловой энергии.

Как добиться максимальной экономии?

Потребление будет зависеть от четырех факторов:

  1. Параметры здания, геометрия, направление по сторонам света.
  2. Уровень энергоэффективности. Проще говоря — качество утепления здания, чем лучше будет утеплен Ваш дом, тем меньше тепла потребуется для его обогрева. Значительно дешевле утеплить дом и поменять окна, чем покупать более мощный тепловой насос.
  3. Климатическая зона. Естественно что потребление в будет немного больше чем в , так как климат южного региона более мягкий.
  4. Приборы отопления. Тепловой насос имеет самые высокие показатели энергоэффективности при работе с низкотемпературными отопительными приборами (теплый пол, фанкойлы, теплообменники вентиляции). При работе на старые чугунные радиаторы потребление теплового насоса будет выше, так как тепловой насос должен будет греть воду до 50-60 °С, в отличие от 30-35°С в случае с теплым полом или фанкойлами. Какие приборы отопления лучше для теплового насоса?

Для достижения самых лучших результатов мы рекомендуем чтобы процент низкотемпературных приборов был равен не меньше 75% и более.

Читайте также:  1. Деревянные прогоны. Их типы. Конструирование и расчет.

Вопросы целесообразности монтажа теплового насоса

Следует отметить, что высокая стоимость самого оборудования, а также монтажных работ в сочетании со сверхэкономичным топливным ресурсом многих потребителей вводит в замешательство. В европейских странах более остро ощущают постоянное повышение цен на источники энергии и понимают необходимость их экономии, поэтому установка тепловых насосов там растет из года в год благодаря программам государственной поддержки.

На просторах СНГ владельцу приходиться весь груз материальных вложений брать на собственные плечи и мечтать о том, что когда-то затраты окупятся. Но если у владельца имеется возможность вложить первоначальную сумму в альтернативное оборудование, то это станет действительно выгодной инвестицией, о которой потомки будут вспоминать с благодарностью.

Специалисты утверждают, что отопительные системы с тепловыми насосами способны окупиться через три-четыре года. Данное заявление позволяет говорить о перспективности их использования в качестве обогревателей и кондиционеров для дома.

Топливное оборудование, работающее на солярке, жидком газе и угле не имеет даже минимальной возможности составить конкуренцию тепловому насосу для отопления ни по эксплуатационным затратам, ни по уровню комфорта, не говоря уже о безопасности и надежности работы отопительной системы. Но использовать бесплатные природные ресурсы будет экономически оправдано лишь в том случае, если поблизости не проходят магистральные газопроводы, и в ближайшее время газ проводить не планируется.

Рекомендации при монтаже своими руками

Сделать тепловой насос для отопления дома своими руками (рис. 5) можно, но при этом нужно помнить, что если не провести правильные расчеты, то установка не будет функционировать, так как нужно. Работа по сборке насоса своими руками должна осуществляться в соответствии с чертежом. Чертеж рисуется уже с учетом всех расчетов мощности.

Рис. 5 Пример теплового насоса, сделанного своими руками

При расчете мощности нужно учитывать такие факторы:

  • Площадь дома, объем помещений;
  • Расчет теплопотерь;
  • Нужный температурный режим;
  • Учет всех материалов, из которых построен дом;
  • Все необходимые контуры и точки разбора;
  • Система вентиляции.

Статьи по теме: Тепловой насос грунт-вода

Тепловой насос, как основное отопление

В случае полного перехода на отопление посредством теплового насоса и избавления при этом от старого котла, нужно осуществлять эксплуатацию вкупе со внутренним модулем, заключающем в своей конструкции вмонтированный электронагреватель, который осуществляет поддержку насосу при низких температурах. Такое совместное использование позволить осуществить снижение отопительных затрат почти что вдвое.

Разбиение по категориям происходит на основе следующих факторов:

  • производительность и тип используемого хладагента;
  • вид источника низкопотенциальной энергии и устройство;
  • назначение (бытовое или промышленное).

В целом функционирование теплового насоса для отопления дома можно сравнить с работой холодильника, только с точностью до наоборот.

Наибольшей широтой характеризуется сфера применения тепловых насосов для отопления дома, в которых берут теплоэнергию из воздуха в силу удобства. Насосы грунтовые и водные менее востребованы. Первая разновидность на редкость востребована в США. Для российских широт данный ряд отличается одним существенным недостатком – низким уровнем эффективности при низких температурах воздуха.

Удобство использования представленного оборудования выражено также в отсутствии необходимости большой площади. Привлекающим покупателей фактором является такой факт, что прежде чем возникнет необходимость обращения к мастеру, устройство успеет отработать как минимум пятнадцать сезонов. Это число особенно впечатляюще на том фоне, что в целом срок эксплуатации традиционных систем отопление менее продолжителен. Режим функционирования – автоматический. За потребителем остаётся только обязательность периодического контроля и организации ежегодного техосмотра.

Тепловой насос своими руками

При наличии желания сэкономить на отоплении дома, при минимальных финансовых затратах можно сделать тепловой насос своими руками. Для этой цели рекомендуется использовать обычный холодильник, но при условии, что компрессор такой системы является полностью исправным.

Наиболее эффективным в домашних условиях устройством будет система грунтового размещения. Для этой цели достаточно установить на глубине ниже промерзания земли змеевик из медных труб, который и будет выполнять функцию испарителя. Аналогичную деталь потребуется разместить в ёмкости из нержавеющей стали, чтобы тепловая энергия свободно передавалась от хладагента к теплоносителю.

Тепловой насос своими руками

Затем в систему устанавливается компрессор и дроссельный клапан, который позволит предотвратить обратное движение хладагента.

Вся система должна быть собрана таким образом, чтобы исключалась вероятность утечки фреона. Все трубки, расположенные на пути от испарителя к конденсатору должны быть качественно теплоизолированы. Затем система заправляется хладагентом. Только после проведения всех вышеуказанных мероприятий можно произвести включение и проверку системы.

Читайте также:  Деревянная лопата для уборки снега своими руками

Если возникнут проблемы с самостоятельной заправкой системы фреоном, то помощь могут оказать профессиональные мастера, которые занимаются ремонтом холодильных установок.

Устроенный своими руками тепловой насос позволит уже с первых дней работы снизить затраты на обогрев частного дома. Практически все детали самодельной отопительной установки можно получить бесплатно либо приобрести по минимальным расценкам. Такая система будет эффективно работать даже при очень низких температурах воздуха, ведь основной теплообменник будет залегать на глубине, где почва не промерзает всю зиму.

Тепловой насос своими руками

Обратите внимание! Наибольшей эффективности можно добиться, если разместить испаритель на глубине залегания грунтовых вод. В этом случае характеристика самодельной установки практически не будет отличаться от заводских систем.

Разновидности тепловых насосов и систем

Грунтовые тепловые насосы

Количества тепловой энергии, получаемой от грунта, достаточно для разогрева хладогента до уровня, где тот меняет агрегатное состояние, превращаясь в пар. Удобно то, что на глубине уже в несколько метров сезонные температурные колебания не наблюдаются. Это позволяет пользоваться прибором круглый год, и в доме всегда будет горячая вода.

Есть два способ размещения трубопровода в грунте:

  1. Горизонтальный коллектор – это система горизонтально лежащего контура.
  2. Геотермальный зонд – приемники расположены вертикально и связаны между собой.

Геотермальные насосы с горизонтальным коллектором предполагают заглубление на полтора-два метра. Главное пройти отметку уровня промерзания грунта. Для каждого региона она своя. В среднем это 1,2 метра. Если требуется отопить здание, площадью до 100 кв. м., придется выкопать котлован или вырыть сеть траншей, площадью в 2-3 сотки. Это не обязательно делать под самим сооружением. Главное не садить на задействованном участке растения, имеющие корни, уходящие глубоко в землю.

Водяные тепловые насосы

Для использования такого теплового насоса принцип действия взят тот же. Но отличается тип источника.

В данном случае это грунтовые воды. Естественно, глубина их залегания должна быть доступна в регионе. Но если такая возможность есть, система отличается тепловой стабильностью, так как подземные воды имеют постоянную температуру круглый год. Это делает устройство пригодным для применения в течение всех четырех сезонов. Перед монтажом проводят геологическую разведку, чтобы убедиться, что вода течет на глубине 30-40 метров.

Однако требуется и химический анализ. Если в составе мало солей железа и ряда других примесей, можно ставить геотермальный зонд.

В противном случае это нецелесообразно ввиду наличия риска преждевременного выхода из строя и низкой производительности.

В данном случае применяют грунтовый тепловой насос или воздушный. Именно это требование является причиной того, что среди всей массы рабочих ныне установок тепловые насосы водяного типа используются реже – порядка 5% случаев.

Воздушные тепловые насосы

Главное преимущество этого способа организации отопления и подачи горячей воды – отсутствие необходимости вести полномасштабное строительство.

Не нужно бурить скважины для геотермальных зондов. Нет необходимости рыть траншеи, как в случае с грунтовым тепловым насосом. Все узлы размещаются на поверхности. В итоге сметная стоимость значительно ниже. Времени на установку и обустройство затрачивается меньше. Но при всем кажущемся комфорте это устройство далеко не идеально.

Работа будет эффективной при температуре воздуха не ниже — 15°С.

Схематично теплонасос можно представить в виде системы, которая имеет три контура:

  • В первом контуре расположен тепловой носитель, который переносит энергию от источника низкопотенциального тепла.
  • В следующем циркулирует хладагент. Он может испаряться, забирая тепловую энергию из первого контура, или заново конденсироваться, передавая тепло третьему контуру.
  • В последнем контуре циркулирует теплоприемник (обычно вода), который переносит тепло по батареям для отапливания дома.

Как рассчитать вертикальный коллектор?

При установке вертикального коллектора скважину необходимо пробурить на глубину 20-100 метров. В скважину погружают пластиковые или металлопластиковые U – образные трубы. Необходимо устроить две петли, которые будут залиты цементным раствором. Удельный теплосъем коллектора равняется 50 Вт/м.

Для проведения точных расчетов следует использовать следующие данные:

  1. Каменные породы с высокой теплопроводностью около 70 Вт/м.
  2. Сухие осадочные породы примерно 20 Вт/м.
  3. Насыщенная водой осадочные породы и каменистая почва – 50 Вт/м.
  4. Подземные воды – 80 Вт/м.

Температура грунта равняется 10 градусам на глубине свыше 15 метров. Между скважинами следует соблюдать расстояние от 5 метров. В грунте могут быть подземные течения, в таком случае придется бурить перпендикулярно потоку.

Например, L=Qo/q=10,6/0,05=212 м.

Если удельный теплосъем вертикального коллектора равен 50 Вт/м, а требуемая мощность составляет 10,6 кВт, то длина трубы будет 212 метров.