Тепловые насосы для отопления вашего дома

Тепловой насос — это устройство, которое может обеспечивать вашему дому отопление зимой, охлаждение летом и производство горячей воды круглый год.

Тепловой насос использует энергию возобновляемых источников — нагретого воздуха, земли, скальных пород или воды — для производства тепловой энергии. Это преобразование осуществляется с помощью особых веществ — хладагентов.

Принцип действия теплового насоса

Конструктивно любой тепловой насос состоит из двух частей: наружной, которая «забирает» тепло возобновляемых источников, и внутренней, которая отдает это тепло в систему отопления или кондиционирования вашего дома. Современные тепловые насосы отличаются высокой энергоэффективностью, что в практическом плане означает следующее — потребитель, т.е. владелец дома, используя тепловой насос, тратит на обогрев или охлаждение своего жилища, в среднем, всего четверть тех денег, которые он потратил бы, если теплового насоса не было.

Иначе говоря, в системе с тепловым насосом 75% полезного тепла (или холода) обеспечивается за счет бесплатных источников — тепла земли, грунтовых вод или нагретого в помещениях и выбрасываемого на улицу использованного воздуха.

Рассмотрим, как действует, пожалуй, самый популярный в быту тепловой насос, работающий за счет тепла земли. Работа теплонасоса происходит в несколько циклов.

Цикл 1, испарение

Наружная часть «земляного» теплового насоса представляет собой замкнутую систему труб, зарытых в землю на определенную глубину, где температура круглый год стабильна и составляет 7-12°C. Чтобы «собрать» достаточное количество энергии земли, требуется, чтобы общая площадь, занимаемая системой подземных труб, была в 1,5-2 раза больше всей отапливаемой площади дома. Эти трубы заполнены хладагентом, который нагревается до температуры земли.

Хладагент имеет очень низкую температуру кипения, поэтому способен прейти в газообразное состояние уже при температуре грунта. Далее этот газ поступает в компрессор.

Популярные модели

Цикл 2, сжатие

Именно этот компрессор и расходует всю необходимую для работы теплового насоса энергию, но по сравнению, к примеру, с отоплением от газового котла, эти затраты заметно ниже. К сравнению затрат мы вернемся позже.

Итак, нагретый до температуры 7-12°C газообразный хладагент из подземных труб в камере компрессора сильно сжимается, что приводит к его резкому нагреву. Чтобы понять это просто вспомните, как нагревается обычный велосипедный насос, когда вы накачиваете шины. Принцип тот же самый.

Хозяину на заметку

«Тепловой насос — современное отопление. Но реальные значения эффективности теплонасосов зависят от температурных условий, т.е. в холодные дни их эффективность падает. Она составляет порядка 150% при температуре −20 °C, и порядка 300% при температуре источника +7 °C».

Цикл 3, конденсация

После цикла сжатия, мы получили горячий пар под высоким давлением, который подается уже во внутреннюю, «домашнюю» часть теплового насоса. Теперь этот газ может быть использован для системы воздушного отопления или для нагрева воды в системе водяного отопления и горячего водоснабжения. Также этот горячий пар может применяться с системой «теплый пол».

Отдавая тепло в систему отопления, горячий газ охлаждается, конденсируется и превращается в жидкость.

Цикл 4, расширение

Эта жидкость поступает в расширительный клапан, где ее давление понижается. Теперь жидкий хладагент низкого давления снова направляется в подземную часть для нагрева до температуры земли. И все циклы повторяются.

Эффективность использования тепловых насосов

На каждый 1 кВт электроэнергии, потребляемой тепловым насосом для работы его компрессора, в среднем, вырабатывается около 4 кВт полезной тепловой энергии. Это соответствует 300% эффективности.

Сравнение отопления с помощью теплового насоса с другими способами.

Данные представлены Европейской ассоциацией тепловых насосов (EHPA)

Следует понимать, что показатели эффективности тепловых насосов отличаются, в зависимости от конкретных условий, в которых действует ваше устройство. Так, если вы используете «земляной» тепловой насос, и у вас на участке глинистая почва, то эффективность теплонасоса будет примерно вдвое выше, чем если бы трубы теплового насоса лежали в песчаном грунте.

Также следует помнить, что укладка подземной части должна осуществляться ниже отметки промерзания грунта. Иначе тепловой насос работать вообще не будет.

Реальные значения эффективности тепловых насосов зависят от температурных условий, т.е. в холодные дни их эффективность падает. Она составляет порядка 150% при температуре −20 °C, и порядка 300% при температуре источника +7 °C. Но технологии не стоят на месте — современные модели отличается большей энергоэффективностью, причем эта тенденция сохраняется.

Тепловые насосы для охлаждения дома

По своему принципу действия тепловой насос аналогичен холодильным агрегатам или чиллерам. Поэтому в летнее время он может применяться не для обогрева дома, а для его охлаждения или кондиционирования. Вспомним, что, если речь идет о «земляном» теплонасосе, то температура грунта стабильна в пределах 7-12°C круглогодично. И с помощью теплового насоса она может передаваться в помещения дома.

Принцип работы системы охлаждения с помощью теплового насоса аналогичен системе отопления, только вместо радиаторов используются фанкойлы. При пассивном охлаждении теплоноситель просто циркулирует между фанкойлами и скважиной, т.е. холод из скважины напрямую поступает в систему кондиционирования, но сам компрессор при этом не работает. Если пассивного охлаждения недостаточно, включается компрессор теплового насоса, который дополнительно охлаждает теплоноситель.

Типы тепловых насосов

Бытовые тепловые насосы бывают 3-х основных типов, различающихся по внешнему источнику тепла:

• «земляные» или «грунт-вода», «грунт-воздух»;
• «водяные» или «вода-вода», «вода-воздух»;
• «воздушные» или «воздух-вода», «воздух-воздух».

«Земляные» тепловые насосы

Самые популярные — это тепловые насосы, использующие тепло земли. О них уже шла речь выше. Это самые эффективные, но и самые дорогие из всех типов. Трубы, уходящие под землю, могут располагаться вертикально или горизонтально. В зависимости от этого, «земляные» тепловые насосы делятся на вертикальные и горизонтальные.

Другие публикации TopClimat.ru по теме
	Что такое тепловой насос
	Конвектор + тепловой насос = новые возможности

Вертикальные тепловые насосы требуют погружения труб, по которым циркулирует хладагент на значительную глубину: 50-200 м. Правда, есть альтернатива — сделать не одну такую скважину, а несколько, но более «мелких». Расстояние между такими скважинами должно быть не менее 10 м. Чтобы рассчитать глубину бурения, можно грубо прикинуть, что тепловой насос мощностью 10 кВт потребует скважины (одну или несколько) общей глубиной около 170 м. Следует также помнить, что бесполезно бурить очень мелкие — менее 50 м — скважины.

При горизонтальной укладке дорогостоящее бурение на большую глубину не требуется. Глубина заложения трубопроводов при этом способе — около 1 м, в зависимости от региона установки эта величина может как уменьшаться, так и увеличиваться. Труба с хладагентом при этом способе укладывается так, чтобы расстояние между соседними участками было не менее полутора метров, иначе сбор тепла не эффективен.

Хозяину на заметку

«Если вы живете в зоне умеренного климата — например, на Северо-Западе — то наиболее эффективный вариант для вас — тепловой насос, использующий тепло земли. Причем, лучше установить вертикальный вариант теплонасоса — особенно, если ваш дом находится на скальных породах».

Для установки теплового насоса мощностью 10 кВт необходима общая длина зарытой трубы порядка 350-450 м. Если принять во внимание ограничения, связанные с соседством разных участков между собой, то вам понадобится участок земли с размерами 20 на 20 метров. Есть ли такой свободный участок в наличии — большой вопрос.

Как выбрать нужный тепловой насос

Если вы живете в зоне умеренного климата — например, на Северо-Западе — то наиболее эффективный вариант для вас — тепловой насос, использующий тепло земли. Причем, лучше установить вертикальный вариант теплонасоса — особенно, если ваш дом находится на скальных породах, где найти свободный обширный участок земли проблематично. Но такой тип теплового насоса наиболее дорог по сумме капитальных затрат.

В зоне с мягким климатом — например, в Сочи — можно установить тепловой насос «воздух-вода», который не требует чрезмерных капитальных затрат и особенно эффективен в местности, где сезонные колебания температур сравнительно невелики.

В зависимости от принципа действия, бывают электрические тепловые насосы и газовые тепловые насосы. Более популярны модели, работающие от электричества.

Еще одно важное замечание. Хорошей идеей являются комбинированные модели тепловых насосов, которые совмещают классический вариант теплонасоса с газовым или электрическим нагревателем. Такие нагреватели могут применяться при неблагоприятных погодных условиях, когда эффективность теплового насоса снижается. Как уже говорилось, особенно снижение эффективности свойственно тепловым насосам «воздух-вода» и «воздух-воздух».

Комбинация этих двух источников тепла позволяет снизить стоимость капитальных затрат и увеличить срок окупаемости теплонасосной установки.

Преимущества и недостатки тепловых насосов

Главным достоинством тепловых насосов являются их низкие эксплуатационные расходы. Т.е. стоимость произведенного тепла или охлаждения для конечного потребителя является самой низкой по сравнению с другими способами отопления/кондиционирования. Кроме этого, система с тепловым насосом практически безопасна для дома. Следовательно, упрощаются требования к системам вентиляции его помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Что также положительно влияет на стоимость установки этих систем.

Тепловые насосы просты в эксплуатации и весьма надежны, а еще — практически бесшумны.

Еще один плюс — вы легко можете переключить тепловой насос с отопления на охлаждение в случае необходимости. Нужно лишь иметь дома не только отопительные радиаторы, но и фанкойлы.

Но есть у них и минусы, главный из которых является оборотной стороной главного плюса — капитальные затраты на их установку весьма существенны. Еще одним недостатком тепловых насосов до недавнего времени была сравнительно низкая температура теплоносителя — не более 60 C. Но последние разработки дали возможность устранить этот недостаток. Правда, и цена на такие модели выше, чем на стандартные.

Тепловой насос в отоплении дома

Тепловой насос в отоплении дома

Тепловой насос (ТН) – это устройство, которое осуществляет перенос, трансформацию и преобразование тепловой энергии. По принципу работы он схож с известными всем приборами и оборудованием, такими как холодильник или кондиционер. В основе функционирования любого ТН лежит обратный цикл Карно, названного в честь известнейшего французского физика и математика Сиди Карно.

Принцип работы теплового насоса

Изучим более подробно физику процессов работы данного оборудования. Тепловой насос состоит из четырех основных элементов:

1. Компрессор
2. Теплообменник (конденсатор)
3. Теплообменник (испаритель)
4. Соединительная арматура и элементы автоматики.

Компрессор необходим для сжатия и перемещения хладагента по системе. При сжимании фреона его температура и давление резко повышается (развивается давление до 40 бар, температура до 140 С), и в форме газа с высокой степенью сжатия он поступает в конденсатор (адиабатический процесс, т.е. процесс в котором система не взаимодействует с внешним пространством), где передает энергию потребителю. Потребителем может выступать как непосредственно среда, которую необходимо обогреть (например, воздух в помещении), так и теплоноситель (вода, антифриз и т.д.), который далее распределяет энергию по системе отопления (радиаторы, теплые полы, обогреваемые плинтуса, конвекторы, фанкойлы и прочее). Температура газа при этом, естественно понижается, и он меняет свое агрегатное состояние с газообразного на жидкостное (изотермический процесс, т.е. процесс, протекающий при постоянной температуре).

Далее хладагент в жидком состоянии поступает в испаритель, проходя через терморегулирующий вентиль (ТРВ), необходимый для уменьшения давления и дозирования поступления фреона в испарительный теплообменник. В следствии снижения давления при прохождении каналов испарителя осуществляется фазовый переход, и агрегатное состояние хладагента снова меняется на газообразное. При этом энтропия газа снижается (исходя из теплофизических свойств фреонов), что приводит к резкому падению температуры, и происходит «отъем» тепла у внешнего источника. В качестве внешнего источника может выступать уличный воздух, недра земли, реки, озера. Далее охлажденный газообразный фреон возвращается в компрессор, и цикл повторяется снова.

Фактически получается, что тепловая машина сама не производит выработку тепла, а является устройством по перемещению, модифицированию и видоизменению энергии от окружающей среды в помещение. Однако для этого процесса необходима электроэнергия, основным потребителем которой выступает компрессорный агрегат. Соотношение полученной тепловой мощности к затраченной электрической называется коэффициентом преобразования (СОР). Он меняется в зависимости от типа ТН, его производителя, прочих факторов и варьируется в пределах от 2 до 6.

В настоящее время в качестве хладагента используются озонобезопасные фреоны различного типа (R410A, R407C), которые наносят минимальный ущерб окружающей среде.

В современных тепловых машинах используются компрессоры спирального типа, которые не требуют обслуживания, в них практически отсутствует трение, и они могут безостановочно проработать 30-40 лет. Это обеспечивает долгий срок службы всего агрегата. Так, например, у немецкой фирмы Stiebel Eltron есть ТН, проработавшие без капитального ремонта с начала 70-х годов прошлого века.

Типы тепловых насосов

В зависимости от сред используемых для отбора и перераспределения энергии, а так же конструктивных особенностей и способах применения, различают четыре основных типа ТН:

Тепловой насос «воздух — воздух»

В качестве низкопотенциального источника энергии, данный тип оборудования использует уличный воздух. Внешне он не отличается от обычной сплит — системы кондиционирования, однако имеет ряд функциональных особенностей, позволяющих ему работать при низких температурах (до -30 С) и «изымать» энергию из окружающей среды. Обогрев дома осуществляется непосредственно теплым воздухом, нагреваемом в конденсаторе теплонасоса.

Достоинства ТН «воздух — воздух»:

• Невысокая стоимость
• Малое время монтажных работ и сравнительная простота установки
• Отсутствие возможности утечки теплоносителя

Недостатки:

• Значительное снижение СОР при низких температурах (до 1,2)
• Устойчивая работоспособность до -20 С
• Необходимость установки внутреннего блока в каждую комнату или организацию системы воздуховодов для подачи нагретого воздуха во все помещения.
• Невозможность получения горячей воды (ГВС)

На практике, такие системы применяются для сезонного жилья и не могут выступать в качестве основного источника обогрева.

Тепловой насос «воздух — вода»

По своему принципу действия схожи с предыдущим типом, однако они нагревают не напрямую воздух внутри помещения, а теплоноситель, который в свою очередь используется для отопления дома и приготовления ГВС.

Достоинства ТН «Воздух – вода»:

• не требует организация «внешнего контура» (бурения)
• надежность и долговечность
• высокие показатели эффективности (СОР) в осенний и весенний периоды

Недостатки ТН:

• Значительное снижение СОР при низких температурах (до 1,2)
• Необходимость оттаивания внешнего блока (реверсивный режим)
• Невозможность эксплуатации при температуре ниже -25 С — -30 С

Такие насосы в нашем климате все же не могут выступать единственным источником отопления. Поэтому они зачастую устанавливаются (по бивалентной схеме) в связке с дополнительным отопительным оборудованием (электрический, пеллетный, твердотопливный, дизельный котел, камин с водяной рубашкой). Также они подходят для реконструкции и автоматизации старых котельных, использующие традиционные виды топлива. Это позволяет большую часть года эксплуатировать систему в автоматическом режиме (нет необходимости загружать твердое топливо или заправлять дизельное топливо), используя только мощность ТН.

Тепловой насос «рассол – вода»

Один из самых распространенных на территории Республики Беларусь. Используя статистику нашей организации 90% установленных теплонасосов, являются геотермальными. В данном случае в качестве «внешнего контура» используется недра земли. За счет этого, данные ТН обладают самым главным преимуществом перед остальным типами теплонасосов – стабильный показатель эффективности работы (СОР) вне зависимости от времени года.

По устоявшейся терминологии, внешний контур называется геотермальным.

Существуют две основные разновидности геотермального контура:

Остановимся на каждом из них подробнее.

Горизонтальный контур

Горизонтальный контур представляет собой систему полиэтиленовых труб, уложенных под верхним слоем грунта на глубине около 1,5 – 2 м, ниже уровня промерзания. Температура в этой зоне остается положительной (от +3 до +15 С) в течение всего календарного года, достигает максимума в октябре, а минимума в мае. Площадь, занимаемая коллектором зависит площади строения, степени его утепления, размеров остекления. Так, например, для двухэтажного жилого дома площадью 200 м2, имеющего неплохое утепление, отвечающее современным нормам, под геотермальное поле придется выделить порядка четырех соток земли (400 м2). Безусловно для более точной оценки диаметра используемым труб и занимаемой площади, необходим подробный теплотехнический расчет.

Вот как выглядит монтаж горизонтального коллектора на одном из наших объектов в г. Дзержинск (Республика Беларусь):

Достоинства горизонтального коллектора:

• Более низкая стоимость по сравнению с геотермальными скважинами
• Возможность проведения работ по его устройству совместно с прокладкой других коммуникаций (водопровод, канализация)

Недостатки горизонтального коллектора:

• Большая занимаемая площадь (не ней запрещается возводить капитальные строения, асфальтировать, укладывать тротуарную плитку, необходимо обеспечить естественный доступ света и осадков)
• Отсутствие возможности обустройства при готовом ландшафтном дизайне участка
• Меньшая стабильность по сравнению с вертикальным коллектором.

Обустройство такого типа коллектора обычно осуществляется двумя способами. В первом случае на всей площади укладки снимается верхний слой грунта, толщиной 1,5-2м, выполняется раскладка труб теплообменника с заданным шагом (от 0,6 до 1,5м) и производиться обратная засыпка. Для выполнения таких работ подходит мощная техника, такая как фронтальный погрузчик, бульдозер, экскаваторы с большим вылетом стрелы и объемом ковша.

Во втором случае укладка петель грунтового контура производиться поэтапно в подготовленные траншеи, шириной от 0,6м до 1 м. Для этого подходят небольшие экскаваторы и экскаваторы — погрузчики.

Вертикальный контур

Вертикальный коллектор представляет собой скважины глубиной от 50 до 200 м и более, в которые опущены специальные устройства – геотермальные зонды. Температура в этой зоне в течение многих лет и десятилетий остается постоянной и растет с увеличением глубины. Повышение происходит в среднем на 2-5 С на каждые 100 м. Величина это характеризующая называется температурным градиентом.

Процесс монтажа вертикального коллектора на нашем объекте в п. Крыжовка, под Минском:

Изучая карты распределения температур на различных глубинах на территории РБ и города Минска в частности, можно заметить, что температура меняется от области к области, и может существенно отличаться в зависимости от местоположения. Так, например, на глубине 100 м в районе г. Светлогорск она может достигать +13 С, а в некоторых районах Витебской области на той же самой глубине не превышает +8,5 С.

Безусловно при расчете глубины бурения и проектирования размера, диаметра и прочих характеристик геотермальных зондов, необходимо учитывать этот фактор. Помимо этого, необходимо учитывать геологический состав проходимых пород. Только опираясь на эти данные можно правильно запроектировать геотермальный контур.

Как показывает практика и статистика нашей организации 99% проблем при эксплуатации ТН связано с функционированием внешнего контура, при чем эта проблема проявляется не сразу после ввода в эксплуатацию оборудования. И этому есть объяснение, так при неправильном расчете геоконтура (например, на территории Витебской области, где как мы помним геотермальный градиент является одним из самых низких в Республике), его первоначальная работа не вызывает нареканий, однако с течением времени толща земли «выхолаживается», нарушается термодинамический баланс и начинаются неприятности, при чем проблема может возникнуть только на второй — третий отопительный сезон. Менее проблемно выглядит переразмеренный контур, но заказчик вынужден оплачивать не нужные метры бурения из-за некомпетентности подрядчика, что неумолимо ведет к удорожанию всего проекта.

Особенно критичным к изучению недр земли нужно относиться при строительстве больших коммерческих объектов, где количество скважин исчисляется десятками, и сэкономленные (либо растраченные) средства на их устройство, могут быть очень значительными.

Тепловой насос «вода — вода»

Одной из разновидностей геотермального источника тепла могут быть подземные воды. Они имеют постоянную температуру (от +7 С и выше), и в значительном количестве залегают на различных глубинах на территории РБ. По технологии, подземные воды поднимаются центробежным насосом из скважины и поступают на станцию тепломассообмена, где передают энергию антифризу нижнего контура теплового насоса. Эффективность работы данной системы зависит от уровня залегания грунтовых вод (в зависимости от глубины подъема, требуется определенная мощность помпы), расстояния от заборной скважины до станции обмена. Эта технология имеет один из самых высоких показателей COP, однако имеет ряд особенностей, ограничивающих ее применение.

• Отсутствие подземных вод, либо низкий уровень их залегания;
• Отсутствие постоянного дебета скважины, понижение статического и динамического уровней;
• Необходимость учитывать солевой состав и загрязненность (при не надлежащем качестве воды, происходит засорение теплообменника, снижаются показатели производительности)
• Необходимость устройства дренажного колодца для сброса значительных объемов отработавшей воды (от 2200 л/ч и более)

Как показывает практика, установка таких систем целесообразна, если в непосредственной близости имеется водоем или река. Отработавшую воду, также можно использовать в хозяйственных и промышленных целях, например, для полива, или организации искусственных водоемов.

Что качается качества заборной воды то, например, немецкий производитель альтернативных отопительных систем Stiebel Eltron рекомендует следующие параметры: общая доля железа и магния не более 0,5 мг/л, содержание хлоридов менее 300 мг/л, отсутствие осаждаемых веществ. При превышении этих параметров необходимо установка дополнительной системы очистки — станции подготовки и обессоливания, что повышает материалоемкость проекта.

Буровые работы для теплового насоса.

Исходя из опыта монтажа и эксплуатации геотермальных агрегатов, мы рекомендуем бурить скважины не менее 100м. Практика показывает, что лучшие показатели эффективности и стабильности тепловой машины, будет наблюдаться, например, для двух скважин по 150 м, чем для трех по 100м. Безусловно, для обустройства таких шахт требуется специальная техника и роторный метод производства бурения. Малогабаритные шнековые установки не способны обеспечить нужной длины скважин.

Так как, геотермальный контур является важнейшей составляющей, и правильность его обустройства является залогом успешного функционирования всей системы, то подрядчик, осуществляющих бурение должен соответствовать ряду критериев:

• обязательно иметь опыт производства подобного вида услуг;
• иметь специальный инструмент для погружения зондов;
• давать гарантию погружения зонда на проектную глубину и гарантировать его целостность и герметичность в процессе производства работ;
• после погружения проводить мероприятия по тампонированию скважины для увеличения ее теплообмена и производительности, зачеканить ствол шахты до обратной засыпки.

В целом, при правильном проектировании и квалифицированном монтаже, геотермальные зонды очень надежны, и способны Вам прослужить до 100 лет.

Процесс опускания геотермального зонда в пробуренную скважину:

Геотермальный зонд на станине, перед проведением проверки на герметичность («опрессовки» давлением):

Выводы

Исходя из нашего опыта в устройстве систем альтернативной энергетики, мы можем выделить основные факты, которые являются основополагающими при выборе нашими Заказчиками тепловых насосов:

• полная безопасность и экологичность (отсутствую процессы горения и движущие части)
• возможность «сегодня» заказать систему и через три недели наслаждаться ее использованием без каких-либо согласований с контролирующими и разрешительными органами.
• Полная автономность и минимальное техническое обслуживание (нет необходимости состоять в газовом кооперативе, зависеть от него; не надо подбрасывать дрова или проводить ежемесячную чистку воздуховодов, организовывать подъезд топливозаправщика и прочее)
• Стоимость участка для строительства индивидуального дома без подведенного газа значительно ниже и срок сдачи жилья не зависит от газовых служб
• Возможность удаленного управления через интернет
• Передовое и инновационное оборудование стильного исполнения, которое не стыдно показать друзьям и знакомым, что безусловно подчеркивает статус домовладельца.

Если в данной статье мы не затронули какие-то вопросы и вы хотите задать их лично – вы можете приехать к нам в офис по адресу: г. Минск, ул. Одоевского, 117, компания ООО «Нова Грос» и проконсультироваться у наших инженеров.

Так же, у нас есть возможность организовать бесплатное посещение уже реализованных функционирующих объектов.

Контактные телефон для связи: 044 765 29 58; 017 399 70 51