Тепловой насос: качаем тепло в дом

Тепловой насос для отопления дома из инженерной экзотики постепенно становится популярным устройством, которое охотно используют домовладельцы во всем мире. Абсолютные лидеры в этой области шведы – с 2004 года продажи ТН выросли там больше, чем вдвое, и сейчас в стране установлено почти два миллиона тепловых насосов. Это государственная политика: пользоваться возобновляемыми источниками энергии, а не ископаемыми, снижать выбросы парниковых газов, уменьшать потребления электроэнергии и т.п. Сейчас в Швеции в каждом втором частном доме стоит ТН, и домовладельцам это выгодно не меньше, чем государству, потому что это практически халявное отопление. Но дешевая эксплуатация теплового насоса покупается достаточно дорогими капитальными затратами на его установку. Как работает тепловой насос, как быстро он окупается и окупается ли вообще, какие разновидности устройства лучше использовать в конкретных условиях российского загорода, расскажет эта статья.

Тепловой насос для отопления дома из инженерной экзотики постепенно становится популярным устройством, которое охотно используют домовладельцы во всем мире. Абсолютные лидеры в этой области шведы – с 2004 года продажи ТН выросли там больше, чем вдвое, и сейчас в стране установлено почти два миллиона тепловых насосов. Это государственная политика: пользоваться возобновляемыми источниками энергии, а не ископаемыми, снижать выбросы парниковых газов, уменьшать потребление электроэнергии и т.п. Сейчас в Швеции в каждом втором частном доме стоит ТН, и домовладельцам это выгодно не меньше, чем государству, потому что это практически халявное отопление.

Получаете полностью автоматизированую систему отопления, ГВС и охлаждение в летний период через систему отопления. Платить будете только за электроэнергию 2-3кВт/час.

Но дешевая эксплуатация теплового насоса покупается достаточно дорогими капитальными затратами на его установку. Как работает тепловой насос, как быстро он окупается и окупается ли вообще, какие разновидности устройства лучше использовать в конкретных условиях российского загорода, расскажет эта статья.

Принцип работы теплового насоса

В мире, слава физике, все устроено так, чтобы каждый владелец загородного дома мог иметь доступ к бесконечным запасам тепла для отопления своего жилья. У любого тела с температурой выше абсолютного нуля (-273,15 °С ) есть запас тепловой энергии. Ни одно физическое тело не может достичь температуры абсолютного нуля, поэтому запасы тепла в окружающей среде неисчерпаемы.

Тепловой насос не производит тепло, а именно собирает низкопотенциальное тепло из этого безразмерного фонда воды, земли или воздуха и преобразует его в тепло, пригодное для обогрева помещения. Тепловой насос еще в 1852 году изобрел Вильям Томпсон. Свое изобретение он называл «умножитель тепла»: оно показывало, как холодильную машину использовать в отопительных целях.

1. окружающий воздух; 2. входной цилиндр; 3. теплообменник; 4. привод; 5. паровая машина; 6. выходной цилиндр; 7. обогреваемое помещение.

Изобретение Томпсона развил австрийский инженер Петер Риттер фон Риттингер. В 1855 году он спроектировал и установил первый тепловой насос. Сразу это устройство человечеству как-то «не зашло», но с годами и с ростом цен на энергоносители оно актуализовалось, и уже в 20-30 годах появились системы отопления, которые основаны на его использовании.

Для объяснения принципа работы теплового насоса часто вспоминают холодильник: там тепло, собранное с продуктов камере, сбрасывается в радиатор на задней стенке, морозилка охлаждается, а решетка на задней стенке холодильника нагревается. Мысленно удлиним трубки с фреоном и опустим их в ванну: в результате этого эксперимента вода в ванне будет охлаждаться, а решетка холодильника нагреваться и обогревать кухню; перекачивая тепло из ванны, холодильник начнет отапливать кухонное помещение.

Тепловой насос – не автономное устройство, ему нужен источник электрэнергии. Конструктивно он состоит из

• компрессора
• конденсатора
• теплового расширительного вентиля
• испарителя

Внутри этих компонентов циркулирует теплоноситель, его называют хладагентом. В начале цикла хладагент поступает на вход компрессора. Там газ сжимается, а его давление и температура увеличиваются. Горячий газ поступает в конденсатор, отдает свое тепло воде или воздуху, охлаждается и конденсируется, становится жидкостью. Жидкость поступает в расширительный вентиль, где ее давление и температура понижаются, она поступает в испаритель, который связан с окружающей средой (коллектором, расположенным в грунте и т.п.). Жидкость становится газом, забирает тепло от наружного контура и снова поступает в компрессор. Цикл повторяется.

Виды тепловых насосов

Основная классификация тепловых насосов – по виду передачи энергии. Они делятся на абсорционные и компрессионные. Для отопления домов используют компрессионные насосы, в конструкции которых есть компрессор, конденсатор, расширитель и испаритель. По источнику отбора тепла их делят на:

• Геотермальные, которые берут тепловую энергию из воды или грунта;
• Воздушные, которые берут тепло из воздуха.
• Использующие вторичное тепло. Такие насосы применяют на промышленных объектах, где есть горячие канализационные стоки и т.п. В ИЖС применяют геотермальные или воздушные.

Геотермальные насосы могут быть

Горизонтальный геотермальный грунтовой насос.

Полиэтиленовые трубы укладывают ниже глубины промерзания грунта (где его температура стабильно держится на +5 — +7 градусов) на 0.3-0,5 м. Для горизонтального коллектора не требуется бурение, Это довольно бюджетный способ получения энергии для работы теплового насоса. Но он занимает большую площадь, примерно 5 соток для обогрева дома в 100 кв. метрах (это зависит также от отопления, процента остекления и т.п, в каждом случае нужны индивидуальные технологические расчеты). Над коллектором нельзя сажать большие деревья и ставить капитальные постройки, и на маленьких участках место для него найти трудно. Если площадь позволяет, то сделать коллектор можно одним из двух способов.

• Снять грунт со всей площадки, уложить трубы с шагом 0,6-1,5 метров и снова засыпать все грунтом. Здесь нужна тяжелая землеройная техника: бульдозеры, фронтальные погрузчки и т.п.
• Укладывать трубы поэтапно в канавы шириной от 60 см до метра. Этот способ позволяет обойтись без тяжелой техники, достаточно будет мини- экскаватора.

Мы охлаждаем грунт, забираем из него тепло. Чтобы перекачать в дом заветные киловатты, надо охладить вполне конкретные кубометры на конкретное количество градусов. 1 кубометр на 1 градус = 1 кВт*час. Поэтому, чем компактнее контур, тем на большее количество градусов надо его охлаждать. А это прямой удар по COP. Конструкция любого геотермального контура должна иметь доступ как можно к большему объёму грунта.

COP (Coefficient of Perfomance) — это отношение произведенного тепла к потребленной электроэнергии, коэффициент, который показывает, во сколько раз тепловой насос производит больше энергии, чем потребляет сам.

Чтобы получить его, должна сохраняться минимальная разница температур на входе и выходе из ТН. Нельзя повлиять на температуру грунта, воды или воздуха, поэтому нужно, чтобы как можно более низкой была температура на выходе из ТН. Поэтому в домах с тепловым насосом устанавливают теплые полы, которые работают при температурах около 30 градусов.

Вертикальный грунтовый контур.

Для его установки бурится глубокая скважина, до 200 метров, или несколько скважин по 20-30 метров. Несколько неглубоких скважин обойдутся дешевле, и на них не надо получать разрешение. В скважину опускается U-образная труба, геотермальный зонд. В чем здесь главный плюс: не нужно отводить под контур значительную часть участка. Но такой контур не установить без предварительных геологических изысканий на участке; потребуются буровые установки и другое специальное оборудование.

Эффективная глубина скважин в грунте 50-100 метров. Теплосъем с одного метра скважины 30-50 Ватт. Если на обычный коттедж нужно 10-20 кВт тепла (в зависимости от площади и условий), то необходимы 2-4 стометровых скважины.

Водный.

Это супервыгодная конструкция, самая дешевая, если дом стоит на берегу водоема, не дальше, чем 50 метров. Не надо ничего бурить и закапывать, просто опустил на дно водоема ниже глубины промерзания коллектор (кольцами или извилисто), и все. Ограничения здесь связаны с водоемом: у него должна быть определенная глубина и объем воды.

Открытого типа

В этой схеме теплообменная жидкость – вода, которая проходит через систему геотермального теплового насоса и возвращается обратно в землю. Для этого варианта нужно, чтобы на участке была относительно чистая вода, и в достаточном количестве. Постоянная температура грунтовых вод около +7 градусов. Для сброса отработанных вод делают вторую скважину, колодец, даже канаву.

Если нет реки, можно пробурить две скважины. Из первой брать воду и нагревать охладитель, во вторую сливать.

Грунтовые воды для теплового насоса должны соответствовать ряду параметров: в них не допускаются вещества, которые выпадают в осадок, содержание магния и железа не должно превышать 0,5 мг/л; общая доля хлоридов — не более 300 мг/л. Иначе теплообменник забьется и выйдет из строя. И вот из-за того, что на значительной части российских просторов в грунтовых водах слишком много железа, такие тепловые насосы устанавливают довольно редко. Некоторые упорные домовладельцы делают станции обессоливания и водоподготовки, но, по отзывам, это сильно удорожает проект.

Воздушные насосы внешне выглядят, как обычная сплит-система. Такие тепловые насосы и в Москве, и в большинстве регионов России не эффективны, их используют больше для дач, чем для домов круглогодичного проживания.

При температуре конденсации 40°С и при температуре испарения -20°С воздушный тепловой насос будет работать, но уже как кипятильник. Зачем вам такой дорогой кипятильник? При -10°С на улице он будет давать 3кВт тепла, при потреблении 3кВт электроэнергии. Оно вам надо?

По виду теплоносителя входного/входного контура делятся на:

• «Воздух-воздух»: они забирают тепло у холодного воздуха и отдают в помещение. Тепловой насос воздух — воздух как полноценный как полноценный источник отопления дома может применяться только на юге, там, где зимы не холоднее -5 градусов.
• «Воздух-вода»: как и в предыдущем устройстве, тепло снимается из атмосферы, но оно нагревает не воздух помещения, а теплоноситель, который применяют для отопления и в ГВС.
• «Вода-вода»: тепло «снимается» с грунтовых вод или водоема и отдается воде для отопления и горячего водоснабжения;
• «Грунт-вода»: геотермальный контур здесь – грунт, в нем прокладывают трубы, по которым циркулирует жидкость и «снимает» тепло.

Износостойкость и обслуживание

Тепловой насос занимает в доме не больше места, чем обычная газовая котельная. Его автоматика и функциональные агрегаты– сложные устройства, но им не нужно постоянное обслуживание. Самое «хрупкое» звено в этой системе – компрессор, он не износостойкий, но, судя по отзывам, модели хороших производителей служат по 30 лет и легко заменяются. А сам ТН заводского производства может прослужить и до 100 лет.

Годовое ТО оценить сложно: платим только за электроэнергию, потребляемую компрессором теплового насоса. Обслуживание заключается в прочистке теплообменников раз в год. А есть такие насосы, к которым с целью обслуживания по 5-6 лет никто не подходил, и они продолжают работать без всяких проблем!

Могу поспорить, что газовый котел прогорит минимум три раза до того как сломается ТН (там нечему ломаться). Самая дорогая деталь в ТН — компрессор, стоит не дороже 1000 евро. Меняется за час. Выбирать ТН надо именно по этой детали!

Окупается ли тепловой насос

Система отопления, основанная на тепловом насосе, потребляет минимум электроэнергии.

Правильно сделанный и установленный геотермальный ТН на 12 кВт будет потреблять 2.5-3 кВт.

Если разница температур в первичном и вторичном теплообменниках большая, СО выдает тепловую мощность, которая в три раза больше, чем потребляемая электрическая. И еще больше, если разница температур не превышает 12-14 градусов. Наш пользователь с ником Elektrik-555 подсчитал, что его геотермальный тепловой насос «вода-вода» для отопления дома потребляет в 3,9 раза меньше электрической энергии, чем производит тепловой.

В стремлении к топливной независимости можно зайти еще дальше и поставить солнечный коллектор.

Как быстро окупается тепловой насос? В отзывах в интернете называют разные цифры, от трех лет до 10, но многое зависит от утепления загородного дома, качества остекления, цен на газ и электричество в регионе, других факторов.

Одно можно сказать точно: в последние годы люди устанавливают тепловые насосы все чаще, и тенденция такова, что чем дальше, тем быстрее окупаются эти устройства. Современные тепловые насосы эффективны. Они сконструированы с учетом последних достижений в области холодильной техники, и собраны из надежных комплектующих с контроллерами управления, у которых предусмотрена погодная компенсация и всевозможные защиты. Да, они очень дорогие, но для частных домов есть и хорошие, надежные варианты для без особых наворотов.

ТН уже сейчас окупается за 5-7 лет, а с ростом тарифов и падением цен на комплектующие будет окупаться еще быстрее. Именно поэтому сейчас идет всплеск спроса на насосы.

FORUMHOUSE теперь производит под своей торговой маркой линейку тепловых высококачественных геотермальных насосов для отопления и горячего водоснабжения дома по вполне демократичной стоимости:

• Геотермальный тепловой насос «грунт-вода» EU ФХ-501. Это простое и надежное устройство с коэффициентом COP 5,0, работает в режиме «старт – стоп» по температуре теплоносителя;
• Геотермальный тепловой насос «грунт-вода» IQ (псевдоинвертор) ФХ-601 с коэффициентом COP 5,0. Оснащен с частотным преобразователем для плавного пуска и устройством для удаленного доступа.
• Геотермальный тепловой насос IQ (инвертор) «грунт-вода» ФХ-701. Этот инверторный ТН – самый удобный и продвинутый из нашей линейки с COP 5,0 удаленным управлением и плавным изменением мощности в широком диапазоне. Предусмотрена возможность работы в трех режимах контроля температуры.

В отличие от газового котла, на установку теплового насоса не нужно брать разрешение и готовить проектную документацию. И они абсолютно безопасны для человека и безвредны для экологии.

Как заточить дом под ТН

Тепловые насосы отапливают частный дом не так, как газовые котлы. Они не нагревают теплоноситель «с запасом», а постоянно поддерживают в контуре температуру +40–+45 °C. Наилучшие параметры ТН выдает в зданиях с низкими теплопотерями и с низкотемпературными обогревательными приборами.

Поэтому лучше сразу «затачивать дом под тепловой насос» , чтобы получить максимум преимуществ и не нажить геморроя.

• хорошо утеплить дом;
• полностью отказаться от радиаторов в пользу теплого пола с минимальным шагом трубы, чтобы температура теплоносителя была минимальной.

На FORUMHOUSE есть сборник подсказок по самостоятельному изготовлению геотермального теплового насоса, сборник инструкций, справочников и прочей документации по тепловым насосам. Статья рассказывает про реальный опыт эксплуатации теплового насоса «воздух-вода», а видео –про загородный дом, который успешно отапливается тепловым насосом.