Тепловой насос для отопления дома, принцип работы и виды

Тепловой насос — это альтернативный источник создания тепла для обогрева дома. Данное устройство преобразует низкопотенциальную тепловую энергию источника (земли, воды, воздуха) в высокотемпературное тепло. Тепловые насосы, преобразующие энергию земли являются наиболее распространенными.

Теорию теплового насоса разработал в 1852 году лорд Кельвин. В 1866 на основе данных изысканий Иоахимстале Петер фон Риттингер создал устройство, и использовал его для повышения эффективности выпаривания соли. В современной форме тепловой насос создал американец Роберт Уэббер в середине ХХ века. Он начал использовать тепловую энергию земли для отопления дома. Для этого под грунтом укладывались медные трубы, где циркулировал забирающий при испарении земное тепло фреон. Тепло это газ отдавал в доме, и, конденсируясь, опять шел на циркуляцию в землю.

В данном обзоре рассмотрены основные виды систем с использованием теплового насоса и принцип их работы.

Принцип действия теплового насоса

Принцип действия тепловых насосов схож с работой холодильных машин, где производиться получение холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду. В тепловом насосе же процессы происходят в обратном порядке — в этом и заключается основное различие.

Устройство теплового насоса:

Тепловой насос состоит из двух теплообменников — испарителя и конденсатора. В испарителе с помощью испаряющегося хладагента поддерживается температура ниже температуры того тела (грунт, вода или атмосферный воздух), от которого требуется отобрать тепло. В конденсаторе поддерживается температура выше температуры другого тела (система отопления дома), которому тепло передается.

Разные уровни температур в первом и втором теплообменниках обеспечиваются с помощью циркулирующего между ними хладагента, способного изменяться от жидкого к газообразному состоянию и обратно при различных температурах.

Тепловым насосам для работы требуется электроэнергия. Ориентировочно, затратив 1 кВт электроэнергии на работу компрессора и насосов, можно получить 3 — 5 кВт тепловой энергии. В летний период, при наличии реверсивного режима работы, тепловой насос может охлаждать воздух в помещении.

Эффективность тепловых насосов зависит от способа обогревания и качества утепления дома. Наиболее рациональным является применение низкотемпературных систем отопления (один из примеров — система теплый пол). Связано это с низкотемпературным режимом нагревания воды тепловым насосом. И, если бы в данном случае использовались традиционные радиаторы, то они должны быть увеличенных размеров.

Преимущества тепловых насосов

У тепловых насосов есть ряд существенных преимуществ:

• В первую очередь стоит отметить долговечность таких систем. Тепловые насосы могут работать 20-25 лет, после чего компрессор насоса может быть заменен и система продолжит свою работу.
• Кроме того, системы тепловых насосов безопасны, поскольку отсутствуют топливо, открытый огонь и опасные газы.
• Следующий положительный фак — экологическая чистота системы, которая в процессе функционирования не образует вредные окислы, а применяемые в них фреоны не содержат хлороуглеродов.

Основным недостатком системы является высокая стоимость. В связи с этим, выбирая тепловой насос, не стоит заказывать оборудование максимальной мощности. Это неоправданно дорого и не имеет смысла, так как фактическое количество холодных дней обычно не превышает двух-трех недель за год. Оптимальный тепловой насос должен иметь мощность, равную 60 — 80% от максимальной. А для покрытия пиковых нагрузок можно установить резервный котел с традиционным видом топлива либо использовать встроенные в тепловые насосы ТЭНы.

Виды тепловых насосов

Естественным источником энергии для теплового насоса может быть:

• Тепло земли (тепло грунта).
• Подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные).
• Наружный воздух.

Искусственные источники низкопотенциального тепла:

• Удаляемый вентиляционный воздух.
• Канализационные стоки (сточные воды).
• Промышленные сбросы.
• Тепло технологических процессов.
• Бытовые тепловыделения

И в зависимости от источников энергии тепловые насосы подразделяются на следующие типы:

• Вода — вода.
• Вода — воздух.
• Грунт — вода.
• Грунт — воздух.
• Воздух — вода.
• Воздух — воздух.

Тепловые насосы типа «грунт – вода», «грунт – воздух»

На глубине ниже 10 м температура грунта практически постоянна в течение всего года. Насосы типа «грунт – вода» используют тепловую энергию земли и передают ее для обогрева дома через систему водяного отопления. В тепловых насосах, работающих по принципу «грунт – воздух», тепловая энергия также отбирается у грунта и через компрессор напрямую передается воздуху, который используется для отопления зданий.

Механизм теплообмена следующий:

• Энергия, отобранная от земли, аккумулируется носителем, в качестве которого чаще всего используется незамерзающая жидкость — антифриз («рассол»).
• Опускаясь вниз по теплообменнику, «рассол» отбирает у грунта тепло (примерно 3 — 4 °С) и передает его фреону, циркулирующему во внутреннем контуре теплового насоса.
• Фреон, проходя через каналы испарителя, закипает и испаряется.
• Образовавшийся при этом пар поступает в компрессор, сжимается там (при этом температура его повышается), после чего горячий и сжатый пар направляется в теплообменник конденсатора, где охлаждается, передавая тепло воде.
• Вода используется в системе отопления и горячего водоснабжения, а жидкий фреон стекает на дно конденсатора, откуда, за счет перепада давлений, через дроссель возвращается в испаритель.
• Данный порядок цикличен — повторяется снова и снова.

Теплообменник в тепловых насосах типа «грунт – вода» бывает двух видов:

1. Горизонтальный коллектор.
2. Вертикальный коллектор.

Горизонтальный коллектор

При данной реализации отбирается тепло, накопленное в верхних слоях почвы в результате солнечного излучения, и коллектор представляет собой несколько контуров пластиковых труб, уложенных под слоем грунта.

Для эффективной работы системы, исходя из особенностей грунта, его теплопроводности и геометрии участка, выбирается определенная схема укладки труб – петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм. Также, эффективность теплообмена увеличивается на влажных грунтах и уменьшается на сухих песчаных участках.

Для отопления дома площадью 70 — 100 м² достаточно уложить приблизительно 200 — 320 м трубопровода несколькими петлями-контурами. Для этого нужен участок площадью примерно 150 — 200 м², то есть в 1,5 — 2 раза больше, чем отапливаемая площадь дома. Дальнейшее использование такого участка над коллектором возможно только в качестве лужайки или цветника.

Главное преимущество использования горизонтального коллектора в связке с тепловым насосом — простота монтажа и то, что при прочих равных условиях работы по монтажу оборудования обойдутся немного дешевле, чем бурение скважин.

Вертикальный коллектор

Грунтовые зонды вертикального коллектора представляют собой систему длинных труб, опускаемых в скважины глубиной 50-200 м.

Пространство в скважине вокруг зонда заполняется буровым раствором или цементно-бетонной смесью для защиты труб от повреждений и улучшения теплопередачи. Для дома площадью 70 — 100 м² понадобится 2 — 3 скважины глубиной около 50 м. Располагать скважины следует не ближе 2 м от стены дома, чтобы не повредить фундамент. Также скважины не должны находиться на одной линии течения подземных вод — иначе эффективность теплового насоса уменьшится.

Для вертикального коллектора не требуется большой участок, а на глубинах от 50 м температура грунта выше, потому эффективность теплообмена при использовании данной системы выше на 15 — 20%, чем у горизонтального коллектора.

Тепловые насосы типа «воздух – вода», «воздух – воздух»

Тепловой насос типа «воздух – воздух» и «воздух – вода» схожи по принципу работы с кондиционерами. Они стоят дешевле, но проигрывают другим видам насосов по универсальности, применяясь преимущественно для нагревания горячей воды.

Такие устройства имеют два варианта исполнения:

1. Сплит система состоит из двух блоков, соединенных инженерными коммуникациями. В состав наружного входят мощный вентилятор и испаритель, а внутренний содержит конденсатор и автоматику. При этом компрессор может располагаться как во внутреннем блоке, так и в наружном, чтобы избежать шума в помещении.
2. В моно системе все элементы собираются в одном корпусе и монтируются либо в доме, соединяясь с улицей гибким воздуховодом, либо снаружи.

Тепловые насосы типа «вода – вода»

При соседстве с домом реки или пруда можно использовать тепловой насос, работающий по схеме «вода – вода». Для этого из водоема отбирается мощным насосом вода, которая прокачивается через первичный теплообменник теплового насоса, отдавая свою тепловую энергию фреону, и сбрасывается обратно в водоем.

Тепловой насос типа вода — вода наиболее экономичный. Однако, из-за загрязненности используемой воды необходимо предпринимать дополнительные меры для ее предварительной очистки перед подачей в тепловой насос.

Пример схемы обвязки теплового насоса вода — вода:

1. Теплообменник для пассивного охлаждения
2. Расширительный бак внешнего контура теплового насоса
3. Коллектор потолочного охлаждения
4. Расширительный бак системы отопления
5. Группа безопасности котла (теплового насоса)
6. Расширительный бак для ГВС
7. Резервный котел (высокотемпературный) с насосом и группой безопасности
8. Узел подмеса системы отопления
9. Термостатический клапан радиатора отопления
10. Буфер (тепловой аккумулятор)
11. Основной насос системы отопления
12. Тепловой насос вода-вода со встроенными циркуляционными насосами
13. Бойлер косвенного нагрева для ГВС
14. Насос рециркуляции ГВС
15. Коллектор водоснабжения
16. Коллектор теплых полов
17. Коллектор радиаторов

Подведем итог. Первоначальные затраты на систему отопления с тепловым насосом и ее обустройство достаточно высоки. Но, с учетом низких расходов на отопление, со временем можно покрыть первоначальные вложения и продолжить использование альтернативных источников для обогрева дома.

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