Расчет мощности теплового насоса для дома: принцип действия оборудования и конкретные примеры вычислений

Виды конструкций тепловых насосов

Тип ТН принято обозначать словосочетанием, указывающим на среду-источник и теплоноситель системы отопления.
Существуют следующие разновидности:

• ТН «воздух – воздух»;
• ТН «воздух – вода»;
• ТН «грунт – вода»;
• ТН «вода – вода».

Самый первый вариант – это обычная сплит-система, работающая в режиме обогрева. Испаритель монтируется на улице, а внутри дома устанавливается блок с конденсатором. Последний обдувается вентилятором, благодаря чему в помещение подается теплая воздушная масса.

Если такую систему оснастить специальным теплообменником с патрубками, получится ТН типа «воздух – вода». Он подключается к водяной системе отопления.

Испаритель ТН типа «воздух – воздух» или «воздух – вода» можно разместить не на улице, а в канале вытяжной вентиляции (она должна быть принудительной). В этом случае эффективность ТН будет увеличена в несколько раз.

Теплонасосы типа «вода – вода» и «грунт – вода» для отбора тепла используют так называемый наружный теплообменник или, как его еще называют, коллектор.

Принципиальная схема работы теплового насоса

Это длинная закольцованная труба, как правило, пластиковая, по которой циркулирует жидкая среда, омывающая испаритель. Обе разновидности ТН представляют собой одно и то же устройство: в одном случае коллектор погружается на дно поверхностного водоема, а во втором – в грунт. Конденсатор такого ТН расположен в теплообменнике, подключаемом к системе водяного отопления.

Подключение ТН по схеме «вода – вода» является гораздо менее трудоемким, чем «грунт – вода», поскольку отпадает необходимость в проведении земляных работ. На дно водоема труба укладывается в виде спирали. Разумеется, для данной схемы подойдет только такой водоем, который зимой не промерзает до дна.

Настало время предметно изучать зарубежный опыт

О тепловых насосах, способных отобрать тепло окружающей среды для отопления зданий, теперь уже знают почти все, и, если еще недавно потенциальный заказчик, как правило, задавал недоуменный вопрос «как это возможно?», то теперь все чаще звучит вопрос «как это правильно сделать?».

Ответить на этот вопрос непросто.

В поисках ответа на многочисленные вопросы, которые неизбежно возникают при попытке проектировать системы отопления с тепловыми насосами, целесообразно обратиться к опыту специалистов тех стран, где тепловые насосы на грунтовых теплообменниках применяются уже давно.

Посещение* американской выставки AHR ЕХРО-2008, которое было предпринято, главным образом, с целью получения информации о методах инженерных расчетов грунтовых теплообменников, прямых результатов в этом направлении не принесло, но на выставочном стенде ASHRAE продавалась книга , некоторые положения которой послужили основой для этой публикации.

Следует сразу сказать, что перенос американской методики на отечественную почву – дело непростое. У американцев все не так, как принято в Европе. Только время они измеряют в тех же единицах, что и мы. Все остальные единицы измерения – чисто американские, а точнее – британские. Особенно не повезло американцам с тепловым потоком, который может измеряться как в британских тепловых единицах, отнесенных к единице времени, так и в тоннах охлаждения, которые придуманы, вероятно, в Америке.

Главная проблема, однако, состояла не в техническом неудобстве пересчета принятых в США единиц измерения, к которым со временем можно и привыкнуть, а в отсутствии в упомянутой книге четкой методической основы построения алгоритма вычислений. Рутинным и широко известным расчетным приемам там уделяется слишком много места, в то время как некоторые важные положения остаются вовсе нераскрытыми.

В частности, такими физически связанными исходными данными для расчета вертикальных грунтовых теплообменников, как температура циркулирующей в теплообменнике жидкости и коэффициент преобразования теплового насоса, нельзя задаваться произвольно, и, прежде чем приступать к вычислениям, связанным с нестационарным теплообменом в грунте, необходимо определить зависимости, связывающие эти параметры.

Критерием эффективности теплового насоса служит коэффициент преобразования ?, величина которого определяется отношением его тепловой мощности к мощности электропривода компрессора. Эта величина является функцией температур кипения в испарителе tu и конденсации tk, а применительно к тепловым насосам «вода-вода» можно говорить о температурах жидкости на выходе из испарителя t2И и на выходе из конденсатора t2K:

? = ?(t2И,t2K). (1)

Анализ каталожных характеристик серийных холодильных машин и тепловых насосов «вода-вода» позволил отобразить эту функцию в виде диаграммы (рис. 1).

При помощи диаграммы нетрудно определиться с параметрами теплового насоса на самых начальных стадиях проектирования. Очевидно, например, что, если система отопления, присоединенная к тепловому насосу, рассчитана на подачу теплоносителя с температурой в подающем трубопроводе 50°C, то максимально возможный коэффициент преобразования теплового насоса будет около 3,5. При этом температура гликоля на выходе из испарителя не должна быть ниже +3°С, а это означает, что потребуется дорогой грунтовый теплообменник.

В то же время, если дом обогревается посредством теплого пола, из конденсатора теплового насоса будет поступать в систему отопления теплоноситель с температурой 35°С. В этом случае тепловой насос сможет работать более эффективно, например, с коэффициентом преобразования 4,3, если температура охлажденного в испарителе гликоля будет около –2°С.

Пользуясь электронными таблицами Excel, можно выразить функцию (1) в виде уравнения:

? = 0,1729 • (41,5 + t2И – 0,015t2И • t2K – 0,437 • t2K (2)

Если при желаемом коэффициенте преобразования и заданном значении температуры теплоносителя в системе отопления, работающей от теплового насоса, нужно определить температуру охлажденной в испарителе жидкости, то уравнение (2) можно представить в виде:

(3)

Выбрать температуру теплоносителя в системе отопления при заданных величинах коэффициента преобразования теплового насоса и температуры жидкости на выходе из испарителя можно по формуле:

(4)

В формулах (2)…(4) температуры выражены в градусах Цельсия.

Определив эти зависимости, можно теперь перейти непосредственно к американскому опыту.

Тепловой насос для нагрева воды: монтаж в систему отопления

Самодельный тепловой насос вода-вода
При монтаже системы отопления следует учесть, что вода в конденсаторе прогреется всего лишь до 40-50 градусов Цельсия. Поэтому в качестве «потребителя» энергии теплового насоса может выступать только низкотемпературная система отопления, например, теплый пол. Или любой другой объемный радиатор, эффективность которого определяется не температурой, а габаритной площадью излучения.

Причем, в большинстве случаев, самодельный тепловой насос можно использовать лишь в качестве вспомогательного источника энергии, поддерживающего работу электрического или газового котла.

Полноценное отопление и обогрев гарантирую только высокоэффективные «заводские» агрегаты, разогревающие конденсатор до 75 градусов Цельсия и выше.

Самодельные насосы не могут обеспечить подобную температуру из-за просчетов конструкции и несбалансированной работы компрессора.

Впрочем, эффективные результаты способен продемонстрировать лишь «бредовый» агрегат, а вот тепловой насос вода — вода китайского производства отличается от качественной самоделки лишь более продуманной системой автоматизации управления насосом.

Методика расчета тепловых насосов

Безусловно, процесс выбора и расчет теплового насоса является весьма сложной в техническом отношении операцией и зависит от индивидуальных особенностей объекта, но ориентировочно он может быть сведен к следующим этапам:

Определяются теплопотери через ограждающие конструкции здания (стены, перекрытия, окна, двери). Сделать это можно, применив следующее соотношение:

Qок = S*( tвн – tнар)* (1 + Σ β ) *n / Rт(Вт)где

tнар – наружная температура воздуха (°С);

tвн – внутренняя температура воздуха (°С);

S – суммарная площадь всех ограждающих конструкций (м2);

n – коэффициент, указывающийвлияние окружающей среды на характеристики объекта. Для помещений, напрямую контактирующих через перекрытия с наружной средой n=1; для объектов, имеющих чердачные перекрытия n=0,9; если же объект размещен над подвальным помещением n = 0,75;

β – коэффициент добавочных теплопотерь, который зависит от типа строения и его географического расположенияβ может варьироваться от 0,05 до 0,27;

Rт – теплосопротивление, определяется по следующему выражению:

Rт = 1/ αвнутр + Σ ( δі / λі ) + 1/ αнар (м2*°С / Вт), где:

δі / λі – расчетный показатель теплопроводности применяемых при строительстве материалов.

αнар– коэффициент теплового рассеивания наружных поверхностей ограждающих конструкций(Вт/ м2*оС);

αвнутр– коэффициент теплового поглощения внутренних поверхностей ограждающих конструкций(Вт/ м2*оС);

— Рассчитываются суммарные теплопотери сооружения по формуле:

Qт.пот = Qок + Qи – Qбп , где:

Qи — затраты энергии на подогрев воздуха поступающего к помещению через естественные неплотности;

Qбп -выделения тепла за счет функционирования бытовых приборов и деятельности людей.

2. На основании полученных данных рассчитывается годичное потребление тепловой энергии для каждого индивидуального объекта:

Qгод = 24*0.63*Qт. пот.*(( d*( tвн — tнар.ср.)/ ( tвн — tнар.))(кВт/час за год.) где:

tвн – рекомендуемая температура воздушной среды внутри помещения;

tнар – наружная температура воздуха;

tнар.ср – среднеарифметическое значение температуры наружного воздуха за весь отопительный сезон;

d – число дней отопительного периода.

3. Для полного анализа потребуется рассчитать и уровень тепловой мощности необходимой для разогрева воды:

Qгв = V * 17(кВт/час за год.) где:

V –объем каждодневного нагрева воды до 50 °С.

Тогда суммарный расход тепловой энергии определится по формуле:

Q = Qгв + Qгод (кВт/час за год.)

Принимая во внимание полученные данные, подобрать наиболее подходящий тепловой насос для отопления и горячего водоснабжения не составит большого труда. Причем расчетная мощность определится как. Qтн=1,1*Q, где:

Qтн=1,1*Q, где:

1,1 – корректирующий коэффициент, указывающий возможность увеличения нагрузки на тепловой насос в период возникновения критических температур.

Выполнив расчет тепловых насосов можно подобрать наиболее подходящий тепловой насос, способный обеспечить требуемые параметры микроклимата в помещениях с любыми техническими характеристиками. А учитывая возможность интеграции указанной системы с климатической установкой теплый пол можно отметить, не только ее функциональность, но и высокую эстетическую стоимость.

Типы тепловых насосов

Тепловые насосы делят на три основных типа по источнику низкопотенциальной энергии:

• Воздух.
• Грунт.
• Вода — источником могут быть грунтовые воды и водоемы на поверхности.

Для водяных систем отопления, которые более распространены, применяются такие виды тепловых насосов:

«Воздух-вода» — воздушный тип теплового насоса, обогревающий здание путем забора воздуха снаружи посредством внешнего блока. Работает по принципу кондиционера, только наоборот, преобразуя энергию воздуха в тепло. Такой теплонасос не требует больших затрат на установку, под него не нужно отводить участок земли и, тем более, бурить скважину. Однако, эффективность эксплуатации при низких температурах (-25ºС) снижается и требуется дополнительный источник тепловой энергии.

Устройство «грунт-вода» относится к геотермальным и производит забор тепла из земли с помощью коллектора, уложенного на глубину ниже промерзания грунта. Также здесь существует зависимость от площади участка и ландшафта, если коллектор расположен горизонтально. Для вертикального расположения потребуется бурить скважину.

«Вода-вода» устанавливается там, где рядом есть водоем или грунтовые воды. В первом случае коллектор укладывается на дно водоема, во втором бурится скважина или несколько, если позволяет площадь участка. Иногда глубина пролегания подземных вод слишком большая, поэтому затраты на установку такого теплонасоса могут быть очень высоки.

Каждый тип теплового насоса имеет свои преимущества и недостатки, если здание находится далеко от водоема или грунтовые воды слишком глубоко, то «вода-вода» не подойдет. «Воздух-вода» будет актуален только в относительно теплых регионах, где температура воздуха в холодное время года не опускается ниже отметки -25º С.

Тепловой насос. Конструкция обогрева дома

В системе отопления дома тепловой насос (ТН) играет ту же роль, что и котел, то есть является теплогенератором.
Разница состоит только в том, что котел сжигает топливо, а ТН «выкачивает» тепловую энергию из источников, которые, на первый взгляд, совсем ею не богаты.

Грунт и речная вода с температурой 5 – 7 градусов, или даже морозный зимний воздух, температура которого вообще оказалась ниже нуля.

Такие источники называются низкопотенциальными, и хотя с понятием тепла они никак не ассоциируются, ТН умудряется «выжать» из них внушительный объем живительной энергии. К этому следует добавить тепло, выделяемое электродвигателем компрессора ТН: здесь, в отличие от холодильника и кондиционера, оно не пропадает даром.

В остальном система отопления на базе ТН ничем не отличается от обычной: используется теплоноситель – вода или воздух, который нагревается, протекая через теплообменник, а затем разносит тепло по всему дому. Циркуляцию обеспечивает насос (для водяного отопления) или вентилятор (для воздушного). Точно также, как и традиционный теплогенератор, ТН можно одновременно подключить к контуру горячего водоснабжения (ГВС) как с накопительной емкостью (бойлером), так и без нее.

Знаете ли вы, что можно обогревать жилище практически бесплатно? Геотермальное отопление: принцип работы, достоинства и недостатки технологии, читайте внимательно.

О том, как самостоятельно установить двухконтурный газовый котел для отопления частного дома, читайте тут.

В России паровое отопление появилось раньше водяного, однако сейчас такая система используется редко. Здесь https://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/montazh-sistem-otopleniya/parovoe-otoplenie-v-chastnom-dome-sxema.html вы найдете обзор основных видов котлов и способов парового отопления.

Методика расчета мощности теплового насоса

Помимо определения оптимального источника энергии, потребуется высчитать необходимую для обогрева мощность теплонасоса. Зависит она от величины теплопотерь здания. Произведем расчет мощности теплового насоса для отопления дома на конкретном примере.

Для этого используем формулу Q=k*V*∆T, где

• Q — это теплопотери (ккал/час). 1 кВт/ч = 860 ккал/ч;
• V — объем дома в м3 (площадь умножаем на высоту потолков);
• ∆Т – отношение минимальных температур снаружи и внутри помещения в самый холодный период года, °С. Из внутренней tº вычитаем наружную;
• k — обобщенный коэффициент теплопередачи здания. Для кирпичного здания с кладкой в два слоя k=1; для хорошо утепленного здания k=0,6.

Таким образом, расчет мощности теплонасоса для отопления кирпичного дома в 100 кв.м и высотой потолков 2,5 м, при перепаде ttº от -30º на улице до +20º внутри, будет таковым:

Q = (100х2.5) х (20- (-30)) х 1 = 12500 ккал/час

12500/860= 14,53 кВт. То есть, для стандартного кирпичного дома площадью 100 м понадобится 14-килловатное устройство.

Выбор типа и мощности теплонасоса потребитель принимает, исходя из ряда условий:

• географические особенности местности (близость водоемов, наличие грунтовых вод, свободного участка под коллектор);
• особенности климата (температуры);
• тип и внутренний объем помещения;
• финансовые возможности.

Учитывая все вышеизложенные аспекты, вы сможете сделать оптимальный выбор оборудования. Для более эффективного и правильного подбора теплового насоса лучше обратиться к специалистам, они смогут сделать более подробные расчеты и предоставить экономическую целесообразность установки оборудования.

Давно и весьма успешно тепловые насосы используются в бытовых и промышленных холодильниках и кондиционерах.

Сегодня эти устройства стали применять и для выполнения функции противоположного характера – обогрева жилища в период холодов.

Давайте же посмотрим, как используются тепловые насосы для отопления частных домов и что нужно знать, чтобы правильно рассчитать все его компоненты.

Формула для подсчета

Пути потери тепла в доме

Тепловой насос способен полностью справиться с отоплением помещений.

Чтобы выбрать подходящий вам агрегат, следует рассчитать его необходимую мощность.

В первую очередь нужно понимать баланс тепла в здании. Для этих расчетов можно воспользоваться услугами специалистов, онлайн-калькулятором или самостоятельно с помощью несложной формулы:

R=(k x V x T)/860, в которой:

R — потребляемая мощность помещения (кВт/час); k — средний коэффициент потерь тепла зданием: например, равно 1 — отлично утепленное здание, а 4 — барак из досок; V — суммарный объем всего отапливаемого помещения, в куб.м.; T — максимальный перепад температуры между улицей и внутри помещения. 860 — значение, необходимое для перевода получившихся ккал в кВт.

В случае с геотермальным тепловым насосом типа «вода-вода» нужно еще рассчитать необходимую длину контура, который будет находиться в водоеме. Здесь расчет еще проще.

Известно, что 1 метр коллектора дает примерно 30 Вт. Другими словами 1 кВт мощности насоса требует 22 метра труб. Зная требуемую мощность насоса, мы без труда рассчитаем сколько нам нужно труб для изготовления контура.

Пример расчета теплового насоса

Подберем ТН для системы отопления одноэтажного дома общей площадью 70 кв. м со стандартной высотой потолка (2,5 м), рациональной архитектурой и теплоизоляцией ограждающих конструкций, соответствующей требованиям современных строительных норм. На обогрев 1-го кв. м такого объекта по общепринятым нормам приходится тратить 100 Вт тепла. Таким образом, для отопления всего дома понадобится:

Q = 70 х 100 = 7000 Вт = 7 кВт тепловой энергии.

Выбираем тепловой насос марки «ТеплоДаром» (модель L-024-WLC) с тепловой мощностью W = 7,7 кВт. Компрессор агрегата потребляет N = 2,5 кВт электроэнергии.

Расчет коллектора

Грунт на отведенном под строительство коллектора участке – глинистый, уровень грунтовых вод высокий (принимаем теплотворную способность p = 35 Вт/м).

Мощность коллектора определяем по формуле:

Qk = W – N = 7,7 – 2,5 = 5,2 кВт.

L = 5200 / 35 = 148.5 м (приблизительно).

Исходя из того факта, что укладывать контур длиной более 100 м нерационально из-за чрезмерно высокого гидравлического сопротивления, принимаем следующее: коллектор теплового насоса будет состоять из двух контуров – длиной 100 м и 50 м.

Площадь участка, который необходимо будет отвести под коллектор, определим по формуле:

S = L x A,

Где А – шаг между соседними участками контура. Принимаем: А = 0,8 м.

Тогда S = 150 x 0.8 = 120 кв. м.

Самодельный тепловой насос: схема сборки

Вышеприведенная схема работы указывает, что конструкция теплового насоса состоит из четырех узлов: испарителя, конденсатора, компрессора и циклического трубопровода. Поэтому в процесс самостоятельного строительства теплового насоса заключается в изготовлении всех вышеупомянутых узлов с последующей сборкой конструкции.

И далее по тексту мы рассмотрим все этапы производственных и сборочных процессов, проводимых своими руками. Причем вначале будут даны рекомендации по расчетам системы, направленные на оптимизацию энергопотребления и усиление теплоотдачи.

Этап первый: расчет теплового насоса вода — вода

Расчет насоса выполняется на особом «калькуляторе» — программе, соизмеряющей отапливаемую площадь с мощностью системы отопления. Причем в качестве исходных данных программа использует объем помещения (площадь и высота потолков). А на выходе дается рекомендация относительно мощности насоса.

Этап второй: выбор компрессора

Компрессор для теплового насоса подбирается по предполагаемой мощности системы отопления. Причем мощность самого компрессора должна составлять 20-30 процентов от показателей теплоотдачи насоса.

Тепловой насос с винтовым компрессором

То есть, если на обогрев строения уходит 10 кВт, то для обслуживания насоса используется 3-киловаттный компрессор. Словом, пропорция между мощностью нагнетательного оборудования и теплоотдачей насоса рассчитывается по соотношению 1:3.

Причем в качестве компрессора для теплового насоса используют как стандартные агрегаты для сплит-систем, так и специальное оборудование. И в самодельную систему придется интегрировать только «заводской» компрессор, поскольку «самопальные» аналоги в данном случае неуместны – они поставят под угрозу саму эффективность работы собираемого насоса.

Этап третий: строительство испарителя

Испаритель собирают на основе полимерного бака, с большой крышкой. Причем минимальная емкость бака равна 120-130 литрам. Во внутренней полости бака размещают медный змеевик, согнутый из трубы определенной длины и диаметра.

Испаритель для теплового насоса вода-вода

Для определения этих величин нам придется вычислить площадь поверхности змеевика.

Как правило, ее рассчитывают по формуле:

Р=M/0,8ΔT,

где М – это предполагаемая мощность насоса, а ΔT— это разница температур на входе и выходе (в градусах Цельсия).

Полученную площадь соизмеряют с площадью одного погонного метра трубы нужного диаметра, вычисляя длину заготовки для змеевика.

Ну а само изготовление сердцевины испарителя предполагает ручную гибку медной трубы вокруг калибра, в качестве которого можно использовать кислородный или газовый баллон. Изготовленный таким образом змеевик вкладывают в бочку, выводя сквозь дно и крышку два выпуска – верхний и нижний.

Далее нужно вмонтировать в бочку пару отводов, изготовленных из металлических штуцеров – их вводят в отверстия у дна и крышки и поджимают с внешней и внутренней стороны контргайками.

К нижнему штуцеру монтируют напорный шланг насоса, а к верхнему – отводной шланг, по которому вода будет сливаться в колодец самотеком. С помощью такой конструкции мы обеспечим непрерывную циркуляцию низкоэффективной среды в испарителе.

Этап четвертый: создание конденсатора

Конденсатор собирают на основе металлического бака из нержавейки, в который монтируют медный змеевик, рассчитанный по тем же формулам, что и аналогичная деталь испарителя. Причем для изготовления змеевика используется все та же технология ручной гибки.

Сам змеевик размешается в баке вертикально, а его отводы выходят из дна и крышки бака. Причем помимо отводов в бак врезают еще и два штуцера. Словом, вся схема скопирована с испарителя, только с учетом того, что вместо низкоэффективной среды сквозь конденсатор циркулирует разогреваемая вода – теплоноситель системы отопления. С помощью особого насоса ее выводят сквозь верхний штуцер, направляя на радиаторы, и вводят в бак сквозь нижний штуцер, соединенный с обраткой.

Этап пятый: сборочные работы

Сборка системы производится в следующем порядке:

Принцип работы

• На платформе или кронштейне монтируют компрессор.
• К нагнетательному патрубку компрессора подключают (медной трубой) верхний отвод конденсатора.
• Нижний отвод конденсатора связывают с нижним отводом испарителя, прокладывая между ними медный трубопровод, диаметр которого должен совпадать с габаритами трубок, использованных при изготовлении змеевиков. Причем в произвольном месте этого трубопровода можно смонтировать дроссельную заслонку, которую подключают к системе автоматического управления.
• Верхний отвод испарителя соединяют (медной трубкой) с всасывающим патрубком компрессора. Монтажные работы с медными трубками выполняют с помощью пайки, а в финале в систему заливают хладагент (около пары килограмм).

В итоге, получается замкнутая система, в которой циркулирует хладагент, переносящий тепло из установленной на землю бочки-испарителя в подвешенный на кронштейне бак с конденсатором.

Окупаемость теплового насоса

Когда речь заходит о том, за сколько времени человек сможет вернуть свои деньги, вложенные в что либо, то имеется ввиду насколько выгодно было само вложение. В сфере отопления все довольно трудно, так как мы обеспечиваем себе же комфорт и тепло, и все системы дорого обходятся, но в таком случае можно поискать такой вариант, который бы вернул потраченные средства путем снижения затрат при использовании. И когда начинаешь искать подходящее решение, сравниваешь всё: газовый котел, тепловой насос или электрокотел. Мы разберем, окупаемость какой системы будет быстрее и эффективнее.

Понятие окупаемости, в данном случае внедрения теплового насоса для модернизации действующей системы теплоснабжения, если просто, можно объяснять так:

Есть одна система — индивидуальный газовый котел, который обеспечивает автономное отопление и ГВС. Имеется кондиционер типа сплит-системы, который обеспечивает холодом одну комнату. Установлено 3 сплит-системы в разных помещениях.

И есть более экономичная передовая технология – тепловой насос, который будет отапливать/охлаждать дома и нагревать воду в нужных количествах для дома или квартиры. Необходимо определить, насколько изменилась общая стоимость оборудования и начальных затрат, а также оценить на сколько уменьшились годовые затраты на эксплуатацию выбранных видов оборудования. И определить, за сколько лет при полученной экономии окупится более дорогое оборудование. В идеале сравниваются несколько предлагаемых проектных решений и выбирается наиболее экономически выгодный.

Проведем расчет и выяским, какой срок окупаемости теплового насоса в Украине

Рассмотрим конкретный пример

• Дом в 2 этажа, хорошо утеплен, общей площадью 150 м кв.
• Система разводки тепла / отопления: контур 1 – теплый пол, контур 2 – радиаторы (или фанкойлы).
• Установлен газовый котел для отопления и горячего водоснабжения (ГВС), например 24кВт, двухконтурный.
• Система кондиционирования из сплит-систем для3-х помещений дома.

Годовые затраты на отопление и нагрев воды

1. Ориентировочно стоимость котельной с газовым котлом 24 кВт (котел, обвязка, разводка, бак, счетчик, монтаж) составляет около 1000 Евро. Система кондиционирования воздуха (одна сплит-система) для такого дома будет стоить около 800 евро. Суммарно с обустройством котельной, проектными работами, подключением к сети газопровода и монтажными работами – 6100 евро.

1. Приблизительная стоимость теплового насоса Mycond с дополнительной системой фанкойлов, монтажными работами и подключением к электросети — 6650 евро.

1. Рост капиталовложений составляет: К2-К1 = 6650 – 6100 = 550 евро (или около 16500грн.)
2. Снижение эксплуатационных затрат составляет: С1-С2 = 27252 – 7644 = 19608 грн.
3. Срок окупаемости Токуп. = 16500 / 19608 = 0,84 года!

Удобство использования теплового насоса

Тепловые насосы — самое универсальное, многофункциональное и энергоэффективное оборудование для теплоснабжения дома, квартиры, офиса или коммерческого объекта.

Интеллектуальная система управления с недельным или суточным программированием, автоматическим переключением сезонным настроек, поддержанием температуры в дома, экономных режимов, управлением подчиненным котлом, бойлером, циркуляционными насосами, контролем температур в двух отопительных контурах, является наиболее совершенной и передовой. Инверторное управление работой компрессора, вентилятора, насосов, дает возможность максимальной экономии энергопотребления.

Работа теплового насоса при работе по схеме грунт-вода

Укладку коллектора в грунт можно произвести тремя способами.

Горизонтальный вариант

Трубы укладываются в траншеи «змейкой» на глубину, превышающую глубину промерзания грунта (в среднем – от 1 до 1,5 м).
Для такого коллектора потребуется участок земли достаточно большой площади, но зато его может построить любой домовладелец – никаких навыков, кроме умения работать лопатой, не понадобится.

Следует, правда, учесть, что сооружение теплообменника ручным способом – довольно трудоемкий процесс.

Вертикальный вариант

Трубы коллектора в виде петель, имеющих форму литеры «U», погружаются в скважины глубиной от 20 до 100 м. При необходимости можно построить несколько таких скважин. После установки труб скважины заливают цементным раствором.

Достоинство вертикального коллектора состоит в том, что для его строительства нужен совсем небольшой участок. Однако, пробурить скважины глубиной более 20 м самостоятельно нет никакой возможности – придется нанимать бригаду бурильщиков.

Комбинированный вариант

Этот коллектор можно считать разновидностью горизонтального, но для его строительства потребуется гораздо меньше места.
На участке выкапывается круглый колодец глубиной от 2-х м.

Трубы теплообменника укладываются спиралью, так что контур представляет собой как бы вертикально установленную пружину.

По завершении монтажных работ колодец засыпают. Как и в случае с горизонтальным теплообменником, весь необходимый объем работ можно произвести своими руками.

Коллектор заполняется антифризом – тосолом или раствором этиленгликоля. Для обеспечения его циркуляции в контур врезается специальный насос. Вобрав в себя тепло грунта, антифриз поступает к испарителю, где происходит теплообмен между ним и хладагентом.

Следует учесть, что неограниченный отбор тепла из грунта, особенно при вертикальном расположении коллектора, может привести к нежелательным последствиям для геологии и экологии участка. Поэтому в летний период ТН типа «грунт – вода» весьма желательно эксплуатировать в реверсивном режиме – кондиционирование.

Газовая система отопления имеет массу преимуществ и одно из главных – низкая стоимость газа. Как обустроить обогрев жилища газом, вам подскажет схема отопления частного дома с газовым котлом. Рассмотрим проект отопительной системы и требования к замещению.

Об особенностях выбора солнечных батарей для отопления дома читайте в этой теме.

Как действует грунтовой тепловой насос? Принцип работы.

Для получения тепла из грунта нужен грунтовый теплообменник. Для этого просто помещается в землю труба, образующая петлю, в которой циркулирует жидкость — в народе ее называют рассолом. Петля (на практике их бывает несколько) проходит через испаритель теплового насоса, где температура рассола понижается и становится ниже, чем температура грунта. Проходя далее по трубе в земле, рассол постепенно нагревается. В конце снова попадает в испаритель, где отдает тепло.

Таким образом, рассол является посредником в обмене разницы температур между почвой и испарителем насоса.

Теплообменник может быть горизонтальный или вертикальный. В выборе решения помогает размер земельного участка – для изготовления горизонтального теплообменника требуется несколько сотен квадратных метров, а на вертикальные зонды достаточно несколько десятков.

Важно, чтобы объем теплообменника был большим – на весь отопительный сезон насос получает из грунта несколько мегаватт-часов тепла. Если он слишком мал, то подвергается чрезмерному охлаждению и, как следствие, насос не может правильно работать. Система управления грунтового теплового насоса, как правило, выключает его, когда температура рассола снижается до -7°С, потому что ниже этого значения ход процессов в контуре чрезмерно нарушается.

Грунтовой тепловой насос с горизонтальным теплообменником.

В случае теплообменника из труб расположенных горизонтально, оптимальной считается глубина 0,2 — 0,5 м ниже границы промерзания. Однако, если на относительно небольшой глубине находится водоток, то лучшим решением является размещение труб именно в нем. Тогда тепловой насос достигает более высокого коэффициента производительности Кп.

Трубы горизонтального теплообменника укладываются в заранее подготовленном котловане с размерами, соответствующими требуемой поверхности теплообменника. Ведут их в виде змеевика (изгибами) по всей поверхности котлована, с соблюдением определенных интервалов между соседними участками. Интервалы не должны быть меньше, чем 0,4 м и не больше, чем 1,2 м с учетом вида грунта, из которого вытекает его способность к „регенерации” (добавления тепла). Чем дольше поверхность грунта замерзшая, тем больше должен быть интервал.

Нужно помнить, что тепловая мощность теплообменника не вытекает из длины трубы, только от поверхности грунта, на котором она уложена. Небольшие зазоры не позволяют получать от него большего количества тепла, по причине необходимости применения длинной трубы. Это выражается в большей стоимости инвестиций, а также эксплуатации, потому что для перекачивания рассола через длинную трубу, необходим циркуляционный насос с большей мощностью. Из-за этого слишком большого зазора между трубами происходит то, что тепло не поступает в проектном количестве, так что мощность теплообменника получается меньше.

Проект грунтового теплообменника.

Проектирование грунтового теплообменника соответствующего размера — это ключ к правильной работе теплового насоса. Для расчета необходимой его величины требуется информация о требуемой мощности теплового насоса. Если ее нет в технических характеристиках устройства, то достаточно знать, что она соответствует тепловой мощности, уменьшенной на мощность компрессора. Если мы не знаем, какую мощность имеет компрессор, но у нас есть информация о коэффициенте производительности Кп, то мощность охлаждения вычислим с достаточной точностью по формуле:

Qохл = (Кп – 1)/Кп • Qотопл.

Нужно обратить внимание, чтобы подставленные значения были достигнуты при температуре, соответствующей той, которая царит как в грунте, так и в отопительной системе во время работы насоса на полную мощность (например, 0/35 – температура рассола 0 градусов Цельсия, системы отопления 35 градусов Цельсия).

Расчет поверхности теплообменника горизонтального грунтового теплового насоса.

Сила, с которой грунтовый теплообменник передает тепло, зависит от типа почвы, а именно от ее влажности. В зависимости от этого, для расчета поверхности горизонтального теплообменника принимают следующие значения тепловой мощности грунта qg (для полиэтиленовых труб):

• песчаный сухой – 10 Вт/м2
• песчаный, влажный – 15-20 Вт/м2
• глинистый сухой – 20-25 Вт/м2
• глинистый, влажный – 25-30 Вт/м2
• мокрый (водоносный) – 35-40 Вт/м2.

Конечно, это ориентировочные значения.

Трудно оценить, является ли грунт таким же по всей области, предназначенной на теплообменник до тех пор, пока не начнут его строить, поэтому для расчета лучше принять меньшее значение. В правильно сделанной системе компрессор теплового насоса работает от 1800 до 2400 часов в год, производительность тепла грунта приводит к удлинению рабочего времени.

Поверхность теплообменника рассчитывают по формуле:

А = Q/qg

Пример: потребность дома в энергии для отопления составляет 14 кВт, и насос будет их удовлетворять в полном объеме (должен работать в системе моновалентной). Выбранное устройство получает тепловую мощность (отопления) 14 кВт для параметров 0/35, достигая при этом коэффициента эффективности Кп = 4,5. Мощность охлаждения составляет, следовательно, Qохл = (4,5-1)/4,5 • 14 = 10,9 кВт, то есть 10900 W. Теплообменник должен быть изготовлен в грунте, глинистом сухом, поэтому его площадь должна составлять А = 10 900/20 = 545 м2. Обращается внимание на то, что в случае водоносного грунта теплообменник может быть в два раза меньше, но если грунт песчаный, то его площадь займет более 1000 м2. В такой ситуации лучшим решением является размещение труб по вертикали.

Теплообменник вертикального грунтового теплового насоса.

Тепловой насос достигает более высокого коэффициента производительности Кп, когда трубки теплообменника располагаются в земле вертикально – на глубине 40-150 м. Это связано с тем, что на глубине ниже 10 м температура грунта составляет круглый год примерно 10 градусов Цельсия – то есть зимой почти на десять больше, чем на глубине 1,5 метра.

Выполнение теплообменника вертикального, однако, явно дороже, чем горизонтального. Это вертикальные отрезки трубы, образующей петлю (труба проходит вниз через отверстия, на дне она разворачивается и ведется вверх). Их называют геотермальными зондами. В этом случае рассчитываются не по площади, а по общей длине теплообменника, состоящей обычно из более, чем одного зонда.

В вертикальных скважинах помещают по одной или по две пары труб (зонда типа U или Y). Введение трубы для скважины облегчает головка – элемент, соединяющий вертикальные трубы, который могут быть приспособлен для использования дополнительной трубы для заполнения. В отверстия вталкивают головку, а вместе с ней и трубы теплообменника. Затем в скважину заливается жидкий бетон.

В теплообменнике типа Y в одной трубе жидкость течет вниз к головке, а в другой с нее возвращается. В теплообменнике типа двойной U – течет двумя трубами вниз и двумя вверх.

Расстояние между точками бурения глубиной до 50 м не должно быть меньше 5 м, а в случае более глубоких от 8 до 15 метров. Должны быть расположены на линии, перпендикулярной к направлению потока воды.

Расчет длины теплообменника вертикального грунтового теплового насоса.

В этом случае важным является то, как вместе с глубиной изменяются свойства грунта. Сведения могут предоставить геологические карты и документация скважин, ранее сделанных вблизи. На этой основе можно оценить толщину отдельных слоев грунта и вычислить среднее значение коэффициента теплопроводности для области, в которой должны быть размещены трубки теплообменника.

Расчеты, однако, не в состоянии учесть всех движений грунтовых вод и на практике часто случается, что полученный результат значительно отличается от реальности. Чтобы иметь уверенность в том, что вертикальный теплообменник будет работать должным образом, необходимо произвести исследование грунта в месте, в котором должно быть сделано бурение. В этом случае производительность тепла грунта qg также зависит от его типа.

Для труб ПЭ80 составляет:

• грунт песчаный сухой – 10-12 Вт/м;
• песчаный мокрый – 12-16 Вт/м;
• средне-глинистый сухой – 16-18 Вт/м;
• средне-глинистый мокрый – 19-21 Вт/м;
• тяжелый глинистый сухой – 18-19 Вт/м;
• тяжелый глинистый мокрый – 20-22 Вт/м;
• мокрый (водоносный) – 25-30 Вт/м.

Нужно учитывать толщину отдельных слоев определенного типа грунта и на этой основе рассчитать общую производительность каждого зонда.

Производительность тепла грунта, в котором оба слоя сухие, как и водоносных горизонтов, при применении зондов типа двойной U (четыре трубы в скважине), составляет в среднем около 50 Вт/м. Ориентировочно можно принять, что в случае теплового насоса заявителей в примере расчета теплообменника горизонтального (мощностью охлаждения 10,9 кВт), необходимы отверстия с общей длиной L = 10 900/50 = 218 м, то есть, например, четыре по 55 метров.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Эффективность горизонтального коллектора зависит от температуры среды, в которую он погружен, ее теплопроводности, а также площади контакта с поверхностью трубы. Методика расчета достаточно сложна, поэтому в большинстве случаев пользуются усредненными данными.

Считается, что каждый метр теплообменника обеспечивает ТН следующую тепловую мощность:

• 10 Вт – при заглублении в сухой песчаный или каменистый грунт;
• 20 Вт – в сухом глинистом грунте;
• 25 Вт – во влажном глинистом грунте;
• 35 Вт – в очень сыром глинистом грунте.

Таким образом, для расчета длины коллектора (L) следует потребную тепловую мощность (Q) разделить на теплотворную способность грунта (p):

L = Q / p.

Приведенные значения можно считать действительными только при соблюдении следующих условий:

• Участок земли над коллектором не застроен, не затенен и не засажен деревьями или кустами.
• Расстояние между соседними витками спирали или участками «змейки» составляет не менее 0,7 м.

Принцип работы тепловых насосов

В любом ТН имеется рабочая среда, именуемая хладагентом. Обычно в этом качестве выступает фреон, реже – аммиак. Само устройство состоит всего из трех компонентов:

Испаритель и конденсатор – это два резервуара, имеющие вид длинных изогнутых трубок – змеевиков. Конденсатор одним концом присоединяется к выходному патрубку компрессора, а испаритель – ко входному. Концы змеевиков стыкуются и в месте соединения между ними устанавливается редукционный клапан. Испаритель контактирует – непосредственно или косвенно – со средой-источником, а конденсатор – с системой отопления или ГВС.

Принцип работы теплового насоса

Работа ТН основана на взаимозависимости объема, давления и температуры газа. Вот что происходит внутри агрегата:

1. Аммиак, фреон или другой хладагент, двигаясь по испарителю, нагревается от среды-источника, допустим, до температуры +5 градусов.
2. Пройдя испаритель, газ достигает компрессора, который перекачивает его в конденсатор.
3. Нагнетаемый компрессором хладагент удерживается в конденсаторе редукционным клапаном, поэтому его давление здесь выше, чем в испарителе. Как известно, с ростом давления температура любого газа увеличивается. Именно это происходит с хладагентом – он разогревается до 60 – 70 градусов. Поскольку конденсатор омывается циркулирующим в системе отопления теплоносителем, последний также нагревается.
4. Через редукционный клапан хладагент небольшими порциями сбрасывается в испаритель, где его давление снова падает. Газ расширяется и остывает, а поскольку часть внутренней энергии была потеряна им в результате теплообмена на предыдущем этапе, его температура опускается ниже изначальных +5 градусов. Следуя по испарителю, он снова нагревается, далее закачивается в конденсатор компрессором – и так по кругу. По-научному этот процесс называется циклом Карно.

Но ТН все-равно остается очень выгодным: за каждый потраченный кВт*ч электроэнергии удается получить от 3 до 5 кВт*ч тепла.

Как работает тепловой насос

Любой теплонасос состоит из испарителя, конденсатора, расширителя, понижающего давление, и компрессора, который давление повышает.

Все эти устройства соединены в один замкнутый контур трубопроводом. По трубам циркулирует хладагент, инертный газ с очень низкой температурой кипения, поэтому в одной части контура, холодной, он представляет собой жидкость, а во второй, теплой, он переходит в газообразное состояние.

Двигаясь дальше, газ перемещается в компрессор, где под действием высокого давления сжимается, а его температура при этом повышается. Став горячим, газ поступает в конденсатор, который также является теплообменником. В нем происходит передача тепла от горячего газа к теплоносителю обратного трубопровода, входящего в отопительную систему дома. Отдав тепло, газ охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, в то время, как нагретый теплоноситель поступает в систему горячего водоснабжения и отопления. Проходя через редукционный клапан расширителя, сжиженный газ снова попадает в испаритель – цикл замыкается.