Тепловой насос для отопления дома – принцип работы, их виды и методика расчета

фото: Тепловой насос для отопления домаЧеловечество никогда не перестанет искать альтернативных способов обогрева своего жилья. Это связано не только с желанием экономить затраты на энергоресурсы, но и со стабильностью выработки тепла.

Оптимальной альтернативой для отопления дома являются тепловые насосы, принцип действия которых давно и хорошо известен. Принцип работы тепловых насосов (ТН) полностью реализован в таких бытовых приборах, как холодильники и кондиционеры.

Только эти устройства используются для понижения температуры, а полученное тепло не применяется с пользой для дела.

Рассмотрим, принцип действия теплового насоса для отопления.

Принцип действия тепловых установок и их устройство

Это приспособление состоит из нескольких частей:

  1. Зонд. Он представляет собой обширную систему трубопроводов для отбора тепла из внешней среды. Для этой цели он может быть погружен в воду, зарыт в землю или установлен в глубокую скважину.
  2. Тепловой насос. Жидкость в его системе, пусть даже с небольшой положительной температурой, подается в испаритель, теряя при этом до 5 градусов. Компрессор сжимает ее, при этом значительно повышая температуру. Попадая в теплообменник, жидкость передает тепло, передавая его в систему отопления дома. В различных системах степень нагрева теплоносителя может достигать температуры до 75 градусов. Охлажденная жидкость в контуре насоса повторяет этот цикл снова и снова, продуцируя тепло для отопления дома.

Фото 1 - Принципиальная схема устройства тепло-насоса

Рассмотрим виды ТН

В зависимости от способа извлечения тепла из окружающей среды такие устройства можно разделить на следующие виды:

  1. Тепловой насос «воздух – воздух» для отопления дома использует тепловой потенциал, извлеченный из окружающего пространства. Это не самый лучший вариант, поскольку именно в отопительный сезон, когда за окном царят отрицательные температуры, их перепад достигает значительной разницы. А она компенсируется затратами дополнительной энергии. Это значительно снижает эффективность системы воздушного теплового насоса для отопления дома.
  2. Более эффективными схемами отбора тепла из окружающего пространства являются водяные системы. Как известно, температура воды у дна любого водоема не опускается ниже 4 градусов по Цельсию, поскольку при этой температуре вода имеет наибольшую плотность. Это не распространяется на водоемы промерзающие до дна.

Следовательно, и температура теплоносителя внутри такой системы будет иметь положительную температуру, а разность температуры наружного воздуха и теплоносителя может составлять, например до 20 градусов, если на улице мороз в 16 градусов.

Тепловой насос «вода – вода» для отопления дома заметно более эффективен предыдущего вида устройства. Правда, далеко не все жители загородных домов имеют в доступной близости подходящий водоем.

Фото - Схема устройства тепловой системы «вода – вода»для загородного дома

  1. Теплонасосы, устроенные по принципу «земля – вода» более удобны в устройстве и более эффективны. Для их устройства трубы зонда погружаются в землю на определенную глубину, превышающую уровень промерзания грунта. Эта величина для Подмосковья составляет 1,8 метра, что требует значительных земляных работ.

Фото - Схема устройств теплового насоса типа «земля – вода» для отопления дома

Если размеры участка для загородного дома не позволяет производить обширных земляных работ, можно воспользоваться способом использования геотермального тепла. Для этого нужно пробурить скважину и установить в нее трубы теплообменника.

Это занимает немного времени и сил, а при определенной оснащенности может быть выполнено своими силами. Следует учитывать, что эффективность геотермальных теплообменников напрямую зависит от глубины скважины.

Фото 4 - Схема работы теплового насоса воздух-вода для отопления дома

Нельзя сказать, что устройство отопления тепловым насосом частного дома не является альтернативой для использования других тепловых приборов. Скорее всего, эту систему можно рассматривать как вспомогательную. Кроме того, при длительном отсутствии хозяев, тепловой насос может работать в автономном режиме.

При перебоях в подаче электроэнергии система остановится сама по себе, и точно так же запуститься при ее возобновлении. Хозяевам не придется приезжать в насквозь промерзший дом и длительное время его прогревать.

Фото - Схема устройства геотермальных теплообменников для ТН

Использование тепловых установок в мире

Практика применения таких тепловых агрегатов в мире насчитывает уже более 50 лет. Главными движущими причинами такого явления стало удорожание традиционных энергетических ресурсов и повсеместная поддержка правительствами многих стран использования альтернативных источников энергии.

Поэтому количество тепловых насосов постоянно растет высокими темпами – до 10 – 30% в год, несмотря на высокую стоимость установки. Количество таких устройств в настоящее время составляет уже более 270 штук. Наиболее активно тепловые системы применяются в США и Канаде. На них приходится до половины установок, используемых во всем мире.

Смотреть видео

Россия, несмотря на положительные условия для применения тепловых насосов, отстает от мировых тенденций в их использовании. Здесь, по-видимому, играет роль наша убежденность в полной обеспеченности природными ресурсами. При этом, далеко не во всех населенных пунктах страны имеются газопроводы. Мировой опыт использования тепловых наcосов говорит о положительных тенденциях в развитии их использования.

Расчет теплового насоса

Как мы уже упоминали выше, низкопотенциальными источниками тепла для таких насосов чаще всего бывают перечисленные ниже среды:

  1. Воздух из наружного пространства с температурой в среднем от -15 до +25 градусов.
  2. Воздух из обогреваемого помещения, его температура составляет +15 – +25 градусов.
  3. Воздух, из подпочвенного зонда нагретый до плюс 4 – 10 градусов.
  4. Воздух из геотермальных пластов, температура которого может быть 10 и более градусов.
  5. Воздух из донных зондов незамерзающих водоемов с температурой 0 – 10 градусов, в том числе теплый воздух, полученный в зондах, установленных на каналах промышленных стоков предприятий.

Методика расчета ТН

Любой тепловой расчет представляет собой сложнейший процесс, осуществить который доступно только квалифицированным специалистам. Тем не менее, можно предложить упрощенную методику, достаточную для получения результата, определяющего выбор той или иной модели агрегата.

Расчет сводится к выполнению ряда этапов:

  1. Определение величины тепловых потерь через ограждающие элементы строения – стены, потолки, чердачные помещения, окна, двери и прочее. Этого можно достичь, воспользовавшись следующей зависимостью:

Qок = S x (tвн – t нар) х (1 + ?b) x n : Rт, где

S – общая площадь всех элементов ограждения здания, м2;

tвн – температура воздуха на улице, град.С;

t нар – величина температуры воздуха в наружном пространстве, град.С;

n- коэффициент, которым учитывается конструкция здания, для открытых зданий он равен 1; для строений с чердачными помещениями он применяется в значении 0,9; для помещений, располагающихся на подвальным помещение его принимают равным 0,75;

b – коэффициент дополнительных тепловых потерь, зависящий от типа строения и его расположение в климатических зонах России, его величина может колебаться в пределах 0,05 – 0,27;

Rт – тепловое сопротивление, которое нужно дополнительно рассчитать по формуле:

Rт = 1( , м2хС/Вт, где

  • расчетные значения теплопроводности материалов ограждающих конструкций;
  • коэффициент рассеивания тепла с внутренних поверхностей;
  • то же, для наружных поверхностей.

После проведения предварительных вычислений определяем суммарные потери тепла от различных факторов:

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, где

Qбл – суммарная теплоотдача от работы бытовой техники и жизнедеятельности людей;

Qи – затраты энергии на компенсацию тепловых потерь от неплотностей в устройстве ограждающих конструкций.

  1. Основываясь на полученных результатах можно рассчитать потребность в электроэнергии в течение года. Для этого воспользуемся соотношением:

Qгод = 24х0,63 х Qт.пот х ((d x (tвн-tнар.ср) : (tвн-tнар)) (кВт/час) в год, где:

  • tвн- желательная величина температуры воздуха во внутренних помещениях дома;
  • tнар – фактическая величина температуры воздуха наружная;
  • tнар.ср – среднегодовая величина температуры воздуха в регионе;
  • d – протяженность отопительного периода, дней.
  1. Желая иметь более достоверное представление о теплонасосе, нужно сделать расчет величины тепловой мощности, которая понадобится, чтобы разогреть воду в системе отопления дома. Это доступно с использованием такой расчетной формулы:

Qгор.в = V x 17 кВт/ за год, где:

V – объем ежедневного потребления воды, нагретой до 50о С.

В итоге, затраты энергии для обеспечения потребности в тепле и горячей воды составят за год:

Q = Qгод + Qгв, (кВт/час за год).

Рекомендуется полученный результат увеличить на 10%, учитывая более интенсивную работу системы при пиковых нагрузках. Предварительный расчет мощности теплового насоса для отопления дома позволяет сделать безошибочный выбор установки.

Для выполнения расчета можно использовать специальный калькулятор, они в изобилии представлены в интернете

Плюсы и минусы

Видео

Описанные здесь тепловые устройства характеризуются рядом положительных и отрицательных сторон. К положительным относят следующие моменты:

  1. Низкие эксплуатационные расходы. Один киловатт затрат позволяет получить до семи киловатт тепловой энергии.
  2. Высокая безопасность процесса – нет необходимости в дымоходах и прочих подобных коммуникациях.
  3. Отсутствие необходимости в текущем обслуживании в виде постоянной подгрузки топлива, утилизации продуктов горения.
  4. Экологичность. Тепловые насосы не выделяю в атмосферу, каких либо веществ.
  5. Многофункциональность прибора, позволяющая обогревать помещение зимой и охлаждать его летом.
  6. Агрегаты, работающие по схеме «воздух – воздух» и малозаглубленной системы «земля – воздух» не требуют получения специального разрешения для установки.

Вместе с тем, имеется и ряд недостатков в использовании тепловых насосов:

  1. Значительные затраты на реализацию и длительный срок окупаемости устройства. Затраты на реализацию теплового насоса примерно вдвое выше, чем при установке печи.
  2. Невозможность эксплуатации в условиях отсутствия электроэнергии. Это побуждает к приобретению бензинового генератора, что, опять же, связано с дополнительными затратами.
  3. Необходимость получать специальное разрешение на устройство геотермальной установки с бурением скважины.

Совершенствование тепловых насосов повышает их спрос и предопределяет растущую популярность такого вида отопительных систем.

Какую тепловую установку для отопления дома выбрать

Выбор конструкции такой отопительной установки зависит, в первую очередь, от характера окружающего ландшафта. Если рядом с участком имеется незамерзающий водоем, логично использовать донные устройства.

Смотреть видео

Тепловые насосы устроены с использованием принципа Карно:

  1. Теплоноситель, перемещаясь во внешнем контуре, прогревается от выбранного наружного источника тепла и попадает внутрь испарительной камеры.
  2. Здесь он передает тепло хладагенту, в качестве которого применяется фреон.
  3. Имеющий низкую температурную точку закипания фреон испаряется и в виде газа поступает в компрессор, где сжимается.
  4. Газ в горячем состоянии, его температура составляет 35-65 градусов, поступает в теплообменник, где отдает энергию в систему отопления дома.
  5. Остывший теплоноситель отправляется на очередной круг внутреннего контура и процесс повторяется.

Фото - Схема работы теплового насоса для отопления дома

Принимая решение о самостоятельном изготовлении такого агрегата, нужно понимать, что ряд узлов нужно будет изготовить своими руками. Чтобы не ошибиться при подборе мощности, нужно предварительно сделать теплотехнический расчет. Самостоятельно выполнить эту работу может только квалифицированный инженер-теплотехник, поэтому лучше доверить эту работу ему. Выбирать здесь не приходится.

Следует учитывать, что воспользоваться узлами бытового оборудования не удастся ввиду их недостаточной мощности. А вот сосуды и трубопроводы вполне доступны для самостоятельного изготовления.

Монтаж тепловой системы своими руками

Фото - Применение самостоятельно изготовленного теплонасоса для обогрева дома и теплого водоснабженияПриобретя компрессор нужной мощности, можно приступать к изготовлению теплового насоса в следующей последовательности:

  1. Корпус конденсатора можно изготовить из любой емкости вместимостью порядка 100 литров. Его придется разрезать, чтобы разместить внутри змеевик теплообменника. Если принято решение устроить наружный теплообменник корпус теплообменника должен иметь толщину стенки не более одного миллиметра, поскольку эта сталь обладает низкой теплопроводностью. Наружный теплообменник навивается поверх корпуса конденсатора. Для уменьшения потерь тепла на бак с теплообменником нужно установить теплоизоляцию.
  2. В качестве испарительной емкости можно использовать любой пластиковый сосуд емкостью порядка 80 литров. В нем таким же образом устраивается теплообменник и наружная теплоизоляция.
  3. Для изготовления теплообменников лучше использовать медные трубки со стенкой толщиной до миллиметра. Медь имеет высокую теплопроводность, поэтому отбор тепла будет наиболее эффективным.
  4. После сборки системы нужно залить в нее фреон. Количество хладагента определяется при производстве теплотехнического расчета.
  5. Первую заливку фреона, а также работы по подключению и запуску системы лучше доверить специалисту по холодильным установкам.
  6. Дальше остается подключить наружный контур системы.

Смотреть видео – ТН своими руками

Разумеется, самостоятельно изготовленный тепловой насос, обойдется намного дешевле покупной системы, принося в течение длительного времени тепловую энергию. Однако нужно объективно оценить свои способности и возможности, чтобы затраты и работы не были напрасными.

Записи по теме:

Опубликовано: Июнь 28, 2016

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (3 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...

    Обсуждение закрыто.

CLOSE
CLOSE