Тепловой насос для отопления дома – принцип работы, виды и монтаж

Тепловой насос — это устройство для переноса тепловой энергии от источника к потребителю.

Тепло самопроизвольно передается от горячего тела к холодному. Насос передает тепло в обратном направлении.

Конструкция состоит из компрессора, теплового расширительного клапана, испарителя и конденсатора. Типичный пример теплового насоса – кондиционер.

Чтобы знать, какой тип насоса выбрать для домашнего использования, рекомендуется изучить особенности каждой модели и их принцип работы. Также у каждого вида существуют ограничения, о которых также важно знать.

Принцип действия тепловых насосов

Тепловой насос для отопления на данный момент только начинает активно применяться в частных домах. Одним из главных достоинств этого способа обогрева, является низкое потребление электричества, но при этом высокое выделение тепла. Классификация осуществляется по источнику тепла.

Принцип работы устройства для обогрева дома основан на том, что вещество (холодильный агент) может отдавать тепловую энергию либо забирать ее в процессе смены состояния. Эта идея заложена в основу функционирования холодильника (из-за этого задняя стенка прибора горячая).

Термонасос для отопления функционирует следующим образом:

1. Поступающий агент охлаждается на 5 градусов в испарительном отделе на основании энергии от носителя тепла.
2. Охлажденный агент поступает в компрессор, который в результате работы сжимает и нагревает его.
3. Уже горячий газ попадает в отсек для теплообмена, в котором он отдает собственное тепло отопительной системе.
4. Сконденсированный хладагент возвращается к старту цикла.

Также существуют некоторые модели, которые могут обеспечивать реверсивное функционирование. Это значит, что подобные приборы эксплуатируются даже летом для охлаждения здания. Тепло направляется в хранилище, а затем используется для отопления в холодное время года.

Устройство

Тепловой насос для отопления дома состоит из нескольких основных контурных элементов:

• контур с теплоносителем, который перемещает энергию от теплоисточника;
• контур с фреоном, который периодически испаряется, забирая тепловую энергию с первого контура, и снова оседает конденсатом, передавая тепло третьему;
• контур, где циркулирует жидкость, являющаяся переносчиком тепла для отопления.

Устройство тепловых насосов

Эксплуатация термо насоса для отопления дома является выгодной с финансовой точки зрения. Причина этого в том, что устройство не требует высокой мощности (соответственно, расход электричества не больше, чем у стандартного бытового прибора), однако при этом производится в 4 раза больше тепла по сравнению с потребляемой электроэнергии.

Также не требуется создавать отдельную линию проводки для подключения насоса.  

Плюсы и минусы

Перед принятием решения, использовать тепловой насос или нет, следует ознакомиться с достоинствами и недостатками его работы. Рассмотрим подробно плюсы и минусы использования теплового насоса.

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.

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 насосов 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 и полученный в зондах, установленных на каналах промышленных стоков предприятий.

Методика расчета

Любой тепловой расчет является сложнейшим процессом, 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;

t вн – температура 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.

2. 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 во внутренних помещениях дома;
• t нар – фактическая наружная величина температуры;
• tнар.ср – среднегодовая величина температуры в регионе;
• d – протяженность отопительного периода, дней.

3. 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 50^о 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

Виды тепловых насосов

Существует несколько разновидностей устройств в зависимости от того, какой теплоисточник используется. Принцип работы насоса для отопления дома предполагает, что тепло будет браться из источников, способных лучше всего накапливать солнечную энергию на протяжении сезона.

В продаже имеются такие виды устройств:

• грунтовые (земля — вода);
• воздушные (воздух — воздух);
• воздух — вода;
• водяные (вода — вода).

Ниже рассмотрим их более подробно.

Воздух — вода

Принцип работы насоса ВОЗДУХ-ВОДА заключается в нагреве теплоносителя в системе теплового насоса теплым воздухом. С помощью вентилятора теплый воздух из окружающей среды нагнетается в систему.

Тепловой насос Воздух - Вода

Там он взаимодействует с хладагентом, который в результате данного взаимодействия нагревается, преображаясь в газ. Затем газ поступает в компрессор, где под давлением подается во внутренний конденсатор, отдавая свое тепло воде.

Земля — вода

Почва – наиболее стабильный и поэтому популярный теплоисточник. При глубине 4 — 8 метров, температура постоянна и составляет 5 — 8 градусов выше нуля, а уже на 10 метрах – она возрастает до 10 градусов. Существует 2 основных метода сбора тепловой энергии:

• с помощью горизонтального коллектора;
• посредством вертикального геотермального зонда.

Первая разновидность представляет из себя набор труб, по которым перемещается теплоноситель, уложенных горизонтальным образом. Глубина размещения должна высчитываться индивидуально в каждом случае. Расчет проводится на основании типа местности, климата и других факторов.

В некоторых ситуациях целесообразно разместить трубопровод на глубину замерзания почвы (1.4 — 1.8 м), на 2.5 — 3.5 метра (если требуется снизить разницу температур и добиться большей постоянности) либо на 1 — 1.3 метра (на этой глубине почва быстрее нагревается в весеннее время года). Иногда даже монтируется специальный коллектор, состоящий из 2 слоев.

Для подобного коллектора применяются трубы с сечением 25, 32 или 40 мм. Они могут укладываться по разным схемам: спиралью, молнеобразно, змейкой, петлей и т.д. Если реализуется змейка, тогда трубы должны находится на расстоянии от 0.6 до 1 метра друг от друга (чаще всего, это 80 сантиметров).

Чтобы рассчитать теплосъем трубопровода, требуется учитывать вид почвы. При сухом песке или глине – 10 и 20 Вт на погонный метр соответственно, при влажной глине – 25 Вт, при высоком содержании жидкости в глине – 35 Вт.

Недостаток такого коллектора состоит в необходимости обустройства системы большой площади. Если площадь дома, для которого монтируется отопление, составляет 100 кв.м, а почва участка состоит из влажной глины, тогда для создания коллекторной системы понадобится 400 кв.м земли, т.е. около 5 соток.

Учитывая то, что на поверхности не могут располагаться здания и прочие объекты (можно размещать только газон с 1-летними растениями), не все владельцы смогут выделить достаточно свободного места.

Вертикальный зонд в таком случае является более подходящим решением. Он представляет собой теплообменник, в котором трубы размещаются в почву на глубину до 200 м. В зависимости от того, какая мощность необходима для отопления, определяется количество монтируемых зондов.

Неглубокие зонды должны располагаться примерно в 5-8 метрах друг от друга. Бурение одной трубы на 100-200 м финансово не рентабельно, также необходимо получать разрешения от соответствующих инстанций. Чтобы избежать этого, желательно установить несколько труб.

Таким образом, единственным недостатком вертикальных конструкций является лишь высокая стоимость бурения глубоких скважин.

Однако, несмотря на это, зонд – более популярное решение, т.к. он обеспечивает достаточную эффективность при отсутствии требований к площади участка и прочих ограничивающих факторов.

Вода — вода

Также популярный источник тепла для отопления дома – вода. Существуют 3 разновидности подобных конструкций, в зависимости от того, откуда поступает жидкость:

• коллектор, размещенный на дне открытого водоема (он не должен замерзать) – моря, реки, озера;
• коллектор, расположенный в канализации;
• использующий воду из скважин либо грунтовые воды.

Первый вариант предполагает размещение труб с антифризом под водой. Чтобы предотвратить их подъем на поверхность, они закрепляются при помощи дополнительного груза. Благодаря повышенной температуре теплового носителя, данный способ считается эффективным, но при этом экономичным с точки зрения финансовых затрат.

Недостаток – подобная конструкция может возводиться только при условии, что водоем расположен не дальше, чем 50 м от участка. В противном случае, установка и эксплуатация будут невыгодными. Однако для жителей побережья применение водного теплового насоса станет оптимальным для отопления дома.

При использовании коллектором очищенных стоковых вод и сброшенной жидкости после тех. установок возможно обогревать многоэтажные здания, промышленные объекты и предоставлять горячее водоснабжение. Для отопления частных коттеджей данная система применяется довольно редко, т.к. зачастую они расположены далеко от центральной канализационной системы.

Коллектор, собирающий воду из скважин или грунта, применяется нечасто, по сравнению с прочими разновидностями. Это во многом связано с необходимостью возведения двух ям. Из первой собирается жидкость, которая затем передает свою тепловую энергию холодильному агенту, а во вторую попадает остывшая вода.

В некоторых случаях вместо скважины строится фильтрационный колодец. Скважина для сброса жидкости должна располагаться ниже по течению грунтовых вод и на расстоянии 20 метров от первой.

Подобная система довольно сложна в установке и обслуживании. Требуется регулярно следить за отсутствием коррозийных повреждений и загрязнения элементов насоса. Также важно контролировать качество поступающей воды и своевременно фильтровать ее.

Воздух — воздух

Воздушные модели обладают неоспоримым преимуществом по сравнению с прочими видами устройств. Тепловой насос использует только воздух в качестве теплоисточника, поэтому не требуется бурить грунтовые скважины или размещать водные коллекторы, чтобы смонтировать подобную систему. Следовательно, воздушные приборы обойдутся значительно дешевле.

Подобная разновидность обладает наиболее простой структурой и принципом действия. Воздушная масса попадает в испаритель, в котором она передает тепло холодильному агенту. Затем осуществляется его передача от испарителя к носителю тепла непосредственно в доме. Такое отопление может быть представлено, например, вентиляционными конвекторами (фанкойлами) либо системой «теплый пол».

Стоимость монтажа прибора достаточно низкая в сравнении с водяной или грунтовой разновидностью, а эффективность функционирования зависит в основном от температуры воздуха. При проживании в местности с теплой зимой (не ниже 0 градусов) данный способ считается наиболее выгодным.

Если температура опускается ниже -15 градусов, тогда насос не сможет обеспечить достаточный нагрев помещения, следовательно, целесообразней будет использовать электрический либо котельный обогрев помещения.

Если важно эксплуатировать именно воздушный насос в регионах с холодными зимами, тогда ставится дополнительно дублирующий тепловой источник, который будет подключаться при сильных заморозках.

Также в некоторых случаях возможно монтировать воздушную систему, если климат сухой и температурный режим не опускается ниже —15 градусов.

При влажном воздухе и морозе на корпусе устройства будет образовываться ледовая корка, которая препятствует работе прибора и может стать причиной его быстрого выхода из строя.

Цены и производители

Примерная средне рыночная стоимость оборудования и его установки составляет:

Горизонтальный коллектор:

• Насос – 4500$;
• монтаж — 2500$;
• стоимость эксплуатации — 350$ в год.

Геотермальный зонд:

• Насос – 4500$;
• монтаж — 4500$;
• стоимость эксплуатации — 320$ в год.

Воздушный — для дома:

• Насос – 6500$;
• монтаж — 400$;
• стоимость эксплуатации — 480$ в год.

Насос для дома «вода-вода»:

• Тепловой насос – 4500$;
• монтаж — 3500$;
• стоимость эксплуатации — 280$ в год.

Приведенные цены не окончательны. Конечная стоимость будет зависеть от страны и компании-производителя устройства, типа местности, климатических особенностей, цены бурения, строительных условий и т.д.

Например, цена воздушного насоса от российского производителя составит около 7000$, а от зарубежного – 13000$.

Также не нужно забывать о стоимости электроэнергии. Несмотря на то, что оборудование не потребляет много электричества, эти расходы непременно следует учитывать при составлении общей сметы и планировании бюджета.

Какой насос выбрать

Чтобы принять решение, какое устройство подобрать, следует учитывать факторы:

• ориентировочный бюджет – сколько денег владелец готов потратить на обустройство и подключение полной системы;
• что представляет собой имеющаяся или планируемая система отопления внутри дома – теплый пол, радиатор и т.д.;
• сколько кв.м владелец готов выделить на участке под создание коллектора;
• можно ли глубоко бурить;
• необходимость геологической экспертизы (если планируется установка геотермального зонда), чтобы понять, насколько глубоко должен размещаться коллектор;
• необходимо ли кондиционировать воздушный поток летом;
• будут ли монтироваться воздушно-отопительные приборы.

В процессе выбора рекомендуется обратить внимание на параметр «коэффициент трансформации тепла» (обозначается как ϕ). От него зависит, насколько эффективным будет действие устройства. Если при покупке указано, что ϕ=4, значит при потреблении электроэнергии 1 кВт, тепловой насос произведет 4 кВт теплоэнергии.

Важно при планировании бюджета учитывать не только затраты на приобретение насоса, но и будущие финансовые расходы на эксплуатацию. Часто эти параметры различаются.

Например, при монтировании системы типа «воздух — вода» затраты на установку будут низкими, однако потребуются крупные вложения на эксплуатацию вследствие невысокой эффективности. Если необходимо минимизировать эксплуатационные расходы, тогда следует остановиться на выборе вертикального грунтового теплового насоса.

Стоимость грунтового или водного устройства и его подключения достаточно высока, потребуются крупные первоначальные вложения. Однако уже через 5-10 лет тепловой насос, использующийся для отопления, окупится. Поэтому принимать решение о необходимости приобретения данного приспособления следует на основе финансовых возможностей и условий возведения здания (типа местности, климата и т.д.).

Если, к примеру, глубокое бурение на участке невозможно, его площадь не позволяет разместить горизонтальный коллектор, а рядом отсутствуют водоемы, единственным решением остается монтаж воздушного теплового насоса для отопления дома.

Монтаж своими руками

Если владелец дома хорошо разбирается в принципе работы и схеме оборудования, можно собрать насос самостоятельно. Предварительно требуется провести расчеты, для этого воспользуйтесь готовым ПО для оптимизации охладительных систем.

Меньше всего сложностей предполагает произведенный своими руками монтаж системы отопления дома «воздух — вода». Она будет состоять из двух каналов (для подачи воздушного потока и для отвода отработанного), вентилятора и компрессора.

Компрессор не обязательно приобретать новый, допускается воспользоваться рабочим устройством с холодильника или другого оборудования. Рекомендуется использовать спиральный компрессор.

Этапы работы:

1. Сделать из медной трубы змеевик. Трубу, по которой будет поступать холодильный агент, разместить сверху.
2. Вмонтировать змеевик в разделенную напополам пластиковую емкость. Она будет выполнять роль испарителя.
3. Подключить терморегулирующий клапан и заизолировать его.
4. Собрать все элементы в блок и проверить его работоспособность.

Важно отметить, что данная процедура является достаточно сложной для обычного человека. Непрофессионал не сможет правильно собрать все детали и подключить терморегулирующий клапан.

Лучше доверить выполнение работ мастерам, т.к. ошибки в процедуре станут причиной неправильного функционирования оборудования либо неэффективного потребления электричества.

Таким образом, тепловой насос – эффективный способ отопления частного дома. На сегодняшний день в России и странах СНГ использование данного оборудования не сильно распространено, однако в Европе и США такие установки активно применяются для отопления.

Выбирать подходящий тепловой насос рекомендуется на основании не только стоимости монтажных работ и эксплуатации, но и региона использования, условий строительства, площади участка и других факторов.