Тепловой насос

Одной из основных статей расхода на поддержание частного дома считаются затраты на отопление. Решить данную проблему можно с помощью воздушного теплового насоса. Этот аппарат, применяемый для организации эффективной системы воздушного конвективного отопления, позволяет минимизировать затраты на обогрев дома. Однако монтаж подобных установок требует крупные капиталовложения.

Принцип работы теплового насоса

Понять, что такое тепловые насосы, можно, если разобраться в принципе работы этого оборудования. Функционируют подобные аппараты по следующему алгоритму:

1.      Каждый тепловой насос вне зависимости от конструкции содержит хладагент. Эта жидкость передается по контуру в испаритель, где нагреваясь преобразуется в пар.
2.      Пар, двигаясь дальше по контуру, контактирует с газообразным либо жидкостным теплоносителем и поступает в итоге в компрессор.
3.      В компрессоре под воздействием высокого давления хладагент сжимается и нагревается.
4.      Хладагент передается через контур в змеевик, где нагревает до температуры 80-130 градусов теплоноситель, который циркулирует по трубам системы отопления, дома.
5.      После охлаждения, вызванного передачей тепла теплоносителю, хладагент вновь становится жидкостью и поступает во внутренний контур теплового насоса.
6.      Охлажденный хладагент возвращается в теплообменник теплового насоса.

Несмотря на то что на рынке представлено несколько разновидностей тепловых насосов, принцип работы такого оборудования одинаков. Отчасти это объясняется тем, что каждый такой аппарат содержит следующие компоненты:

•       перепускной клапан, или капилляр;
•       испаритель;
•       компрессор;
•       конденсатор.

Так как работают тепловые насосы при условии постоянной подачи электроэнергии, при организации подобный системы отопления расходы на эксплуатацию дома могут вырасти. Однако при проверке на практике это утверждение не всегда верно.

Объясняется это тем, что в конструкции устройства предусматривается электронный терморегулятор, который останавливает выработку тепла при достижении в доме заданной температуры, тем самым сокращая расход электроэнергии.

В качестве хладагента в тепловых насосах применяются фреоны R-134a либо R-600a. Оба вещества не опасны для человека и не оказывают негативное воздействие на окружающую среду.

Помимо компрессионных на рынке также представлены абсорбционные тепловые насосы. Эти аппараты считаются более эффективными, так как работают бесшумно. Однако абсорбционные тепловые насосы в сравнении с компрессионными:

•       менее мощные;
•       отличаются сложной конструкцией;
•       требуют использование стойких к коррозии материалов, которые сложны в обработке.

Принцип работы у абсорбционных тепловых насосов отличается от компрессионных:

1.      Хладагент (обычно в этой роли используется аммиак) испаряется под воздействием низких температур и давлении.
2.      В ходе испарения хладагент поглощает тепловую энергию из среды, которая окружает циркуляционный контур.
3.      Пар в абсорбционных тепловых насосах, поступает в отсек с растворителем (обычно это вода), который, вступая в реакцию, нагревается.
4.      Во время абсорбции происходит испарение растворителя и повторное — хладагента.
5.      Парообразный хладагент поступает в конденсатор, где превращается в жидкость, одновременно с этим происходит нагрев теплоносителя.

Помимо абсорбционных тепловых насосов существуют еще и адсорбционные. Такие аппараты отличаются более сложной конструкцией. В частности, эти устройства состоят из двух теплообменников, один из которых нагревается газовой горелкой. Поэтому адсорбционные аппараты не применяются в бытовых целях.

Разновидности, конструктивные особенности тепловых насосов и систем

Тепловые насосы делятся на следующие типы:

•       геотермальные;
•       воздушные;
•       использующие вторичное тепло.

В зависимости от типа теплоносителя такие аппараты классифицируются на следующие виды:

1.     Тепловые насосы «воздух-воздух», принцип работы которого построен на той же схеме, что и у кондиционера. Однако последний забирает и охлаждает воздух из окружающей среды, а первый забирает тепло.
2.      Тепловые насосы «вода-вода», принцип работы которых основан на заборе тепла у грунтовых вод.
3.      Тепловые насосы «вода-воздух». Системы данного типа предполагают организацию скважин на участке или монтаж зондов для забора атмосферной воды, которые сочетаются с воздушным отоплением.
4.      Тепловые насосы «воздух-вода», которые забирают тепло из атмосферы для нагрева воды, циркулирующей в системе отопления.
5.      Тепловые насосы «грунт-вода». В этом случае нагрев происходит за счет циркуляции воды по трубам, проложенным на определенной глубине под землей.

Кроме того, ряд моделей подобных насосов способны обеспечивать нагрев теплоносителей в отопительных системах за счет таяния льдов.

Грунтовые тепловые насосы

Оптимальными для отопления небольшого дома можно назвать грунтовые тепловые насосы. Объясняется это сравнительно низкой ценой монтажа подобной системы. Более того, установить геотермальный тепловой насос можно своими руками.

Такие системы отопления делятся на 2 типа в зависимости от конструкции, по которым циркулирует антифриз. В качестве последнего чаще используют пропиленгликоль или этиленгликоль:

1. При монтаже геотермальных тепловых насосов своими руками в основном применяют схему, с размещением горизонтальных труб на глубине 1,5-2 метра под грунтом. В этом случае нужно учитывать, что для отопления дома площадью 100 м2 потребуется до трех соток земли, на которых нельзя выращивать деревья и кустарники с обширной корневой системой.
2. Также, для организации отопления в доме используют геотермальный зонд, представленный в виде труб, которые опускаются на глубину 100-200 метров. Для обогрева коттеджа указанной площади потребуется 2 такие конструкции длинной до 80 метров.

Установка геотермальных насосов своими руками с таким зондом потребует специализированной техники для бурения скважин. Но данный вариант отопительной системы считается более предпочтительным. Геотермальные зонды более эффективны, чем горизонтальные коллекторы.

Водяные тепловые насосы

В отличие от тепловых насосов «воздух-вода» устройства данного типа предполагают забор грунтовых вод, которые поступают в теплообменник (испаритель). Данная система отличается повышенной эффективностью обусловленной следующими причинами:

•        температура грунтовых вод не меняется на протяжении года;
•        высокая теплоотдача воды.

Однако установка теплового насоса «земля-вода» связана с определенными трудностями. В ряде случаев монтаж подобного оборудования невозможен. В отличие от тепловых насосов «воздух-вода», которые можно устанавливать в разных регионах, для организации такой системы необходимо, чтобы:

1.      На участке обязательно присутствовал водоносный слой, который располагается на глубине 20-30 метров.
2.      Грунтовые воды содержали минимальное количество солей железа и других примесей.

В связи с этим водяные тепловые насосы для отопления частного дома применяются нечасто.

Воздушные тепловые насосы

Воздушные тепловые насосы обладают большим количеством преимуществ в сравнении с другими подобными устройствами. Для организации отопительной системы в данном случае, не потребуется проведение сложных инженерных работ типа бурения скважин и иных. Поэтому установка воздушного теплового насоса обходится дешевле, чем монтаж водяного или геотермального.

Однако данное оборудование работает только при определенных условиях. Использовать тепловые насосы «воздух-воздух» для отопления дома можно, если температура окружающей среды не выходит за пределы -15, — 20 градусов. В случае снижения данного показателя уменьшается эффективность устройства.

Обусловлено это особенностями работы воздушных тепловых насосов. Последние, как было отмечено, забирают тепло из окружающей среды. То есть из-за особенностей конструкции воздушных тепловых насосов есть определенные ограничения на забор тепла.

Большинство подобных моделей прекращают работать, когда температура окружающей среды опускается ниже -25 градусов.

Конструктивно насосы данного типа напоминают инверторный кондиционер. В обоих случаях монтируются наружный и внутренний блоки. Последний обеспечивает нагрев помещений за счет циркуляции нагретого воздуха.

По тем же причинам невозможна установка в большинстве регионов России тепловых насосов «воздух-вода».

Тепловые насосы со встроенным ТЭНом

В связи с тем что тепловые насосы «воздух-вода» нельзя запускать, когда температура опускается ниже -25 градусов, для обогрева дома аппарат нередко дополняют электрическим нагревателем. ТЭН в подобных случаях также позволяет отказаться от использования оборудования с избыточной мощностью, тем самым сокращая расход электроэнергии во время слабых морозов.

Коэффициент эффективности тепловых насосов

Коэффициент эффективности — это основной параметр, на который нужно обращать внимание при выборе тепловых насосов. Данный показатель рассчитывается как отношение между полученной и затраченной электроэнергией.

Водяные и грунтовые насосы обладают лучшим коэффициентом эффективности, чем воздушные. В первом случае данный показатель варьируется в пределах 3-4,5, во втором — 2,5-3,5. То есть водяные и грунтовые модели, потребляя 1 кВт электроэнергии, выдают до 3-4,5 кВт тепла, воздушные — 2,5-3,5 кВт.

Также при выборе оборудования необходимо знать, куда должны заноситься результаты технического освидетельствования тепловых насосов. Здесь приведена информация об основных характеристиках устройства.

Применение тепловых насосов для охлаждения, горячего водоснабжения

В странах Европы в последнее время монтируют геотермальные тепловые насосы для нагрева воды, которая используется в бытовых целях. Такой вариант эксплуатации оборудования считается оптимальным. Объясняется это тем, что геотермальные насосы способны нагревать воду до 35-40 градусов без дополнительных контуров.

Оборудование типа «воздух-воздух» также подходит для организации системы охлаждения помещений.

Этапы проектирования и монтажа геотермальной системы в частном доме

Геотермальные системы отопления считаются эффективными для обогрева частных домов, расположенных в южных регионах с теплыми зимами. Такие установки можно смонтировать самостоятельно.

Расчет грунтового контура и теплообменников насоса

Перед монтажом геотермальных тепловых насосов своими руками необходимо определить объем материалов, необходимых для организации данной системы. Произвести точные расчеты способен только специалист, имеющий достаточно опыта при установке подобных конструкцией.

В частности, необходимо учитывать тип грунта, в котором укладывается контур.

Расчет в данном случае проводится по следующей формуле:

Ре = Рн*(1-1/СОР), где

•       Рн — номинальная мощность насоса;
•       СОР — коэффициент преобразования.

Например, если проводится монтаж погружного зонда в глинистую породу на глубину 240 метров, то для получения 7 кВт тепловой энергии потребуются трубы общей длиной 480 метров.

Так в среднем берут за расчет с 1 погонного метра трубы 20 Вт- при горизонтальном расположении грунтового коллектора и 50 Вт — при вертикальном расположении.

Для расчета площади теплообмена рекомендуется обращаться на сайты производителей оборудования, так как большинство формул, приведенных в интернете, неверные.

Примерный расчет теплопроизводительности

Данный параметр рассчитывается по следующей формуле:

СОР = Т2/(Т2 — Т1), где

•       Т1 — температура источника, из которого забирается тепло (в примере ниже — воздух);
•       Т2 — температура теплоносителя в отопительной системе.

Для примера расчета теплопроизводительности можно взять насос типа «воздух-воздух», устанавливаемый для отопления дома площадью 200 м2. В этом случае для каждого квадратного метра потребуется 0,7 кВт тепла. То есть для отопления такого дома нужен насос, который выдает до 14 кВт.

Если в эту схему включается водонагревательный бак с ТЭНом, то эффективность системы повышается на 10-20%.

Монтаж системы

Монтаж тепловых насосов типа «грунт-вода» проводится, согласно схеме, приложенной производителем. Данное оборудование рекомендуется размещать в подвальном помещении с постоянной температурой +15 градусов. В таких условиях устройство работает без перебоев.

Помимо этого аппарата для организации геотермальной системы потребуются:

•       труба диаметром 200 мм для прокладки земляного контура;
•       полиэтиленовые фитинги;
•       утеплители для трубопроводов;
•       герметик;
•       медная трубка диаметром 9,5-12,7 мм с толщиной стенки не менее 1 мм;
•       манометры и термометры;
•       водопроводный шланг диаметром 25-32 мм.

Дополнительно потребуется циркуляционный насос, который будет перемещать антифриз (солевой раствор воды) по внешнему контуру. Последний укладывается в землю.

Монтаж данной системы рекомендуется проводить до закладки фундамента. В ином случае возможна установка оборудования с вертикальным размещением.

Если планируется монтаж системы своими руками, то рекомендуется остановить свой выбор на модели с горизонтальным теплообменником. В этом случае внешний контур укладывается в траншеи на глубине ниже уровня промерзания почвы.

Для вертикального теплообменника необходимо вырыть скважину глубиной 50-200 метров (показатель зависит от размера обогреваемой площади и задач, которые решает система). В эти отверстия вставляются заранее подготовленные трубы, которые обязательно бетонируются.

Если проводится монтаж системы, предусматривающей забор тепла у воды, то потребуются 2 скважины. Первая предназначается для забора жидкости, которая идет в тепловой насос. Во вторую скважину будет сливаться отработанная вода.

Горизонтальный внешний контур рекомендуется укладывать в виде U-образных обвязок из трех или четырех линий. При этом нельзя сказать, какая схема размещения оптимальная. Для уменьшения площади, которую занимает горизонтальный контур, последний укладывают в виде витков. Но вне зависимости от способа размещения расстояние между отдельными линиями должно превышать 200 мм.

Дно котлованов при горизонтальном способе укладке рекомендуется покрыть слоем песка для отвода грунтовых вод.

После завершения описанных работ рекомендуется проверить герметичность соединений труб. Для этого нужно подключить компрессор к коллектору и увеличить давление в системе до 3-4 бар.

Монтаж геотермальной системы отопления проводится по следующей схеме:

1.      Трубы от внешнего контура подключаются к насосу.
2.      От насоса идет труба для подачи антифриза с отдельным запорным краном.
3.      Далее рекомендуется установить расширительный бак с ТЭНом.
4.      Бак подключается к тепловому насосу, который соединяется с отопительной системой.
5.      Разъем, подключенный к испарителю теплового насоса, подключается к внешнему контуру.

Эта примерная схема подключения теплового насоса и организации геотермальной отопительной системы. Способ монтажа необходимо подбирать с учетом особенностей конкретного дома, участка и устанавливаемого оборудования.

Нередко для обогрева частного дома изготовляют тепловые насосы из холодильника. Использование такого устройства нецелесообразно, так как данная конструкция способна выдать не более 1 кВт тепла.

Простейший тепловой насос из оконного кондиционера

Для обогрева небольшого дома или отдельных комнат (в частности, для сушилки в ванные комнаты) можно сделать кондиционер с тепловым насосом. В данном случае нужно:

1.      Демонтировать верхний кожух кондиционера и теплообменник.
2.      Снять наружную крыльчатку.
3.      Сделать металлический бак длинной той же длины, что и изготавливаемый теплообменник, и шириной на 10-15 см больше.
4.      Врезать в стенки бака штуцеры для подачи воды.
5.      Опустить кондиционер в металлический бак.
6.      Укрыть кондиционер герметичной крышкой.
7.      Подключить теплообменник к шлангам, по которым поступает вода, и проверить герметичность устройства.

Данный метод нередко используют при создании теплового насоса для бассейна своими руками. Этот вариант больше подходит как раз для подобных целей. Для отопления дома рекомендуется использовать готовую продукцию.