Тепловой насос для отопления дома. Принцип работы и расчета

Принцип действия

Контур хладагента теплового насоса

1. Фреон, имеющий низкую температуру кипения, при прохождении через испаритель переходит из своего жидкого состояния в газообразное. Данный процесс происходит при температуре около минус пяти градусов и низком давлении в системе.
2. Из испарителя фреон в газообразном состоянии поступает в компрессор, в котором происходит его сжатие до создания высоких показателей давления и температуры.
3. Потом горячий газ проходит во второй теплообменник, конденсатор, в котором осуществляется процесс теплообмена между теплоносителем из обратки отопления и горячим газом.
4. Производительность теплового насоса Фреон, отдав тепловую энергию системе отопления, охлаждается и вновь переходит в своё жидкое состояние, а теплоноситель, получивший тепло, поступает в систему отопления.
5. Давление фреона по-прежнему ещё высокое, но при прохождении через редукционный клапан, оно снижается.
6. Далее фреон вновь поступает в испаритель и снова повторяется весь цикл.
7. Использование теплового насоса вместо традиционных источников получения тепла имеет следующие несомненные преимущества:
8. Отпадает необходимость денежных затрат на приобретение топлива, доставку и хранение.
9. Высвобождается довольно значительная территория, занимаемая под котельную, помещения склада топлива и подъезда к нему.
10. Занимает минимум места, не нарушая интерьер дома и внешний вид фасада.
11. Для работы установки нет необходимости в проводке дополнительно никаких коммуникаций, достаточно обычной электрической бытовой сети.
12. При работе насоса не происходит выделение никаких вредных веществ, нет возможности отравления ядовитым газом или возгорания.
13. Тепловые насосы пожаро- и взрывобезопасны при эксплуатации.
14. Установка обеспечивает полноценное отопление дома зимой и заменяет кондиционер летом, работая в отличие от кондиционера, полностью бесшумно.

Для кого разрабатываются геотермальные тепловые насосы.

Когда отопительная система еще находится в стадии проекта, не проблема настроить ее параметры для каждого теплового насоса.

Как правило, не существует препятствий для выполнения теплообменника, необходимого для получения тепла из грунта.

Необходимо знать, что тепло в грунте на глубине 1,5 м, поставляется почти исключительно из атмосферных осадков и солнечной энергии. Так что поверхность над теплообменником, по возможности, должна быть свободна и должна пропускать воду. Не допускается посадка на нем растений, корни которых могут в будущем повредить трубу.

Также нужно брать во внимание то, что действие теплового насоса приводит к снижению температуры почвы на несколько градусов, что нарушает вегетацию растений. В связи с этим монтаж грунтового теплового насоса на благоустроенной даче, часто слишком громоздок.

Тепловой насос для отопления дома принцип работы

Принцип работы теплового насоса для отопления

Принцип работы тепловых насосов основан на возможности тел и сред отдавать свою тепловую энергию другим таким же телам и средам. По этой особенности различают различные виды тепловых насосов, в которых обязательно присутствуют поставщик энергии и её получатель.

В названии насоса на первом месте указывается источник тепловой энергии, а на втором тип носителя, которому передаётся энергия.

Тепловой насос для отопления дома

В конструкции каждого теплового насоса отопления дома выделяют 4 основных элемента:

1. Компрессор, предназначенный для увеличения давления и температуры пара, возникающего вследствие кипения фреона.
2. Испаритель, представляющий из себя бак, в котором фреон из жидкого состояния переходит в газообразное.
3. В конденсаторе хладагент передаёт тепловую энергию внутреннему контуру.
4. Посредством дроссельного клапана регулируется количество хладагента, поступающего в испаритель.

Что это и принцип работы геотермального насоса

Тепловой насос – это устройство, преобразующее теплоту Земли в энергию. Данный способ организации отопления частного дома позволяет отказаться от дорогостоящих энергоносителей. Экономия со временем полностью окупает затраты на установку уже в первые сезоны использования. Европа уже давно ищет и внедряет альтернативные методы энергосбережения, чем проявляет заботу об окружающей среде. И нет ни одного повода действовать иначе, тем более, сейчас на рынке нашей страны есть все необходимое.

Применяемых хладогент обладает исключительным свойством, которое заключается в поглощении и отдаче тепла при переходе из одного агрегатного состояния в другое. Если говорить утрировано, принцип работы теплового насоса идентичен холодильной установки. Только главным элементом является теплообменник, который в последнем случае устанавливается на задней стенке.

Схематично геотермальное устройство состоит из трех контуров:

1. Принимающий низкопотенциальное тепло от источника.
2. Для циркуляции фреона, меняющего агрегатное состояние.
3. Водяной, передающий тепло от установки к радиаторам.

Именно фреон в процессе работы принимает тепловую энергию от источника, когда испаряется. И наоборот он отдает ее при конденсации. Если рассматривать работу теплонасоса по циклам, суть принципа действия заключается в следующем:

1. Хладогент, находящийся в системе в виде жидкости, в испарителе испаряется. Тепло от источника поглощается в результате этого процесса.
2. Компрессор нагнетает фреон, который сжимаясь, снова переходит в жидкое состояние. При этом накопленная энергия передается теплообменнику.
3. Вода в отопительном контуре, проходя через теплообменник, нагревается и циркулирует по системе. Доходя до батарей, она отдает тепло в комнату.

При этом достигается большой перепад температуры. Такая схема теплового насоса предполагает, что хладогент охлаждается до 6-10 градусов Цельсия, а к теплообменнику подается уже при +60. Но это находясь под давлением. После отдачи тепла оно сбрасывается (стабилизируется) при помощи дроссельного клапана, и циклы повторяются. Кто знаком с работой холодильной установки заметил, что принцип передачи энергии в данном случае идентичен, хотя цели абсолютно противоположные.

Если в холодильнике решается задача понижения температуры в камерах, где хранятся продукты, то отопление тепловым насосом – это возможность поднять температуру в помещении без сжигания электричества или твердых энергоносителей, газа и т.д.

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.

Система теплового насоса собственными силами

• если не уверены в собственной компетенции, но на бригаду специалистов нет средств, всегда можно найти умельцев среди знакомых;
• монтаж внешней части теплового насоса не терпит долгого сооружения – обладаете ли вы достаточными средствами, чтобы сооружение не превратилось в долгострой;
• перед созданием системы позаботьтесь о полном комплекте материала и оборудования для монтажа. Покупка нового дорогого материала не всегда оправдывает себя, иногда достаточно приобрести оборудование бывшее в употреблении.

Типы тепловых насосов

Для отопления дома чаще всего используют один из трех типов тепловых насосов:

• Геотермальный тепловой насос (тепловой насос «грунт-вода») извлекает тепловую энергию из грунта (земли) с помощью системы коллекторов, которые уложены в скважинах или распределены по участку. Данный тип оборудования наиболее эффективен, так как в любое время года на глубине 1,5-2 метра температура грунта не опускается ниже 5-8°С.
• Воздушный тепловой насос (тепловой насос «воздух-воздух») извлекает тепло из воздуха, подогревает до необходимой температуры и транспортирует в дом. Установка не занимает много времени, но в холодные периоды такая система менее эффективна, чем грунтовые тепловые насосы.
• Водяной тепловой насос (тепловой насос «вода-вода») использует тепло грунтовых вод для отопления помещений в доме. Также отмечается высокой эффективностью, но установка возможна в том случае, если имеется водоем возле участка.

Геотермальный тепловой насос Heliotherm

Подбор теплового насоса для отопления дома следует доверять профессионалам с большим опытом работы. Иначе в работе системы отопления и горячего водоснабжения дома могут возникнуть сбои, которые повлекут за собой значительные затраты.

Виды тепловых насосов

В зависимости от того, какую среду использует устройство для производства энергии и каким способом происходит ее передача, различают пять видов тепловых помп:

• воздух-вода;
• воздух – воздух;
• вода – вода.
• вода – воздух;
• грунт – вода;

Три последних вида тепловых насосов называют геотермальными, так как они используют энергию тепла подземных вод или грунта. Такие устройства осуществляют теплообмен, функционируя с открытым или закрытым циклом работы.

Схема геотермального теплового насоса типа вода-вода с открытым циклом

Геотермальные насосы с открытым циклом

Принцип работы таких агрегатов заключается в перекачивании грунтовых вод в тепловой насос, установленный внутри здания. При этом вода отдаёт тепловую энергию и возвращается обратно в подземный резервуар на некотором расстоянии от места забора.

Огромное преимущество данного метода заключается в одновременном водоснабжении дома за счет использования воды из скважины. Другим плюсом является высокая эффективность работы такого насоса, связанная со стабильно высокой температурой воды в любое время года. Несомненным достоинством является и экологичность насосов с открытым циклом, так как всю установку можно рассматривать как систему сообщающихся сосудов, которые не оказывают влияния на уровень грунтовых вод в горизонте. Правильно установленные скважины абсолютно не нарушают природный баланс, обеспечивая стабильные поставки тепла для отопления дома в холодное время года и отвод излишков теплоты летом. Конструктивно агрегаты с открытым циклом встроены в систему водяного отопления и представляют собой классический пример тепловых насосов с водой в качестве теплоносителя.

Тепловые насосы закрытого цикла с теплообменником

Геотермальные агрегаты такого вида функционируют за счет прокачивания теплоносителя по коллекторному трубопроводу, размещенному в открытом водоёме или грунте. При этом теплоноситель прогревается за счёт теплоты воды или недр земли, возвращается к конденсатору насоса и отдает тепловую энергию для обогрева здания.

Закрытый первичный контур геотермального теплового насоса

При установке коллектора в озере необходимо, чтобы его расстояние от дома было не более чем 100 метров, а глубина и береговая линия соответствовали требованиям к монтажу. Достоинством такой системы, как и других подобных систем, использующих водоёмы, является относительно низкая цена.

Для установки теплообменника в грунт используют горизонтальный  или вертикальный коллектор – зонд. Такой трубопровод представляет собой систему труб, горизонтально и (или) вертикально установленных в грунте. Длина вертикального зонда может варьироваться от 50 до 200 метров в глубину земли. Это самый эффективный тепловой агрегат, позволяющий получать на каждый затраченный 1кВт электроэнергии до 5кВт теплоты. Минусом такой установки является её стоимость – самая высокая среди всех систем такого типа. Несмотря на высокие капиталовложения, тепловые насосы закрытого цикла типа грунт-вода и вода-вода получили широкое распространение в Западной Европе, особенно в Германии.

Монтаж грунтового теплообменника геотермального теплового агрегата

Тепловые насосы воздух-воздух и воздух-вода

Агрегаты этого типа используют тепло атмосферы. Даже при отрицательных температурах наружный воздух имеет некоторое количество тепла. Эту энергию и отбирает тепловой насос у воздушной среды. По принципу отбора тепла у атмосферного воздуха функционируют современные инверторные кондиционеры, имеющие клапан обратимости, который позволяет им работать как на обогрев, так и на охлаждение. Главным недостатком устройств такого типа можно считать работу в крайне нестабильной воздушной среде. Продуктивность этих тепловых помп очень сильно зависит от температуры «за бортом». В самых благоприятствующих условиях агрегаты такого типа могут привлечь до 4кВт тепловой энергии на каждый 1Квт электрической. Выбирая такой прибор для отопления своего дома, следует помнить о том, что ниже нуля градусов эффективность их работы резко уменьшается, а при дальнейшем снижении температуры обмерзает наружный теплообменник агрегата, в связи с чем его работа в режиме теплового насоса не представляется возможной и прибор переходит в режим простого электрообогревателя.

Тепловой агрегат типа воздух-вода

Тепловые насосы, использующие в качестве теплоносителя воздух, успешно используются в странах с умеренно-континентальными погодными условиями. В случае использования таких устройств в районах с континентальным и резко-континентальным климатом, требуется установка дополнительных отопительных систем для работы в наиболее холодное время года.

Отзыв о тепловых насосах «воздух-вода»

Тепловые насосы «воздух-вода» используют энергию атмосферного воздуха для нагрева (охлаждения) воды, обеспечивая работу систем отопления (охлаждения) и горячего водоснабжения, потребляя при этом значительно меньше электроэнергии в сравнении с традиционными электрическими приборами. Они широко применяются в Европе и Северной Америке для снижения затрат на отопление и ГВС.

Современные тепловые насосы воздух-вода способны эффективно вырабатывать тепловую энергию при температурах наружного воздуха до -25°С и даже -30°С, что обеспечивает возможность их применения в условиях суровой зимы.

Использование данного типа оборудования не требует специальных разрешений, а его монтаж достаточно прост — наружный блок устанавливается снаружи здания, а гидромодуль и накопительный бак (при их наличии, т.к. некоторые модели имеют моноблочную конструкцию) в любом помещении внутри дома.

В интернет-магазине Ru-Klimat представлены уже зарекомендовавшие себя в наших условиях модели ведущих производителей. У нас Вы можете купить тепловой насос воздух-вода с установкой по привлекательной цене.

• Для отопления дома тепловым насосом воздух-вода в качестве отопительных приборов наиболее эффективно использовать теплые полы.
• Это обусловлено принципиальной зависимостью производительности теплового насоса от разности температур наружного воздуха и теплоносителя на выходе устройства.
• Для теплого пола вполне достаточно температуры теплоносителя 35-50 °С, тогда как в традиционных секционных или панельных радиаторах она, как правило, должна поддерживаться на уровне 50-90 °С.

Недостатками использования теплых полов в качестве основного отопления можно считать большую инертность, что сильно замедляет реакцию на изменение температуры теплоносителя, и необходимость поддерживать температуру поверхности пола в пределах 30-35 °С, тогда как максимально комфортным является диапазон 25-27 °С.

Поэтому лучшим вариантом при отоплении тепловым насосом является совместное применение в качестве отопительных приборов теплых полов и низкотемпературных фанкойлов в соотношении тепловой мощности примерно 1:1.

При такой схеме фанкойлы будут выступать в роли доводчика температуры до комфортного уровня и амортизатора, быстро реагирующего на изменения температуры в помещении поддерживая ее на заданном уровне за счет увеличения или уменьшения интенсивности струи подогретого воздуха.

Еще одним явным преимуществом такой системы является ее готовность без дополнительных затрат решить задачи и отопления, и охлаждения, и даже воздухоочистки.

Фанкойл, по сути, это тепловентилятор, состоящий из вентилятора (fan) и теплообменника (coil). Еще их называют вентиляторными доводчиками.

Переключение режимов работы на обогрев или на охлаждение зависит только от температуры теплоносителя, поступающего в теплообменник. Фанкойлы бывают настенного, напольного, канального, кассетного, внутрипольного и т.д. исполнения.

Для эффективного отопления наиболее правильно применение напольных или внутрипольных вариантов.

Режимы работы теплового насоса

• Моновалентный режим – тепловой насос является единственным источником тепла. Его отопительной мощности хватает для полного обеспечения здания теплом. Этот режим наиболее целесообразен для грунтовых тепловых насосов.
• Моноэнергетический режим – тепловой насос также является основным источником тепла, а в пиковые нагрузки теплоноситель подогревается за счет установленного внутри электрического нагревателя. В результате КПД насоса снижается, так как увеличивается потребление электроэнергии для работы электронагревателя
• Бивалентный режим – насос работает в паре с другим источником тепла, чаще всего с газовым котлом. Такой режим наиболее предпочтителен (с экономической и практической точки зрения).

Тепловой насос в помещениях с большим количеством окон и большими теплопотерями

В нашем доме таким помещением является зимний сад. Он тоже полностью отапливается с помощью тепловых насосов. Как ранее и говорили, на каждом этаже стоит свой коллектор.

Как видно на фотографии, здесь на коллекторе запитан фан-койл водяной. Отличие его в том, что он именно водяной, а не фреоновый. С помощью пульта программируется время работы и уровень температуры. И за счет того, что он такой переразмеренный, достаточно температуры в 30 градусов, чтобы поддерживать 20-27 градусов в зимнем саду всю зиму.

Комплектация и оснащение

Водонагреватель – позволяет нагревать и подавать воду в ГВС. Существует два способа применения водонагревателя в паре с ТН:

• встроенный водонагреватель – дает возможность пользоваться косвенным нагревом и ТЭНом;
• возможность подсоединения к внешнему водонагревателю – использует только принцип косвенного нагрева, что снижает его эффективность. Правда, ТН с внешним водонагревателем компактнее аналога со встроенным нагревателем воды. Также пользователь может выбирать место монтажа водонагревателя.

ТЭН – увеличивает тепловую мощность ТН, что полезно при очень низких температурах. Минус – большой расход электроэнергии.

Wi-Fi-модуль – предназначен для дистанционного управления ТН с помощью мобильного устройства, например, планшета или смартфона.

Подключение к системе «умный дом» – позволяет контролировать состояние системы отопления, регулировать температуру теплоносителя и воздуха в помещении.

Также в ТН предусматривается ЖК-дисплей (упрощает работу с устройством).

Виды геотермальных установок

Принцип работы геотермального отопления дома мы рассмотрели, теперь разберемся, какие существуют разновидности тепловых установок. Они разливаются по виду используемых теплоносителей и среды, в которую погружены контуры.

Принцип работы, устройство и ремонт циркуляционного теплового насоса

Земля-вода

Этот тип насосов отбирает тепловую энергию у почвы и передает ее воде в отопительной системе дома. Для отбора тепла используются коллекторы или зонды.

Внешний контур для получения тепла из земли может быть размещен вертикально и горизонтально. В первом случае обеспечивается постоянная положительная температура на дне скважины, но чтобы ее пробурить, понадобится специальное оборудование. Для устройства вертикального теплообменника нужно бурить скважину диаметром 150 мм на глубину 50-200 м.

Во втором случае трубы контура укладываются горизонтально на 1 м глубже поверхности, поэтому котлованы можно вырыть собственноручно. Но из-за значительной протяженности контура горизонтальные контуры применяют только на больших придомовых участках.

Важно! Площадь горизонтального внешнего контура должна в три раза превышать отапливаемую площадь дома.

Вода-вода

Обычно используют теплообменник, который уложен на дне водоема, расположенного на расстоянии не более 100 м от дома. Подойдут только естественные водоемы – пруды, озера. Для укладки труб в реку нужно получать разрешение. Главное требование – глубина водоема не может быть меньше 3-х метров.

Вместо водоема тепло воды можно получать из артезианской скважины. Добытая вода пропускается через тепловой насос. Однако откачанную воду нужно сбрасывать обратно в грунт, поэтому делают вторую скважину. Благодаря этому поддерживается постоянное давление в земном пласте.

Воздух-вода

Для работы оборудования понадобятся испарители и вентиляторы. Наибольшая эффективность работы достигается при температуре окружающего воздуха не ниже -15°С. Если температурные показатели опускаются ниже, теряется часть мощности.

Преимущество станций заключается в простоте монтажа. Не нужно рыть котлованы или бурить скважины. Всю конструкцию можно расположить на крыше дома. Оборудование работает бесшумно и может повторно использовать тепло, выходящее из помещений.

Назначение гидравлической стрелки и принцип работы в системе отопления

Какие помпы подходят для установки в жилых помещениях

Установка циркуляционного насоса.

Оптимальная температура отопительной системы загородного дома достигается при использовании вмонтированных термоклапанов. Если заданные параметры температуры отопительной системы будут превышены, то это может привести к тому, что клапан будет перекрыт, а гидравлическое сопротивление и давление увеличатся.

Использование насосов с электронной системой управления помогает предотвратить появление шумов, поскольку приборы автоматически будут следить за всеми изменениями объемов воды. Насосы будут обеспечивать плавную регулировку перепадов давления.

Для автоматизации работы насоса пользуются моделью агрегата автоматического типа. Это позволяет защитить его от неверной эксплуатации.

Используемые помпы могут отличаться по типу их применения. Например, сухие в процессе работы не соприкасаются с теплоносителем. Мокрые помпы качают воду при их погружении. Сухие виды помп являются шумными, а схема монтажа насоса в отопительную систему больше подходит для предприятий, а не жилых помещений.

Для загородных домов и дач подходят помпы, созданные для работы в воде, имеющие специальные бронзовые или латунные корпусы. Детали, используемые в корпусах, являются нержавеющими, так система не будет повреждаться под действием воды. Таким образом, эти конструкции обеспечены защитой от воздействия влаги, высоких и низких температур. Осуществление монтажа такой конструкции возможно на обратном и подающем трубопроводе. Вся система потребует определенного подхода при ее обслуживании.

С целью увеличения степени давления, приходящегося на участок всасывания, можно установить насос так, чтобы расширительный бак находился рядом. Трубопровод отопления должен быть спадающим в том месте, где требуется подключить агрегат. Необходимо будет удостовериться в том, что насос сможет выдерживать сильные напоры горячей воды.

Выводы и полезное видео по теме

Видео #1. Как сделать простейший самодельный тепловой насос с теплообменником из РЕХ трубы:

Видео #2. Продолжение инструктажа:

В качестве альтернативных систем отопления довольно давно используются тепловые насосы. Эти системы обладают надежностью, длительным сроком службы и, что немаловажно, безвредны для окружающей среды. Они всерьез начинают рассматриваться, как очередной шаг на пути развития эффективных и безопасных систем отопления.

Источники

• -htm/
• -energy/teplovye-nasosy/
• -otoplenija/
• -otopleniya/
• -energiya/kak-izgotovit-teplovoy-nasos-dlya-otopleniya-doma-svoimi-rukami
• _otoplenie/
• -energy/teplovye-nasosy/

[свернуть]