Что такое тепловой насос
Рассматриваем принцип работы и виды необычного устройства для экономичного отопления коттеджа — теплового насоса.
Тепловой насос — устройство, которое использует тепло окружающей природы — воздуха, воды, грунта для отопления коттеджа и нагрева горячей воды. Сердце теплового насоса — фреоновый контур, включающий компрессор, расширительный клапан, два теплообменника и медный трубопровод.
Принцип работы теплового насоса — перекачивание тепла из одной среды (воздух, вода, грунт) в другую — в систему отопления.
Казалось бы, тепловой насос — сложное и непонятное устройство, одна абсолютное большинство из нас используют тепловой насос ежедневно. Дело в том, что холодильник — тоже тепловой насос: он также имеет фреоновый контур и компрессор, он также перекачивает тепло — охлаждая продукты и грея импровизированную «систему отопления» — решетку на задней стенке. Да и выглядит похоже.
Принцип работы теплового насоса. Тепловой насос отбирает низкопотенциальное тепло у воздуха (-25…+35 градусов), у воды (+2…+7 градусов), у грунта (-5…+5 градусов), охлаждая эту среду на несколько градусов. Фреон во внутреннем контуре теплового насоса закипает и превращается в газ, компрессор сжимает газ, у которого резко уменьшается объем, но увеличивается давление и температура, далее разогретый фреон передает тепло через теплообменник в систему отопления. Далее цикл повторяется.
Схема работы теплового насоса
Важно отметить, что тепловой насос потребляет электроэнергию только на перекачку тепла (циркуляционные насосы) и привод компрессора — а прямого нагрева теплоносителя не происходит. За счет этого на 1 кВт потребленной электроэнергии можно получить от 3 до 5 кВт тепловой энергии! Законы сохранения энергии не нарушаются — они применимы только для замкнутой системы, а у нас их здесь три — контур источника тепла, фреоновый контур, контур системы отопления. Виды тепловых насосов и их краткое сравнение
Важнейшая классификация тепловых насосов — по источнику низкопотенциальной энергии, у которого они отбирают тепло, повышают его температуру и передают в систему отопления
Виды тепловых насосов и их краткое сравнение. Важнейшая классификация тепловых насосов — по источнику низкопотенциальной энергии, у которого они отбирают тепло, повышают его температуру и передают в систему отопления.
Воздушные тепловые насосы — первые в списке. Они охлаждают уличный воздух, получая таким образом низкопотенциальное тепло. Данные тепловые насосы довольно просты в установке — не требуется проводить земляные работы, но у них есть недостаток: их эффективность и тепловая мощность зависит от температуры уличного воздуха. Чем холоднее на улице, тем хуже они работают. К сожалению, без резервного котла в средних и северных широтах России они не могут являться полноценным теплогенератором.
Воздушный тепловой насос DANFOSS установлен для отопления небольшого коттеджа
Водяные тепловые насосы — более стабильный вариант для отопления коттеджа. Как правило, его схемы работы заключается в том, что тепловой насос перекачивает воду из одной скважины в другую, отбирая у нее небольшое количество тепла. Производительность и эффективность таких тепловых насосов не зависит от температуры уличного воздуха, но нельзя дать 100% уверенность, что уровень воды в скважине не уменьшится.
Принцип работы водяного теплового насоса
Грунтовый тепловой насос отбирает тепло у почвы. Этот тип тепловых насосов также способе круглый год отапливать дом (и быть единственным котлом в коттедже — тоже), и имеет довольно высокую эффективность. Система отбора низкопотенциаьного тепла здесь следующая: либо бурятся скважины, в которые опускаются геотермальные зонды (по которым по замкнутому контуру циркулирует теплоноситель, нагреваясь от грунта через стенки трубы), либо такой же контур раскладывается в горизонтальной плоскости (почти как теплый пол) в грунте. У каждого есть свои плюсы и минусы.
Грунтовой тепловой насос с горизонтальным коллектором
Грунтовой тепловой насос с вертикальными скважинами
В целом, при правильном подходе, тепловой насос — удобный агрегат для отопления коттеджа, а в некоторых случаях он быстро окупается, несмотря на высокую первоначальную стоимость.
Пример котельной с тепловым насосом DANFOSS для отопления и нагрева горячей воды zen.yandex.ru/media/teplo/
С вами продолжает мастерить дед Андрей…
Откуда берется тепло?
Проще и дешевле всего качать тепло из воздуха. К сожалению, в средней полосе и севернее применение тепловых насосов класса «воздух — вода» ограничено (агрегаты разных моделей и от различных производителей работают при температуре воздуха — 5 . . . — 25 °С). Но в южных регионах такое оборудование может функционировать круглогодично. Для воздушного отопления также производятся агрегаты класса «воздух — воздух» (греют не воду в отопительном контуре, а непосредственно воздух в помещении).
Тепловой насос системы «воздух – вода» (на основе внешнего блока теплосъёма) |
Тепловой насос системы «воздух – вода» (на основе внутреннего блока теплосъёма) |
Тепловые насосы класса «вода — вода» преобразуют тепло подземных вод или водоёмов. В первом случае воду забирают из скважины, пробурённой на песок, прокачивают через тепловой насос и возвращают обратно в землю — сбрасывают в другую скважину. Главный недостаток такой схемы — нестабильность источника (со временем вода может «уйти»). Ещё один минус связан с легализацией возврата охлаждённой воды. Бурение водозаборной песчаной скважины не подлежит лицензированию. А вот на то, чтобы сливать в недра «отработанную» воду, потребуется особое разрешение властей. Во втором случае применение схемы «вода — вода» имеет смысл, если загородное владение расположено вблизи достаточно глубокого водоёма. Коллектор укладывают на дно речки, озера или пруда. Один погонный метр трубопровода собирает в среднем 30 Вт в час. Монтаж многометрового подводного теплообменника — дело нешуточное. Чтобы коллектор не уплыл, его прижимают ко дну грузом (из расчёта 5 кг на 1 м трубы).
Тепловой насос системы «вода — вода» (переносит тепло грунтовых вод) |
Тепловой насос системы «вода — вода (использует тепло воды водоёма) |
Система «грунт — вода» бывает двух типов: на основе грунтового коллектора или грунтового (геотермального) зонда. Коллектор представляет собой змеевидный пластиковый трубопровод, который закапывают в землю на 20 см ниже глубины промерзания. Ширина петель — 0,8 -1 м. Считается, что с 1 м? коллектора собирается 20 — 30 Вт-ч тепловой энергии. Для полноценного теплоснабжения небольшого дома требуется коллектор площадью в несколько соток. Порой нужно перерыть едва ли не весь участок (теневая зона дома не подходит). Впоследствии там желательно воздержаться от посадки деревьев с развитой корневой системой. Газоны, клумбы, грядки, низкорослые кусты — пожалуйста.
Тепловой насос системы «грунт — вода» (на основе грунтового коллектора)
Геотермальный зонд — это U-образный трубопровод (обычно из двух петель), который опускают в пробурённую скважину. Чем она глубже, тем лучше. Однако на практике бурение останавливают на отметке залегания водоносного (артезианского) известнякового слоя. Как правило, бурят несколько скважин. Трубы собирают «в пучок», к которому подвешивают чугунную гильзу-якорь. После погружения зонда скважины заполняют бетонитом (особая водоупорная глиняная порода — не лучший вариант) или специальной тампонажной смесью. Геотермальный зонд практически не влияет на ландшафтный дизайн участка. К тому же он собирает не только аккумулированную грунтом солнечную энергию, но и внутреннее тепло самой матушки-земли.
Тепловой насос системы «грунт — вода» (на основе зонда) | Геотермальный зонд |
Как подобрать тепловой отопительный насос воздух-вода
Правильно выбрав тепловой насос для отопления дома воздух-вода, можно раз и навсегда решить вопрос обогрева жилых и промышленных помещений. Подбор подходящей тепловой станции выполняют следующим образом:
- Тип корпуса – производители предлагают две базовых конструкции. Низкотемпературный моноблочный тепловой насос типа воздух-вода примечателен тем, что в помещении не устанавливается никакого оборудования, все необходимые узлы расположены на улице (либо в отдельном изолированном помещении). В дом входит только подающий и обратный трубопровод отопления. Сплит – системы, больше предназначены для бытового использования. Внешний блок устанавливается на улице и подключается к емкости накопителю. Разогретый фреон разогревает конденсатор, который методом косвенного нагрева передает тепло жидкости, используемой в качестве теплоносителя.
- Функциональные возможности – некоторые модели предназначены для подключения только к системе водяного обогрева здания. Применение других теплонасосов воздух-вода, подходит для отопления и горячего водоснабжения.
- Зависимость производительности от температуры окружающей среды – бытовые модели обычно ограничены температурой от +45°С до -15°С, можно приобрести оборудование, способное вырабатывать тепловую энергию даже при -25-32°С. Эффективность системы отопления дома с ТН воздух – вода, напрямую зависит от этого параметра.
Дополнительно, к параметрам при выборе, обращают внимание на мощность оборудования, компанию производителя, выпускающую теплонасос и себестоимость установки, включая проведение монтажных работ
Как сделать расчет необходимой мощности ТН воздух-вода
Существует два понятия, предварительный (в первом приближении) и проектный расчёт мощности. Первый можно выполнить самостоятельно, второй делает специализированное учреждение. В первом приближении, на каждый квадратный метр рассчитывают 70 Вт мощности ТН. Дальнейшие расчеты выполняют следующим образом:
- Подсчитывают общую отапливаемую площадь.
- Умножают полученную сумму на 0,7.
- Полученный результат будет соответствовать минимально необходимой мощности оборудования.
Чтобы обеспечить максимальную экономичность отопления дома с помощью теплового насоса системы воздух-вода, потребуется грамотная проектная документация и квалифицированное выполнение монтажных работ.
Производители тепловых насосов отопления воздух-вода
Буквально 10 лет назад, на рынке предлагались всего несколько моделей тепловых насосов. Сегодня выбор стал намного больше. Ведущие немецкие производители, российские, японские и китайские компании, выпускают оборудование, с той или иной долей теплоэффективности.
Судя по отзывам покупателей, наиболее востребованными являются насосы следующих компаний:
- Viessmann – более 30 лет занимается выпуском тепловых насосов. С тех пор, продукция компании существенно изменилась. Были учтены пожелания потребителей, внедрены новые технологии. В ТН Viessmann используется инновационная автоматика, полностью регулирующая весь процесс работы, оптимизирующая процесс обогрева, в согласии с погодными условиями.
- Buderus – модели отличаются высокой производительностью. Предназначены для бытового и промышленного применения. Полностью соответствуют особенностям отечественной эксплуатации. В серии Buderus предлагаются насосы для обогрева площади до 500 м? и выше.
- Stiebel Eltron – еще одна немецкая компания, пользующаяся неизменным спросом у отечественного потребителя. В качестве достоинств можно выделить большой ассортимент предлагаемого оборудования, функциональность устройств и возможность подбора по индивидуальным запросам. Модели Stiebel Eltron имеют высокий уровень СОР и отличаются экономичностью.
- Heliotherm – австрийские теплонасосы, имеющие один из лучших показателей СОР среди всего термального оборудования. Имеют официальное представительство в РФ, что во многом облегчает монтаж, обслуживание систем и выполнение гарантийных обязательств. Теплонасосами Heliotherm оснащены более 15 000 различных объектов.
Стоимость установки ТН воздух-вода
Последние модели тепловых насосов обойдутся в 160-1200 тыс. руб. Цена варьируется, в зависимости от производителя. На стоимость сильно влияет «раскрученность» бренда. Китайские модели, имеют меньшую цену, но и уступают по надежности и показателям СОР.
Монтаж теплонасосов воздух-вода обычно входит в стоимость. Большинство производителей, дополнительно, бесплатно делают проект и предоставляют другие услуги по обслуживанию. Рассчитать полную стоимость, включая покупку ТН и его установку можно с помощью он-лайн калькуляторов.
Расчет теплового насоса
Как мы уже упоминали выше, низкопотенциальными источниками тепла для таких насосов чаще всего бывают перечисленные ниже среды:
- Воздух из наружного пространства с температурой в среднем от -15 до +25 градусов.
- Воздух из обогреваемого помещения, его температура составляет +15 — +25 градусов.
- Воздух, из подпочвенного зонда нагретый до плюс 4 — 10 градусов.
- Воздух из геотермальных пластов, температура которого может быть 10 и более градусов.
- 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:
- 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
- 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
- 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.
- 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:
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
Монтаж теплового насоса воздух-воздух раздельного типа
Монтаж ТН такого типа похож на установку кондиционера по своему принципу. Нужно разместить наружный блок с испарителем на улице и внутренний – в помещении. Между собой они связаны медной трубкой с термоизоляцией, по которой проходит хладагент ( фреон ).
При выборе места стоит помнить, что чем дальше разнести блоки, тем больше потерь тепла будет. Спецы говорят, что между ними должно быть не более 5 метров трассы, но часто такое нельзя реализовать (см. фото). Особенно, если речь об обеспечении теплом большого дома. Трубки должны быть обязательно утеплены, причем не подручными средствами, а специальной теплоизоляцией, желательно с металлизированным покрытием.
Слишком большое расстояние и длина трубок — дополнительные потери тепла и снижение КПД.
Некоторые тепловые насосы имеют возможность подключить несколько внутренних блоков к одному наружному. В таком случае они должны иметь собственные пульты для регулировки температуры. По сути, это аналог мультизонального кондиционера.
Место установки наружного блока теплового насоса
Чтобы тепловой насос лучше функционировал, нужно правильно выбрать место для монтажа наружного блока. Его лучше установить с ветреной стороны, чтобы испаритель хорошо отбирал тепловую энергию.
Внешний блок воздушного теплового насоса нужно устанавливать на достаточном расстоянии от земли. Его не должно заносить снегом. Если установить его ниже 0,5 метра над землей, под ним будут образовываться снежные заносы. Чем выше расположен вешний блок, тем лучше его обдувает ветер.
Для защиты от осадков желательно поставить козырек над блоком. Избыток влаги осенью и весной могут приве6сти к обмерзанию ламелей радиатора испарителя. Это приведет к снижению COP (КПД) теплового насоса.
Монтаж медных трубок
Медные трубки нужно гнуть с помощью специальных трубогибов (см. фото). Они не универсальные, рассчитаны на разный диаметр труб. Так как плотность их стенок зависит от сечения, то и диаметр круга трубогиба зависит от диаметра трубки.
Профессиональный трубогиб для медных трубок.
Иногда с тепловым насосом поставляют медную трубу для монтажа. Иногда на ней есть резьба для соединения, а на патрубках теплонасоса – ответная резьба. Длина трубки редко подходит для нужд, ее надо либо нарастить, либо обрезать. В обоих случаях придется паять.
Есть два способа скрепить медь – спаять и сварить. Сварка более надежна, но хлопотна. Поэтому большинство монтажников прибегают к пайке, главное – чтобы расходный материал был качественным, иначе со временем будут происходить просечки. Фреон в состоянии газа легко выходит через любые отверстия. Поэтому даже микротрещины – большая проблема.
Запуск теплонасоса
При пуске теплонасоса нужно чтобы давление в магистрали было таким, как указал производитель. Чтобы его обеспечить используют манометрическую станцию, вентиль или аналогичный инструмент.
Если в трубках останется воздух, вместе с ним попадет и влага. Даже небольшого ее количества хватит, чтобы компрессор начал быстро изнашиваться. При работе ТН она кристаллизуется и кристаллы льда повреждают рабочие части оборудования. Поэтому перед закачкой фреона из магистрали нужно откачать воздух вакуумным насосом.
ВажноЕсли моноблок или наружный блок теплового насоса перевозили в горизонтальном состоянии, нельзя запускать его сразу после подключения. Он должен простоять в рабочем положении три и более часа, а лучше — день. Холодильное масло должно стечь в нижнюю часть системы, чтобы предотвратить ее повреждение
Холодильное масло должно стечь в нижнюю часть системы, чтобы предотвратить ее повреждение.
Монтаж воздушного теплового насоса можно представить как такой алгоритм действий:
- Выбор места для наружного и внутреннего блока;
- Монтаж магистрали из медных трубок с термоизоляцией;
- Спайка (сварка) трубок;
- Закачка хладагента;
- Контроль давления.
После того как все шаги сделаны, можно запускать тепловой насос. Что касается теплонасосов воздух-воздух, с ними редко бывают проблемы. Они просты в эксплуатации, а установить, подключить и запустить его сможет любой при наличии нужного инструмента.
Как видим, монтаж теплового насоса воздух-воздух раздельного типа намного сложнее чем установка моноблока. По существу этот процесс схож на установку кондиционера. Поэтому с ним не так тяжело справиться, имея соответствующие навыки. Но лучше не рисковать и воспользоваться помощью профессионалов.
Как выбрать циркуляционный насос для отопления частного дома
Характеристики любого оборудования выбираются с учётом условий его будущей эксплуатации. Как выбрать насос для отопления частного дома? Можно воспользоваться справочными таблицами, в которых приведены необходимые сведения в зависимости от квадратуры строения. Если такой вариант не устраивает, стоит выполнить расчёт, который позволит получить более точные значения.
Выбрать насос достаточно сложно
Расчёт производительности помпы
Производительность насоса можно рассчитать по следующей формуле:
G = M / DТ x Cт, где:
- М – мощность котла, который будет использоваться для отопления дома, Вт;
- DТ – перепад температур в отопительном контуре;
- Ст – коэффициент, зависящий от удельной теплоёмкости теплоносителя.
Мощность котла можно найти по формуле
Мощность котла можно определить исходя из того, что на каждый м? коттеджа или загородного дома требуется 100 Вт мощности, для многоквартирных зданий - 70 Вт. При наличии дополнительной термоизоляции наружных стен мощность получают путём умножения 50 кВт на квадратуру дома. Для холодных регионов расчётное значение для частных домов увеличивают до 175 Вт, для многоэтажных – до 101 Вт.
При расчёте мощности котла учитывают теплопотери
Если расчёт производительности циркуляционного насоса кажется слишком трудоёмким, предлагаем воспользоваться калькулятором. Выбирая нужные позиции и вводя недостающие данные, можно получить искомое значение.
Калькулятор расчёта производительности циркуляционного насоса
Напор устройства
От данного параметра зависит, сможет ли насос преодолеть усилие, создаваемое гидравлическим сопротивлением отопительной системы. Если вертикальный подъём компенсируется усилием, создаваемым на нисходящих участках контура, то трубы, вентили, теплообменники и другие элементы создают значительное сопротивление. Это сильно усложняет порядок расчёта.
Напор циркуляционного насоса определяют путём умножения протяжённости отопительного контура на удельное сопротивление трубы и коэффициент, зависящий от количества запорных вентилей, терморегуляторов и других элементов системы.
Напор устройства должен быть достаточным
Предлагаем уважаемым читателям воспользоваться специально разработанным нашей командой калькулятором.
Калькулятор расчёта напора циркуляционного насоса
Расчёт мощности циркуляционного насоса для системы отопления
Для укрупнённого расчёта циркуляционного насоса для системы отопления можно воспользоваться следующей формулой:
N = Nк / DT, где
- N – искомое значение;
- Nк – мощность котла, используемого для отопления дома;
- DT – разность температур в прямом и обратном контуре. В большинстве систем не превышает 15°С.
Мощность зависит от разности температур прямого и обратного контура
На что ещё обратить внимание
При выборе подходящей модели стоит также обратить внимание на занятость циркуляционного насоса. Для периодического включения оборудования зимой достаточно недорогой модели с небольшой мощностью
В этом случае помпа будет выполнять вспомогательную функцию
При большой протяжённости трубопровода без циркуляционного насоса теплоноситель будет двигаться медленно. Для такой системы потребуется мощная модель, допускающая постоянную эксплуатацию
В этом случае помпа будет выполнять вспомогательную функцию. При большой протяжённости трубопровода без циркуляционного насоса теплоноситель будет двигаться медленно. Для такой системы потребуется мощная модель, допускающая постоянную эксплуатацию.
Производители предлагают агрегаты, конструктивное исполнение которых позволяет изменять скорость их работы. В большинстве случаев речь идёт о трёхступенчатой регулировке. Пользователь может подобрать оптимальный режим работы отопительной системы в зависимости от погодных условий. Некоторые модели имеют систему автоматической регулировки мощности.
При выборе также стоит обратить внимание на:
- максимальное давление в системе. В частных домах оно редко превышает 4 атм (при нормальном режиме работы - около 2 атм);
- материал корпус. Предпочтительным является чугун. Изделия с корпусом из термостойкого пластика обойдутся дешевле;
- присоединительные размеры. Возможно, потребуется переходник;
- наличие и тип защиты. Особенно актуальна защита от перегрева. При её наличии срок службы помпы значительно возрастает.
Периодичность включения – важный критерий при выборе
