4.1. Принцип действия теплового насоса

Использование альтернативных экологически чистых источников энергии может предотвратить назревающий энергетический кризис в Украине. Наряду с поисками и освоением традиционных источников (газ, нефть), перспективным направлением является использование энергии, накапливаемой в водоемах, грунте, геотермальных источниках, технологических выбросах (воздух, вода, стоки и др.). Однако температура этих источников довольно низкая (0–25 °С) и для эффективного их использования необходимо осуществить перенос этой энергии на более высокий температурный уровень (50–90 °С). Реализуется такое преобразование тепловыми насосами (TH), которые, по сути, являются парокомпрессионными холодильными машинами (рис. 4.1).

Низкотемпературный источник (ИНТ) нагревает испаритель (3), в котором хладагент кипит при температуре –10 °С…+5 °С. Далее тепло, переданное хладагенту, переносится классическим парокомпрессионным циклом к конденсатору (4), откуда поступает к потребителю (ПВТ) на более высоком уровне.

Тепловые насосы используют в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторе. В настоящее время в мире эксплуатируется более 10 млн. тепловых насосов различной мощности: от десятков киловатт до мегаватт. Ежегодно парк ТН пополняется примерно на 1 млн. штук. Так, в Стокгольме тепловая насосная станция мощностью 320 МВт, используя зимой морскую воду с температурой +4 °С, обеспечивает теплом весь город . В 2004 г. мощность тепловых насосов, установленных в Европе, составляла 4 531 МВт, а во всем мире тепловыми насосами была получена тепловая энергия эквивалентная 1,81 млрд. м 3 природного газа. Энергетически эффективны тепловые насосы, использующие геотермальные и подземные воды. В США федеральным законодательством утверждены требования по обязательному использованию геотермальных тепловых насосов (ГТН) при строительстве новых общественных зданий. В Швеции 50 % всего отопления обеспечивается геотермальными тепловыми насосами. К 2020 г. по прогнозам Мирового энергетического комитета доля геотермальных тепловых насосов составит 75 %. Срок службы ГТН составляет 25–50 лет. Перспективность применения тепловых насосов в Украине показана в .

Тепловые насосы подразделяют по принципу действия (компрессорные, абсорбционные) и по типу цепи передачи тепла «источник-потребитель». Различают следующие типы тепловых насосов: воздух-воздух, воздух-вода, вода-воздух, вода-вода, грунт-воздух, грунт-вода, где первым указывается источник тепла. Если для отопления используется только тепловой насос, то система называется моновалентной. Если дополнительно к тепловому насосу подключается другой источник тепла, работающий отдельно или параллельно с тепловым насосом, система называется бивалентной.

Рис. 4.1. Схема гидравлическая теплового насоса:

1 – компрессор; 2 – источник теплоты низкого уровня (ИНТ); 3 – испаритель теплового насоса;

4 – конденсатор теплового насоса; 5 – потребитель теплоты высокого уровня (ПВТ);

6 – низкотемпературный теплообменник; 7 – регулятор потока хладагента;

8 – высокотемпературный теплообменник

Тепловой насос с гидравлической обвязкой (водяными насосами, теплообменниками, запорной арматурой и др.) называют тепловой насосной установкой. Если среда, охлаждаемая в испарителе, такая же, как и среда, нагреваемая в конденсаторе (вода-вода, воздух-воздух), то путем изменения потоков этих сред можно изменить режим ТН на обратный (охлаждение на нагрев и наоборот). Если среды – газы, то такое изменение режима называют обратимым пневматическим циклом, если жидкости – обратимым гидравлическим циклом (рис. 4.2).

Рис. 4.3. Схема теплового насоса «воздух- вода»

В системах кондиционирования широко используются тепловые насосы типа «воздух-вода». Наружный воздух продувается через испаритель, а тепло, отводимое от конденсатора, нагревает воду, используемую для обогрева помещения в помещении (рис. 4.3).

Преимуществом таких систем является доступность низкопотенциалного источника тепла (воздуха). Однако температура воздуха изменяется в большом диапазоне, достигая отрицательных значений. При этом эффективность теплового насоса сильно снижается. Так, изменение температуры наружного воздуха с 7 °С до минус 10 °С приводит к снижение производительности теплового насоса в 1,5–2 раза.

Для подачи воды от ТН к обогреваемым помещениям в них устанавливаются теплообменники, именуемых в литературе «фэнкойлами». Вода к фэнкойлам подается гидравлической системой – насосной станцией (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Схема насосной станции:

Р – манометры; РБ – расширительный бак; АБ – аккумулирующий бак; РП – реле протока; Н – насос;

БК – балансный клапан; Ф – фильтр; ОК – обратный клапан; В – вентиль; Т – термометр;

ПК – предохранительный клапан; ТП – теплообменник «фреон–жидкость»; ТХК – трехходовой клапан; КПЖ – клапан подпитки жидкости; КПВ – клапан подпитки воздуха; КВВ – клапан выпуска воздуха

Для повышения точности поддержания температуры в помещении и уменьшения инерционности в гидравлической системе устанавливаются аккумулирующие баки. Емкость аккумулирующего бака может быть определена по формуле :

где – холодопроизводительность ТН, кВт;

– объем охлаждаемых помещений, м 3 ;

– количество воды в системе, л;

Z – количество ступеней мощности ТН.

Если V АБ получится отрицательным, то аккумулирующий бак не устанавливают.

Для компенсации температурного расширения воды в гидравлической системе устанавливают расширительные баки. Расширительные баки устанавливаются на всасывающей стороне насоса. Объем расширительного бака определяется по формуле :

где V сист – объем системы, л;

k – коэффициент объемного расширения жидкости (вода 3,7·10 -4 , антифриз (4,0–5,5)·10 -4);

ΔT – перепад температуры жидкости (при работе только в режиме охлаждения)

ΔT = t окр – 4 °С; при работе в режиме теплового насоса ΔT=60 °С – 4 °С = 56 °С);

Р пред – настройка предохранительного клапана.

Давление в системе (Р сист) зависит от взаимного расположения насосной станции и конечного потребителя (фанкойла). Если насосная станция расположена ниже конечного потребителя, то давление (Р сист) определяют как максимальный перепад высот (в барах) плюс 0,3 бара. Если насосная станция расположена выше всех потребителей, то Р сист = 1,5 бара.

Расширительный бак предварительно накачивается воздухом до давления на 0,1–0,3 бара меньше расчетного, а после монтажа давление доводится до нормы.

Конструкция расширительных баков показана на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Конструкция расширительного бака:

1 – положение мембраны перед установкой (предварительная накачка воздухом на 0,1–0,3 бара);

2 – положение мембраны после подключения бака к сети;

3 – положение мембраны при температурном расширении жидкости.

Выпускаются расширительные установки (рис. 4.6), поддерживающие давление с водяной стороны в больших по объему системах отопления и кондиционирования. Установка оснащена свободно программируемым процессором и может быть подсоединена с помощью интерфейса к центральному пульту управления. Это значительно упрощает контроль над функционированием системы.

Технические характеристики:

1. Объем, л 200–5 000;
2. Максимальное избыточное давление, бар 10,0;
3. Максимальная температура, °С 120.

Реле протока (РП) отключает холодильную машину при отсутствии потока жидкости, что предупреждает замерзание жидкости в теплообменнике (ТП). Трехходовой клапан смешивает два потока жидкости (А и В), поддерживая заданную температуру жидкости. Управляется трехходовой клапан микроконтроллером.

Рис. 4.6. Расширительная установка для систем отопления и кондиционирования

Конструкция трехходового клапана приведена на рис. 4.7.

В нижнем крайнем положении запорного конуса проход потоку В закрыт, в верхнем положении конуса закрыт проход потоку А. Для перемещения запорного конуса на весь ход от одного до другого крайнего положения подается управляющее напряжение питания на электропривод в диапазоне от 0 до 10 В. Питание электродвигателя – 24 В.

Рис. 4.7. Трехходовой клапан для регулировки расхода жидкости

С выхода привода выдается контрольный сигнал о положении запорного конуса. Время полного хода конуса составляет 100–150 секунд. Имеется возможность ручного перемещения конуса с помощью шестигранного ключа.

Перетечки жидкости при закрытом канале не превышают 1 % от пропускной способности. В случае неисправности трехходового клапана и гидравлической системы после трехходового клапана жидкость будет циркулировать через обратный клапан (ОК).

Для установки расчетного расхода жидкости в системе используется балансировочный клапан, который представляет собой высокоточный клапан ручного или автоматического регулирования. На балансировочном клапане имеются выходы для измерения расхода и давления жидкости. Выпускаются балансировочные клапаны, настраиваемые наладочным контроллером. Для настройки балансировочного клапана в наладочный контроллер вводятся расчетные значения расхода и давления, после чего контроллер автоматически устанавливает балансировочный клапан в необходимое положение.

К расширительному баку подключаются клапаны подпитки жидкости (КПЖ) и клапаны подпитки воздуха (КПВ). При установке фильтра (Ф) необходимо обращать внимание на направление потока жидкости через фильтр. В самой верхней точке гидравлической схемы устанавливается автоматический воздуховыпускной клапан (ВК). Предохранительный клапан настраивается по предельно допустимому давлению самого слабого элемента в сети плюс 1 бар (7–10 бар).

При необходимости работать по бивалентной схеме можно параллельно ТН подключить бойлер с электроподогревом по схеме, показанной на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Схема подключения электрического котла в систему теплового насоса

4.2.2. Тепловые насосы с водяными источниками тепла

В тепловых насосах с водяными источниками тепла (реки, озера, моря) используется накопленная энергия Солнца. Эта энергия является идеальным источником для тепловых насосов, так как она поступает непрерывно, хотя и является менее доступной, чем воздух. Температура воды в незамерзающих водоемах не опускается ниже 4 °С, а артезианская вода имеет почти постоянную температуру 10–12 °С. Учитывая, что при отборе тепла воду нельзя охлаждать ниже 0 °С, перепад температуры на теплообменнике составляет несколько градусов. При этом для увеличения отбора необходимого количества тепла требуется увеличивать расход воды. Для ТН небольшой мощности не рекомендуется качать грунтовую воду с глубины более 15 м. В противном случае потребуется большие затраты на насосы и их эксплуатацию.

Рис. 4.9. Тепловой насос, использующий тепло грунтовых вод

Контур отбора тепла из водоема может быть открытым или закрытым. В первом случае вода из водоема перекачивается через охладитель, охлаждается и возвращается в водоем (рис. 4.9). Такая система требует фильтрации подаваемой в охладитель воды и периодической чистки теплообменника. Как правило, устанавливается промежуточный разборный теплообменник. Забор и возврат воды должны осуществляться в направлении потока грунтовых вод, чтобы исключить «байпасирование» воды. Заборная магистраль должны быть с обратным клапаном (4), располагаемым в точке забора или после глубинного насоса (5). Подвод и отвод грунтовых вод к тепловому насосу должен быть защищен от замораживания и прокладывается с наклоном в сторону скважины.

Расстояние между заборной (2) и возвратной (1) скважинами должно быть не менее 5 м. Точка выхода воды в возвратной скважине должна быть ниже уровня грунтовых вод.

Объемный расход воды определяется из холодопроизводительности ТН

где L – объемный расход воды, м 3 /ч

c p – удельная теплоемкость воды, равная 1,163 10 -3 кВт ч/кг К;

– плотность воды, 1000 кг/м 3 ;

– разность температур заборной и возвратной воды.

Откуда . (4)

Если принять Q x = 12 кВт (определяется по паспорту теплового насоса), а = 4 К, то м 3 /ч.

Закрытый контур укладывается на дно водоема. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода закрытого контура составляет порядка 30 Вт . То есть для получения 10 кВт тепла контур должен иметь длину 300 м. Для того, чтобы контур не всплывал, на 1 погонный метр необходимо устанавливать груз около 5 кг.

4.2.3. Тепловые насосы с грунтовыми теплообменниками

В грунтовых ТН используется тепловая энергия, накопленная в грунте за счет нагрева ее Солнцем или другими источниками. Аккумулированное грунтом тепло трансформируется с помощью горизонтально проложенных грунтовых теплообменников (которые также называют грунтовыми коллекторами) или с помощью вертикально расположенных теплообменников (грунтовые зонды).

Рис. 4.10. Тепловой насос с грунтовыми коллекторами

Как правило, грунтовые теплообменники изготавливаются из полиэтиленовых или металлопластиковых труб диаметром 25–40 мм.

При горизонтальном исполнении (рис. 4.10) трубопровод, в котором циркулирует жидкость, зарывается в землю на глубину ниже уровня промерзания почвы (1,2–1,5 м). Минимальное расстояние между трубами 0,7–1,0 м. В зависимости от диаметра трубы на каждый квадратный метр площади забора тепла может быть проложено 1,4–2,0 м трубы. Длина каждой ветви горизонтального коллектора не должна превышать 100 м, иначе потери давления в трубе и требуемая мощность насоса будут слишком велики.

Количество трансформируемого тепла, а, следовательно, и размер необходимой поверхности для расположения грунтового коллектора существенно зависит от теплофизических свойств грунта и климатических условий местности. Теплофизические свойства, такие как теплоемкость и теплопроводность, очень сильно зависят от состава и состояния грунта. В этом отношении определяющим является доля воды, содержание минеральных составляющий (кварц, полевой шпат), а также доля и размер пор, заполненных воздухом. Аккумулирующие свойства и теплопроводность грунта тем выше, чем больше доля воды, минеральных составляющих и чем ниже содержание пор.

Среднее значение удельной тепловой мощности грунта приведено в таблице 1 .

Таблица 1. Среднее значение удельной тепловой мощности грунта

Тип грунта	Удельная мощность грунтового коллектора, Вт/м 2	Удельная мощность грунтового зонда, Вт/м
Песчаный сухой	10–15	20
Песчаный влажный	15–20	40
Глинистый сухой	20–25	60
Глинистый влажный	25–30	80
Водоносный слой	30–35	80–100

Требуемая площадь для расположения коллектора рассчитывается по формулам (5) и (6)

где – теплопроизводительность ТН, Вт;

– потребляемая мощность ТН от сети, Вт;

g – удельная мощность грунтового коллектора, Вт/м 2 .

Так, если холодопроизводительность ТН составит 10 кВт, то в песчаном влажном грунте (g = 20 Вт/м 2) для размещения коллектора потребуется площадь

Чтобы трансформировать тепло с такой площади необходимо проложить в грунте полиэтиленовые трубы диаметром 25 × 2,3 мм и длиной 500 × 1,4 = 700 м. (1,4 – удельный расход трубы на квадратный метр площади). Трубы необходимо прокладывать отдельными контурами по 100 м каждый, т. е. 7 контуров.

Все распределители и коллекторы следует располагать в доступных местах для осмотра, например, в отдельных распределительных шахтах вне дома или в подвальной шахте дома. Фитинги должны изготавливаться из коррозионностойких материалов. Все трубопроводы в доме и вводы через стену должны быть теплоизолированы с обеспечением диффузионной непроницаемости для пара, чтобы избежать появления конденсата, т.к. в подающей и обратной магистралях находится холодный (относительно температуры подвала) теплоноситель.

При вертикальном исполнении грунтового зонда бурится скважина глубиной 60–200 м, в которую опускается несколько U-образных трубопроводов (рис. 4.11).

а	б

Рис. 4.11. Тепловой насос с грунтовым зондом

а – общая схема, б – схема грунтового зонда

1 – обратная магистраль, 2 – подающая магистраль, 3 – петлевой зонд, 4 – защитный колпачок

В глинистом влажном грунте при холодопроизводительности теплового насоса 10 кВт длина зонда (глубина скважины) должна быть

Целесообразно сделать 2 петли с глубиной залегания 50 м диаметром D у = 32 × 3 мм. Общая длина труб составит 200 м. Скважина с трубами заливается бетонитом, хорошо проводящим тепло. Количество теплоносителя определяется внутренним объемом труб коллектора (зонда) и подводящих труб. Диаметр подводящих труб берут на размер большим, чем труба коллектора. В нашем примере при трубе зонда D у = 32 × 3 мм и подводящей трубе D у = 40 × 2,3 мм длиной 10 м внутренний объем (таблица 2)с учетом подающей линии составит 2 × 100 × 0,531 +10 × 0,984 = 116,04 л. Расход теплоносителя теплового насоса находят по паспорту на тепловой насос. Примем 1600 л/ч. Тогда расход на одну петлю составит 800 л/ч.

Таблица 2. Удельный внутренний объем труб

Потери давления в трубах зависят от диаметра труб, плотности и расхода теплоносителя и определяется по данным завода-изготовителя труб. Так, для труб HDPE (полиэтилен высокой плотности) 32 × 3 мм и расходе 800 л/ч составляет 154,78 Па/м, а для труб диаметром 40 × 2,3 – 520,61 Па/м . Откуда общее падение давления в сети составит 36161,1 Па, что необходимо учесть при выборе насоса.

Срок службы грунтового коллектора зависит от кислотности почвы: при нормальной кислотности (pH =5,0) – 50–75 лет, при повышенной (pH >5,0) – 25–30 лет.

4.1. Эффективность тепловых насосов

В качестве основного показателя эффективности теплового насоса применяется коэффициент преобразования или отопительный коэффициент СОР (coefficient of performance), равный отношению теплопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором. В режиме охлаждения для оценки эффективности применяется холодильный коэффициент EER (energy efficiency ratio), равный отношению холодопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором.

где – энергия, отдаваемая ПВТ;

– тепловая энергия, отбираемая у ИНТ;

– затраченная электроэнергия;

И – температуры конденсации и кипения в тепловом насосе.

Температура определяется давлением конденсации хладагента в ТН, а – температурой ИНТ. Так, если принять = 281,16 К (8 °C) и = 323,16 К (50 °С), то COP будет равен 7,7. Если тепло отводится водой, то различные хладагенты позволяют достичь следующих температур : R717, R502, R22 – около +50 °С, R134a – +70 °С, R142 – +100 °С.

Следует помнить об основном правиле, вытекающем из (4): чем меньше разность температур между и источником и приемником тепла в тепловом насосе, тем выше коэффициент преобразования.

Когда в тепловых насосах одновременно используется тепло и холод (например, охлаждение холодильных камер и нагрев офисных помещений), то

При равнопотенциальном цикле =

При указанных выше температурах суммарный коэффициент преобразования может достигать 12, 7, что характеризует высокую энергетическую эффективность теплового насоса. Реальные СОР несколько ниже и составляют порядка 3–5.

В абсорбционных тепловых насосах коэффициент преобразования ниже, чем в компрессионных, из-за больших потерь в элементах абсорбционного контура. Так, при использовании грунтовых вод с T 0 = 281,16 К (8°C) и температурой полезного тепла = 323,16 К (50 °С), коэффициент преобразования абсорбционного ТН составит всего 1,45 . Температура полезного тепла в абсорбционных тепловых насосах зависит также от температуры нагрева генератора. При указанных выше температурах нагрев генератора должна быть не меньше 150 °С.

За период отопительного сезона (октябрь–май) для обогрева 100 м 2 жилого помещения электрическим котлом потребуется 37440 кВт электроэнергии, а тепловым насосом – 12024 кВт. При тарифе 0,24 грн за 1 кВт электроэнергии экономия составит 6100 грн. (данные ООО «Сантехник ЛТД и К о »).

По данным http://www.aeroprof.by применение ТН в 1,2–1,5 раза выгоднее самой эффективной газовой котельной.

Стоимость теплового насоса ориентировочно можно оценивать из расчета 750–1500 грн за 1 кВт вырабатываемой тепловой мощности. Срок окупаемости 7–14 лет.

4.2. Выбор оборудования для тепловых насосов

Выбор оборудования начинается с расчета теплопотребления здания. В настоящее время имеется разнообразные программы для расчета на ПК теплопотребления, которые можно найти в Интернете или получить у поставщиков оборудования.

Ориентировочный расчет можно сделать исходя из отапливаемой площади здания и количества потребляемой горячей воды. Также в случае периодических плановых отключений электроэнергии необходимо увеличить тепловую мощность теплового насоса. Если время отключения электроэнергии не превышает 2-х часов, этот фактор можно не учитывать.

Удельное теплопотребление зависит от типа здания:

• здание с низким потреблением (современные материалы, утепление стен, окна из стеклопакетов) – 40 Вт/м 2 ;
• новостройка, хорошая теплоизоляция – 50 Вт/м 2 ;
• здание со стандартной теплоизоляцией – 80 Вт/м 2 ;
• старые постройки без особой изоляции – 120 Вт/м 2 .

Учет дополнительной тепловой мощности для компенсации потерь тепла на время плановых отключений электроэнергии производится следующим образом.

Определяют суточное (за 24 ч) потребление тепла

где – теплопроизводительностьТН, кВт;

– время отсутствия электроэнергии.

Расчет дополнительной тепловой мощности для приготовления горячей воды производят исходя потребления одним человеком около 50 л воды с температурой 45 °С, что соответствует 0,25 кВт/чел. Более точный расчет можно выполнить пользуясь данными таблицы 3.

Таблица 3. Суточное потребление горячей воды

Категория	Потребление воды, л/чел		Удельное теплопотребление, Втч/чел	Теплопотребление для горячей воды, кВт/чел
	темп. воды 60°С	темп. воды 45°С
Низкое потребление	10–20	15–30	600–1200	0,08–0,15
Стандартное потребление	20–40	30–60	1200–2400	0,15–0,3
Квартира, занимающая этаж	32	45	1800	0,225
Одноквартирный жилой дом	35	50	2000	0,25

Рассмотрим пример построения теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом, работающего круглогодично в двух режимах (охлаждение или нагрев) в зависимости от периода года с использованием оборудования и программного обеспечения компании CIAT (Франция).

Исходные требования:

1. Теплопроизводительность 510 кВт.

2. Низкотемпературный источник – морская вода с температурой:

теплый период года ≤20 °С,

холодный период года 7 °С.

3. Высокотемпературный потребитель – вода с температурой на выходе теплообменника 55 °С.

4. Минимальная температура наружного воздуха – минус 10 °С (Крым, Украина).

Данную задачу решим, используя тепловой насос с обратимым гидравлическим циклом, схема которого приведена на рис. 2.

Учитывая, что температура наружного воздуха отрицательная (минус 10 °С) в тепловом насосе, применяем двухконтурную систему. В первичном контуре применяем раствор этиленгликоля с температурой замерзания ниже –10 °С (20-процентная смесь этиленгликоля с водой).

В соответствии с исходными требованиями выберем перепад температур в высокотемпературном контуре Dt вых = 5 °С (50/55 °С). Тогда температуры теплоносителя в контуре конденсатора должны быть соответственно 55/60 °С. Для получения таких температур в тепловом насосе целесообразно использовать хладагент R134a .

В соответствии с исходными требованиями зададим перепад температур ИНТ 7/4 °С, тогда в контуре испарителя перепад температур соответственно составит 5/2 °С.

Используя программу подбора оборудования фирмы CIAT, определим тип и параметры теплового насоса в режимах работы на нагрев и охлаждение. Программой выбран тепловой насос HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a с параметрами, приведенными в табл. 4, внешний вид которой показан на рис. 12.

Таблица 4. Технические характеристики водоохлаждающей машины HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a

Параметр	Режим нагрева	Режим охлаждения
Производительность испарителя, кВт	326,0	395,9
Теплоноситель	MEG20 %	MEG20%
Температура теплоносителя в испарителе (вход/выход), °С	5,0/2,0	6,0/2,0
Расход теплоносителя через испаритель, м 3 /ч	102,8	93,4
Производительность конденсатора, кВт	517,0	553,9
Температура теплоносителя в конденсаторе (вход/выход), °С	55/60	45,1/50
Расход теплоносителя через конденсатор, м 3 /ч	93,4	102,1
Потребляемая мощность, кВт	191	158,0

Рис. 4.12. Тепловой насос HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a

1. Температура воды (выход-вход): 55/50 °С.
2. Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре (выход-вход): 60/55 °С.
3. Расход 20-процентного раствора этиленгликоля: 93,4 м 3 /ч (см. табл. 1).

Программа CIAT выбирает пластинчатый теплообменник PWB 30 11 производительностью 517 кВт (табл. 5).

Таблица 5. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос – потребитель) в режиме нагрева

Низкотемпературный теплообменник «морская вода–тепловой насос» в режиме нагрева подбираем по следующим исходным данным:

1. Источник низкопотенциальной теплоты (первичный контур): морская вода с температурой вход/выход – 7/4 °С.
2. Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре 5/2 °С.
3. Расход 20-процентного раствора этиленгликоля 102,8 м 3 /ч.

Программа CIAT выбирает пластинчатый теплообменник PWB 45 11.

Таблица 6. Технические характеристики теплообменника PWB 45 11 c 63 пластинами (море–тепловой насос)

Выполним проверочный расчет рассчитанного ранее теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами для теплого периода года и определим температуры воды на выходе/входе потребителю.

Программа CIAT показала, что в летний период производительность теплообменника PWB 30 11 составит 437 кВт и температуры холодоносителя составят (выход/вход) 7,5/12 ºС. (табл. 7)

Таблица 7. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос – потребитель) в режиме охлаждения

Таким образом, подобранный тепловой насос HYDROCIAT 2500 XLW/LWP R134a обеспечивает:

• в холодный период года теплопроизводительность 517 кВт при потребляемой мощности 191 кВт;
• в теплый период года холодопроизводительность 395,9 кВт при потребляемой мощности 158 кВт.

Ниже представлена принципиальная схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом, рассчитанная выше.

Рис. 4.13. Принципиальная схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

Номенклатура некоторых тепловых насосов компании CIAT приведена в табл. 8.

Таблица 8. Тепловые насосы фирмы CIAT (Франция)

Тип теплового насоса		Производительность, кВт		Область применения
		по холоду	по теплу	индивидуальные дома	многоквартирные здания	общественные зданиая	производство
AUREA 2		7…28	9…36	+
DYNAСIAT LG/LGP/ILG		35…350	40…370		+	+
HYDROCIAT LW/LWP		275…1140	350…1420		+	+	+

Вывод.

1. Тепловые насосы, использующие возобновляемые источники тепла, являются самым энергетически эффективным отопительным оборудованием.
2. Системы, построенные на базе ТН, надежные, безопасные и долговечные.
3. Получение тепла посредством теплового насоса – экологически чистый технологический процесс.
4. Современное климатическое оборудование (например, CIAT, Франция) позволяет создать ТН с производительностью от десятков кВт до МВт.

Литература.

1. В. Мааке, Г.-Ю. Эккерт, Ж.-Л. Кошпен. Учебник по холодильной технике: Пер. с франц. – М.: Издательство Московского Университета, 1998. – 1142 с., ил.
2. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. – М.:Энергоиздат, 1982. – 224 с., ил.
3. Эль Садин Хасан. Выбор оптимальных параметров системы теплохолодоснабжения жилого дома//Холодильная техника, 2003, №3, с.18–21.
4. Овчаренко В.А. Овчаренко А.В. Використання теплових насосів//Холод М+Т, 2006, №2 с. 34–36.
5. Пять шагов на пути к избавлению от метановой зависимости//Отопление Водоснабжение Вентиляция + кондиционеры, 2006, №1, с. 30–41.
6. Бондарь Е.С., Калугин П.В. Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха с аккумуляцией холода//С.О.К., 2006, №3, с. 44–48.
7. Viesmann.Системы тепловых насосов. Инструкция по проектированию.5829 122-2 GUS 2/2000
8. Белова. Системы кондиционирования с чиллерами и фанкойлами

Тепловая мощность теплового насоса воздух-вода (ТН), иначе – количество извлекаемого из окружающей среды возобновляемого тепла, прямо пропорционально температуре наружного воздуха. Чем холоднее воздух, тем затратнее извлечение из него тепла. Коэффициент преобразования COP меняется в зависимости от температур внешней среды: чем ниже температура «за бортом», тем больше энергии потребляет воздушный тепловой насос.

Определение мощности и выбор теплового насоса – дело достаточно сложное. Обычно реальные цифры и диаграммы производительности поставляются заводами – производителями тепловых насосов, как и специальное программное обеспечение для расчета и подбора оборудования. Здесь вводятся данные для конкретного объекта, расположенного в конкретном температурном регионе.

Тепловой насос: тепловая мощность для обогрева и ГВС

Разберем, от каких факторов зависит мощность ТН и, соответственно, стоимость блоков ТН, а также эффективность его работы.

Радиаторы или теплые полы

Система отопления с тепловым насосом обычно реализуется на базе радиаторной разводки и/или системы с теплыми полами, стенами или с системой фанкойлов. При этом температура нагрева теплоносителя отличается от 35-45 °C – для теплых полов, до 65-75 °C и выше – для системы радиаторов, что сказывается на величине мощности ТН. Чем ниже температура теплоносителя в системе отопления, тем меньше расход электроэнергии, меньше тепловая мощность, дешевле оборудование. Для модернизации систем отопления с радиаторами при замене затратных газовых котлов могут устанавливаться высокотемпературные воздушные теплонасосы с нагревом теплоносителя до 80 °C. Например – тепловые насосы Hitachi YUTAKI S 80. Даже при условии нагрева теплоносителя до 65 и выше градусов, такая система в несколько раз экономнее газового котла.

Схема реализации: только ТН, ТН + резервный котел

ТН. Если работает только тепловой насос, он должен полностью решать задачи по теплоснабжению и нагреву воды, в пиковые моменты подключая встроенный электрический нагреватель.

ТН+котел. Если ранее установлен газовый или пеллетный котел, он может взять на себя часть пиковых нагрузок и уменьшить общие энергозатраты теплового насоса.

Существуют различные схемы работы ТН, подбираемые для каждого объекта индивидуально: моноэнергетическая (только на электричестве), моновалентная (ТН+ТЭН) или бивалентная (ТН+котел). Оптимальная температура, экономически выгодная для перехода на резервный источник тепла, называется «точкой бивалентности». Для г. Киева и региона – это -7 °C.

Теплоизоляция здания

Подбирая тепловой насос для отопления дома, следует знать, что для более утепленного дома потребуется в разы меньше тепла, чем для строения без проведения работ по термомодернизации. Значения теплопотерь (удельных тепловых нагрузок) для различных типов зданий приведены в таблице.

Отсюда видно, что для возмещения теплопотерь помещения в 100 м2 в хорошо утепленном доме потребуется:

Q Н = 50 Вт/м2 х 100 м2 = 5000 Вт или 5 кВт тепловой мощности.

Расчетные значения теплопотерь приводятся исходя из расчетной минимальной температуры, к примеру, для Киевского региона это -22 °C.

Соответственно, для плохо утепленного дома получим:

Q Н = 200 Вт/м2 х 100 м2 = 20 000 Вт или 20 кВт тепловой мощности.

Такая разница: 5 кВт и 20 кВт, заставляет предпринять шаги для проведения термомодернизации (утепления) здания, а после этого выбрать более доступный по цене и экономный по затратам тепловой насос.

Тепловые насосы для отопления и нагрева воды (ГВС)

При выборе теплового насоса для частного дома обычно учитывают и работу ТН на нагрев воды для кухни, ванной или душевых. При этом учитывают суточное распределение нагрузок. Чаще пользуются горячей водой вечером или утром, а в зимнее время к этим нагрузкам присоединяется и работа ТН на отопление. Обычно у теплонасосных систем более приоритетными являются задачи горячего водоснабжения, а потом отопления, расчет ведут исходя из суммарных тепловых нагрузок: на отопление и ГВС.

Для определения тепловой мощности ТН для нагрева воды для бытовых нужд пользуются нормативными данными по потреблению воды определенной температуры и суммарному теплопотреблению, исходя из количества людей, проживающих в доме.

Для одного человека примем норму в 50 литров воды с температурой 45 °C, что соответствует норме потребления 0,25 кВт тепловой мощности.

Получаем, что для семьи из четырех человек, проживающих в частном доме 100 м2, необходима тепловая мощность:

Q W = 0,25 кВт/чел * 4 чел. = 1,0 кВт

Теперь можно провести усредненный расчет тепловой мощности с учетом суммарных нагрузок на нагрев теплоносителя для системы отопления и нагрев воды для бытовых нужд.

Суммарная тепловая мощность на обогрев и ГВС для качественно утепленного дома:

Q СУМ = Q Н + Q W = 5 кВт+ 1 кВт = 6 кВт.

Суммарная тепловая мощность для системы отопления и ГВС для плохо утепленного дома:

Q СУМ = Q Н + Q W = 20 кВт+ 1 кВт = 21 кВт.

А для условий «точки бивалентности», когда на улице -7 °C, и необходимо поддержать +20 °C внутри дома 100 м2, потребуется с учетом разницы температур:

Q расч.. = 6 * (20-(-7))/(20-(-22)) = 6 * 27 / 42 = 3,86 кВт тепла от теплового насоса.

И во втором примере, — для здания без теплоизоляции, необходимо:

Q расч.. = 21 * (20-(-7))/(20-(-22)) = 21 * 27 / 42 = 13,5 кВт тепла от теплового насоса.

Исходя из этих данных, с учетом температуры «точки бивалентности» и с запасом по мощности, из модельного ряда выбирают близкое большее значение тепловой мощности теплового насоса.

Что учитывает запас по мощности?

• Перепады температуры входящей воды. Всем известно, что водопроводная вода зимой намного холоднее и перепад температур входящей / выходящей из ТН воды зимой больше.
• Необходимость догрева воды до нужной температуры в баке – накопителе, если она из него долго не используется.
• Увеличенный расход горячей воды и ее нагрев до более высокой температуры зимой.

По таблицам, предлагаемым производителем, исходя из температуры воды на выходе и температуры воздуха снаружи, по мощности подбирается комплект внутреннего блока и соответствующего ему наружного блока теплового насоса. Пример – таблица технических данных для высокоэффективных тепловых насосов воздух-вода серии Hitachi Yutaki S. Для полученных расчетных данных подойдет модель с производительностью по теплу около 5,0 кВт.

Отчего зависит стоимость теплового насоса?

Чем мощнее тепловой насос, тем выше его цена.
Как снизить стоимость теплового насоса?

• Правильно и квалифицированно выполнить расчеты и подбор оборудования.
• Утеплить здание.
• Минимизировать теплопотери через окна и вентиляцию.
• Установить низкотемпературные теплые полы или фанкойлы или смешанную систему (радиаторы + теплые полы, фанкойлы + теплые полы).
• Применить бивалентную схему ТН + котел для снижения нагрузки на ТН.
• Принять участие в программе IQ energy и сэкономить до 35 % стоимости оборудования и монтажа.

Более точный подбор теплового насоса, чтобы избежать лишних затрат или убытков, лучше доверить профессионалам.

Чтобы правильно подобрать тепловой насос, цены на который и на услуги монтажа были бы разумными и оправданными, обращайтесь к компетентным опытным специалистам компании АКЛИМА. Мы имеем огромный опыт внедрения современных теплонасосных систем и предлагаем качественные услуги по монтажу и сервису такого оборудования по всей Украине.

Геотермальный тепловой насос – самый экономичный способ обогрева и кондиционирования здания. Стоимость теплового насоса высока, но по мере увеличения спроса продолжает снижаться. Такая система идеальна для устройства теплого пола или нагрева радиаторов, рассчитанных на пониженную температуру теплоносителя. При ее проектировании главное – выбрать оптимальную мощность. В прошлой статье мы рассматривали самостоятельную сборку теплового насоса, однако для большинства более важной будет информация о том, как выбрать тепловой насос, сколько он стоит и что нужно учитывать?

Расчет мощности теплового насоса

Выбирая оборудование, необходимо учитывать теплопотери дома. Но это не всегда возможно либо очень дорого, а приобретение теплового насоса с большим запасом мощности сильно бьет по карману. Поэтому необходимо иметь резервный источник тепла на случай сильных морозов (например, дровяной котел). Это позволит выбирать тепловой насос с мощностью на треть меньше необходимой для компенсации потерь тепла при самой холодной погоде. Это оборудование может работать в любом из трех режимов: моноэлектрическом , моновалентном и бивалентном . Выбор режима зависит от уровня потребления.

Как рассчитать потребление тепла в зависимости от площади

Необходимо принять меры по утеплению здания и снижению теплопотерь до 40-80 Вт/м². Тогда для дальнейшего расчета примем следующие данные.

1. Дом без теплоизоляции для обогрева требует 120 Вт/м².
2. То же для строения с нормальной теплоизоляцией – 80 Вт/м².
3. Новостройка с хорошей теплоизоляцией – около 50 Вт/м².
4. Дом с энергосберегающими технологиями – 40 Вт/м².
5. С пассивным потреблением энергии – 10 Вт/м².

Приведем примерный расчет теплового насоса, с помощью которого можно определить, как выбрать тепловой насос. Предположим, общая площадь всех отапливаемых помещений дома – 180 м². Теплоизоляция – хорошая и потребление тепла находится на уровне около 9 кВт. Тогда потери тепла составят: 180 × 50 = 9000 Вт. Временное отключение электроэнергии учитывается как 3 × 2 = 6 часов, но 2 часа не будем учитывать, так как здание инертно. Получаем окончательную цифру: 9000 Вт × 24 часа = 216 кВт час. Затем 216 кВт час / (18 час + 2 час) = 10, 8 кВт.
Таким образом, для обогрева данного дома необходим монтаж теплового насоса 10,8 кВт мощности. Чтобы упростить расчет, к значению потерь тепла нужно прибавить 20% (то есть 9000 Вт увеличить на 20%). Но здесь не учитываются расходы на нагрев воды для удовлетворения бытовых нужд.

Учет расхода энергии на подогрев воды

Для определения полной мощности насоса прибавим потребление энергии на подогрев воды (до t = 45 ˚С) из расчета 50л в сутки на человека. Таким образом, для четырех человек это будет равным 0,35 × 4 = 1,4 кВт. Отсюда полная мощность: 10,8 кВт + 1,4 кВт = 12,4 кВт.

Зависимость мощности от режима работы

Расчет теплового наноса должен выполняться с учетом режима работы.

1. Моновалентный режим предполагает использование данного оборудования без вспомогательного (в качестве единственного). Для определения суммарной тепловой нагрузки следует учесть расходы на компенсацию аварийного отключения электроэнергии (максимум – на 2 часа по 3 раза в сутки).
2. Моноэнергетический режим: при нем используется второй теплогенератор, для работы которого используется тот же вид энергии (электричество). Его подключают к системе при необходимости повысить температуру теплоносителя. Это может выполняться автоматически (монтаж теплового насоса предусматривает также установку контролирующих температуру датчиков и управляющего оборудования) или вручную. Но даже в условиях суровых зим холодных дней не так уж много и дополнительный теплогенератор приходится активировать не часто. Но такая организация отопления позволяет экономить на оборудовании: на 30% менее мощный теплонасос дешевле, но его будет достаточно для обеспечения теплом в течение 90% отопительного периода.
3. При бивалентном режиме тепловому насосу помогает газовый котел или работающий на жидком топливе. Управляет процессом процессор, получающий информацию от температурных датчиков. Такое оборудование может устанавливаться в качестве дополнительного (во время реконструкции здания) к уже имеющемуся.

Обзор рынка тепловых насосов

Сегодня на рынке представлено различное оборудование такого типа. Стоит отметить геотермальные тепловые насосы австрийской компании OCHSNER : они совершенствуются производителем уже 35 лет. Хорошо зарекомендовала себя торговая марка Waterkotte : котлы с наружным покрытием этой марки имеют наибольшую производительность. Среди российского оборудования можно выделить производящееся под торговой маркой « HENK ».
Чтобы было легче представить предстоящие расходы, укажем стоимость основного оборудования и работ по его монтажу.

1. Тепловой насос с земляным зондом:

• буровые работы – 6 тысяч евро;
• цена теплового насоса – 6 тысяч евро;
• расходы электроэнергии (за год) – 400 евро.

2. С горизонтальным коллектором:

• стоимость непосредственно насоса – около 6 тысяч евро;
• буровые работы потребуют 3 тысячи евро;
• расходы на оплату электроэнергии – 450 евро за отопительный период.

3. Тепловой насос воздушного типа:

• цена насоса – 8 тысяч евро;
• монтажные работы – 500 евро;
• электроэнергия – 600 евро.

4. Насос типа «вода-вода»:

• насос можно приобрести за 6 тысяч евро;
• бурение скважин – 4 тысячи евро;
• расходы на электроэнергию (за год) – 360 евро.

Это приблизительные данные для оборудования мощностью порядка 6 – 8 кВт. В конечном итоге все зависит от многих факторов (от расценок на монтаж, от глубины бурения, от насоса необходимой мощности и т.п.) и расходы могут увеличиться в несколько раз. Но выбирая отопление с помощью теплового насоса, заказчик получает возможность получить независимость от растущих цен на традиционные теплоносители и отказаться от услуг теплоэнергетических предприятий.

Обзор использования системы на базе теплового насоса можно посмотреть на этом видео

Любой хозяин частного дома стремится минимизировать расходы на обогрев жилища. В этом плане тепловые насосы существенно выгоднее других вариантов отопления, они дают 2.5-4.5 кВт теплоты с одного потребленного киловатта электричества. Обратная сторона медали: для получения дешевой энергии придется вложить немалые средства в оборудование, самая скромная отопительная установка мощностью 10 кВт обойдется в 3500 у. е. (стартовая цена).

Единственный способ уменьшить затраты в 2-3 раза - сделать тепловой насос своими руками (сокращенно - ТН). Рассмотрим несколько реальных рабочих вариантов, собранных и проверенных мастерами–энтузиастами на практике. Поскольку для изготовления сложного агрегата требуются базовые знания о холодильных машинах, начнем с теории.

Особенности и принцип работы ТН

Чем тепловой насос отличается от других установок для отопления частных домов:

• в отличие от котлов и обогревателей, агрегат самостоятельно не производит тепло, а подобно кондиционеру перемещает его внутрь здания;
• ТН получил название насоса, поскольку «выкачивает» энергию из источников низкопотенциального тепла – окружающего воздуха, воды либо грунта;
• установка питается исключительно электроэнергией, потребляемой компрессором, вентиляторами, циркуляционными насосами и платой управления;
• работа аппарата основана на цикле Карно, используемом во всех холодильных машинах, например, кондиционерах и сплит-системах.

В режиме обогрева традиционная сплит-система нормально работает при температуре выше минус 5 градусов, на сильном морозе эффективность резко падает

Справка. Теплота содержится в любых веществах, чья температура выше абсолютного нуля (минус 273 градуса). Современные технологии позволяют отнимать указанную энергию у воздуха с температурой до -30 °С, земли и воды – до +2 °С.

В теплообменном цикле Карно участвует рабочее тело – газ фреон, кипящий при минусовой температуре. Поочередно испаряясь и конденсируясь в двух теплообменниках, хладагент поглощает энергию окружающей среды и переносит внутрь здания. В целом принцип действия теплового насоса повторяет , включенного на обогрев:

1. Находясь в жидкой фазе, фреон двигается по трубкам наружного теплообменника-испарителя, как изображено на схеме. Получая тепло воздуха или воды сквозь металлические стенки, хладагент нагревается, кипит и испаряется.
2. Дальше газ поступает в компрессор, нагнетающий давление до расчетного значения. Его задача – поднять точку кипения вещества, чтобы фреон сконденсировался при более высокой температуре.
3. Проходя через внутренний теплообменник–конденсор, газ снова обращается в жидкость и отдает накопленную энергию теплоносителю (воде) или воздуху помещения напрямую.
4. На последнем этапе жидкий хладон поступает внутрь ресивера–влагоотделителя, затем в дросселирующее устройство. Давление вещества снова падает, фреон готов пройти повторный цикл.

Схема работы теплового насоса похожа на принцип действия сплит-системы

Примечание. Обычные сплит-системы и заводские теплонасосы имеют общую черту – способность переносить энергию в обоих направлениях и функционировать в 2 режимах – отопление/охлаждение. Переключение реализовано с помощью четырехходового реверсивного клапана, меняющего направление течения газа по контуру.

В бытовых кондиционерах и ТН применяются различные типы терморегулирующей арматуры, снижающей давление хладагента перед испарителем. В бытовых сплит-системах роль регулятора играет простое капиллярное устройство, в насосах ставится дорогой терморегулирующий вентиль (ТРВ).

Заметьте, вышеописанный цикл происходит в тепловых насосах всех типов. Разница состоит в способах подвода/отбора тепла, которые мы перечислим далее.

Виды дроссельной арматуры: капиллярная трубка (фото слева) и терморегулирующий вентиль (ТРВ)

Разновидности установок

Согласно общепринятой классификации, ТН делятся на типы по источнику получаемой энергии и виду теплоносителя, которому она передается:

Справка. Разновидности тепловых насосов перечислены в порядке увеличения стоимости оборудования вместе с монтажом. Воздушные установки – самые дешевые, геотермальные – дорогие.

Основной параметр, характеризующий тепловой насос для отопления дома, – коэффициент эффективности COP, равный отношению между полученной и затраченной энергией. Например, относительно недорогие воздушные отопители не могут похвастать высоким COP – 2.5…3.5. Поясняем: затратив 1 кВт электричества, установка подает в жилище 2.5-3.5 кВт теплоты.

Способы отбора тепла водных источников: из пруда (слева) и через скважины (справа)

Водяные и грунтовые системы эффективнее, их реальный коэффициент лежит в диапазоне 3…4.5. Производительность – величина переменная, зависящая от многих факторов: конструкции теплообменного контура, глубины погружения, температуры и протока воды.

Важный момент. Водогрейные тепловые насосы не способны разогреть теплоноситель до 60-90 °С без дополнительных контуров. Нормальная температура воды от ТН составляет 35…40 градусов, котлы здесь явно выигрывают. Отсюда рекомендация производителей: подключайте оборудование к низкотемпературному отоплению – водяным .

Какой ТН лучше собирать

Формулируем задачу: нужно построить самодельный тепловой насос с наименьшими затратами. Отсюда вытекает ряд логичных выводов:

1. В установке придется использовать минимум дорогостоящих деталей, поэтому достичь высокого значения COP не удастся. По коэффициенту производительности наш аппарат проиграет заводским моделям.
2. Соответственно, делать чисто воздушный ТН бессмысленно, проще пользоваться в режиме обогрева.
3. Чтобы получить реальную выгоду, нужно изготавливать тепловой насос «воздух – вода», «вода-вода» либо строить геотермальную установку. В первом случае можно добиться COP около 2-2.2, в остальных – достичь показателя 3-3.5.
4. Без контуров напольного отопления обойтись не удастся. Теплоноситель, нагретый до 30-35 градусов, несовместим с радиаторной сетью, разве только в южных регионах.

Прокладка внешнего контура ТН к водоему

Замечание. Производители утверждают: инверторная сплит-система функционирует при уличной температуре минус 15-30 °С. В действительности эффективность обогрева существенно снижается. По отзывам домовладельцев, в морозные дни внутренний блок подает еле теплый поток воздуха.

Для реализации водяной версии ТН необходимы определенные условия (на выбор):

• водоем за 25-50 м от жилища, на большем расстоянии потребление электричества сильно вырастет за счет мощного циркуляционного насоса;
• колодец либо скважина с достаточным запасом (дебетом) воды и место для слива (шурф, вторая скважина, сточная канава, канализация);
• сборный канализационный коллектор (если вам позволят туда врезаться).

Расход грунтовых вод рассчитать нетрудно. В процессе отбора теплоты самодельный ТН понизит их температуру на 4-5 °С, отсюда через теплоемкость воды определяется объем протока. Для получения 1 кВт тепла (дельту температур воды принимаем 5 градусов) нужно прогнать через ТН около 170 литров в течение часа.

На отопление дома площадью 100 м² потребуется мощность 10 кВт и расход воды 1.7 тонны в час - объем впечатляющий. Подобный тепловой водяной насос сгодится для небольшого дачного домика 30-40 м², желательно – утепленного.

Способы отбора теплоты геотермальным ТН

Сборка геотермальной системы более реальна, хотя процесс довольно трудоемкий. Вариант горизонтальной раскладки трубы по площади на глубине 1.5 м отметаем сразу – вам придется перелопатить весь участок либо платить деньги за услуги землеройной техники. Способ пробивки скважин реализовать гораздо проще и дешевле, практически без нарушения ландшафта.

Простейший тепловой насос из оконного кондиционера

Как нетрудно догадаться, для изготовления ТН «вода – воздух» потребуется оконный охладитель в рабочем состоянии. Очень желательно купить модель, оборудованную реверсивным клапаном и способную работать на обогрев, иначе придется переделывать фреоновый контур.

Совет. При покупке б/у кондиционера обратите внимание на шильдик, где отображены технические характеристики бытового прибора. Интересующий вас параметр – (указывается в киловаттах или Британских тепловых единицах – BTU).

Отопительная мощность аппарата больше холодильной и равна сумме двух параметров - производительность плюс тепло, выделяемое компрессором

При некоторой доле везения вам даже не придется выпускать фреон и перепаивать трубки. Как переделать кондиционер в тепловой насос:

Рекомендация. Если теплообменник не удается поместить в резервуар без нарушения фреоновых магистралей, постарайтесь эвакуировать газ и разрезать трубки в нужных точках (подальше от испарителя). После сборки водяного теплообменного узла контур придется спаять и заправить фреоном. Количество хладагента тоже указано на табличке.

Теперь остается запустить самодельный ТН и отрегулировать водяной поток, добиваясь максимальной эффективности. Обратите внимание: импровизированный отопитель использует полностью заводскую «начинку», вы только переместили радиатор из воздушной среды в жидкую. Как система работает вживую, смотрите на видео мастера–умельца:

Делаем геотермальную установку

Если предыдущий вариант позволит добиться примерно двойной экономии, то даже самодельный земляной контур даст COP в районе 3 (три киловатта тепла на 1 кВт израсходованного электричества). Правда, финансовые и трудовые затраты тоже существенно увеличатся.

Хотя в интернете опубликована масса примеров сборки подобных аппаратов, универсальной инструкции с чертежами не существует. Мы предложим рабочий вариант, собранный и проверенный реальным домашним мастером, хотя многие вещи придется додумывать и доделывать самостоятельно – всю информацию о тепловых насосах сложно поместить в одной публикации.

Расчет грунтового контура и теплообменников насоса

Следуя собственным рекомендациям, приступаем к расчетам геотермального насоса с вертикальными U-образными зондами, помещенными в скважины. Необходимо узнать общую протяженность внешнего контура, а потом – глубину и количество вертикальных шахт.

Исходные данные для примера: нужно обогреть частный утепленный дом площадью 80 м² и высотой потолков 2.8 м, расположенный в средней полосе. на отопление производить не станем, определим потребность в тепле по площади с учетом теплоизоляции – 7 кВт.

По желанию можно обустроить горизонтальный коллектор, но тогда придется выделить большую площадь под земляные работы

Важное уточнение. Инженерные расчеты теплонасосов довольно сложны и требуют высокой квалификации исполнителя, данной теме посвящены целые книги. В статье приводятся упрощенные вычисления, взятые из практического опыта строителей и мастеров – любителей самоделок.

Интенсивность теплообмена между землей и незамерзающей жидкостью, циркулирующей по контуру, зависит от типа грунтов:

• 1 погонный метр вертикального зонда, погруженного в подземные воды, получит около 80 Вт теплоты;
• в каменистых грунтах теплосъем составит порядка 70 Вт/м;
• глинистые почвы, насыщенные влагой, отдадут примерно 50 Вт на 1 м коллектора;
• сухие породы – 20 Вт/м.

Справка. Вертикальный зонд представляет собой 2 петли из труб, опущенных до дна скважины и залитых бетоном.

Пример вычисления длины трубы. Чтобы извлечь из сырой глинистой породы необходимые 7 кВт тепловой энергии, понадобится 7000 Вт поделить на показатель 50 Вт/м, получаем общую глубину зонда 140 м. Теперь трубопровод распределяется по скважинам глубиной 20 м, которые вы сможете пробурить своими руками. Итого 7 сверлений по 2 теплообменных петли, общая протяженность трубы – 7 х 20 х 4 = 560 м.

Следующий этап – расчет площади теплообмена испарителя и конденсора. На различных интернет-ресурсах и форумах предлагаются некие расчетные формулы, в большинстве случаев – некорректные. Мы не возьмем на себя смелость рекомендовать подобные методики и вводить вас в заблуждение, но предложим некий хитрый вариант:

1. Обратитесь к любому известному производителю пластинчатых теплообменников, например, Alfa Laval, Kaori, «Анвитэк» и так далее. Можно выйти на официальный сайт бренда.
2. Заполните форму подбора теплообменника либо созвонитесь с менеджером и закажите подбор агрегата, перечислив параметры сред (антифриз, фреон) – температуру на входе и выходе, тепловую нагрузку.
3. Специалист фирмы произведет необходимые расчеты и предложит подходящую модель теплообменника. Среди его характеристик вы найдете главную – площадь поверхности обмена.

Пластинчатые агрегаты очень эффективны, но дороги (200-500 евро). Дешевле собрать кожухотрубный теплообменник из медной трубки наружным диаметром 9.5 или 12.7 мм. Выданную производителем цифру умножьте на коэффициент запаса 1.1 и поделите на длину окружности трубы, получите метраж.

Пластинчатый теплообменник из нержавейки – идеальный вариант испарителя, он эффективен и занимает мало места. Проблема в высокой цене изделия

Пример. Площадь теплового обмена предложенного агрегата составила 0.9 м². Выбрав медную трубку ½” диаметром 12.7 мм, вычисляем длину окружности в метрах: 12.7 х 3.14 / 1000 ≈ 0.04 м. Определяем общий метраж: 0.9 х 1.1 / 0.04 ≈ 25 м.

Оборудование и материалы

Будущий тепловой насос предлагается строить на базе наружного блока сплит-системы подходящей мощности (указана на табличке). Почему лучше использовать б/у кондиционер:

• аппарат уже оснащен всеми комплектующими – компрессором, дросселем, ресивером и пусковой электрикой;
• самодельные теплообменники можно поместить в корпус холодильной машины;
• есть удобные сервисные порты для заправки фреона.

Примечание. Разбирающиеся в теме пользователи подбирают оборудование отдельно – компрессор, ТРВ, контроллер и так далее. При наличии опыта и знаний подобный подход только приветствуется.

Собирать ТН на базе старого холодильника нецелесообразно – мощность агрегата слишком мала. В лучшем случае удастся «выжать» до 1 кВт теплоты, чего хватит на обогрев одной небольшой комнаты.

Помимо внешнего блока «сплита» понадобятся следующие материалы:

• труба ПНД Ø20 мм – на земляной контур;
• полиэтиленовые фитинги для сборки коллекторов и подключения к теплообменникам;
• циркуляционные насосы – 2 шт.;
• манометры, термометры;
• качественный водопроводный шланг либо труба ПНД диаметром 25-32 мм на оболочку испарителя и конденсатора;
• трубка медная Ø9.5-12.7 мм с толщиной стенки не менее 1 мм;
• утеплитель для трубопроводов и фреоновых магистралей;
• комплект для герметизации греющих кабелей, укладываемых внутри водопровода (понадобится для уплотнения концов медных трубок).

Комплект втулок для герметичного ввода медной трубки

В качестве внешнего теплоносителя применяется солевой раствор воды либо антифриз для отопления – этиленгликоль. Также понадобится запас фреона, чья марка указана на шильдике сплит-системы.

Сборка теплообменного блока

Перед началом монтажных работ наружный модуль надо разобрать – снять все крышки, удалить вентилятор и большой штатный радиатор. Отключите электромагнит, управляющий реверсивным клапаном, если не планируете использовать насос в качестве охладителя. Датчики температуры и давления необходимо сохранить.

Порядок сборки основного блока ТН:

1. Изготовьте конденсор и испаритель, просунув медную трубку внутрь шланга расчетной длины. На концах установите тройники для присоединения грунтового и отопительного контура, выступающие медные трубки уплотните с помощью специального комплекта для греющего кабеля.
   
2. Используя в качестве сердечника отрезок пластиковой трубы Ø150-250 мм, намотайте самодельные двухтрубные контуры и выведите концы в нужные стороны, как это делается ниже на видео.
3. Разместите и закрепите оба кожухотрубных теплообменника на месте штатного радиатора, медные трубки подпаяйте к соответствующим выводам. «Горячий» теплообменник–конденсатор лучше подключить к сервисным портам.
   
4. Установите заводские датчики, измеряющие температуру хладагента. Утеплите голые участки трубок и сами теплообменные устройства.
5. На водяных магистралях поставьте термометры и манометры.

Совет. Если планируется ставить основной блок на улице, нужно принять меры от застывания масла в компрессоре. Приобретите и смонтируйте зимний комплект электрического подогрева масляного картера.

На тематических форумах встречается другой способ изготовления испарителя – трубка из меди навивается спиралью, затем вставляется внутрь закрытой емкости (бака или бочки). Вариант вполне разумен при большом количестве витков, когда рассчитанный теплообменник попросту не помещается в корпусе кондиционера.

Устройство грунтового контура

На данном этапе выполняются несложные, но трудоемкие земляные работы и раскладка зондов по скважинам. Последние можно проделать вручную либо пригласить буровую машину. Расстояние между соседними скважинами – не менее 5 м. Дальнейший порядок работ:

1. Прокопайте между сверлениями неглубокую траншею для укладки подводящих трубопроводов.
2. В каждое отверстие опустите по 2 петли из полиэтиленовых труб и залейте ямы бетоном.
3. Сведите магистрали к точке соединения и смонтируйте общий коллектор, используя фитинги ПНД.
4. Проложенные в земле трубопроводы утеплите и засыпьте грунтом.

Слева на фото – опускание зонда в обсадную пластиковую трубу, справа – прокладка подводок в траншее

Важный момент. Перед бетонированием и засыпкой обязательно проверьте герметичность контура. Например, подключите к коллектору воздушный компрессор, накачайте давление 3-4 Бар и оставьте на несколько часов.

При соединении магистралей ориентируйтесь по схеме, представленной ниже. Отводы с кранами понадобятся при заполнении системы рассолом либо этиленгликолем. Две основные трубы от коллектора подведите к тепловому насосу и подключите к «холодному» теплообменнику–испарителю.

В высших точках обеих водяных контуров обязательно ставятся воздухоотводчики, на схеме условно не показаны

Не забудьте установить насосный агрегат, отвечающий за циркуляцию жидкости, направление течения – навстречу фреону в испарителе. Среды, проходящие через конденсор и испаритель, должны двигаться навстречу друг другу. Как правильно заполнить магистрали «холодной» стороны, смотрите на видео:

Аналогичным образом конденсор подсоединяется к домовой системе теплых полов. Смесительный узел с трехходовым клапаном монтировать необязательно благодаря низкой температуре подачи. Если необходимо объединить ТН с другими источниками тепла (солнечные коллекторы, котлы), используйте на несколько выводов.

Заправка и запуск системы

После монтажа и подключения агрегата к электросети наступает важный этап – заполнение системы хладагентом. Здесь ожидает подводный камень: вы не знаете, сколько фреона необходимо заправить, ведь объем основного контура сильно вырос за счет установки самодельного конденсатора с испарителем.

Вопрос решается методом заправки по давлению и температуре перегрева хладона, измеряемой на входе компрессора (туда фреон подается в газообразном состоянии). Подробная инструкция по заполнению методом измерения температуры изложена в .

Во второй части представленного видео рассказывается, как нужно заполнять систему фреоном марки R22 по давлению и температуре перегрева хладагента:

По окончании заправки включите оба циркуляционных насоса на первую скорость и запускайте компрессор в работу. Показатели температуры рассола и внутреннего теплоносителя контролируйте по термометрам. На этапе прогрева магистрали с хладагентом могут обмерзать, впоследствии иней должен растаять.

Заключение

Сделать и запустить тепловой геотермальный насос своими руками весьма непросто. Наверняка потребуются неоднократные доработки, исправления ошибок, настройки. Как правило, большинство неполадок в самодельных ТН возникает из-за неправильной сборки либо заправки основного теплообменного контура. Если агрегат сразу отказал (сработала автоматика безопасности) либо не греет теплоноситель, стоит вызвать мастера по холодильному оборудованию – он проведет диагностику и укажет на допущенные ошибки.

Как известно, тепловые насосы используют бесплатные и возобновляемые источники энергии: низкопотенциальное тепло воздуха, грунта, подземных, сточных и сбросовых вод технологических процессов, открытых незамерзающих водоемов. На это затрачивается электроэнергия, но отношение количества получаемой тепловой энергии к количеству расходуемой электрической составляет порядка 3-7. Говоря более точно, источниками низкопотенциального тепла могут быть наружный воздух температурой от -15 до +15°С, отводимый из помещения воздух (15-25°С), подпочвенные (4-10°С) и грунтовые (более 10°C) воды, озерная и речная вода (0-10°С), поверхностный (0-10°С) и глубинный (более 20 м) грунт (10°С).

Если в качестве источника тепла выбран атмосферный или вентиляционный воздух, применяются тепловые насосы, работающие по схеме «воздух-вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.

При использовании в качестве источника тепла грунтовой воды она подается из скважины с помощью насоса в теплообменник насоса, работающего по схеме «вода-вода», и либо закачивается в другую скважину, либо сбрасывается в водоем.
Если источник - водоем, на его дно укладывается петля из металлопластиковой или пластиковой трубы. По трубопроводу циркулирует раствор гликоля (антифриз), который через теплообменник теплового насоса передает тепло фреону.

Возможны два варианта получения низкопотенциального тепла из грунта: укладка металлопластиковых труб в траншеи глубиной 1,2-1,5 м либо в вертикальные скважины глубиной 20-100 м. Иногда трубы укладывают в виде спиралей в траншеи глубиной 2-4 м. Это значительно уменьшает общую длину траншей. Максимальная теплоотдача поверхностного грунта составляет 50-70 кВт.ч/м 2 в год. По данным зарубежных компаний, срок службы траншей и скважин составляет более 100 лет.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Съем тепла с каждого метра трубы зависит от многих параметров: глубины укладки, наличия грунтовых вод, качества грунта и т.д. Ориентировочно можно считать, что для горизонтальных коллекторов он составляет 20 Вт/м. Более точно: сухой песок - 10, сухая глина - 20, влажная глина - 25, глина с большим содержанием воды - 35 Вт/м. Разницу температуры теплоносителя в прямой и обратной линии петли при расчетах принимают обычно равной 3 °С. На участке над коллектором не следует возводить строений, чтобы тепло земли пополнялось за счет солнечной радиации.

Минимальное расстояние между проложенными трубами должно быть 0,7-0,8 м. Длина одной траншеи составляет обычно от 30 до 120 м. В качестве теплоносителя первичного контура рекомендуется использовать 25-процентный раствор гликоля. В расчетах следует учесть, что его теплоемкость при температуре 0 °С составляет 3,7 кДж/(кг.К), плотность - 1,05 г/см 3 . При использовании антифриза потери давления в трубах в 1,5 раза больше, чем при циркуляции воды. Для расчета параметров первичного контура теплонасосной установки потребуется определить расход антифриза:

Vs = Qo.3600 / (1,05.3,7..t),

Где.t - разность температур между подающей и возвратной линиями, которую часто принимают равной 3 К, а Qo - тепловая мощность, получаемая от низкопотенциального источника (грунт). Последняя величина рассчитывается как разница полной мощности теплового насоса Qwp и электрической мощности, затрачиваемой на нагрев фреона P:

Qo = Qwp - P, кВт.

Суммарная длина труб коллектора L и общая площадь участка под него A рассчитываются по формулам:

Здесь q - удельный (с 1 м трубы) теплосъем; da - расстояние между трубами (шаг укладки).

Пример расчета Теплового Насоса

Исходные условия: теплопотребность коттеджа площадью 120-240 м 2 (в зависимости от теплоизоляции) - 12 кВт; температура воды в системе отопления должна быть 35 °С; минимальная температура теплоносителя - 0 °С. Для обогрева здания выбран тепловой насос WPS 140 l (Buderus) мощностью 14,5 кВт (ближайший больший типоразмер), затрачивающий на нагрев фреона 3,22 кВт. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина) q равняется 20 Вт/м. В соответствии с показанными выше формулами рассчитываем:

1. требуемую тепловую мощность коллектора Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 кВт;
2. суммарную длину труб L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 м. Для организации такого коллектора потребуется 6 контуров длиной по 100м;
3. при шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка А = 600 Ч 0,75 = 450 м 2 ;
4. общий расход гликолевого раствора Vs = 11,28.3600/ (1,05.3,7.3) = 3,51 м 3 /ч, расход на один контур равен 0,58 м 3 /ч.

Для устройства коллектора выбираем металлопластиковую трубу типоразмера 32Ч3 (например, Henco). Потери давления в ней составят 45 Па/м; сопротивление одного контура - примерно 7 кПа; скорость потока теплоносителя - 0,3 м/с.

Расчет зонда

При использовании вертикальных скважин глубиной от 20 до 100 м в них погружаются U-образные металлопластиковые или пластиковые (при диаметрах выше 32 мм) трубы. Как правило, в одну скважину вставляется две петли, после чего она заливается цементным раствором. В среднем удельный теплосъем такого зонда можно принять равным 50 Вт/м. Можно также ориентироваться на следующие данные по теплосъему:

• сухие осадочные породы - 20 Вт/м;
• каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы - 50 Вт/м;
• каменные породы с высокой теплопроводностью - 70 Вт/м;
• подземные воды - 80 Вт/м.

Температура грунта на глубине более 15 м постоянна и составляет примерно +10 °С. Расстояние между скважинами должно быть больше 5 м. При наличии подземных течений, скважины должны располагаться на линии, перпендикулярной потоку.

Подбор диаметров труб проводится исходя из потерь давления для требуемого расхода теплоносителя. Расчет расхода жидкости может проводиться для.t = 5 °С.

Пример расчета: Исходные данные - те же, что в приведенном выше расчете горизонтального коллектора. При удельном теплосъеме зонда 50 Вт/м и требуемой мощности 11,28 кВт длина зонда L должна составить 225 м.

Для устройства коллектора необходимо пробурить три скважины глубиной по 75 м. В каждой из них размещаем по две петли из металлопластиковой трубы типоразмера 26Ч3; всего - 6 контуров по 150 м.

Общий расход теплоносителя при.t = 5 °С составит 2,1 м3/ч; расход через один контур - 0,35 м3/ч. Контуры будут иметь следующие гидравлические характеристики: потери давления в трубе - 96 Па/м (теплоноситель - 25-процентный раствора гликоля); сопротивление контура - 14,4 кПа; скорость потока - 0,3 м/с.

Выбор оборудования

Поскольку температура антифриза может изменяться (от -5 до +20 °С) в первичном контуре тепло насосной установки необходим расширительный бак.

Рекомендуется также установить на возвратной линии накопительный бак: компрессор теплового насоса работает в режиме «включено-выключено». Слишком частые пуски могут привести к ускоренному износу его деталей. Бак полезен и как аккумулятор энергии - на случай отключения электроэнергии. Его минимальный объем принимается из расчета 10-20 л на 1 кВт мощности теплового насоса.

При использовании второго источника энергии (электрического, газового, жидко- или твердотопливного котла) он подключается к схеме через смесительный клапан, привод которого управляется тепловым насосом или общей системой автоматики.

В случае возможных отключений электроэнергии нужно увеличить мощность устанавливаемого теплового насоса на коэффициент, рассчитываемый по формуле: f = 24/(24 - t откл), где t откл - продолжительность перерыва в электроснабжении.

В случае возможного отключения электроэнергии на 4ч этот коэффициент будет равен 1,2.

Мощность теплового насоса можно подбирать исходя из моновалентного или бивалентного режима его работы. В первом случае предполагается, что тепловой насос используется как единственный генератор тепловой энергии.

Следует принимать во внимание: даже в нашей стране продолжительность периодов с низкой температурой воздуха составляет небольшую часть отопительного сезона. Например, для Центрального региона России время, когда температура опускается ниже -10 °С, составляет всего 900 ч (38 сут), в то время, как продолжительность самого сезона - 5112 ч, а средняя температура января составляет примерно -10 °С. Поэтому наиболее целесообразной является работа теплового насоса в бивалентном режиме, предусматривающая включение дополнительного теплогенератора в периоды, когда температура воздуха опускается ниже определенной: -5 °С - в южных регионах России, -10 °С - в центральных. Это позволяет снизить стоимость теплового насоса и, особенно, работ по монтажу первичного контура (прокладка траншей, бурение скважин и т.п.), которая сильно увеличивается при возрастании мощности установки.

В условиях Центрального региона России для примерной оценки при подборе теплового насоса, работающего в бивалентном режиме, можно ориентироваться на соотношение 70/30: 70 % потребности в тепле покрываются тепловым насосом, а оставшиеся 30 - электрическим котлом или другим теплогенератором. В южных регионах можно руководствоваться соотношением мощности теплового насоса и дополнительного генератора тепла, часто используемым в Западной Европе: 50 на 50.

Для коттеджа площадью 200 м 2 на 4 человек при тепловых потерях 70 Вт/м 2 (при расчете на -28 °С наружной температуры воздуха) потребность в тепле будет 14 кВт. К этой величине следует добавить 700 Вт на приготовление санитарной горячей воды. В результате необходимая мощность теплового насоса составит 14,7 кВт.

При возможности временного отключения электричества нужно увеличить это число на соответствующий коэффициент. Допустим, время ежедневного отключения - 4 ч, тогда мощность теплового насоса должна быть 17,6 кВт (повышающий коэффициент - 1,2). В случае моновалентного режима можно выбрать тепловой насос типа «грунт-вода» Logafix WPS 160 L (Buderus) мощностью 17,1 кВт, потребляющий 5,5 кВт электроэнергии.

Для бивалентной системы с дополнительным электрическим нагревателем и температурой установки -10 °С, с учетом необходимости получения горячей воды и коэффициента запаса, мощность теплового насоса должна быть 11,4 Вт, а электрического котла - 6,2 кВт (в сумме - 17,6). Потребляемая системой пиковая электрическая мощность составит 9,7 кВт.