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

Тепловой насос — это устройство для переноса тепловой энергии от источника к потребителю. Тепло самопроизвольно передается от горячего тела к холодному. Насос передает тепло в обратном направлении. Конструкция состоит из компрессора, теплового расширительного клапана, испарителя и конденсатора. Типичный пример теплового насоса – кондиционер.

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

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

Принцип действия тепловых насосов

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

Термонасос для отопления функционирует следующим образом:

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

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

Устройство

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

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

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

Также не требуется создавать отдельную линию проводки для подключения насоса.

Плюсы и минусы

Перед принятием решения, использовать тепловой насос или нет, следует ознакомиться с достоинствами и недостатками его работы. К главным плюсам теплового насоса относится:

• небольшой расход электричества на отопление дома;
• отсутствие необходимости регулярного осмотра и технического обслуживания, что делает затраты на эксплуатацию теплового насоса для отопления минимальными;
• допускается монтаж в любой местности. Насос может работать с такими источниками тепловой энергии, как воздух, почва и вода. Поэтому появляется возможность его установки практически в любое место, где планируется строительство дома. А в условиях отдаленности от газовой магистрали, устройство является самым подходящим методом обогрева. Даже если отсутствует электричество, функционирование компрессора можно обеспечить при помощи привода на основе бензина или дизеля;
• отопление дома осуществляется в автоматическом режиме. Не требуется добавлять топливо или проводить иные манипуляции, как, например, в случае с котельным оборудованием;
• отсутствие загрязнения окружающей среды вредными газами и веществами. Все применяемые холодильные агенты полностью безопасны и экологически пригодны;
• пожаробезопасность. Жителям дома никогда не будет угрожать взрыв или повреждение вследствие перегрева теплового насоса;
• возможность эксплуатации даже при условиях холодной зимы (до -15 градусов);
• качественный тепловой насос для отопления дома может служить до 50 лет. Замена компрессора требуется лишь раз в 20 лет.

Тепловой Насос ВЫГОДЕН или НЕТ?.. Кому не Стоит Покупать Тепловой Насос? (РАЗБОР)

Плюсы и минусы

Как и любое устройство, тепловые насосы имеют определенные недостатки:

1. Если температура окружающей среды опускается ниже 15 градусов, то насос работать не сможет. В таком случае потребуется монтаж второго теплоисточника. При очень низких температурных значениях включается котел, генератор или электрический обогреватель;
2. Высокая стоимость оборудования. Оно будет стоить примерно 350 000-700 000 рублей, еще такую же сумму придется потратить на создание геотермальной станции и установку устройства. Дополнительные монтажные работы не требуются только для теплового насоса, использующего воздух в качестве теплового источника;
3. Лучше всего устанавливать тепловой насос в сочетании с теплым полом или вентиляторными конвекторами, однако в старых зданиях потребуется перепланировка и возможно даже капитальный ремонт, что повлечет дополнительные затраты времени и средств. Если частный дом строится с нуля, такая проблема отсутствует;
4. При работе теплового насоса температура грунта, расположенного вокруг трубопровода с теплоносителем, снижается. Это становится причиной гибели некоторых микроорганизмов, участвующих в функционировании окружающей среды. Таким образом, некоторый ущерб экологии все же наносится, однако он существенно меньше урона от газо- или нефтедобычи.

Подведение итогов

Участники нашего портала используют тепловой насос, как полноценную систему отопления (а не вспомогательную). По нашим наблюдениям, тепловой насос становится все более популярным способом отопления загородного дома. По отзывам наших пользователей, тепловой насос лучше всего работает в домах с низкими теплопотерями, поэтому в идеале дом нужно «затачивать» под это устройство еще на этапе проектирования. Хорошим вариантом будет каркасник со всеми необходимыми утеплениями, мембранами и пленками, или каменный дом. Второй момент: тепловой насос наиболее эффективен в альянсе с низкотемпературными отопительными приборами, так что лучше сразу ориентироваться на теплый пол.

На FORUMHOUSE можно найти огромное количество информации для тех, кто решится сделать тепловой насос своими или чужими руками. Есть рекомендации по правильному устройству геотермального контура теплового насоса, бесценные подсказки для самостоятельного изготовления теплового насоса, узнайте, как сделать самую бюджетную, «народную» систему отопления на основе теплового насоса, посмотрите наше видео про дом, который успешно отапливается тепловым насосом.

Использование тепловых установок в мире

Практика применения таких тепловых агрегатов в мире насчитывает уже более 50 лет. Главными движущими причинами такого явления стало удорожание традиционных энергетических ресурсов и повсеместная поддержка правительствами многих стран использования альтернативных источников энергии.

Поэтому количество тепловых насосов постоянно растет высокими темпами – до 10 — 30% в год, несмотря на высокую стоимость установки. Количество таких устройств в настоящее время составляет уже более 270 штук. Наиболее активно тепловые системы применяются в США и Канаде. На них приходится до половины установок, используемых во всем мире.

Россия, несмотря на положительные условия для применения тепловых насосов, отстает от мировых тенденций в их использовании. Здесь, по-видимому, играет роль наша убежденность в полной обеспеченности природными ресурсами. При этом, далеко не во всех населенных пунктах страны имеются газопроводы. Мировой опыт использования тепловых наcосов говорит о положительных тенденциях в развитии их использования.

Как повысить энергоэффективность системы?

Готовые заводские комплексы хороши тем, что все их конструкционные части и компоненты сбалансированы и подстроены друг под друга по характеристикам. Преимущество самостоятельной организации системы на отдельных агрегатах заключается в том, что каждый контур и рабочий узел можно модернизировать независимо от общей инфраструктуры. Так, многие отказываются от стандартного теплоаккумулятора, заменяя его функцию бетонной стяжкой. В этом случае геотермальное отопление будет работать с минимальными перепадами температур в контуре смесительного бака. Также рекомендуется экспериментировать с хладагентом и применением компрессоров с «плавающей» производительностью. Правильный расчет нагрузки с оптимальным распределением тепла по эксплуатирующим контурам позволит увеличить эффективность системы на 15-20 %, минимизировав при этом затраты на электроснабжение.

Расчет теплового насоса

Как мы уже упоминали выше, низкопотенциальными источниками тепла для таких насосов чаще всего бывают перечисленные ниже среды:

1. Воздух из наружного пространства с температурой в среднем от -15 до +25 градусов.
2. Воздух из обогреваемого помещения, его температура составляет +15 — +25 градусов.
3. Воздух, из подпочвенного зонда нагретый до плюс 4 — 10 градусов.
4. Воздух из геотермальных пластов, температура которого может быть 10 и более градусов.
5. Воздух из донных зондов незамерзающих водоемов с температурой 0 – 10 градусов, в том числе и полученный в зондах, установленных на каналах промышленных стоков предприятий.

Методика расчета

Любой тепловой расчет является сложнейшим процессом, осуществить который доступно только квалифицированным специалистам. Тем не менее, можно предложить упрощенную методику, достаточную для получения результата, определяющего выбор той или иной модели агрегата.

Расчет сводится к выполнению ряда этапов:

1. Определение величины тепловых потерь через ограждающие элементы строения – стены, потолки, чердачные помещения, окна, двери и прочее. Этого можно достичь, воспользовавшись следующей зависимостью:

Qок = S x (tвн – t нар) х (1 + ?b) x n : Rт, где

S – общая площадь всех элементов ограждения здания, м2;

t вн – температура на улице, град.С;

t нар – величина температуры воздуха в наружном пространстве, град.С;

n- коэффициент, которым учитывается конструкция здания, для открытых зданий он равен 1; для строений с чердачными помещениями он применяется в значении 0,9; для помещений, располагающихся на подвальным помещение его принимают равным 0,75;

b – коэффициент дополнительных тепловых потерь, зависящий от типа строения и его расположение в климатических зонах России, его величина может колебаться в пределах 0,05 – 0,27;

Rт – тепловое сопротивление, которое нужно дополнительно рассчитать по формуле:

Rт = 1( , м2хС/Вт, где

• расчетные значения теплопроводности материалов ограждающих конструкций;
• коэффициент рассеивания тепла с внутренних поверхностей;
• то же, для наружных поверхностей.

После проведения предварительных вычислений определяем суммарные потери тепла от различных факторов:

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, где

Qбл – суммарная теплоотдача от работы бытовой техники и жизнедеятельности людей;

Qи – затраты энергии на компенсацию тепловых потерь от неплотностей в устройстве ограждающих конструкций.

1. 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.

1. Желая иметь более достоверное представление о теплонасосе, нужно сделать расчет величины тепловой мощности, которая понадобится, чтобы разогреть воду в системе отопления дома. Это доступно с использованием такой расчетной формулы:

Qгор.в = V x 17 кВт/ за год, где:

V – объем ежедневного потребления воды, нагретой до 50о С.

В итоге, затраты энергии для обеспечения потребности в тепле и горячей воды составят за год:

Q = Qгод + Qгв, (кВт/час за год).

Рекомендуется полученный результат увеличить на 10%, учитывая более интенсивную работу системы при пиковых нагрузках. Предварительный расчет мощности теплового насоса для отопления дома позволяет сделать безошибочный выбор установки.

Для выполнения расчета можно использовать специальный калькулятор, они в изобилии представлены в интернете

Виды тепловых насосов

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

Тепловой насос. Правда о его эффективности.

В продаже имеются такие виды устройств:

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

Ниже рассмотрим их более подробно.

Воздух — вода

Земля — вода

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В некоторых случаях целесообразно установить 1 u-образную трубу на глубину 100 м, а в некоторых – лучше выбрать набор подобных труб, опущенных до 20 м, чтобы осуществить поглощение тепловой энергии на расширенной поверхности.

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

Таким образом, единственным недостатком вертикальных конструкций является лишь высокая стоимость бурения глубоких скважин. Однако, несмотря на это, зонд – более популярное решение, т.к. он обеспечивает достаточную эффективность при отсутствии требований к площади участка и прочих ограничивающих факторов.

Вода — вода

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

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

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

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

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

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

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

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

Воздух — воздух

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

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

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

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

Если важно эксплуатировать именно воздушный насос в регионах с холодными зимами, тогда ставится дополнительно дублирующий теплоисточник, который будет подключаться при сильных заморозках. Также в некоторых случаях возможно монтировать воздушную систему, если климат сухой и температурный режим не опускается ниже -15 градусов.

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

Описание процесса

Вакуумный насос делают следующим образом:

1. Для начала спиливают ножовкой верхнюю часть компрессора.
2. Потом из корпуса извлекают подвешенный на пружинах мотор. Инструменты здесь не нужны – он не закреплён.
3. Медные трубки, что находятся в корпусе, соединяют с трубками стойкими к маслу, стыкуя с линиями «+» и «-» на моторе. Лишние элементы срезаются.
4. Вскрытый корпус необходимо снабдить крышкой. Она должна быть немного меньше отпиленного фрагмента, чтобы масло имело возможность стекать внутрь ёмкости (по её краям). Крышку лучше всего сделать из латунной фольги, используя паяльник. Её внутреннюю сторону снабжают рёбрами жёсткости, а внешнюю – оклеивают линолеумом (для шумоизоляции).

Во время работы компрессора непременно теряется некая часть масла, выбрасываемая в нагнетательную линию в качестве масляного тумана. Отслеживать расходы помогает трубчатый уровнемер. Он должен находиться за прозрачной трубкой, которая соединяется с ёмкостью при помощи шланга. Трубку можно заменить корпусом от шариковой ручки.

Уровнемер прикрывают колпачком для защиты от пыли, оставляя доступ для воздуха. На механизме своими руками проставляют отметины, обозначающие максимальный и минимальный уровень масла. Место стыковки трубки и шланга уплотняют герметиком.

Готовую конструкцию помещают в бокс. Его каркас делают из стального уголка размером 2,5х2,5 см. Любой листовой материал может выступить в качестве обшивки. В боковую стенку следует вмонтировать дверь, чтобы снимать показания с уровнемера, не извлекая вакуумный насос из бокса. Для фиксации будет достаточно самой простой защёлки.

Цены и производители

Примерная средне рыночная стоимость оборудования и его установки составляет:

Горизонтальный коллектор:

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

Геотермальный зонд:

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

Воздушный — для дома:

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

Насос для дома «вода-вода»:

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

Приведенные цены не окончательны. Конечная стоимость будет зависеть от страны и компании-производителя устройства, типа местности, климатических особенностей, цены бурения, строительных условий и т.д. Например, цена воздушного насоса от российского производителя составит около 7000$, а от зарубежного – 13000$.

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

Какой насос выбрать

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы геотермального отопления частного дома

Для прокладывания геотермального отопления, потребуется наличия таких составляющих, как контур, водоемы, оборудование в виде насоса, теплообменник. Стоит заметить, что электростанция в данном случае не нужна. Обогрев за счет недр земли может по принципу действия напомнить работу самого обычного холодильника, а сама система продолжает набирать популярность с каждым днем.

Земля нагревается за счет магмы, за счет чего она не промерзает снаружи. Тепловая энергия, получаемая при работе отопительной системы, используется для геотермального отопления, для чего и устанавливается специальный тепловой насос.

Принцип действия здесь особенный, так как:

• Ставится насос;
• Внутри земляной шахты прокладываются теплообменники;
• Проводится подключение грунтовых вод к насосу за счет водозаборника;
• Вода нагревается;
• Отправляется по пространству теплообменника.

Эта система отопления обладает важным преимуществом и заключается в том, что по электроэнергии нужны затраты только 1 кВт, а получить взамен можно энергии в пределах 4-6 кВт. К примеру, обычные кондиционеры не способны на преобразование даже 1 кВт электричества в 1 кВт холода. Устанавливая отопление за счет земли, можно окупить вложенные средства буквально за пару лет, однако, при условии грамотного подхода к монтажу и выбору оборудования.