Расчет мощности теплового насоса для дома: принцип действия оборудования и конкретные примеры вычислений

Все чаще мы задумываемся об альтернативных методах получения энергии. Наша планета не бездонная и количество ресурсов с каждым годом становится все меньше.

Вдобавок к этому, цены на энергоресурсы растут, а у нас совершенно нет уверенности в компаниях, поставляющих газ, тепло или свет.

Поэтому рано или поздно каждый задумывается над запасным вариантом, который полностью или частично защитит его от неприятных сюрпризов.

В этой статье мы рассмотрим один из альтернативных видов обогрева — тепловой насос для отопления дома. Это оборудование, которое преобразует бесплатные источники энергии природы в необходимые нам киловатты тепла.

Как работает теплонасос

Современный теплонасос очень похож на банальный холодильник

Что же такое геотермальный насос или, другими словами, теплонасос? Это оборудование, способное перенести тепло от источника к потребителю. Рассмотрим принцип его действия на примере первой практической реализации идеи.

Принцип работы геотермальных насосов стал известен еще в 50-х годах XIX века. На практике эти принципы реализовали только в середине прошлого века.

Однажды, экспериментатор по фамилии Вебер, разбирался с морозилкой и случайно прикоснулся к обжигающей трубе конденсатора. Ему пришла в голову идея, почему тепло уходит в никуда и не приносит никакой пользы? Недолго думая, он удлинил трубу и уложил ее в бак для подогрева воды.

Горячей воды, получившейся в результате этого, стало столько, что он не знал куда ее девать. Нужно было идти дальше — как обогреть с помощью этой нехитрой системы воздух? Решение оказалось очень простым и от этого не менее гениальным.

Горячая вода прогоняется по спирали через змеевик, а затем вентилятором теплый воздух раздувается по дому. Все гениальное — просто! Вебер был человеком размеренным, и со временем ему пришла мысль, как обойтись без морозильной камеры. Надо извлекать тепло из земли!

Закопав трубы из меди и накачав их фреоном (тот же газ, который используется в холодильниках) он стал получать тепловую энергию уже из недр. Думаем, что на таком примере каждый поймет принцип работы теплового насоса.

Основные разновидности

Системы отбора тепла. (Для увеличения нажмите)

• воздух-воздух — это, по сути своей, обычный кондиционер;
• воздух-вода — добавляем к кондиционеру теплообменник и мы уже греем воду;
• земля-вода — закапываем коллектор из труб в землю, а на выходе подогреваем воду;
• вода-вода — трубы размещаются в открытом или подземном водоеме и отдают тепло системе обогрева здания.

(С подробной классификацией тепловых насосов для отопления Вы можете ознакомиться в этой статье).

КПД и СОР

Здесь наглядно показано что ¾ части энергии мы получаем из бесплатных источников. (Для увеличения нажмите)

Для начала определимся в терминах:

• КПД — коэффициент полезного действия, т.е. сколько полезной энергии получается в процентном соотношении от энергии, затраченной на действие системы;
• СОР — коэффициент эффективности трансформации (англ. — coefficient of performance).

Такой показатель, как КПД, часто используют в рекламных целях: «КПД нашего насоса 500%!». Вроде и правду говорят — на 1 кВт потраченной энергии (для полноценной работы всех систем и агрегатов) произвели 5 кВт тепловой энергии.

Однако помните, что КПД не бывает выше 100% (этот показатель рассчитывается для замкнутых систем), поэтому логичнее будет использовать показатель COP (применяется для расчетов открытых систем), который показывает коэффициент преобразования использованной энергии в полезную.

Обычно COP измеряется в цифрах от 1 до 7. Чем выше цифра тем более эффективный теплонасос. В примере, приведенном выше (с КПД 500%), COP равняется 5.

Формула для подсчета

Пути потери тепла в доме

Тепловой насос способен полностью справиться с отоплением помещений.

Чтобы выбрать подходящий вам агрегат, следует рассчитать его необходимую мощность.

В первую очередь нужно понимать баланс тепла в здании. Для этих расчетов можно воспользоваться услугами специалистов, онлайн-калькулятором или самостоятельно с помощью несложной формулы:

R=(k x V x T)/860, в которой:

R — потребляемая мощность помещения (кВт/час);
k — средний коэффициент потерь тепла зданием: например, равно 1 — отлично утепленное здание, а 4 — барак из досок;
V — суммарный объем всего отапливаемого помещения, в куб.м.;
T — максимальный перепад температуры между улицей и внутри помещения.
860 — значение, необходимое для перевода получившихся ккал в кВт.

В случае с геотермальным тепловым насосом типа «вода-вода» нужно еще рассчитать необходимую длину контура, который будет находиться в водоеме. Здесь расчет еще проще.

Известно, что 1 метр коллектора дает примерно 30 Вт. Другими словами 1 кВт мощности насоса требует 22 метра труб. Зная требуемую мощность насоса, мы без труда рассчитаем сколько нам нужно труб для изготовления контура.

Расчет на примере системы вода-вода

Рассчитаем для примера дом со следующими исходными данными:

• отапливаемая площадь 300 кв.м.;
• высота потолков 2,8 м;
• здание хорошо утеплено;
• минимальная температура зимой на улице -25 градусов;
• комфортная температура в помещении +22 градуса.

В первую очередь высчитываем отапливаемый объем помещения:
300 кв.м. х 2,8 м = 840 куб.м.

Затем вычисляем значение «Т»: 22 — (-25) = 45 градусов.

Подставляем эти данные в формулу:
R=(1 x 840 x 45) / 860 = 43,9 кВт/час

Мы получили требуемую мощность теплового насоса в 44 кВт/час. Без труда определяем, что для его функционирования нам потребуется коллектор общей длиной не менее 968 метров.

Вас также может заинтересовать статья о том, как сделать печь капельницу на солярке своими руками: //6sotok-dom.com/dom/otoplenie/pech-kapelnitsa-svoimi-rukami.html

Т.о. для хорошо утепленного помещения площадью 300 кв.м. подойдет насос с мощностью не менее 44 кВт. Как и везде, лучше сделать запас по мощности хотя бы в 10%. Следовательно, приобретать лучше агрегат на 48-49 кВт.

Рано или поздно мы все придем к использованию альтернативной энергетики и можно сделать первый шаг уже сегодня. Используя тепловые насосы, вы уменьшите свои затраты на отопление, станете независимым от поставщиков газа или угля, сохраните экологию родной планеты.

С помощью этой статьи сможете рассчитать параметры геотермального оборудования, которые подойдут вашему помещению. Но не забывайте, что лучше всего справятся со своей задачей профессионалы. Да и у вас всегда будет с кого спросить, в случае неправильной работы системы.

Смотрите видео, в котором специалист подробно объясняет принципы расчета мощности теплового насоса для отопления дома:

Расчет тепловых насосов

Важно знать: как продумать расчет теплового насоса

По мнению профессионалов, работающих в данной сфере, эффективным и экономичным мероприятием считается использование геотермальных источников тепловой энергии – специальных насосов. Их принципиальное устройство позволяет извлекать тепло из окружающей среды, трансформировать его и перемещать к месту применения (детальнее: “Геотермальные тепловые насосы для отопления: принцип устройства системы”).

Коэффициент производительности тепловых насосов, благодаря их характеристикам, достигает 3-5 единиц. Это означает, что при затрате в процессе работы 100 Вт электрической энергии прибором, потребители получают примерно 0,5 кВт мощности обогрева.

Порядок расчета тепловых насосов

1. Прежде всего, определяют потери тепла, происходящие через ограждающие конструкции постройки (к ним относятся окна, двери, стены, перекрытия). Для этого пользуются следующей формулой:

tвн – температура воздуха внутри здания (°С);

tнар – температура воздуха снаружи (°С);

β – коэффициент дополнительных теплопотерь, зависящий от типа постройки и его географического местоположения. Данный показатель, когда производится расчет теплового насоса, находится в интервале от 0,05 до 0,27;

δі / λі – является расчетным показателем теплопроводности материалов, применяемых при строительстве;

α нар – величина теплового рассеивания наружных поверхностей конструкций ограждения (Вт/ м²х°С);

Qбп – выделение тепла в результате работы бытовых приборов и человеческой деятельности.

tнар.ср – среднеарифметическое значение температур, которые фиксируются у наружного воздуха на протяжении всего отопительного периода;

d – количество дней в отопительном сезоне.

V х17 – ежедневный объем нагрева воды до 50 °С.

После того, как завершен расчет теплового насоса, с учетом полученных данных приступают к выбору данного прибора для обеспечения теплоснабжения и горячего водоснабжения. При этом расчетную мощность определяют, исходя из выражения:

Методы и программы расчета мощности теплового насоса для отопления дома

Использование альтернативных источников получения энергии сегодня представляется первоочередной задачей. Превращение энергии ветра, воды и солнца способно существенно снизить уровень загрязнения окружающей среды и сэкономить финансовые средства, необходимые для реализации технологичных способов получения энергии. В этом плане очень перспективным выглядит использованием так называемых теплонасосов. Тепловой насос – это устройство, способное переносить энергию тепла из окружающей среды внутрь помещения. Метод расчета теплового насоса, необходимые формулы и коэффициенты представлены ниже.

Источники тепловой энергии

Источниками энергии для тепловых насосов могут выступать солнечный свет, тепло воздуха, воды и грунта. В основе процесса лежит физический процесс, благодаря которому некоторые вещества (хладогенты) способны закипать при низких температурах. При таких условиях коэффициент производительности тепловых насосов может достигать 3 и даже 5 единиц. Это означает, что, затратив 100 Вт электроэнергии на работу насоса, можно получить 0,3-0,5 кВт.

Таким образом, геотермальный насос способен полностью отопить дом, однако при условии, что температура уличной среды не будет ниже температуры расчетного уровня. Как рассчитать тепловой насос?

Техника расчета мощности теплового насоса

С этой целью можно использовать специальный онлайн калькулятор расчета теплового насоса либо выполнить расчеты вручную. Прежде, чем определить необходимую для отопления дома мощность насоса вручную, необходимо определить тепловой баланс дома. Вне зависимости от того, для дома какой площади производится расчет (расчет теплового насоса на 300м2 или на 100м2), используется одна и та ж формула:

• R – это тепловые потери/мощность дома (ккал/час);
• V – объем дома (длина*ширина*высота), м3;
• Т – самый высокий перепад между температурами снаружи дома и внутри в холодное время года, С;
• k – это усредненный коэффициент теплопроводности здания: k=3(4) – дом из досок; k=2(3) – дом из однослойного кирпича; k=1(2) – кирпичный дом в два слоя; k=0,6(1) – тщательно утепленное здание.

Типовой расчет теплового насоса предполагает, что для того, чтобы перевести полученные значения из ккал/час в кВт/час, необходимо разделить ее на 860.

Пример расчета мощности насоса

Расчет теплового насоса для отопления дома на конкретном примере. Предположим, что необходимо обогреть здание площадью 100 м.кв.

Чтобы получить его объем (V), необходимо умножить его высоту на длину и ширину:

Чтобы узнать T, необходимо получить разницу температур. Для этого из минимальных внутренних температур вычитаем минимальные наружные:

Теплопотери здания примем равными k=1, тогда тепловые потери дома будут рассчитаны следующим образом:

Программа расчета теплового насоса предполагает, что расход домом тепловой энергии должен быть переведен в кВт. Переводим ккал/час в кВт:

Таким образом, для отопления дома из двухслойного кирпича площадью 100 м.кв., необходим тепловой насос на 14,5 кВт. Если необходимо произвести расчет теплового насоса на 300м2, то в формулах производится соответствующая подстановка. В данном расчете учтены потребности в теплой воде, необходимой для отопления. Для определения подходящего теплового насоса потребуется таблица расчета теплового насоса, демонстрирующая технические характеристики и производительность той или иной модели.

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 3–6.

Говоря более точно, источниками низкопотенциального тепла могут быть наружный воздух температурой от –10 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).

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/м2 в год. Срок службы траншей и скважин составляет более 100 лет.

Пример расчета теплового насоса

Исходные условия: Необходимо выбрать тепловой насос для отопления и горячего водоснабжения коттеджного двухэтажного дома, площадью 200м 2 ; температура воды в системе отопления должна быть 35 °С; минимальная температура теплоносителя – 0 °С. Теплопотери здания-50Вт/м2. Грунт глиняный,сухой.

Требуемая тепловая мощность на отопление: 200*50=10 кВт ;

Требуемая тепловая мощность на отопление и горячее водоснабжение: 200*50*1.25=12.5 кВт

Для обогрева здания выбран тепловой насос WW H R P C 12 мощностью 14,79 кВт (ближайший больший типоразмер), затрачивающий на нагрев фреона 3,44 кВт. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина) q равняется 20 Вт/м. Рассчитываем:

1) требуемую тепловую мощность коллектора Qo = 14,79 – 3,44 = 11,35 кВт;

2) суммарную длину труб L = Qo/q = 11,35/0,020 = 567.5 м. Для организации такого коллектора потребуется 6 контуров длиной по 100 м;

3) при шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка А = 600 х 0,75 = 450 м2;

4) общий расход гликолевого раствора(25%)

Vs = 11,35·3600/ (1,05·3,7·dt) = 3,506 м3/ч,

dt – разность температур между подающей и возвратной линиями, часто принимают равной 3 К.расход на один контур равен 0,584 м3/ч. Для устройства коллектора выбираем металлопластиковую трубу типоразмера 32 (например, РЕ32х2). Потери давления в ней составят 45 Па/м; сопротивление одного контура – примерно 7 кПа; скорость потока теплоносителя – 0,3 м/с.

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/см3. 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:

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:

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).

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 горизонтальногоколлектора. При удельном теплосъеме зонда 50 Вт/м и требуемой мощности 11,35 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 25 (РЕ25х2.0); 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.

Библиотека статей на профессиональную тему

Тепловые насосы. Расчет, выбор оборудования, монтаж.

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 [4]. 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 [5].

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. 4.2. Схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

В случае, когда обратимость цикла осуществляется изменением направления хладагента с помощью клапана обратимости цикла, используют термин «тепловой насос, работающий в обратимом холодильном цикле».

4.2. Низкопотенциальные источники тепла

4.2.1. Низкопотенциальный источник – воздух

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 [8]:

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 [8]:

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.

Отопление дома. Схема отопления дома с тепловым насосом

В данной статье описаны варианты отопления дома и горячего водоснабжения с помощью теплового насоса, солнечного коллектора и кавитационного теплогенератора. Дана приближенная методика расчета теплового насоса и теплогенератора. Приведены примерная стоимость затрат для обогрева дома с помощью теплового насоса.

Тепловой насос. Конструкция обогрева дома

Чтобы понять его принцип действия можно посмотреть на обычный бытовой холодильник или кондиционер.

Современные тепловые насосы используют для своей работы низкопотенциальные источники тепла землю, грунтовые воды, воздух. И в холодильнике и в тепловом насосе действует один и тот же физический принцип (физики называют такой процесс циклом Карно ). Тепловой насос – устройство, которое «выкачивает» тепло из холодильной камеры и выбрасывает его на радиатор. Кондиционер «выкачивает» тепло из воздуха комнаты и выбрасывает ее на радиатор, но находящийся на улице. При этом к теплу, «высосанному» из комнаты, добавляется ещё тепло, в которое превратилась электрическая энергия, потреблённая электродвигателем кондиционера.

Число, выражающее отношение вырабатываемой тепловым насосом (кондиционером или холодильником) тепловой энергии к потребляемой им электрической энергии, специалисты по тепловым насосам называют «отопительным коэффициентом». В лучших тепловых насосах отопительный коэффициент достигает 3-4. То есть на каждый потреблённый электродвигателем киловатт-час электроэнергии вырабатывается 3-4 киловатт-часа тепловой энергии. (Один киловатт-час соответствует 860 килокалориям.) Этот коэффициент преобразования (отопительный коэффициент) напрямую зависит от температуры источника тепла, чем выше температура источника, тем больше коэффициент преобразования.

Кондиционер берёт эту тепловую энергию из воздуха улицы, а большие тепловые насосы «выкачивают» это дополнительное тепло обычно из водоема/подземных вод или грунта.

Хотя температура этих источников гораздо меньше, чем температура воздуха в обогреваемом доме, но и это низкотемпературное тепло грунта или воды, тепловой насос и превращает в высокотемпературное , необходимое для обогрева дома. Поэтому тепловые насосы называют ещё «трансформаторами тепла». (процесс превращения см. ниже)

Примечание: Тепловые насосы не только согревают дома, но и остужают воду в реке, из которой выкачивают тепло. А в наше время, когда реки слишком перегреты промышленными и бытовыми стоками, охлаждать реку очень полезно для жизни в ней живых организмов и рыбы. Чем ниже температура воды, тем больше в ней может раствориться кислорода, необходимого для рыбы. В тёплой воде рыба задыхается, а в холодной блаженствует.Поэтому тепловые насосы очень перспективны в деле спасения окружающей среды от ” теплового загрязнения “.

Но установка системы отопления с помощью тепловых насосов пока слишком дорога, потому что требуются большое количество земляных работ плюс расходных материалов, например, труб для создания коллектора/теплообменника.

Так же стоит помнить что в тепловых насосах, как и в обычных холодильниках, используется компрессор, сжимающий рабочее тело – аммиак или фреон. На фреоне тепловые насосы работают лучше, но фреон уже запрещён к применению из-за того, что он, попадая в атмосферу, выжигает в её верхних слоях озон, защищающий Землю от ультрафиолетовых лучей Солнца.

И все-таки мне кажется, что будущее за тепловыми насосами. Но их, никто пока не производит массово. Почему? Не трудно догадаться.

Если появляется альтернативный источник дешевой энергии, то куда девать добываемый газ, нефть и уголь, кому его продавать. А на что списывать многомиллиардные убытки от взрывов на шахтах и рудниках.

Принципиальная схема обогрева дома с помощью теплового насоса

1 – тепловой насос; 2 – трубопровод, уложенный в земле; 3 – бойлер косвенного нагрева; 4 – система отопления «теплый пол»; 5 – контур подачи горячей воды.

Принцип действия теплового насоса

В качестве источника низкопотенциального тепла может выступать наружный воздух, имеющий температуру от –15 до +15°С, воздух отводимый из помещения с температурой 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). В Нидерландах, например, в городе Херлен (Heerlen) для этих целей используется затопленная шахта. Вода, наполняющая старую шахту, на уровне 700 метров имеет постоянную температуру в 32°C.

В случае использования в качестве источника тепла атмосферного или вентиляционного воздуха, система отопления работает по схеме «воздух–вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.

Если в качестве источника тепла используются грунтовые воды, то система работает по схеме «вода–вода». Вода подается из скважины с помощью насоса в теплообменник насоса, а после отбора тепла, сбрасывается либо в другую скважину, либо в водоем. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать антифриз или тосол. Если в качестве источника энергии выступает водоем, на его дно укладывается петля из металлопластиковой или пластиковой трубы. По трубопроводу циркулирует раствор гликоля (антифриз) или тосола который через теплообменник теплового насоса передает тепло фреону.

При использовании в качестве источника тепла грунта, система работает по схеме «грунт-вода». Возможны два варианта устройства коллектора – вертикальный и горизонтальный.

• При горизонтальном расположении коллектора, металлопластиковых трубы укладывают в траншеи глубиной 1,2–1,5 м или в виде спиралей в траншеи глубиной 2–4 м. Такой способ укладки позволяет значительно уменьшить длину траншей.

Схема теплового насоса при горизонтальном коллекторе со спиральной укладкой труб

1 – тепловой насос; 2 – трубопровод, уложенный в земле; 3 – бойлер косвенного нагрева; 4 – система отопления «теплый пол»; 5 – контур подачи горячей воды.

Однако при укладке спиралью сильно увеличивается гидродинамическое сопротивление, что приводит к дополнительным затратам на прокачку теплоносителя, так же сопротивление увеличивается по мере увеличения длины труб.

• При вертикальном расположении коллектора трубы укладывают в вертикальные скважины на глубину 20–100 м.

Схема вертикального зонда

Фото зонда в бухте

Установка зонда в скважину

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса.

q – удельный теплосъем (с 1 м пог. трубы).

• сухой песок – 10 Вт/м,
• сухая глина – 20 Вт/м,
• влажная глина – 25 Вт/м,
• глина с большим содержанием воды – 35 Вт/м.

Между прямой и обратной петлей коллектора появляется разность температур теплоносителя.

Обычно для расчета ее принимают равной 3°С . Недостатком такой схемы является то, что на участке над коллектором не желательно возводить строений, чтобы тепло земли пополнялось за счет солнечной радиации. Оптимальная дистанция между трубами считается 0,7–0,8 м. При этом длина одной траншеи выбирается от 30 до 120 м.

Пример расчета теплового насоса

Я приведу примерный расчет теплового насоса для нашего экодома, описанного в статье Экодом. Теплоснабжение экодома.

Считается, что для обогрева дома с высотой потолка 3 м, необходимо расходовать 1 кВт. Тепловой энергии на 10 м2 площади. При площади дома 10х10м=100 м2, необходимо 10кВт тепловой энергии.

При использовании теплого пола, температура теплоносителя в системе , должна быть 35°С, а минимальная температура теплоносителя – 0°С.

Таблица 1. Данные теплового насоса Thermia Villa.

Для обогрева здания нужно выбирать тепловой насос мощностью 15,6 кВт (ближайший больший типоразмер), расходующий на работу компрессора 5 кВт. Выбираем по типу грунта теплосъем с поверхностного слоя грунта. Для (влажной глины) q равняется 25 Вт/м.

Рассчитаем мощность теплового коллектора:

Qo – мощность теплового коллектора , кВт;

Qwp – мощность теплового насоса , кВт;

P – электрическая мощность компрессора , кВт.

Требуемая тепловая мощность коллектора составит:

Теперь определим суммарную длину труб:

L=Qo/q, где q – удельный (с 1 м. пог. трубы) теплосъем, кВт/м.

L=10,6/0,025 = 424 м.

Для организации такого коллектора потребуется 5 контуров длиной по 100 м. Исходя из этого, определим необходимую площадь участка для укладки контура.

A=Lхda, где da – расстояние между трубами (шаг укладки), м.

При шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка составит:

Расчет вертикального коллектора

При выборе вертикального коллектора, бурят скважины глубиной от 20 до 100 м. В них погружаются U-образные металлопластиковые или пластиковые трубы. Для этого в одну скважину вставляется две петли, которые заливается цементным раствором. Удельный теплосъем такого коллектора составляет 50 Вт/м.

Для более точных расчетов применяют следующие данные:

• 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.

На глубинах более 15 м, температура грунта составляет примерно +10°С. Необходимо учитывать, что расстояние между скважинами должно быть больше 5 м. Если в грунте существуют подземные течения, то скважины необходимо бурить перпендикулярной потоку.

Таким образом, при удельном теплосъеме вертикального коллектора 50 Вт/м и требуемой мощности 10,6 кВт длина трубы L должна составить 212 м.

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

Работа теплового насоса при работе по схеме «Грунт-вода»

Трубопровод укладывается в землю. При прокачивании через него теплоносителя, последний нагревается до температуры грунта. Дальше по схеме вода поступает в теплообменник теплового насоса и отдает все тепло во внутренний контур теплового насоса.

Во внутренний контур теплонасоса закачан хладагент под давлением. В качестве хладагента используется фреон или его заменители, поскольку фреон разрушает озоновый слой атмосферы и запрещен к использованию в новых разработках. У хладагента низкая температура кипения и поэтому когда в испарителе резко снижается давление, он переходит из жидкого состояния в газ при низкой температуре.

После испарителя газообразный хладагент поступает в компрессор и сжимается компрессором. При этом он разогревается, и давление его повышается. Горячий хладагент поступает в конденсатор, где протекает теплообмен между ним и теплоносителем из обратного трубопровода. Отдавая свое тепло, хладагент охлаждается и переходит в жидкое состояние. Теплоноситель поступает в отопительную систему и снова охлаждаясь, передает свое тепло в помещение. Когда хладагент проходит через редукционный клапан ,его давление падает, и он снова переходит в жидкую фазу. После этого цикл повторяется.

В холодное время года теплонасос работает как обогреватель, а в жаркое время может использоваться для охлаждения помещения (при этом тепловой насос не подогревает, а охлаждает теплоноситель – воду. А охлажденная вода, в свою очередь может использоваться для охлаждения воздуха в помещении).

В общем случае, теплонасос представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если поместить холодильник на улице, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его вовнутрь дома, то можно таким нехитрым способом, в какой-то степени, обогревать помещение.

Однако, как показывает практика, одного лишь теплового насоса для снабжения дома теплом и горячей водой недостаточно. Осмелюсь предложить оптимальную, на мой взгляд, схему отопления и горячего водоснабжения дома.

Предлагаемая схема снабжения дома теплом и горячей водой

1 – теплогенератор; 2 – солнечный коллектор; 3 – бойлер косвенного нагрева; 4 – тепловой насос; 5 – трубопровод в земле; 6 – циркуляционный блок гелиосистемы; 7 – радиатор отопления; 8 – контур подачи горячей воды; 9 – система отопления «теплый пол».

Данная схема предполагает одновременное использование трех источников тепла. Основную роль играет в ней теплогенератор (1), тепловой насос (4) и солнечный коллектор (2), которые служат вспомогательными элементами и способствуют снижению затрат потребляемой электроэнергии, как следствие, и повышению эффективности нагрева. Одновременное использование трех источников нагрева практически полностью исключает опасность размерзания системы .

Ведь вероятность выхода из строя одновременно и теплогенератора, и теплового насоса, и солнечного коллектора ничтожно мала. На схеме показаны два варианта обогрева помещений: радиаторы (7) и «теплый пол» (9). Это не значит, что надо использовать оба варианта, а лишь иллюстрирует возможность использования и одного и второго.

Принцип работы схемы отопления

Теплогенератор (1) подает нагретую воду в бойлер (3) и контур, состоящий из радиаторов отопления (7). Также в бойлер поступает нагретый теплоноситель от теплового насоса (4) и солнечного коллектора (2). Часть нагретой тепловым насосом воды также подается на вход теплогенератора. Смешиваясь с «обраткой» обогревающего контура, она повышает ее температуру. Это способствует более эффективному нагреву воды в кавитаторе теплогенератора. Нагретая и накопленная в бойлере вода подается в контур системы «теплый пол» (9) и контур подачи горячей воды (8).

Конечно, эффективность данной схемы будет неодинаковой в различных широтах. Ведь солнечный коллектор будет иметь наибольшую эффективность в летнее время года и, конечно же, в солнечную погоду. В наших широтах летом отапливать жилые помещения нет необходимости, поэтому теплогенератор можно вообще отключить. А так как лето у нас довольно жаркое и мы уже с трудом представляем свой быт без кондиционера, то тепловой насос предполагается включить на режим охлаждения. Естественно трубопровод, идущий от теплового насоса к бойлеру, будет перекрыт. Таким образом решать задачу горячего водоснабжения предполагается только с помощью гелиосистемы. И лишь в случае, если гелиосистема не справляется с этой задачей, использовать теплогенератор.

Как видим, схема довольно сложная и дорогостоящая. Общие приблизительные затраты в зависимости от выбранной схемы приведены ниже.

Затраты для вертикального коллектора:

• Тепловой насос 6000 €;
• Буровые работы 6000 €;
• Эксплуатационные расходы (электричество): около 400 € в год.

Для горизонтального коллектора:

• Тепловой насос 6000 €;
• Буровые работы 3000 €;
• Эксплуатационные расходы (электричество): около 450 евро в год.

Из крупных затрат потребуются расходы на закупку труб и на оплату труда рабочих.

Установка плоского солнечного коллектора (например, Vitosol 100-F и водонагревателя 300 л) обойдется в 3200 €.

Поэтому давайте, пойдем от простого к сложному. Сначала соберем простую схему отопления дома на основе теплогенератора, отладим ее, и постепенно будем добавлять в неё новые элементы, позволяющие увеличивать КПД установки.

Соберем систему отопления по схеме:

Схема теплоснабжения дома с использованием теплогенератора

1 – теплогенератор; 2 – бойлер косвенного нагрева; 3 – система отопления «теплый пол»; 4 – контур подачи горячей воды.

В итоге мы получили простейшую схему теплоснабжения дома, Я поделился своими мыслями для того, что бы побудить инициативных людей к развитию альтернативных источников энергии. Если у кого-то возникнут идеи или возражения по поводу написанного выше, давайте делиться мыслями, давайте накапливать знания и опыт в данном вопросе, и мы сбережем нашу экологию и сделаем жизнь немножко лучше.

Как видим здесь основной и единственный элемент, нагревающий теплоноситель, – это теплогенератор. Хотя в схеме и предусмотрен лишь один источник нагрева, она предусматривает возможность дальнейшего добавления дополнительных нагревательных устройств. Для этого предполагается использование бойлера косвенного нагрева с возможностью добавления или извлечения теплообменников.

Использование радиаторов отопления, имеющихся в схеме, изображенной на рисунке на один выше, не предполагается. Как известно система «теплый пол» более эффективно справляется с задачей обогрева помещений и позволяет экономить затрачиваемую энергию.