Схема отопления дома с тепловым насосом

Рассмотрим варианты отопления частного дома и нагрева воды при помощи солнечного коллектора, теплового насоса и кавитационного теплогенератора. Кроме этого рассмотрим примеры расчета теплогенератора и теплового насоса. А также рассчитаем стоимость отопления дома при помощи теплового насоса.

Конструкция обогрева дома тепловым насосом

Принцип действий теплового насоса схож с кондиционером или холодильником. Для работы насос использует низкопотенциальные источники. Например, воздух, землю и грунтовые воды. Физический принцип действует одинаково в тепловом насосе и холодильнике.

Тепловой насос – прибор, который забирает тепло из холодильной камеры и передает его на радиатор отопления. Кондиционер забирает тепло из воздуха в помещении и выбрасывает его на радиатор, который расположен на улице. К ушедшему теплу из комнаты, добавляется тепло, образовавшееся из электроэнергии. Двигатель кондиционера потребляет электричество.

Отопительный коэффициент – это число, которое выражает отношение вырабатываемой тепловой энергии тепловым насосом к потребляемой им электроэнергии. В качественных тепловых насосах отопительный коэффициент составляет от 3 до 4. Таким образом, получается на каждый киловатт-час потребленный двигателем, вырабатывается от 3 до 4 киловатт-час тепловой энергии. 860 килокалорий можно приравнять к 1 киловатт-часу. Отопительный коэффициент зависит от температуры источника тепла и чем выше она будет, тем больше будет коэффициент преобразования.

Большие тепловые насосы берут тепловую энергию из грунта или подземных вод, а кондиционер из воздуха с улицы.

Температура этих источников, конечно же, меньше, чем температура воздуха в доме, но этого хватает для того, чтобы тепловой насос превратил низкотемпературное тепло в высокотемпературное, которые требуется для обогрева дома. По-другому тепловые насосы можно назвать «трансформаторами тепла».

Кроме того что тепловые насосы нагревают воздух в доме, они еще и остужают воду в реке, из которой забирают тепло. В последнее время реки сильно перегреты бытовыми и промышленными стоками, поэтому остудить воду будет полезно для жизни рыб и других живых организмов. Если температура воды в реке низкая, то больше растворяется кислорода, который необходим для рыб. Поэтому тепловые насосы не только обогревают дом, но и участвуют в спасении окружающей среды.

Отопительная система при помощи теплового насоса используется не так часто, потому что обходится дорого. Для установки такой системы требуются много материалов и проведение большого количества земляных работ.

В тепловых насосах применяется компрессор, который сжимает рабочее тело. Это может быть фреон или аммиак. На первом лучше работают тепловые насосы. Но такой элемент запрещен к использованию, так как попадает в атмосферу и выжигает озон в ее верхних слоях, защищающий землю от ультрафиолетовых лучей Солнца.

Несмотря на множество преимуществ, тепловые насосы выпускают в небольших количествах. Возможно, они не популярны из-за высокой стоимости установки.

Куда продавать добываемый уголь, газ и нефть, если появится другой более дешевый источник энергии. И куда списать большие убытки от взрывов в рудниках и шахтах?

1. Тепловой насос.
2. Трубопровод, устроенный в земле.
3. Бойлер косвенного нагрева.
4. Отопительная система «теплый пол».
5. Подающий контур горячей воды.

Принцип работы теплового насоса

Как источник низкопотенциального тепла можно использовать наружный воздух, который имеет температуру:

• От -15 до +15 градусов;
• Подпочвенные воды от 4 до 10 градусов;
• Грунтовые воды свыше 10 градусов;
• Воздух из помещения от 15 до 25 градусов;
• Поверхностный грунт от 0 до 10 градусов;
• Глубинный грунт от 10 градусов (свыше 20 метров);
• Речная и озерная вода от 0 до 10 градусов.

В некоторых городах используются и другие источники. Например, в городе Херлен в Нидерландах применяется затопленная шахта для таких целей. Вода заполнила шахту на уровне 700 метров, постоянная температура составляет 32 градуса.

По схеме «воздух-вода» отопительная система работает с применением в качестве источника тепла вентиляционный или атмосферный воздух. Насос можно установить снаружи или внутри помещения. При помощи вентилятора воздух подается в теплообменник.

По схеме «вода-вода» работает система отопления, если в качестве источника тепла применяются грунтовые воды. В теплообменник насоса вода подается при помощи насоса из скважины. После отбора тепла, она сбрасывается в водоем или другую скважину. Тосол или антифриз применяют в качестве промежуточного носителя тепла.

Когда в качестве источника энергии используют водоем, то на его дно необходимо уложить петлю из пластиковой или металлопластиковой трубы. По трубопроводу движется раствор тосола или антифриза. А через теплообменник теплового насоса передается тепло фреону.

Коллектор в схеме отопительной системы «грунт-вода» может быть устроен по-разному: вертикально или горизонтально. В такой схеме в качестве источника тепла применяется грунт.

Рассмотрим подробнее два варианта установки коллектора:

1. Если используется вертикальная установка, то трубы устраивают в вертикальных скважинах на глубину от 20 до 100 метров.

1. При горизонтальной установке коллектора, металлопластиковые трубы устраивают на глубину от 1,2 до 1, 5 метра в траншеи или же в траншеи на глубину от 2 до 4 метров в виде спиралей. Благодаря такому способу можно уменьшить длину траншеи.

1. Тепловой насос.
2. Трубопровод, который устроен в земле.
3. Бойлер косвенного нагрева.
4. Отопительная система «теплый пол».
5. Подающий контур горячей воды.

Если уложить металлопластиковые трубы спиралью, то возможно большое увеличение гидродинамического сопротивления. Таким образом, понадобятся дополнительные расходы на прокачку теплоносителя. Чем больше длина трубы, тем сильнее сопротивление.

Как рассчитать горизонтальный коллектор теплового насоса?

Рассмотри пример расчета горизонтального коллектора:

Q – удельный теплосъем с 1 метра погонного трубы.

• Сухой глины составляет 20 Вт/м;
• Сухого песка составляет 10 Вт/м;
• Глины с большим содержанием воды составляет 35 Вт/м;
• Влажной глины составляет 25 Вт/м.

Разность температур носителя тепла образуется между обратной и прямой петлей. При расчете используют значение равное 3 градусам. У такой схемы можно выделить минус: над коллектором не желательно делать строения, так как тепло земли будет пополняться за счет солнечной радиации. Длина траншеи должна быть в пределах 30-120 метров, а расстояние между трубами от 0,7 до 0,8 м.

Как рассчитать вертикальный коллектор?

При установке вертикального коллектора скважину необходимо пробурить на глубину 20-100 метров. В скважину погружают пластиковые или металлопластиковые U – образные трубы. Необходимо устроить две петли, которые будут залиты цементным раствором. Удельный теплосъем коллектора равняется 50 Вт/м.

Для проведения точных расчетов следует использовать следующие данные:

1. Каменные породы с высокой теплопроводностью около 70 Вт/м.
2. Сухие осадочные породы примерно 20 Вт/м.
3. Насыщенная водой осадочные породы и каменистая почва – 50 Вт/м.
4. Подземные воды – 80 Вт/м.

Температура грунта равняется 10 градусам на глубине свыше 15 метров. Между скважинами следует соблюдать расстояние от 5 метров. В грунте могут быть подземные течения, в таком случае придется бурить перпендикулярно потоку.

Например, L=Qo/q=10,6/0,05=212 м.

Если удельный теплосъем вертикального коллектора равен 50 Вт/м, а требуемая мощность составляет 10,6 кВт, то длина трубы будет 212 метров.

Чтобы установить коллектор потребуется пробурить 3 скважину на глубину 75 метров. В каждой из них необходимо установить по 2 петли из металлопластиковых труб. Получается 6 контуров по 150 метров.

Расчет теплового насоса

Рассмотрим пример расчета теплового насоса для отопления частного экодома.

Если высота потолка не больше 3 метров, то расходуется в среднем 1 кВт теплоэнергии на 10 кв.м.

Если применяется система «теплый пол», то температура носителя тепла должна быть примерно 35 градусов, а минимальная температура носителя тепла может составить 0 градусов.

Характеристики теплового насоса Thermia Villa.

Чтобы обогреть дом, следует выбрать тепловой насос с мощностью минимум 15,6 кВт. На работу компрессора будет затрачиваться 5 кВт. По типу грунта можно выбрать теплосъем с верхнего слоя грунта. Например, для влажной глины будет 25 Вт/м.

Расчет мощности теплового коллектора:

Qo – мощность теплового коллектора, кВт;

Qwp – мощность теплового насоса, кВт;

P – электрическая мощность компрессора, кВт.

Тепловая требуемая мощность коллектора будет:

Суммарная длина всех труб:

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

L=10,6/0,025 = 424 м.

Чтобы устроить такой коллектор необходимо приобрести 5 контуров длиной по 100 метров. Теперь можно узнать требуемую площадь участка для устройства контура.

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

Если шаг укладки составляет 0,75 метров, то площадь составит:

А=500х0,75=375 м 2 .

Как рассчитать тепловой насос при работе по схеме «Грунт-вода»?

При такой схеме необходимо уложить трубопровод в землю. Теплоноситель нагревается до температуры грунта. В соответствии со схемой вода направляется в теплообменник, и все тепло передается во внутренний контур теплового насоса.

В этот контур под давлением закачивают хладагент. Обычно в качестве этого вещества применяют заменители фреона, так как он запрещен к использованию в новых устройствах из-за разрушения озонового слоя атмосферы. Небольшая температура кипения у хладагента и при снижении давления в испарителе, он превращается из жидкого состояния в газ при невысокой температуре.

Газообразный элемент после испарителя поступает в компрессор и затем сжимается им. Давление повышается, так как он начинает разогреваться. Нагретый элемент поступает в конденсатор, а там происходит тепловой обмен между ним и носителем тепла из обратного трубопровода. После отдачи тепла, он начинает остывать и обратно возвращается в жидкое состояние. Носитель тепла переходит в систему отопления и опять охлаждается, таким образом, передается тепло в помещение. При переходе через редукционный клапан давление хладагента понижается, следовательно, он переходит в жидкую фазу. Затем цикл повторяется снова.

Тепловой насос может работать в качестве обогревателя в холодный период года, а в теплое время применяется для охлаждения дома. Но прибор охлаждает теплоноситель, а не подогревает. Вода низкой температуры может использоваться для охлаждения воздуха в помещении.

На практике было установлено, что теплового насоса мало для отопления и нагрева воды в доме. Рассмотрим схему, в которой будет использовано достаточное количество приборов для отопления дома.

1. Тепловой генератор.
2. Солнечный коллектор.
3. Бойлер косвенного нагрева.
4. Тепловой насос.
5. Трубопровод в земле.
6. Блок циркуляции гелиосистемы.
7. Радиатор.
8. Подающий контур горячей воды.
9. Отопительная система «теплый пол».

Главную роль в такой системе играет тепловой генератор, солнечный коллектор и тепловой насос, они помогают снизить затраты на электроэнергию и служат дополнительными элементами. Следовательно, повышается качество нагрева. Если применять сразу 3 источника нагрева, то практически исключается опасность размерзания отопительной системы.

Вряд ли выйдут из строя сразу тепловой насос, тепловой генератор и солнечный коллектор. На схеме можно увидеть два варианта отопления дома: теплый пол и радиаторы. Но нет необходимости использовать сразу две системы, достаточно одной. Но если у вас двухэтажный дом, то можно применить систему «теплый пол» для отопления первого этажа, а для второго – радиаторы.

Схема отопления

Тепловой генератор подает горячую воду в контур и бойлер. Контур состоит из радиаторов. Кроме этого в бойлер поступает теплый носитель тепла от солнечного коллектора и теплового насоса. Часть воды, нагретой тепловым насосом, тоже поступает к тепловому генератору. При смешивании с обратным контуром, повышается ее температура. Таким образом, происходит более качественный нагрев воды в кавитаторе теплового генератора. Вода, которая накопилась и нагрелась в бойлере, поступает в контур отопительной системы «теплый пол» и подающий контур горячей воды.

Такая схема эффективна не для всех регионов, так как солнечный коллектор эффективен обычно только летом и к тому же в солнечную погоду. В теплое время года нет нужды в отоплении дома, поэтому можно отключить тепловой генератор. А тепловой насос можно использовать в режиме охлаждения в качестве кондиционера. Но трубопровод, который идет к бойлеру от теплового насоса будет перекрыт. Нагревать воду для бытовых нужд можно при помощи гелиосистемы. Но если данная система не справится с такой задачей, то можно использовать тепловой генератор.

Такая схема отопления стоит дорого, да и к тому же непростая в установке. Рассмотрим, какие примерно потребуются затраты для устройства этой схемы.

Для горизонтального коллектора:

• Буровые работы около 3000 €;
• Тепловой насос стоимостью 6000 €;
• Расходы на электричество примерно 450 € в год.

Для вертикального коллектора:

• Буровые работы 6000 €;
• Тепловой насос 6000 €;
• Расходы на электричество 400 € в год.

Кроме этого стоит включить в расходы оплату работы рабочих и покупку труб.

Если устанавливать солнечный коллектор и водонагреватель объемом 300 литров, то потребуется 3200 €

Сначала рассмотрим простую схему для отопления дома, используя тепловой генератор. А далее можно будет добавить новые элементы, которые увеличат КПД устройства.

1. Тепловой генератор.
2. Бойлер косвенного нагрева.
3. Отопительная система «теплый пол».
4. Контур подачи горячей воды.

Таким образом, получается простая схема отопления дома. Основным элементом, который нагревает теплоноситель, является тепловой генератор. Но в дальнейшем можно добавить и другие нагревательные приборы.

Применять радиаторы отопления не нужно по схеме, которая указана на рисунок выше. Наиболее выгодной считается система «теплый пол», так как нагревает эффективно помещение и экономит затрачиваемую энергию.