Тепловой насос для отопления дома: как выбрать

Мировой энергетический комитет составил прогноз использования источников тепла для обогрева зданий на 2020 год. В нем утверждается, что в развитых странах 75% домов будут получать горячее водоснабжение и отапливаться геотермальной энергией нашей планеты.

Принцип действия теплового насоса

Конструктивно любой тепловой насос состоит из двух частей: наружной, которая «забирает» тепло возобновляемых источников, и внутренней, которая отдает это тепло в систему отопления или кондиционирования вашего дома. Современные тепловые насосы отличаются высокой энергоэффективностью, что в практическом плане означает следующее — потребитель, т.е. владелец дома, используя тепловой насос, тратит на обогрев или охлаждение своего жилища, в среднем, всего четверть тех денег, которые он потратил бы, если теплового насоса не было.

Иначе говоря, в системе с тепловым насосом 75% полезного тепла (или холода) обеспечивается за счет бесплатных источников — тепла земли, грунтовых вод или нагретого в помещениях и выбрасываемого на улицу использованного воздуха.

Схема работы теплового насоса

Рассмотрим, как действует, пожалуй, самый популярный в быту тепловой насос, работающий за счет тепла земли. Работа теплонасоса происходит в несколько циклов.

Цикл 1, испарение

Наружная часть «земляного» теплового насоса представляет собой замкнутую систему труб, зарытых в землю на определенную глубину, где температура круглый год стабильна и составляет 7-12°C. Чтобы «собрать» достаточное количество энергии земли, требуется, чтобы общая площадь, занимаемая системой подземных труб, была в 1,5-2 раза больше всей отапливаемой площади дома. Эти трубы заполнены хладагентом, который нагревается до температуры земли.

Хладагент имеет очень низкую температуру кипения, поэтому способен прейти в газообразное состояние уже при температуре грунта. Далее этот газ поступает в компрессор.

Типы тепловых насосных систем 

несколько вариантовсъема тепла из грунтагоризонтальный коллекторгеотермальный зонд

Горизонтальный грунтовый коллекторЭто система труб, уложенных на глубине ниже уровня промерзания (то есть около 2 м) в специально вырытые траншеи. Трубы могут соединяться последовательно или параллельно, располагаться в одной плоскости или даже образовывать пространственную спираль. Параметры такого теплообменника зависят от длины труб, которую рассчитывают исходя из:

  • потребной мощности насоса, 
  • грунта данного места (влажный — лучше), 
  • уровня солнечной радиации и т.д. 

В любом случае площадь, занимаемая таким коллектором, сравнительно велика. В средней полосе России примерное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 погонный метр трубы теплообменника, составляет 20-30 Вт. Это означает, что для обеспечения теплом коттеджа площадью около 50 кв. м потребуется коллектор площадью 150-200 кв.м.   На площадке, под которой располагается коллектор, можно сажать кусты и деревья, устанавливать малые архитектурные формы (беседки, перголы и арки, садовые скульптуры, стационарные садовые светильники и т.д.). Но какая-либо серьезная застройка там запрещена. Такой запрет позволяет тепловым «запасам» грунта, остывшего за зиму, восстанавливаться естественным путем. А это происходит в том числе за счет летних дождей. Поэтому ничто не должно препятствовать проникновению влаги в почву. Так что «энергетическое поле» вашего участка будет представлять собой только садово-огородный ландшафт, даже без теплиц.Вертикальный коллектор, или геотермальный зондВертикальный коллектор — другой тип грунтового теплообменника. Он представляет собой вертикальную скважину глубиной 30-100 м (иногда и более), в которой размещается U-образный или коаксиальный (труба в трубе) теплообменник. У него есть и другое название — геотермальный зонд. Важнейшее преимущество вертикальных грунтовых теплообменников — в том, что для их устройства требуется минимальная площадь.  Велика ли эффективность теплового насоса? Уровень эффективности теплового насоса определяется коэффициентом преобразования (коэффициентом мощности), который показывает отношение полученной тепловой энергии к количеству электрической энергии, затраченной на работу компрессора. В любое время года для тепловых насосов «грунт-вода» величина коэффициента составляет около 4. Это означает, что при потреблении 2 кВт∙ч электрической энергии установка производит 8 кВт∙ч тепловой энергии.   Я выбрал для примера скромные 2 кВт∙ч, потому что это тот минимум, который может получить одно домохозяйство в обычном садоводческом товариществе в регионе с ограниченным энергопотреблением. А мощности в 8 кВт∙ч тепловой энергии достаточно, чтобы отопить грамотно утепленный дом площадью до 100 кв. м и более.  Второе назначение Тепловые насосы могут работать не только в режиме отопления, но и в режиме кондиционирования всех комнат. То есть если собрать гидравлическую развязку в котельной, обычный тепловой насос можно использовать и для охлаждения. У передовых котловых компаний уже есть модели тепловых насосов, которые легко переходят с одного режима на другой. Оба эти варианта не отличаются сложностью и не требуют больших вложений. Читателям, которым в целом понравилась идея тепловых насосов, надо помнить, что традиционные  отопительные радиаторы не пригодны для охлаждения воздуха, а «теплые» полы превращаются в «ледяные». Поэтому эффективное совмещение функций отопления и охлаждения возможно только при использовании воздушных систем отопления/кондиционирования. Этот вариант распространен в США, где тепловой насос большую часть года работает именно в режиме охлаждения.  

Читайте также:  Как сделать паяльник своими руками: основательный взгляд на вопрос

Принцип и схема работы теплового насоса, виды

Принцип

Конструкция любого теплового теплонасоса предусматривает 2 части: наружная (поглощает тепло из внешних источников) и внутренняя (передает изъятое тепло непосредственно в систему отопления помещения). Внешними возобновляемыми источниками тепловой энергии являются, например, тепло земли, воздуха или грунтовых вод. Такая конструкция позволяет существенно снизить затраты на теплоэнергию или охлаждение для частного дома, ведь примерно 75% энергии вырабатывается, благодаря бесплатным источникам.

Схема работы

В состав отопительной установки входят: испаритель; конденсатор; разряжающий вентиль, который понижает давление в системе; компрессор, повышающий давление. Каждый из этих узлов связан друг с другом замкнутой цепью трубопровода, внутри которого находится хладагент. Хладагент в первых циклах находится в жидком состоянии, в следующих – в газообразном. Это вещество обладает низкой температурой кипения поэтому при варианте земляного типа оборудования, способен преобразоваться в газ, достигнув уровня температуры грунта. Далее газ поступает в компрессор, где происходит сильное сжатие, которое приводит к быстрому нагреву. После горячий пар поступает во внутреннюю часть теплонасоса, и уже здесь используется непосредственно для отопления помещений или для нагрева воды. Затем хладагент охлаждается, конденсируется и снова переходит в жидкое состояние. Через расширительный клапан жидкое вещество перетекает в подземную часть, чтобы повторить цикл нагрева.

Принцип охлаждения такой установки аналогичен принципу отопления, но используются не радиаторы, а фанкойлы. Компрессор в этом случае не функционирует. Холодный воздух из скважины напрямую поступает в кондиционирующую систему.

Виды теплонасосов

Какие бывают типы тепловых насосов? Различают оборудование по внешнему источнику теплоэнергии, который используется в системе. Среди бытовых вариантов выделяют 3 типа.

Грунтовый или земляной («грунт-воздух», «грунт-вода»)

Применение земляного теплонасоса в качестве источника теплоэнергии обеспечит эко-чистоту и безопасность. Стоимость такого оборудования высока, но функционал его огромен. Не требуется частого сервисного обслуживания, и обеспечен долгий срок эксплуатации.

Грунтовые теплонасосы могут быть двух видов: с вертикальной или с горизонтальной установкой трубопроводов. Вертикальный метод укладки более дорогостоящий, так как требуется глубокое бурение скважин в диапазоне 50-200 метров. При горизонтальном расположении трубы закладываются на глубину около метра. Для того, чтобы обеспечить сбор необходимого количества теплоэнергии, совокупная площадь трубопроводов должна превышать в 1,5-2 раза площадь отапливаемых помещений.

Водный насос («вода-воздух», «вода-вода»)

Для южных регионов с теплым климатом подойдут водяные установки. В прогретых на солнце водоемах температура воды на определенной глубине относительно устойчива. Предпочтительно прокладывать шланги в самом грунте дна, где температура выше. Для фиксации подводных трубопроводов используется груз.

Воздушный («воздух-вода», воздух-воздух»)

В установке воздушного типа источником энергии является воздух из внешней среды, который поступает на теплообменник испарителя, в где расположен жидкий хладогент. Температура хладогента всегда ниже, чем температура поступающего в систему воздуха, поэтому вещество моментально закипает и становится горячим паром.

Помимо классических моделей, востребованы комбинированные варианты установок. Такие теплонасосы дополнены газовым или же электрическим нагревателем. При плохих климатических условиях, производительность отопительного устройства уменьшается, и аппарат переключается на альтернативный вариант обогрева. Особенно актуально такое дополнение для оборудования типа «воздух-вода» или «воздух-воздух», так как именно этим видам свойственно понижение эффективности.

Для регионов с долгими холодными зимами надежнее всего использовать геотермальные (грунтовые) тепловые насосы. Воздушные теплонасосы подойдут для территорий с мягким южным климатом. Также при установке оборудования, использующего энергию земли, следует учитывать особенности грунта. Продуктивность теплонасоса будет гораздо выше в глинистом грунте, нежели в песчаном. Помимо этого, имеет значение глубина расположения трубопроводов, трубы необходимо укладывать глубже уровня промерзания земли в холодные периоды.

Принцип работы теплового насоса

В трубопровод, который может быть расположен, для примера – в грунте, поступает теплоноситель, после чего происходит его нагревание на несколько градусов. Далее совершается его переход в теплообменник (альтернативный вариант – испаритель) и передача всей теплоэнергии на контур во внутренней части конструкции.

Образование газа происходит посредством хладагента, находящегося в наружном контуре и нагревающегося в такой части, как испаритель. Специфика данного вещества – в присущей ему крайне невысокой температуре кипения при его нахождении при низком давлении.

Типы тепловых насосов

Для отопления дома чаще всего используют один из трех типов тепловых насосов:

  • Геотермальный тепловой насос (тепловой насос «грунт-вода») извлекает тепловую энергию из грунта (земли) с помощью системы коллекторов, которые уложены в скважинах или распределены по участку. Данный тип оборудования наиболее эффективен, так как в любое время года на глубине 1,5-2 метра температура грунта не опускается ниже 5-8°С.
  • Воздушный тепловой насос (тепловой насос «воздух-воздух») извлекает тепло из воздуха, подогревает до необходимой температуры и транспортирует в дом. Установка не занимает много времени, но в холодные периоды такая система менее эффективна, чем грунтовые тепловые насосы.
  • Водяной тепловой насос (тепловой насос «вода-вода») использует тепло грунтовых вод для отопления помещений в доме. Также отмечается высокой эффективностью, но установка возможна в том случае, если имеется водоем возле участка.

Геотермальный тепловой насос Heliotherm

Подбор теплового насоса для отопления дома следует доверять профессионалам с большим опытом работы. Иначе в работе системы отопления и горячего водоснабжения дома могут возникнуть сбои, которые повлекут за собой значительные затраты.

Читайте также:  9 лучших бензиновых культиваторов для дачи

Самостоятельное изготовление теплового насоса

Учитывая достаточно высокую стоимость данного оборудования у многих самодельщиков возникает соблазн собрать его своими руками, используя подручные агрегаты и комплектующие. Что следует сказать по этому поводу?

Теперь посмотрим, можно ли собрать тепловой насос своими руками. Для этого нужен практический опыт мастера-холодильщика, поскольку заполнение системы фреоном и ее опрессовку новичок выполнить не сможет.

Изготовление установки на базе агрегатов от старого холодильника или кондиционера можно рассматривать лишь как демонстрационный вариант, не имеющий практической ценности из-за низкой эффективности.

В интернете тиражируется руководство по сборке теплового насоса на базе компрессора от кондиционера, емкости из нержавейки (конденсатор) и пластиковой бочки (испаритель). Назвать эту инструкцию серьезным подспорьем для самостоятельной работы нельзя.

Рекомендации при монтаже своими руками

Сделать тепловой насос для отопления дома своими руками (рис. 5) можно, но при этом нужно помнить, что если не провести правильные расчеты, то установка не будет функционировать, так как нужно. Работа по сборке насоса своими руками должна осуществляться в соответствии с чертежом. Чертеж рисуется уже с учетом всех расчетов мощности.

Рис. 5 Пример теплового насоса, сделанного своими руками

При расчете мощности нужно учитывать такие факторы:

  • Площадь дома, объем помещений;
  • Расчет теплопотерь;
  • Нужный температурный режим;
  • Учет всех материалов, из которых построен дом;
  • Все необходимые контуры и точки разбора;
  • Система вентиляции.

Статьи по теме: Тепловой насос грунт-вода

Тепловые насосы: плюсы и минусы — грунтовых, водяных, воздушных

Плюсы и минусы тепловых насосов – вот что интересует многих. Действительно, если вы решили организовать с помощью такого оборудования отопления дома и ГВС, необходимо знать всю правду о нем. В противном случае, велик риск обжечься.

Тепловые насосы набирают популярность благодаря экономичности и экологичности. Их часто используют для отопления дома, так как принцип работы теплового насоса позволяет получать больше тепла, чем потреблять электроэнергии. В этой публикации мы рассмотрим их позитивные и негативные стороны.

Виды тепловых насосов

В зависимости от среды, из которой черпается тепловая энергия, все тепловые насосы можно разделить на три категории:

  • Грунтовые (геотермальные) – получают тепло из земли и грунтовых вод.
  • Водяные – работают за счет тепла, накопленного в водоемах
  • Воздушные – извлекают тепловую энергию из воздуха в окружающей среде

Каждый вид можно разделить на отдельные типы, такие как грунт-вода, грунт-воздух, воздух-вода, воздух-воздух, вода-вода и вода-воздух. Из названия следует, откуда будет получать энергию и что будет нагревать тепловой насос.

Существуют более экзотические типы, такие как фреон-вода, лед-вода и абсорбционные. Но они не распространены, их не применяют для отопления жилья.

Особенности работы

В отличие от котлов, конвекторов и других типов нагревателей, тепловой насос не производит тепло. Он переносит его из одной среды в другую. К примеру, тепловой насос воздух-вода охлаждает воздух за пределами здания и нагревает воду в бойлере. Благодаря этому можно добиться эффективности более 100%.

Тепловой насос потребляет электроэнергию и генерирует тепло. Соотношение этих показателей характеризует его производительность. Но реальный КПД теплового насоса может существенно колебаться. Чем меньше температура на входе и выше на выходе, тем ниже эффективность.

Так выглядит график эффективности воздушного теплового насоса в зависимости от температуры воздуха. Некоторый разброс — это и есть зависимость КПД от того, насколько большой была разница температур.

Экономия от теплового насоса

Противники тепловых насосов часто говорят, что они имеют большой срок окупаемости, но при этом не учитывают трех фактов:

  1. Стоимость топлива постоянно дорожает, будь то уголь, дрова или газ
  2. Цена подключения к газу часто гораздо выше, чем цена теплового насоса и его установки
  3. Тепловой насос имеет большой срок эксплуатации

То, что отапливать тепловым насосом выгоднее чем электричеством – это факт. Но насколько велика эта выгода? Однозначного ответа на этот вопрос нет. Правда о тепловых насосах такова – в каждом конкретном случае не обойтись без расчетов. В некоторых случаях могут перевесить недостатки тепловых насосов, а в других – преимущества.

Чтобы просчитать нюансы нужно знать, какое обслуживание нужно в процессе эксплуатации, сколько лет в среднем работает выбранная моде, какое количество теплоты потребуется для обогрева квадратного метра (а в некоторых случаях – кубического метра). Если использовать твердое топливо или газ – стоит учитывать их стоимость и стоимость оборудования (газового котла, печи, камина и т.д.).

Практика показывает, что средняя экономия при использовании теплового насоса грунт-вода и использовании теплых полов составляет 400-700% по сравнению с электрическими теплыми полами.

Плюсы и минусы

Рассмотрим по отдельности три вида, которые чаще используют для отопления коттеджей, домов, дач и вообще любого частного жилья.

Воздушный тепловой насос: плюсы и минусы

Стоимость воздушных тепловых насосов ниже чем у других типов за счет простоты конструкции. По сути, это кондиционер, но имеющий высокую надежность, производительность и способный работать при экстремально низких и высоких температурах. Монтаж теплового насоса прост и не требует проведения сложных работ.

Чем холоднее на улице, тем ниже эффективность (КПД). При очень низких температурах (в зависимости от модели и производителя) перестает вырабатывать тепло. Есть модели, способные работать и при -35, но они слишком дороги.

Читайте также:  Как выбрать газонокосилку – важные моменты при выборе

Тепловой насос воздух-воздух, это тот же кондиционер. Но его стоимость выше, ведь он нормально функционирует при низких температурах. Например, средней руки кондиционер не будет эффективно работать на обогрев при 0 градусов, а тепловой насос сможет не только обогревать помещение, но и позволит сэкономить.

Основные характеристики

При выборе модели ТН следует учитывать:

  • выходную тепловую мощность;
  • коэффициент трансформации тепловых насосов;
  • условный кпд;
  • годовую эффективность и издержки.

Выходная мощность

При создании нового проекта дома учитывают его потребности в тепле с учетом конструктивных особенностей материалов, создающих теплопотери через стены, окна, двери, потолок и пол помещений различных габаритов. Расчет учитывает создание комфорта при самых низких морозах в конкретной местности.

Потребляемая тепловая мощность здания выражается в кВт. Она должна покрываться вырабатываемой энергией теплового насоса. Однако часто при расчетах делают упрощение, позволяющее экономить: длительность самых холодных дней в течение года не превышает нескольких недель. На этот период подключается дополнительный источник тепла, например, ТЭНы, подогревающие воду в работают только в критических ситуациях при морозах, а в остальное время отключены. Это позволяет использовать ТН с меньшими мощностями.

Возможности конструкций

Для справки. Модели выходной мощности 6÷11 кВт «рассольно-водяных» схем способны нагревать воду встроенных баков в относительно небольших постройках. Мощность в 17 кВт достаточна для поддержания температуры воды 65ºС у котла с емкостью 230÷440 литров. Потребности в тепле средних по величине зданий покрывают мощности 22÷60 кВт.

Коэффициент трансформации тепловых насосов Ктр

Он определяет эффективность конструкции по безразмерной формуле:

Kтр=(Твых-Твх)/Твых

Величина «Т» обозначает температуру теплоносителей на выходе и входе в конструкцию.

Коэффициент преобразования энергии (ͼ)

Его рассчитывают для определения доли полезной мощности тепла по отношению к приложенной энергии на компрессор.

ͼ=0,5Т/(Т-То)=0,5(ΔТ+То)/ΔТ

Для этой формулы температура потребителя «Т» и источника «То» определяется в градусах Кельвина.

Величину ͼ можно определить по количеству затраченной энергии на работу компрессора «Рэл» и полученной полезной теплопроизводительности «Рн». В этом случае его называют «СОР» по сокращению от английского термина «Coefficient of perfomance».

ͼ=Рн/Рэл

Коэффициент ͼ — переменная величина, зависимая от перепада температур между источником и потребителем. Он обозначается цифрами от 1 до 7.

Условный КПД

Некоторые продавцы в рекламных целях «называют» показатель СОР термином КПД и заявляют, что он больше единицы и составляет 400 или 500%.

Это неверное утверждение: коэффициент полезного действия учитывает потери мощности при работе конечного его определения надо выходную тепловую мощность разделить на приложенную с учетом энергии геотермальных источников. При таком расчете вечного двигателя не получится.

Годовая эффективность и издержки

Коэффициент СОР оценивает работу теплового насоса в определенный момент времени при конкретных условиях эксплуатации. Чтобы проанализировать работу ТН, введен показатель эффективности системы за год (β).

β=Qwp/WeІ

Здесь символ Qwp обозначает величину тепловой энергии, произведенной за год, а Wel — значение потребленного электричества установкой за то же время.

Показатель издержек Eq

Эта характеристика обратна показателю эффективности.

Eq=1/β

Для определения характеристик ТН используется специализированное программное обеспечение и заводские стенды.

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

Укладку коллектора в грунт можно произвести тремя способами.

Горизонтальный вариант

Трубы укладываются в траншеи «змейкой» на глубину, превышающую глубину промерзания грунта (в среднем – от 1 до 1,5 м).

Для такого коллектора потребуется участок земли достаточно большой площади, но зато его может построить любой домовладелец – никаких навыков, кроме умения работать лопатой, не понадобится.

Следует, правда, учесть, что сооружение теплообменника ручным способом – довольно трудоемкий процесс.

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

Вертикальный вариант

Трубы коллектора в виде петель, имеющих форму литеры «U», погружаются в скважины глубиной от 20 до 100 м. При необходимости можно построить несколько таких скважин. После установки труб скважины заливают цементным раствором.

Достоинство вертикального коллектора состоит в том, что для его строительства нужен совсем небольшой участок. Однако, пробурить скважины глубиной более 20 м самостоятельно нет никакой возможности – придется нанимать бригаду бурильщиков.

Комбинированный вариант

Этот коллектор можно считать разновидностью горизонтального, но для его строительства потребуется гораздо меньше места.

На участке выкапывается круглый колодец глубиной от 2-х м.

Трубы теплообменника укладываются спиралью, так что контур представляет собой как бы вертикально установленную пружину.

По завершении монтажных работ колодец засыпают. Как и в случае с горизонтальным теплообменником, весь необходимый объем работ можно произвести своими руками.

Коллектор заполняется антифризом – тосолом или раствором этиленгликоля. Для обеспечения его циркуляции в контур врезается специальный насос. Вобрав в себя тепло грунта, антифриз поступает к испарителю, где происходит теплообмен между ним и хладагентом.

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

Следует учесть, что неограниченный отбор тепла из грунта, особенно при вертикальном расположении коллектора, может привести к нежелательным последствиям для геологии и экологии участка. Поэтому в летний период ТН типа «грунт – вода» весьма желательно эксплуатировать в реверсивном режиме – кондиционирование.

Газовая система отопления имеет массу преимуществ и одно из главных – низкая стоимость газа. Как обустроить обогрев жилища газом, вам подскажет схема отопления частного дома с газовым котлом. Рассмотрим проект отопительной системы и требования к замещению.

Об особенностях выбора солнечных батарей для отопления дома читайте в этой теме.