Тепловой насос как сэкономить

Особенности и принцип работы ТН

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

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

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

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

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

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

Принцип действия тепловых насосов

Из школьного курса физики, вспоминая второй закон термодинамики, доподлинно известно, что тепло от горячего тела передается холодному без каких бы то ни было механизмов. Фокус в том, как передать тепло в обратном направлении? Для этого нам потребуется теплоноситель и и ряд действий обеспечивающих результат.

Именно эти действия нам и поможет совершить тепловой насос. Затраты электроэнергии на работу теплового насоса пропорционально зависят от разницы значений температур между средами, участвующих в этом процессе.

Вам доводилось дотронуться до черной решетки холодильника сзади? Убедиться в том, что задняя стенка очень горячая может любой желающий. Направив на черную решетку лазерный пирометр, видно что ее температура на поверхности составляет порядка 40°С. Таким образом, инженеры хладогенерирующего оборудования утилизируют изнутри морозильной камеры ненужное тепло.

Известно, что в конце сороковых годов прошлого столетия изобретатель Роберт Вебер обратил внимание на бесполезный обогрев воздуха радиатором холодильника. Изобретатель подумал и подсоединил к нему бойлер косвенного нагрева. В результате Роберт снабдил домочадцев горячей водой в необходимом объеме. Именно тогда, энтузиаст и задумался, каким образом “вывернуть” холодильник на изнанку и трансформировать охладительное устройство в отопительный прибор. Надо признать, у него получилось.

Принцип работы теплового насоса основывается на том, что под землей в любое время года, опустившись ниже отметки уровня промерзания мы наткнемся на температуру выше нуля. Получается, непромерзаемый земельный слой находится прямо у нас под ногами. А что, если использовать его в качестве задней стенки морозильной камеры?

Тогда морозильной камерой можно считать окружающую атмосферу. Разницу температур между ними и используют геотермальные насосы конвертируя в энергию для отопления дома.

Применяя принцип работы холодильного оборудования, для переноса тепла из подземелья в домашнее пространство используется система труб по которым осуществляется циркуляция хладагента. Хладоны Фреона нагреваются подземельным теплом и начинают испаряться. Холодный воздух снаружи его охлаждает, в результате чего фреон конденсируется.

Нагревая тепло чередуя циклы испарения и нагрева тепловой насос заставляет циркулировать хладагент. Компрессор создает давление, заставляя двигаться фреон по трубкам двух теплообменников.

В первом тепловом обменнике фреон испаряется при низком давлении, во время которого происходит поглощение тепла из атмосферы непосредственного окружения. Затем тот же хладагент сжимается компрессором под высоким давлением и перемещается во вторую катушку, где он конденсируется. Затем он выделяет тепло, поглощенное ранее в цикле.

Основную роль в процессе играет повышающий компрессор. Увеличивая давление, фреон конденсируясь выдает больше жара, чем получил от теплой земли. Таким образом, грунтовые плюсовые значения в 7°С и преобразовывается в комфортные домашние условия 24°С.

Хочется заметить, что вся конструкция не требует специально выделенной линии электропроводки. Потребляемая мощность сопоставима с расходом энергии бытового электро чайника. Фокус в том, что тепловой насос “добывает” тепловой энергии в четыре раза больше, чем потребляет электричества. На отопление коттеджа в 300 м2, в лютый – 30°С мороз будет затрачено не более 3 кВт.

Впрочем, владельцу геотермального насоса придется заметно раскошелиться в начале. Стоимость оборудования и материалов на подключение составляет не менее 4 500 долларов. Прибавим монтажные работы и бурение, еще столько же, выходит что самая простая система обойдется в 10 тысяч долларов.

Понятно, что электрический котел будет стоить дешевле на порядок. Но платить ежемесячно из расчета 1 кВт на 10 м2 придется в любом случае. Вот и получается, что на 300 кв. метров дома уйдет 30 кВт — в 10 раз больше чем будет потрачено на тепловой насос.

Расчеты по отоплению газом с помощью газового котла, дают примерно тот же порядок цифр — 2000 рублей в месяц, что сравнимо с эксплуатацией теплового насоса. К сожалению не все проживают в газифицированном районе.

Теплового насос, обладает неоспоримым преимуществом. Такую “морозильную камеру наоборот” в летний период можно “вывернуть” на изнанку и легким движением руки — тепловой насос превращается в кондиционер. На улице в жаркие деньки 30°С, а в подземелье царит прохлада. Используя трубки заполненные теплоносителем, насос перенесет холод подземелья в жилище. Далее в работу включается вентилятор, таким образом мы получаем экономную систему охлаждения.

Практика эксплуатации указывает на сроки окупаемости от 3 до 7 лет. Скандинавские страны давно посчитали прибыль и отапливаются этим методом. Ярким примером может служить гигантский тепловой насос в Стокгольме, геотермальное оборудование. Источником тепловой энергии в зимний период и прохлады в летний, служат воды балтийского моря. В полной мере к тепловому насосу относится лозунг: плати сейчас – экономь потом! Экономия становится все больше, в силу того, что энергоносители дорожают.

К сожалению не все так радужно с эффективностью на сегодняшний день. Одним из главных вопросов, мучающих потребителя остается: покупать или не покупать тепловой насос. Наш совет, тщательно взвешивайте все за и против, скорее всего вариант покупки обычного электрического котла по итогам эксплуатации обойдется дешевле, а установка проще.

Если рассматривать тепловой насос как концепт будущего, как новую идею генерации тепла — однозначно инженерная мысль заслуживает уважения. Геотермальное оборудование работает, его можно потрогать руками, с каждым годом оно становится все более эффективно. Однако, если мы посчитаем, сколько денег мы потратим на его работу, прибавим первоначальные затраты на покупку и монтаж, то скорее всего получим сумму показывающую, что мы потратим на него гораздо больше финансов, чем на любой другой вид тепло генерирующего устройства.

Рассматривая тепловой насос как экономическую систему, когда затратив на его работу 100 рублей, вы получаете тепловой энергии на 300 рублей, не забывайте о том, что за право получения сверхприбыли в 200 рублей, вы заплатили большие деньги. К слову сказать, в том же Евросоюзе, продажи тепловых насосов поддерживаются государственными программами.

Так в Финляндии, ежегодно продается более 60 тысяч тепловых насосов и число продаж растет 5% темпами. Но во первых, экономический эффект применения подобного оборудования там выше по причине дорогой электроэнергии. Стоимость электроэнергии в Финляндии 35 евро центов, в сравнении с Россией – 7 евро центов. Во вторых программа субсидирования предполагает возмещение на покупку теплового насоса в размере 3 000 EURO.

До тех пор, пока существуют низкие цены на газ и электричество, внедрение теплового насоса в качестве основного конкурента остается трудно выполнимой задачей. Массовое потребление станет возможным, только в случае кризисной ситуации с добычей углеводородов или кризиса с генерацией электроэнергии.

Имея в своем доме холодильники и кондиционеры, мало кто знает — принцип работы теплового насоса реализован именно в них.

Около 80% мощности, которую дает тепловой насос, приходится на тепло окружающей среды в виде рассеянного солнечного излучения. Именно его насос просто «перекачивает» с улицы в дом. Работа теплового насоса подобна принципу работы холодильника, вот только направление переноса тепла иное.

Проще говоря…

Чтобы охладить бутылку минеральной воды, Вы ее ставите в холодильник. Холодильник должен «забрать» у бутылки часть тепловой энергии и, согласно закону сохранения энергии, ее куда-то переместить, отдать.

Холодильник переносит теплоту на радиатор, обычно расположенный на задней его стенке. При этом радиатор нагревается, отдавая свое тепло в помещение. Фактически он отапливает помещение.

Это особенно заметно в маленьких минимаркетах летом, при нескольких включенных холодильниках в помещении.

Радиатор холодильника будет находиться в помещении. В процессе работы холодильник будет охлаждать воздух на улице, перенося в помещение «забранную» теплоту. Так и работает тепловой насос, забирая рассредоточенное тепло у окружающей среды и перенося его в помещение.

Тепловой насос. Внешний воздушно-водяной контур

Принцип работы теплового насоса базируется на «эксплуатации» естественных низкопотенциальных источников тепла из окружающей среды.

Распределение солнечной энергии

Ими могут быть:

• просто наружный воздух;
• тепло водоемов (озер, морей, рек);
• тепло грунта, грунтовых вод (термальных и артезианских).

Геотермальный тепловой насос. Принцип работы

Тепловой насос интегрирован в систему отопления, которая состоит из 2-х контуров третий контур — система самого насоса. По внешнему контуру циркулирует незамерзающий теплоноситель, который забирает на себя тепло из окружающего пространства.

Попадая в тепловой насос, точнее его испаритель, теплоноситель отдает в среднем от 4 до 7 °C хладагенту теплового насоса. А его температура кипения составляет -10 °C. Вследствие этого хладагент закипает с последующим переходом в газообразное состояние. Теплоноситель внешнего контура, уже охлажденный уходит на следующий «виток» по системе для набора температуры.

В составе функционального контура теплового насоса «числятся»:

• испаритель;
• компрессор (электрический);
• капилляр;
• конденсатор;
• хладагент;
• терморегулирующее управляющее устройство.

Процесс выглядит приблизительно так!

«Закипевший» в испарителе хладагент по трубопроводу поступает в компрессор, работающих от электроэнергии. Этот «трудяга» сжимает газообразный хладагент до высокого давления, что, соответственно, приводит к повышению его температуры.

Теперь уже горячий газ далее попадает во другой теплообменник, который называется конденсатором. Здесь тепло хладагента передается воздуху помещения или теплоносителю, который циркулирует по внутреннему контуру системы отопления.

Делаем геотермальную установку

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

1. Насосы типа «воздух-воздух» наиболее близки к традиционным сплит-системам, разница состоит в площади наружного испарителя. Аппарат отнимает теплоту окружающей среды и напрямую передает воздуху помещения, как происходит в обычном кондиционере.
2. Конструкция генераторов «воздух–вода» идентична, но предусматривает нагрев воды либо антифриза, циркулирующего по системе отопления жилого дома.
3. Установка типа «вода-вода» берет низкопотенциальное тепло водоема и передает жидкому теплоносителю. Здесь применяется дополнительный внешний теплообменник из труб, погруженный в колодец, озеро, скважину или канализационный септик. Циркуляцию воды через испаритель обеспечивает второй насос.
4. Геотермальный ТН использует теплоту грунта и нагревает внутридомовой теплоноситель. Внешний теплообменный контур представляет собой змеевик с антифризом, заглубленный на 1.5—2 м и занимающий большую площадь. Второй вариант – несколько вертикальных зондов из труб, опущенных внутрь скважин на глубину 10—100 метров.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Помимо внешнего блока «сплита» понадобятся следующие материалы:

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

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

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

Порядок сборки основного блока ТН:

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

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

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

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

Какой ТН лучше собирать

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

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

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

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

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

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

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

Простейший тепловой насос из оконного кондиционера

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

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

1. Снимите верхний кожух агрегата и открутите внешний теплообменник от поддона. Аккуратно отодвиньте радиатор, стараясь не перегибать трубки с хладагентом.
2. Снимите наружную крыльчатку с общего вала.
3. Изготовьте металлический бак по длине внешнего теплообменника, ширину сделайте на 10—15 см больше. В боковые стенки врежьте штуцеры подачи проточной воды.
4. Чтобы радиатор не обмерзал, увеличьте площадь обмена, добавив по бокам пластины из меди либо алюминия (в зависимости от материала теплообменника).
5. Погрузите радиатор в бак, желательно без разрезания фреоновых трубок. Сделайте герметичную крышку и уплотните вводы контура.
6. Подсоедините к штуцерам шланги подачи и отбора воды, подключите циркуляционные насосы. Наполните и проверьте бак на герметичность.

Заключение

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