Виды тепловых насосов для отопления дома. Методы и программы расчета мощности теплового насоса для отопления дома Как мне построить тепловой насос дома

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный экономический университет

Институт сервиса автотранспорта, коммунальной и бытовой техники

Кафедра «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения»

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: Расчет тепловых насосов

по дисциплине: «Бытовые машины и приборы»

Работу выполнил: Мельник А.О.

Работу проверил: Лепеш Г.В.

Санкт-Петербург - 2014 г.

1. Источники тепла. Геотермальные тепловые насосы

2. Принцип действия теплового насоса

3. Пять преимуществ тепловых насосов перед традиционными видами отопления

4. Эффективность применения теплового насоса

5. Сравнение текущих расходов на отопление для населения по состоянию на август 2008

6. Капитальные затраты

7. Некоторые справочные данные

8. Примеры для расчета

1. Источники тепла. Геотермальные тепловые насосы

Как известно, геотермальные 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 3-7.

Говоря более точно, источниками низкопотенциального тепла могут быть наружный воздух температурой от -15 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).

Если в качестве источника тепла выбран атмосферный или вентиляционный воздух, применяются тепловые насосы, работающие по схеме «воздух-вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.

При использовании в качестве источника тепла грунтовой воды она подается из скважины с помощью насоса в теплообменник насоса, работающего по схеме «вода-вода», и либо закачивается в другую скважину, либо сбрасывается в водоем.

2. Принцип действия теплового насоса

Тепловой насос, принцип работы которого построен на цикле Карно по сути - тепловой двигатель, который, в отличие от традиционного процесса горения, позволяет обеспечивать теплоснабжение объекта за счет тепла окружающей среды или возвратного (сбросное) тепла технологических процессов. Важным фактором является чрезвычайно низкое потребление тепловым насосом энергии для своей работы - затрачивая 1 кВт электричества, тепловой насос способен генерировать 4кВт тепла. Для некоторых типов тепловых насосов этот показатель может быть и выше. Говоря иначе, принцип действия теплового насоса основан на переносе тепловой энергии от низкопотенциального источника (вода, воздух, земля) к потребителю (теплоносителю) за счет затраты энергии на преобразование рабочего тела. Схематично тепловой насос можно представить из четырех основных элементов: испарителя, компрессора, конденсатора и сбросного клапана. С рабочим контуром самого теплового насоса связаны еще два контура: первичный (внешний), в котором циркулирует рабочая среда (вода, антифриз или воздух), отбирающая тепло окружающей среды (земля, воздух, вода), и вторичный - вода в системах отопления и горячего водоснабжения.

Принцип работы тепловых насосов базируется на способности рабочего тела, которым является жидкость, способная закипать и испаряться даже при минусовой температуре (например, фреон). Температура низкопотенциального источника энергии, воспринимаемая испарителем, выше температуры кипения фреона при соответствующем давлении. Вследствие теплоотдачи фреон вскипает и переходит в газообразное состояние. Пары фреона поступают в компрессор, в котором сжимаются. При этом его давление и температура увеличивается. Затем горячий и сжатый фреон направляется в конденсатор, охлаждаемый теплоносителем. На охлажденных поверхностях конденсатора пары фреона конденсируются, переходя в жидкое состояние, а его теплота передается теплоносителю, который в дальнейшем используется в системах отопления и горячего водоснабжения. Жидкий фреон направляется в сбросной клапан, проходя через который он снижает давление и температуру и снова возвращается в испаритель. Цикл при этом завершается и будет автоматически повторяться, пока работает компрессор.

3. Пять преимуществ тепловых насосов перед традиционными видами отопления

Экономичность - высокий коэффициент мощности - на производство 4-х кВт тепловой энергии идет 1 кВт электроэнергии, т.е. три из полученных киловатта потребителю обойдутся бесплатно - это тепло, отобранное насосом из окружающей среды. На практике это означает ежегодную экономию затрат на эксплуатацию.

Универсальность - с помощью теплового насоса можно решить не только задачу топления, но и охлаждения.

Независимость от наличия источника тепла.

Исключительная долговечность - единственный элемент, который подвергается механическому износу - это компрессор

Пожарная и экологическая безопасность - получение тепла не сопровождается процессом горения.

Источники тепла для тепловых насосов

В системах теплоснабжения объектов любого функционального назначения в качестве источников низкопотенциальной тепловой энергии могут быть использованы естественные, непрерывно возобновляемые ресурсы Земли:

Атмосферный воздух

Поверхностные водоемы и грунтовые воды

Грунт ниже глубины промерзания.

В качестве искусственных, техногенных источников низкопотенциального тепла могут выступать:

Удаляемый вентиляционный воздух

Сточные воды системы канализации

Промышленные сбросы технологических вод

Разновидности тепловых насосов

Тип теплового насоса определяется типом того источника тепла, который он использует как первичный. Напомним, что первичный источник тепла может быть как естественного, природного происхождения (грунт, вода, воздух), так и промышленного (удаляемый вентиляцией воздух, технологические и очищенные сточные воды).

Тепловые насосы типа «воздух-вода»

Окружающий атмосферный воздух особенно привлекателен для использования в качестве источника тепла, он имеется повсеместно и неограниченно. Воздушные тепловые насосы не требуют ни горизонтальных коллекторов, ни вертикальных зондов. Компактный наружный блок эффективно отбирает тепло воздуха и органично вписывается в любой интерьер. Тепловые насосы «воздух-вода» способны работать круглый год, как зимой, так и летом. Однако при температурах ниже -15С система отопления должна быть дополнена вторым отопительным прибором, например, газовым или твердотопливным котлом. Преимущество - снижение инвестиционных затрат по сравнению с другими типами тепловых насосов за счет отсутствия вспомогательных земляных работ, простота конструкции для использования в целях и отопления, и охлаждения. Недостаток - температурный лимит первичного источника тепла. Коэффициент мощности - 1,5-2.

Тепловые насосы типa «вода-вода»

Грунтовые воды - хороший аккумулятор солнечной тепловой энергии. Даже в зимний период дни они сохраняют постоянную положительную температуру (например, для Северо-Западного региона этот показатель находится на уровне +5+7°С). Однако, на наш взгляд, наилучшие перспективы применения имеют тепловые насосы, работающие на тепле сточных и технологических вод. Непрерывный водный поток, его высокий температурный уровень гарантируют постоянно высокий коэффициент мощности. Для промышленных предприятий инвестиции в теплонаносную установку сразу же, с момента запуска, обеспечат экономию средств на отопление и сократят зависимость от централизованных сетей теплообеспечения. В этом случае сбрасываемое в стоки тепло, по сути - источник дополнительного дохода, который без использования теплового насоса был бы невозможен. Преимущество - стабильность работы. Недостаток - для стабильной работы необходим постоянный поток вод удовлетворительного качества. Коэффициент мощности - 4-6.

Тепловые насосы типа «грунт-вода»

Тепловая энергия Солнца воспринимается грунтом либо непосредственно в форме радиации, либо косвенно в форме тепла, получаемого с дождем или от воздуха. Аккумулированное грунтом тепло отбирается либо вертикальным грунтовыми зондами, либо горизонтально проложенными грунтовыми коллекторами. Насосы этого типа также называют геотермальными тепловыми насосами. Преимущество - стабильность работы и самый высокий теплосъем среди всех типов тепловых насосов. Недостаток - относительно высокая стоимость буровых работ в случае геотермального теплового насоса и большая площадь для размещения горизонтальных грунтовых коллекторов (при потребности в тепле около 10 кВт и сухом глинистом грунте площадь коллектора должна быть не менее 450 м кв). Коэффициент мощности 3-5.

геотермальный тепловой насос отопление

4 . Эффективность применения теплового насоса

Можно сократить общий расход газа более чем в два раза, либо при наличии альтернативных источников электроэнергии отказаться от него вообще, то для конкретных объектов в настоящее время много зависит от тарифной политики государства, расположения, теплоизоляционных свойств объекта и т. д.

5 . Сравнение текущих расходов на отопление для населения по состоянию на август 2008

Тарифы: 1000 м. куб. газа -- 300 долл. США

1 квт.ч. электроэнергии -- 0,1 долл. США

Для обычного чугунного напольного котла с кпд = 0,82 из 1000 м. куб. газа получим:

1000 * 9,1 квт.ч. м. куб. * 0,82 = 7462 квт.ч. тепла

Для суперсовременного конденсационного котла с кпд = 1,05 -- 9555 квт.ч. тепла.

Для получения такого же количества тепла с помощью среднеэффективного универсального ТН нужно в первом случае:

7462 / 4,5 = 1658 квт.ч. электроэнергии стоимостью 166 долл.

во втором:

9555 / 4,5 = 2123 квт.ч., стоимостью 212 долл.

Уменьшение затрат по сравнению со стоимостью газа (300 долл.) соответственно:

(300 - 166) / 300 -- 45%

(300 - 212) / 300 -- 29%

США (Вермонт)

1000 м. куб. -- 350 долл.

1 квт.ч. электроэнергии -- 0,12 долл.

Экономия 27--43%.

Беларусь

1000 м. куб. -- 141 600 руб. = 66 долл.

1 квт.ч. электроэнергии -- 74,7 руб. = 0,0349 долл.

Это если использовать утвержденные 2007 г. во многих странах дифференцированные по времени тарифы, т.е. отключать ТН в периоды максимальных нагрузок энергосистемы с 8.00 по 11.00 и с 19.00 по 22.00, что реально с использованием аккумуляторов тепла. Экономия по сравнению с обычным газовым котлом - всего до 12%. Но это сегодня. Ситуация когда газ продается по 200-230$ не может продолжаться долго. Вероятно что-то подобное будет введено и в Молдове.

6 . Капитальные затраты

Стоимость самого теплового насоса значительно выше стоимости газового котла, что впрочем не сильно изменит общую смету при новом строительстве приличного коттеджа. Цены практически сравниваются при необходимости строительства 200--300 м. газопровода. Если строится не временный фанерный домик, а капитальное строение для детей и внуков, будет некрасиво оставить им в наследство зависимость от давления в газовой трубе. Уж что-что, а электричество в стране будет всегда. А вот с газом могут возникнуть проблемы уже в ближайшем будущем. Знаменитый монополист Газпром, имеющий десятки миллиардов долларов долгов, не от хорошей жизни стремительно повышает цены на газ не только для ближайших союзников, но и для внутрироссийских потребителей. Просто не на что производить разведку и освоение новых месторождений, латать построенные еще при СССР трубопроводы. Особенно когда его основные доходы от экспорта газа в Европу через Украину тихо уплывают в неизвестном направлении через швейцарских учредителей фирмы-экспортера «УкрГазэнерго» и никого в Молдове это не волнует. Других же поставщиков у нас нет и не предвидится.

7 . Некоторые справочные данные

Справочные данные.

1. Прогноз цен на природный газ:

2. Ориентировочная зависимость необходимой теплопроизводительности ТН от площади дома с хорошими теплоизоляционными свойствами:

В каждом конкретном случае производится индивидуальный расчет по теплопотерям здания. Для уменьшения капитальных затрат часто ТН используют в бивалентном режиме. Параллельно ему устанавливается, или при реконструкции оставляется дополнительный пиковый нагреватель на любом виде топлива, который включается в работу в самые холодные дни, каких у нас не так уж много. По данным Гидрометеоцентра усредненная температура по Молодовы для января - 4,8°С, для периода декабрь - февраль - 4,0°С. В самый холодный год за всю историю наблюдений (2006) она составила - 8,6 ... - 5,7°С в те же периоды.

При таком подключении ТН может либо отключаться, если он становится неэффективным (например «воздух--вода» при больших отрицательных температурах наружного воздуха), либо работать

Если источник - водоем, на его дно укладывается петля из металлопластиковой или пластиковой трубы. По трубопроводу циркулирует раствор гликоля (антифриз), который через теплообменник теплового насоса передает тепло фреону.

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. По данным зарубежных компаний, срок службы траншей и скважин составляет более 100 лет.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

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:

Vs = Qo·3600 / (1,05·3,7·.t),

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:

Qo = Qwp - P, кВт.

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).

Пример расчета теплового насоса

Исходные условия: теплопотребность коттеджа площадью 120-240 м2 (в зависимости от теплоизоля- ции) - 12 кВт; температура воды в системе отопления должна быть 35 °С; минимальная температура теплоносителя - 0 °С. Для обогрева здания выбран тепловой насос мощностью 14,5 кВт (ближайший больший типоразмер), затрачивающий на нагрев фреона 3,22 кВт. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина) q равняется 20 Вт/м. В соответствии с показанными выше формулами рассчитываем:

1) требуемую тепловую мощность коллектора Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 кВт;

2) суммарную длину труб L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 м. Для организации такого коллектора потребуется 6 контуров длиной по 100 м;

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

4) общий расход гликолевого раствора Vs = 11,28·3600/ (1,05·3,7·3) = 3,51 м3/ч, расход на один контур равен 0,58 м3/ч.

Для устройства коллектора выбираем трубу из полиетилена высокой плотности (HDPE) типоразмера 32. Потери давления в ней составят 45 Па/м; сопротивление одного контура - примерно 7 кПа; скорость потока теплоносителя - 0,3 м/с.

Расчет зонда

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.

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 11,28 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 26Ч3; 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.

Выбор оборудования

Поскольку температура антифриза может изменяться (от -5 до +20 °С) в первичном контуре тепло насосной установки необходим расширительный бак.

Рекомендуется также установить на возвратной линии накопительный бак: компрессор теплового насоса работает в режиме «включено-выключено». Слишком частые пуски могут привести к ускоренному износу его деталей. Бак полезен и как аккумулятор энергии - на случай отключения электроэнергии. Его минимальный объем принимается из расчета 10-20 л на 1 кВт мощности теплового насоса.

При использовании второго источника энергии (электрического, газового, жидко- или твердотопливного котла) он подключается к схеме через смесительный клапан, привод которого управляется тепловым насосом или общей системой автоматики.

В случае возможных отключений электроэнергии нужно увеличить мощность устанавливаемого теплового насоса на коэффициент, рассчитываемый по формуле: f = 24/(24 - tоткл), где tоткл - продолжительность перерыва в электроснабжении.

В случае возможного отключения электроэнергии на 4 ч этот коэффициент будет равен 1,2.

Мощность теплового насоса можно подбирать исходя из моновалентного или бивалентного режима его работы. В первом случае предполагается, что тепловой насос используется как единственный генератор тепловой энергии.

Следует принимать во внимание: даже в нашей стране продолжительность периодов с низкой температурой воздуха составляет небольшую часть отопительного сезона. Например, для центрального региона Молдовы время, когда температура опускаетсяниже -10 °С, составляет всего 900 ч (38 сут), в то время, как продолжительность самого сезона - 5112 ч, а средняя температура января составляет примерно -10 °С. Поэтому наиболее целесообразной является работа теплового насоса в бивалентном режиме, предусматривающая включение дополнительного теплогенератора в периоды, когда температура воздуха опускается ниже определенной: -5 °С - в южных регионах Молдовы, -10 °С - в центральных. Это позволяет снизить стоимость теплового насоса и, особенно, работ по монтажу первичного контура (прокладка траншей, бурение скважин и т.п.), которая сильно увеличивается при возрастании мощности установки.

В условиях Молдовы для примерной оценки при подборе теплового насоса, работающего в бивалентном режиме, можно ориентироваться на соотношение 70/30: 70 % потребности в тепле покрываются тепловым насосом, а оставшиеся 30 - электрическим котлом или другим теплогенератором. В южных регионах можно руководствоваться соотношением мощности теплового насоса и дополнительного генератора тепла, часто используемым в Западной Европе: 50 на 50.

Для коттеджа площадью 200 м2 на 4 человек при тепловых потерях 70 Вт/м2 (при расчете на -28 °С наружной температуры воздуха) потребность в тепле будет 14 кВт. К этой величине следует добавить 700 Вт на приготовление санитарной горячей воды. В результате необходимая мощность теплового насоса составит 14,7 кВт.

При возможности временного отключения электричества нужно увеличить это число на соответствующий коэффициент. Допустим, время ежедневного отключения - 4 ч, тогда мощность теплового насоса должна быть 17,6 кВт (повышающий коэффициент - 1,2). В случае моновалентного режима можно выбрать тепловой насос типа «грунт-вода» ALTAL GWHP19 мощностью 19 кВт, потребляющий 5,3 кВт электроэнергии или более новый, с более высоким коэфициентом преобразрвания, тепловой насос с многокомпрессорной системой, GWHP16С (компрессоры Copeland, контроллер Carel, улучшенные теплообменники нового поколения, система резервирования, мягкий пуск и пр).

В случае использрвания бивалентной системы с дополнительным электрическим нагревателем и температурой уставки -10 °С с учетом необходимости получения горячей воды и коэффициента запаса, мощность теплового насоса должна быть 11,4 Вт, а электрического котла - 6,2 кВт (в сумме - 17,6). Потребляемая системой пиковая электрическая мощность составит 9,7 кВт.

Отметим, что при установке тепловых насосов в первую очередь следует позаботиться об утеплении здания и установке стеклопакетов с низкой теплопроводностью.

8. Приме ры для расчета

Итак, узнав достаточно информации для выбора теплового насоса, нам остается самим рассчитать минимальную тепловую мощность, необходимую для Нашего конкретного помещения.

Много зависит:

Какие источники тепла, можно использовать, (канализация, вытяжка, скважина….)?

Дебит и глубина зеркало воды скважины, если такого имеется на участке?

Расположен ли участок на берегу водоема?

Какая геология грунта на участке (имеется в виду: песок, глина, торф…)?

Уровни залегания грунтовых, подземных вод на участке?

Какие теплопотери дома?

Расчет необходимой тепловой мощности

Принятые обозначения.

V - Объем обогреваемого помещения (ширина, длина, высота) - Mі

T - Разница между температурой воздуха вне помещения и необходимой температурой внутри помещения - °С

K - Коэффициент рассеяния (зависит от типа конструкции и изоляции помещения)

K = 3,0 - 4,0 - Упрощенная деревянная конструкция или конструкция из гофрированного металлического листа. Без теплоизоляции.

K = 2,0 - 2,9 - Упрощенная конструкция здания, одинарная кирпичная кладка, упрощенная конструкция окон и кровли. Небольшая теплоизоляция.

K = 1,0 - 1,9 - Стандартная конструкция, двойная кирпичная кладка, небольшое число окон, стандартная кровля. Средняя теплоизоляция.

K = 0,6 - 0,9 - Улучшенная конструкция, кирпичные стены с двойной теплоизоляцией, небольшое число окон сдвоенными рамами, толстое основание пола, кровля из высококачественного теплоизоляционного материала. Высокая теплоизоляция.

Пример расчета тепловой мощности

V = ширина 4м, длина 12м, высота 3м = Объем обогреваемого помещения = 144 мі. (V = 144)

T = Температура наружного воздуха -5° C,+ требуемая температура внутри помещения +18° C, = разница между температурами внутри и снаружи 23° C. (T = 23)

K - Этот коэффициент зависит от типа конструкции и изоляции помещения (см. выше)

Требуемая тепловая мощность

Теперь можно приступить к выбору модели теплового насоса

Примечание. Используемые в климатической технике единицы измерения мощности (производительности) связаны между собой соотношениями:

Таблица тепловой мощности, необходимой для различных помещений

Тепловая мощность кВт	Объем помещения в новом здании	Объем помещения в старом здании	Площадь теплицы из теплоизолированного стекла и с двойной фольгой	Площадь теплицы из обычного стекла с фольгой
РАЗНИЦА ТЕМПЕРАТУР 30°C




	1050 - 1300 мі
	1350 - 1600 мі

	2100 - 2500 мі	1400 - 1650 мі
	2600 - 3300 мі	1700 - 2200 мі
	3400 - 4100 мі	2300 - 2700 мі
	4200 - 5000 мі	2800 - 3300 мі
	5000 - 6500 мі	3400 - 4400 мі

Выводы

1)Недостатки: Универсальность - с помощью теплового насоса можно решить не только задачу топления, но и охлаждения.

2)Независимость от наличия источника тепла.

3)Исключительная долговечность - единственный элемент, который подвергается механическому износу - это компрессор

4)Пожарная и экологическая безопасность - получение тепла не сопровождается процессом горения.

5)Низкий срок окупаемости. Примерно 3-5 лет.

6)Энергия главный источник тепла. Самое главное он закончится точно не скоро.

Недостатки:

1)Высокая стоимость начальных затрат.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Принцип работы бытовых и хозяйственных тепловых насосов. Конструкция и принципы работы парокомпрессионных насосов. Методика расчета теплообменных аппаратов абсорбционных холодильных машин. Расчет тепловых насосов в схеме сушильно-холодильной установки.

диссертация , добавлен 28.07.2015

Насосы - гидравлические машины, предназначенные для перемещения жидкостей. Принцип действия насосов. Центробежные насосы. Объемные насосы. Монтаж вертикальных насосов. Испытания насосов. Применение насосов различных конструкций. Лопастные насосы.

реферат , добавлен 15.09.2008

Затраты на отопление и теплоснабжение, выбор между централизованным и автономным видом отопления. Фактические данные по расходу электроэнергии на отопление тепловыми гидродинамическими насосами. Принцип работы и преимущества гидродинамического насоса.

статья , добавлен 26.11.2009

Проект теплоснабжения промышленного здания в г. Мурманск. Определение тепловых потоков; расчет отпуска тепла и расхода сетевой воды. Гидравлический расчёт тепловых сетей, подбор насосов. Тепловой расчет трубопроводов; техническое оборудование котельной.

курсовая работа , добавлен 06.11.2012

Определение наиболее оптимального варианта энергосберегающего вида отопления жилых и хозяйственных помещений частного сектора на примере Республики Саха (Якутия). Анализ возможностей применения тепловых насосов для отопления в условиях данного климата.

презентация , добавлен 22.03.2017

Определение тепловых нагрузок и расхода топлива производственно-отопительной котельной; расчет тепловой схемы. Правила подбора котлов, теплообменников, баков, трубопроводов, насосов и дымовых труб. Экономические показатели эффективности установки.

курсовая работа , добавлен 30.01.2014

Классификация центробежных насосов, скорость жидкости в рабочем колесе. Расчет центробежного насоса: выбор диаметра трубопровода, определение потерь напора во всасывающей и нагнетательной линии, полезной мощности и мощности, потребляемой двигателем.

курсовая работа , добавлен 24.11.2009

Описание рабочего процесса объёмных насосов, их виды и характеристики, устройство и принцип действия, достоинства и недостатки. Конструктивные особенности и область применения насосов различных конструкций. Техника безопасности при их эксплуатации.

реферат , добавлен 11.05.2011

Назначение погружных центробежных электронасосов, анализ конструкции и установки. Сущность отечественных и зарубежных погружных центробежных насосов. Анализ насосов фирм ODI и Centrilift. Электроцентробежные насосы ЭЦНА 5 - 45 "Анаконда", расчет мощности.

курсовая работа , добавлен 30.04.2012

Классификация насосов по принципу действия. Устройство и принцип действия возвратно-поступательных насосов (поршневые, плунжерные, диафрагмовые, винтовые, шестеренные). Электроприводной поршневой насос, вычисление рабочего объема пластинчатого насоса.

Любой хозяин частного дома стремится минимизировать расходы на обогрев жилища. В этом плане тепловые насосы существенно выгоднее других вариантов отопления, они дают 2.5-4.5 кВт теплоты с одного потребленного киловатта электричества. Обратная сторона медали: для получения дешевой энергии придется вложить немалые средства в оборудование, самая скромная отопительная установка мощностью 10 кВт обойдется в 3500 у. е. (стартовая цена).

Единственный способ уменьшить затраты в 2-3 раза - сделать тепловой насос своими руками (сокращенно - ТН). Рассмотрим несколько реальных рабочих вариантов, собранных и проверенных мастерами–энтузиастами на практике. Поскольку для изготовления сложного агрегата требуются базовые знания о холодильных машинах, начнем с теории.

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 режиме обогрева традиционная сплит-система нормально работает при температуре выше минус 5 градусов, на сильном морозе эффективность резко падает

Справка. Теплота содержится в любых веществах, чья температура выше абсолютного нуля (минус 273 градуса). Современные технологии позволяют отнимать указанную энергию у воздуха с температурой до -30 °С, земли и воды – до +2 °С.

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 , включенного на обогрев:

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.
Дальше газ поступает в компрессор, нагнетающий давление до расчетного значения. Его задача – поднять точку кипения вещества, чтобы фреон сконденсировался при более высокой температуре.
Проходя через внутренний теплообменник–конденсор, газ снова обращается в жидкость и отдает накопленную энергию теплоносителю (воде) или воздуху помещения напрямую.
На последнем этапе жидкий хладон поступает внутрь ресивера–влагоотделителя, затем в дросселирующее устройство. Давление вещества снова падает, фреон готов пройти повторный цикл.

Схема работы теплового насоса похожа на принцип действия сплит-системы

Примечание. Обычные сплит-системы и заводские теплонасосы имеют общую черту – способность переносить энергию в обоих направлениях и функционировать в 2 режимах – отопление/охлаждение. Переключение реализовано с помощью четырехходового реверсивного клапана, меняющего направление течения газа по контуру.

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.

Виды дроссельной арматуры: капиллярная трубка (фото слева) и терморегулирующий вентиль (ТРВ)

Разновидности установок

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

Справка. Разновидности тепловых насосов перечислены в порядке увеличения стоимости оборудования вместе с монтажом. Воздушные установки – самые дешевые, геотермальные – дорогие.

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.

Способы отбора тепла водных источников: из пруда (слева) и через скважины (справа)

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.

Важный момент. Водогрейные тепловые насосы не способны разогреть теплоноситель до 60-90 °С без дополнительных контуров. Нормальная температура воды от ТН составляет 35…40 градусов, котлы здесь явно выигрывают. Отсюда рекомендация производителей: подключайте оборудование к низкотемпературному отоплению – водяным .

Какой ТН лучше собирать

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

В установке придется использовать минимум дорогостоящих деталей, поэтому достичь высокого значения COP не удастся. По коэффициенту производительности наш аппарат проиграет заводским моделям.
Соответственно, делать чисто воздушный ТН бессмысленно, проще пользоваться в режиме обогрева.
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.
Без контуров напольного отопления обойтись не удастся. Теплоноситель, нагретый до 30-35 градусов, несовместим с радиаторной сетью, разве только в южных регионах.

Прокладка внешнего контура ТН к водоему

Замечание. Производители утверждают: инверторная сплит-система функционирует при уличной температуре минус 15-30 °С. В действительности эффективность обогрева существенно снижается. По отзывам домовладельцев, в морозные дни внутренний блок подает еле теплый поток воздуха.

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.

Способы отбора теплоты геотермальным ТН

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.

Совет. При покупке б/у кондиционера обратите внимание на шильдик, где отображены технические характеристики бытового прибора. Интересующий вас параметр – (указывается в киловаттах или Британских тепловых единицах – BTU).

Отопительная мощность аппарата больше холодильной и равна сумме двух параметров - производительность плюс тепло, выделяемое компрессором

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

Рекомендация. Если теплообменник не удается поместить в резервуар без нарушения фреоновых магистралей, постарайтесь эвакуировать газ и разрезать трубки в нужных точках (подальше от испарителя). После сборки водяного теплообменного узла контур придется спаять и заправить фреоном. Количество хладагента тоже указано на табличке.

Теперь остается запустить самодельный ТН и отрегулировать водяной поток, добиваясь максимальной эффективности. Обратите внимание: импровизированный отопитель использует полностью заводскую «начинку», вы только переместили радиатор из воздушной среды в жидкую. Как система работает вживую, смотрите на видео мастера–умельца:

Делаем геотермальную установку

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.

Расчет грунтового контура и теплообменников насоса

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. на отопление производить не станем, определим потребность в тепле по площади с учетом теплоизоляции – 7 кВт.

По желанию можно обустроить горизонтальный коллектор, но тогда придется выделить большую площадь под земляные работы

Важное уточнение. Инженерные расчеты теплонасосов довольно сложны и требуют высокой квалификации исполнителя, данной теме посвящены целые книги. В статье приводятся упрощенные вычисления, взятые из практического опыта строителей и мастеров – любителей самоделок.

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.

Справка. Вертикальный зонд представляет собой 2 петли из труб, опущенных до дна скважины и залитых бетоном.

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:

Обратитесь к любому известному производителю пластинчатых теплообменников, например, Alfa Laval, Kaori, «Анвитэк» и так далее. Можно выйти на официальный сайт бренда.
Заполните форму подбора теплообменника либо созвонитесь с менеджером и закажите подбор агрегата, перечислив параметры сред (антифриз, фреон) – температуру на входе и выходе, тепловую нагрузку.
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.

Пластинчатый теплообменник из нержавейки – идеальный вариант испарителя, он эффективен и занимает мало места. Проблема в высокой цене изделия

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.

Оборудование и материалы

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.

Примечание. Разбирающиеся в теме пользователи подбирают оборудование отдельно – компрессор, ТРВ, контроллер и так далее. При наличии опыта и знаний подобный подход только приветствуется.

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).

Комплект втулок для герметичного ввода медной трубки

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

Сборка теплообменного блока

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:

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.
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.
Разместите и закрепите оба кожухотрубных теплообменника на месте штатного радиатора, медные трубки подпаяйте к соответствующим выводам. «Горячий» теплообменник–конденсатор лучше подключить к сервисным портам.
Установите заводские датчики, измеряющие температуру хладагента. Утеплите голые участки трубок и сами теплообменные устройства.
На водяных магистралях поставьте термометры и манометры.

Совет. Если планируется ставить основной блок на улице, нужно принять меры от застывания масла в компрессоре. Приобретите и смонтируйте зимний комплект электрического подогрева масляного картера.

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.

Устройство грунтового контура

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:

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

Слева на фото – опускание зонда в обсадную пластиковую трубу, справа – прокладка подводок в траншее

Важный момент. Перед бетонированием и засыпкой обязательно проверьте герметичность контура. Например, подключите к коллектору воздушный компрессор, накачайте давление 3-4 Бар и оставьте на несколько часов.

При соединении магистралей ориентируйтесь по схеме, представленной ниже. Отводы с кранами понадобятся при заполнении системы рассолом либо этиленгликолем. Две основные трубы от коллектора подведите к тепловому насосу и подключите к «холодному» теплообменнику–испарителю.

В высших точках обеих водяных контуров обязательно ставятся воздухоотводчики, на схеме условно не показаны

Не забудьте установить насосный агрегат, отвечающий за циркуляцию жидкости, направление течения – навстречу фреону в испарителе. Среды, проходящие через конденсор и испаритель, должны двигаться навстречу друг другу. Как правильно заполнить магистрали «холодной» стороны, смотрите на видео:

Аналогичным образом конденсор подсоединяется к домовой системе теплых полов. Смесительный узел с трехходовым клапаном монтировать необязательно благодаря низкой температуре подачи. Если необходимо объединить ТН с другими источниками тепла (солнечные коллекторы, котлы), используйте на несколько выводов.

Заправка и запуск системы

После монтажа и подключения агрегата к электросети наступает важный этап – заполнение системы хладагентом. Здесь ожидает подводный камень: вы не знаете, сколько фреона необходимо заправить, ведь объем основного контура сильно вырос за счет установки самодельного конденсатора с испарителем.

Вопрос решается методом заправки по давлению и температуре перегрева хладона, измеряемой на входе компрессора (туда фреон подается в газообразном состоянии). Подробная инструкция по заполнению методом измерения температуры изложена в .

Во второй части представленного видео рассказывается, как нужно заполнять систему фреоном марки R22 по давлению и температуре перегрева хладагента:

По окончании заправки включите оба циркуляционных насоса на первую скорость и запускайте компрессор в работу. Показатели температуры рассола и внутреннего теплоносителя контролируйте по термометрам. На этапе прогрева магистрали с хладагентом могут обмерзать, впоследствии иней должен растаять.

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.

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 . 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 .

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. 4.3. 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 :

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 :

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.

Рис. 4.5. Конструкция расширительного бака:

1 – положение мембраны перед установкой (предварительная накачка воздухом на 0,1–0,3 бара);

2 – положение мембраны после подключения бака к сети;

3 – положение мембраны при температурном расширении жидкости.

Выпускаются расширительные установки (рис. 4.6), поддерживающие давление с водяной стороны в больших по объему системах отопления и кондиционирования. Установка оснащена свободно программируемым процессором и может быть подсоединена с помощью интерфейса к центральному пульту управления. Это значительно упрощает контроль над функционированием системы.

Технические характеристики:

Объем, л 200–5 000;
Максимальное избыточное давление, бар 10,0;
Максимальная температура, °С 120.

Реле протока (РП) отключает холодильную машину при отсутствии потока жидкости, что предупреждает замерзание жидкости в теплообменнике (ТП). Трехходовой клапан смешивает два потока жидкости (А и В), поддерживая заданную температуру жидкости. Управляется трехходовой клапан микроконтроллером.

Рис. 4.6. Расширительная установка для систем отопления и кондиционирования

Конструкция трехходового клапана приведена на рис. 4.7.

В нижнем крайнем положении запорного конуса проход потоку В закрыт, в верхнем положении конуса закрыт проход потоку А. Для перемещения запорного конуса на весь ход от одного до другого крайнего положения подается управляющее напряжение питания на электропривод в диапазоне от 0 до 10 В. Питание электродвигателя – 24 В.

Рис. 4.7. Трехходовой клапан для регулировки расхода жидкости

С выхода привода выдается контрольный сигнал о положении запорного конуса. Время полного хода конуса составляет 100–150 секунд. Имеется возможность ручного перемещения конуса с помощью шестигранного ключа.

Перетечки жидкости при закрытом канале не превышают 1 % от пропускной способности. В случае неисправности трехходового клапана и гидравлической системы после трехходового клапана жидкость будет циркулировать через обратный клапан (ОК).

Для установки расчетного расхода жидкости в системе используется балансировочный клапан, который представляет собой высокоточный клапан ручного или автоматического регулирования. На балансировочном клапане имеются выходы для измерения расхода и давления жидкости. Выпускаются балансировочные клапаны, настраиваемые наладочным контроллером. Для настройки балансировочного клапана в наладочный контроллер вводятся расчетные значения расхода и давления, после чего контроллер автоматически устанавливает балансировочный клапан в необходимое положение.

К расширительному баку подключаются клапаны подпитки жидкости (КПЖ) и клапаны подпитки воздуха (КПВ). При установке фильтра (Ф) необходимо обращать внимание на направление потока жидкости через фильтр. В самой верхней точке гидравлической схемы устанавливается автоматический воздуховыпускной клапан (ВК). Предохранительный клапан настраивается по предельно допустимому давлению самого слабого элемента в сети плюс 1 бар (7–10 бар).

При необходимости работать по бивалентной схеме можно параллельно ТН подключить бойлер с электроподогревом по схеме, показанной на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Схема подключения электрического котла в систему теплового насоса

4.2.2. Тепловые насосы с водяными источниками тепла

В тепловых насосах с водяными источниками тепла (реки, озера, моря) используется накопленная энергия Солнца. Эта энергия является идеальным источником для тепловых насосов, так как она поступает непрерывно, хотя и является менее доступной, чем воздух. Температура воды в незамерзающих водоемах не опускается ниже 4 °С, а артезианская вода имеет почти постоянную температуру 10–12 °С. Учитывая, что при отборе тепла воду нельзя охлаждать ниже 0 °С, перепад температуры на теплообменнике составляет несколько градусов. При этом для увеличения отбора необходимого количества тепла требуется увеличивать расход воды. Для ТН небольшой мощности не рекомендуется качать грунтовую воду с глубины более 15 м. В противном случае потребуется большие затраты на насосы и их эксплуатацию.

Рис. 4.9. Тепловой насос, использующий тепло грунтовых вод

Контур отбора тепла из водоема может быть открытым или закрытым. В первом случае вода из водоема перекачивается через охладитель, охлаждается и возвращается в водоем (рис. 4.9). Такая система требует фильтрации подаваемой в охладитель воды и периодической чистки теплообменника. Как правило, устанавливается промежуточный разборный теплообменник. Забор и возврат воды должны осуществляться в направлении потока грунтовых вод, чтобы исключить «байпасирование» воды. Заборная магистраль должны быть с обратным клапаном (4), располагаемым в точке забора или после глубинного насоса (5). Подвод и отвод грунтовых вод к тепловому насосу должен быть защищен от замораживания и прокладывается с наклоном в сторону скважины.

Расстояние между заборной (2) и возвратной (1) скважинами должно быть не менее 5 м. Точка выхода воды в возвратной скважине должна быть ниже уровня грунтовых вод.

Объемный расход воды определяется из холодопроизводительности ТН

где L – объемный расход воды, м 3 /ч

c p – удельная теплоемкость воды, равная 1,163 10 -3 кВт ч/кг К;

– плотность воды, 1000 кг/м 3 ;

– разность температур заборной и возвратной воды.

Откуда . (4)

Если принять Q x = 12 кВт (определяется по паспорту теплового насоса), а = 4 К, то м 3 /ч.

Закрытый контур укладывается на дно водоема. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода закрытого контура составляет порядка 30 Вт . То есть для получения 10 кВт тепла контур должен иметь длину 300 м. Для того, чтобы контур не всплывал, на 1 погонный метр необходимо устанавливать груз около 5 кг.

4.2.3. Тепловые насосы с грунтовыми теплообменниками

В грунтовых ТН используется тепловая энергия, накопленная в грунте за счет нагрева ее Солнцем или другими источниками. Аккумулированное грунтом тепло трансформируется с помощью горизонтально проложенных грунтовых теплообменников (которые также называют грунтовыми коллекторами) или с помощью вертикально расположенных теплообменников (грунтовые зонды).

Рис. 4.10. Тепловой насос с грунтовыми коллекторами

Как правило, грунтовые теплообменники изготавливаются из полиэтиленовых или металлопластиковых труб диаметром 25–40 мм.

При горизонтальном исполнении (рис. 4.10) трубопровод, в котором циркулирует жидкость, зарывается в землю на глубину ниже уровня промерзания почвы (1,2–1,5 м). Минимальное расстояние между трубами 0,7–1,0 м. В зависимости от диаметра трубы на каждый квадратный метр площади забора тепла может быть проложено 1,4–2,0 м трубы. Длина каждой ветви горизонтального коллектора не должна превышать 100 м, иначе потери давления в трубе и требуемая мощность насоса будут слишком велики.

Количество трансформируемого тепла, а, следовательно, и размер необходимой поверхности для расположения грунтового коллектора существенно зависит от теплофизических свойств грунта и климатических условий местности. Теплофизические свойства, такие как теплоемкость и теплопроводность, очень сильно зависят от состава и состояния грунта. В этом отношении определяющим является доля воды, содержание минеральных составляющий (кварц, полевой шпат), а также доля и размер пор, заполненных воздухом. Аккумулирующие свойства и теплопроводность грунта тем выше, чем больше доля воды, минеральных составляющих и чем ниже содержание пор.

Среднее значение удельной тепловой мощности грунта приведено в таблице 1 .

Таблица 1. Среднее значение удельной тепловой мощности грунта

Тип грунта	Удельная мощность грунтового коллектора, Вт/м 2	Удельная мощность грунтового зонда, Вт/м
Песчаный сухой	10–15	20
Песчаный влажный	15–20	40
Глинистый сухой	20–25	60
Глинистый влажный	25–30	80
Водоносный слой	30–35	80–100

Требуемая площадь для расположения коллектора рассчитывается по формулам (5) и (6)

где – теплопроизводительность ТН, Вт;

– потребляемая мощность ТН от сети, Вт;

g – удельная мощность грунтового коллектора, Вт/м 2 .

Так, если холодопроизводительность ТН составит 10 кВт, то в песчаном влажном грунте (g = 20 Вт/м 2) для размещения коллектора потребуется площадь

Чтобы трансформировать тепло с такой площади необходимо проложить в грунте полиэтиленовые трубы диаметром 25 × 2,3 мм и длиной 500 × 1,4 = 700 м. (1,4 – удельный расход трубы на квадратный метр площади). Трубы необходимо прокладывать отдельными контурами по 100 м каждый, т. е. 7 контуров.

Все распределители и коллекторы следует располагать в доступных местах для осмотра, например, в отдельных распределительных шахтах вне дома или в подвальной шахте дома. Фитинги должны изготавливаться из коррозионностойких материалов. Все трубопроводы в доме и вводы через стену должны быть теплоизолированы с обеспечением диффузионной непроницаемости для пара, чтобы избежать появления конденсата, т.к. в подающей и обратной магистралях находится холодный (относительно температуры подвала) теплоноситель.

При вертикальном исполнении грунтового зонда бурится скважина глубиной 60–200 м, в которую опускается несколько U-образных трубопроводов (рис. 4.11).


а	б

Рис. 4.11. Тепловой насос с грунтовым зондом

а – общая схема, б – схема грунтового зонда

1 – обратная магистраль, 2 – подающая магистраль, 3 – петлевой зонд, 4 – защитный колпачок

В глинистом влажном грунте при холодопроизводительности теплового насоса 10 кВт длина зонда (глубина скважины) должна быть

Целесообразно сделать 2 петли с глубиной залегания 50 м диаметром D у = 32 × 3 мм. Общая длина труб составит 200 м. Скважина с трубами заливается бетонитом, хорошо проводящим тепло. Количество теплоносителя определяется внутренним объемом труб коллектора (зонда) и подводящих труб. Диаметр подводящих труб берут на размер большим, чем труба коллектора. В нашем примере при трубе зонда D у = 32 × 3 мм и подводящей трубе D у = 40 × 2,3 мм длиной 10 м внутренний объем (таблица 2)с учетом подающей линии составит 2 × 100 × 0,531 +10 × 0,984 = 116,04 л. Расход теплоносителя теплового насоса находят по паспорту на тепловой насос. Примем 1600 л/ч. Тогда расход на одну петлю составит 800 л/ч.

Таблица 2. Удельный внутренний объем труб

Потери давления в трубах зависят от диаметра труб, плотности и расхода теплоносителя и определяется по данным завода-изготовителя труб. Так, для труб HDPE (полиэтилен высокой плотности) 32 × 3 мм и расходе 800 л/ч составляет 154,78 Па/м, а для труб диаметром 40 × 2,3 – 520,61 Па/м . Откуда общее падение давления в сети составит 36161,1 Па, что необходимо учесть при выборе насоса.

Срок службы грунтового коллектора зависит от кислотности почвы: при нормальной кислотности (pH =5,0) – 50–75 лет, при повышенной (pH >5,0) – 25–30 лет.

4.1. Эффективность тепловых насосов

В качестве основного показателя эффективности теплового насоса применяется коэффициент преобразования или отопительный коэффициент СОР (coefficient of performance), равный отношению теплопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором. В режиме охлаждения для оценки эффективности применяется холодильный коэффициент EER (energy efficiency ratio), равный отношению холодопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором.

где – энергия, отдаваемая ПВТ;

– тепловая энергия, отбираемая у ИНТ;

– затраченная электроэнергия;

И – температуры конденсации и кипения в тепловом насосе.

Температура определяется давлением конденсации хладагента в ТН, а – температурой ИНТ. Так, если принять = 281,16 К (8 °C) и = 323,16 К (50 °С), то COP будет равен 7,7. Если тепло отводится водой, то различные хладагенты позволяют достичь следующих температур : R717, R502, R22 – около +50 °С, R134a – +70 °С, R142 – +100 °С.

Следует помнить об основном правиле, вытекающем из (4): чем меньше разность температур между и источником и приемником тепла в тепловом насосе, тем выше коэффициент преобразования.

Когда в тепловых насосах одновременно используется тепло и холод (например, охлаждение холодильных камер и нагрев офисных помещений), то

При равнопотенциальном цикле =

При указанных выше температурах суммарный коэффициент преобразования может достигать 12, 7, что характеризует высокую энергетическую эффективность теплового насоса. Реальные СОР несколько ниже и составляют порядка 3–5.

В абсорбционных тепловых насосах коэффициент преобразования ниже, чем в компрессионных, из-за больших потерь в элементах абсорбционного контура. Так, при использовании грунтовых вод с T 0 = 281,16 К (8°C) и температурой полезного тепла = 323,16 К (50 °С), коэффициент преобразования абсорбционного ТН составит всего 1,45 . Температура полезного тепла в абсорбционных тепловых насосах зависит также от температуры нагрева генератора. При указанных выше температурах нагрев генератора должна быть не меньше 150 °С.

За период отопительного сезона (октябрь–май) для обогрева 100 м 2 жилого помещения электрическим котлом потребуется 37440 кВт электроэнергии, а тепловым насосом – 12024 кВт. При тарифе 0,24 грн за 1 кВт электроэнергии экономия составит 6100 грн. (данные ООО «Сантехник ЛТД и К о »).

По данным http://www.aeroprof.by применение ТН в 1,2–1,5 раза выгоднее самой эффективной газовой котельной.

Стоимость теплового насоса ориентировочно можно оценивать из расчета 750–1500 грн за 1 кВт вырабатываемой тепловой мощности. Срок окупаемости 7–14 лет.

4.2. Выбор оборудования для тепловых насосов

Выбор оборудования начинается с расчета теплопотребления здания. В настоящее время имеется разнообразные программы для расчета на ПК теплопотребления, которые можно найти в Интернете или получить у поставщиков оборудования.

Ориентировочный расчет можно сделать исходя из отапливаемой площади здания и количества потребляемой горячей воды. Также в случае периодических плановых отключений электроэнергии необходимо увеличить тепловую мощность теплового насоса. Если время отключения электроэнергии не превышает 2-х часов, этот фактор можно не учитывать.

Удельное теплопотребление зависит от типа здания:

здание с низким потреблением (современные материалы, утепление стен, окна из стеклопакетов) – 40 Вт/м 2 ;
новостройка, хорошая теплоизоляция – 50 Вт/м 2 ;
здание со стандартной теплоизоляцией – 80 Вт/м 2 ;
старые постройки без особой изоляции – 120 Вт/м 2 .

Учет дополнительной тепловой мощности для компенсации потерь тепла на время плановых отключений электроэнергии производится следующим образом.

Определяют суточное (за 24 ч) потребление тепла

где – теплопроизводительностьТН, кВт;

– время отсутствия электроэнергии.

Расчет дополнительной тепловой мощности для приготовления горячей воды производят исходя потребления одним человеком около 50 л воды с температурой 45 °С, что соответствует 0,25 кВт/чел. Более точный расчет можно выполнить пользуясь данными таблицы 3.

Таблица 3. Суточное потребление горячей воды

Категория	Потребление воды, л/чел		Удельное теплопотребление, Втч/чел	Теплопотребление для горячей воды, кВт/чел
Категория	темп. воды 60°С	темп. воды 45°С	Удельное теплопотребление, Втч/чел	Теплопотребление для горячей воды, кВт/чел
Низкое потребление	10–20	15–30	600–1200	0,08–0,15
Стандартное потребление	20–40	30–60	1200–2400	0,15–0,3
Квартира, занимающая этаж	32	45	1800	0,225
Одноквартирный жилой дом	35	50	2000	0,25

Рассмотрим пример построения теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом, работающего круглогодично в двух режимах (охлаждение или нагрев) в зависимости от периода года с использованием оборудования и программного обеспечения компании CIAT (Франция).

Исходные требования:

1. Теплопроизводительность 510 кВт.

2. Низкотемпературный источник – морская вода с температурой:

теплый период года ≤20 °С,

холодный период года 7 °С.

3. Высокотемпературный потребитель – вода с температурой на выходе теплообменника 55 °С.

4. Минимальная температура наружного воздуха – минус 10 °С (Крым, Украина).

Данную задачу решим, используя тепловой насос с обратимым гидравлическим циклом, схема которого приведена на рис. 2.

Учитывая, что температура наружного воздуха отрицательная (минус 10 °С) в тепловом насосе, применяем двухконтурную систему. В первичном контуре применяем раствор этиленгликоля с температурой замерзания ниже –10 °С (20-процентная смесь этиленгликоля с водой).

В соответствии с исходными требованиями выберем перепад температур в высокотемпературном контуре Dt вых = 5 °С (50/55 °С). Тогда температуры теплоносителя в контуре конденсатора должны быть соответственно 55/60 °С. Для получения таких температур в тепловом насосе целесообразно использовать хладагент R134a .

В соответствии с исходными требованиями зададим перепад температур ИНТ 7/4 °С, тогда в контуре испарителя перепад температур соответственно составит 5/2 °С.

Используя программу подбора оборудования фирмы CIAT, определим тип и параметры теплового насоса в режимах работы на нагрев и охлаждение. Программой выбран тепловой насос HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a с параметрами, приведенными в табл. 4, внешний вид которой показан на рис. 12.

Таблица 4. Технические характеристики водоохлаждающей машины HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a

Параметр	Режим нагрева	Режим охлаждения
Производительность испарителя, кВт	326,0	395,9
Теплоноситель	MEG20 %	MEG20%
Температура теплоносителя в испарителе (вход/выход), °С	5,0/2,0	6,0/2,0
Расход теплоносителя через испаритель, м 3 /ч	102,8	93,4
Производительность конденсатора, кВт	517,0	553,9
Температура теплоносителя в конденсаторе (вход/выход), °С	55/60	45,1/50
Расход теплоносителя через конденсатор, м 3 /ч	93,4	102,1
Потребляемая мощность, кВт	191	158,0

Рис. 4.12. Тепловой насос HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a

Температура воды (выход-вход): 55/50 °С.
Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре (выход-вход): 60/55 °С.
Расход 20-процентного раствора этиленгликоля: 93,4 м 3 /ч (см. табл. 1).

Программа CIAT выбирает пластинчатый теплообменник PWB 30 11 производительностью 517 кВт (табл. 5).

Таблица 5. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос – потребитель) в режиме нагрева

Низкотемпературный теплообменник «морская вода–тепловой насос» в режиме нагрева подбираем по следующим исходным данным:

Источник низкопотенциальной теплоты (первичный контур): морская вода с температурой вход/выход – 7/4 °С.
Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре 5/2 °С.
Расход 20-процентного раствора этиленгликоля 102,8 м 3 /ч.

Программа CIAT выбирает пластинчатый теплообменник PWB 45 11.

Таблица 6. Технические характеристики теплообменника PWB 45 11 c 63 пластинами (море–тепловой насос)

Выполним проверочный расчет рассчитанного ранее теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами для теплого периода года и определим температуры воды на выходе/входе потребителю.

Программа CIAT показала, что в летний период производительность теплообменника PWB 30 11 составит 437 кВт и температуры холодоносителя составят (выход/вход) 7,5/12 ºС. (табл. 7)

Таблица 7. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос – потребитель) в режиме охлаждения

Таким образом, подобранный тепловой насос HYDROCIAT 2500 XLW/LWP R134a обеспечивает:

в холодный период года теплопроизводительность 517 кВт при потребляемой мощности 191 кВт;
в теплый период года холодопроизводительность 395,9 кВт при потребляемой мощности 158 кВт.

Ниже представлена принципиальная схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом, рассчитанная выше.

Рис. 4.13. Принципиальная схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

Номенклатура некоторых тепловых насосов компании CIAT приведена в табл. 8.

Таблица 8. Тепловые насосы фирмы CIAT (Франция)

Тип теплового насоса	Производительность, кВт		Область применения
Тип теплового насоса	по холоду	по теплу	индивидуальные дома	многоквартирные здания	общественные зданиая	производство
AUREA 2	7…28	9…36	+
DYNAСIAT LG/LGP/ILG	35…350	40…370		+	+
HYDROCIAT LW/LWP	275…1140	350…1420		+	+	+

Вывод.

Тепловые насосы, использующие возобновляемые источники тепла, являются самым энергетически эффективным отопительным оборудованием.
Системы, построенные на базе ТН, надежные, безопасные и долговечные.
Получение тепла посредством теплового насоса – экологически чистый технологический процесс.
Современное климатическое оборудование (например, CIAT, Франция) позволяет создать ТН с производительностью от десятков кВт до МВт.

Литература.

В. Мааке, Г.-Ю. Эккерт, Ж.-Л. Кошпен. Учебник по холодильной технике: Пер. с франц. – М.: Издательство Московского Университета, 1998. – 1142 с., ил.
Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. – М.:Энергоиздат, 1982. – 224 с., ил.
Эль Садин Хасан. Выбор оптимальных параметров системы теплохолодоснабжения жилого дома//Холодильная техника, 2003, №3, с.18–21.
Овчаренко В.А. Овчаренко А.В. Використання теплових насосів//Холод М+Т, 2006, №2 с. 34–36.
Пять шагов на пути к избавлению от метановой зависимости//Отопление Водоснабжение Вентиляция + кондиционеры, 2006, №1, с. 30–41.
Бондарь Е.С., Калугин П.В. Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха с аккумуляцией холода//С.О.К., 2006, №3, с. 44–48.
Viesmann.Системы тепловых насосов. Инструкция по проектированию.5829 122-2 GUS 2/2000
Белова. Системы кондиционирования с чиллерами и фанкойлами

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

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:

Как правильно сделать расчет теплового насоса, подробное фото и видео

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.

Прежде, чем определить необходимую для отопления дома мощность насоса вручную, необходимо определить тепловой баланс дома

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.

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.

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).

* 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

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

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»

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;

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.

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.

Конструкция расширительных баков показана на рис. 4.5.

Тепловые насосы

Источник: IVIK.ua4.1. 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…

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

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.

Отопление дома

В данной статье описаны варианты отопления дома и горячего водоснабжения с помощью теплового насоса, солнечного коллектора и кавитационного теплогенератора.

Тепловая мощность теплового насоса воздух-вода (ТН), иначе – количество извлекаемого из окружающей среды возобновляемого тепла, прямо пропорционально температуре наружного воздуха. Чем холоднее воздух, тем затратнее извлечение из него тепла. Коэффициент преобразования COP меняется в зависимости от температур внешней среды: чем ниже температура «за бортом», тем больше энергии потребляет воздушный тепловой насос.

Определение мощности и выбор теплового насоса – дело достаточно сложное. Обычно реальные цифры и диаграммы производительности поставляются заводами – производителями тепловых насосов, как и специальное программное обеспечение для расчета и подбора оборудования. Здесь вводятся данные для конкретного объекта, расположенного в конкретном температурном регионе.

Тепловой насос: тепловая мощность для обогрева и ГВС

Разберем, от каких факторов зависит мощность ТН и, соответственно, стоимость блоков ТН, а также эффективность его работы.

Радиаторы или теплые полы

Система отопления с тепловым насосом обычно реализуется на базе радиаторной разводки и/или системы с теплыми полами, стенами или с системой фанкойлов. При этом температура нагрева теплоносителя отличается от 35-45 °C – для теплых полов, до 65-75 °C и выше – для системы радиаторов, что сказывается на величине мощности ТН. Чем ниже температура теплоносителя в системе отопления, тем меньше расход электроэнергии, меньше тепловая мощность, дешевле оборудование. Для модернизации систем отопления с радиаторами при замене затратных газовых котлов могут устанавливаться высокотемпературные воздушные теплонасосы с нагревом теплоносителя до 80 °C. Например – тепловые насосы Hitachi YUTAKI S 80. Даже при условии нагрева теплоносителя до 65 и выше градусов, такая система в несколько раз экономнее газового котла.

Схема реализации: только ТН, ТН + резервный котел

ТН. Если работает только тепловой насос, он должен полностью решать задачи по теплоснабжению и нагреву воды, в пиковые моменты подключая встроенный электрический нагреватель.

ТН+котел. Если ранее установлен газовый или пеллетный котел, он может взять на себя часть пиковых нагрузок и уменьшить общие энергозатраты теплового насоса.

Существуют различные схемы работы ТН, подбираемые для каждого объекта индивидуально: моноэнергетическая (только на электричестве), моновалентная (ТН+ТЭН) или бивалентная (ТН+котел). Оптимальная температура, экономически выгодная для перехода на резервный источник тепла, называется «точкой бивалентности». Для г. Киева и региона – это -7 °C.

Теплоизоляция здания

Подбирая тепловой насос для отопления дома, следует знать, что для более утепленного дома потребуется в разы меньше тепла, чем для строения без проведения работ по термомодернизации. Значения теплопотерь (удельных тепловых нагрузок) для различных типов зданий приведены в таблице.

Отсюда видно, что для возмещения теплопотерь помещения в 100 м2 в хорошо утепленном доме потребуется:

Q Н = 50 Вт/м2 х 100 м2 = 5000 Вт или 5 кВт тепловой мощности.

Расчетные значения теплопотерь приводятся исходя из расчетной минимальной температуры, к примеру, для Киевского региона это -22 °C.

Соответственно, для плохо утепленного дома получим:

Q Н = 200 Вт/м2 х 100 м2 = 20 000 Вт или 20 кВт тепловой мощности.

Такая разница: 5 кВт и 20 кВт, заставляет предпринять шаги для проведения термомодернизации (утепления) здания, а после этого выбрать более доступный по цене и экономный по затратам тепловой насос.

Тепловые насосы для отопления и нагрева воды (ГВС)

При выборе теплового насоса для частного дома обычно учитывают и работу ТН на нагрев воды для кухни, ванной или душевых. При этом учитывают суточное распределение нагрузок. Чаще пользуются горячей водой вечером или утром, а в зимнее время к этим нагрузкам присоединяется и работа ТН на отопление. Обычно у теплонасосных систем более приоритетными являются задачи горячего водоснабжения, а потом отопления, расчет ведут исходя из суммарных тепловых нагрузок: на отопление и ГВС.

Для определения тепловой мощности ТН для нагрева воды для бытовых нужд пользуются нормативными данными по потреблению воды определенной температуры и суммарному теплопотреблению, исходя из количества людей, проживающих в доме.

Для одного человека примем норму в 50 литров воды с температурой 45 °C, что соответствует норме потребления 0,25 кВт тепловой мощности.

Получаем, что для семьи из четырех человек, проживающих в частном доме 100 м2, необходима тепловая мощность:

Q W = 0,25 кВт/чел * 4 чел. = 1,0 кВт

Теперь можно провести усредненный расчет тепловой мощности с учетом суммарных нагрузок на нагрев теплоносителя для системы отопления и нагрев воды для бытовых нужд.

Суммарная тепловая мощность на обогрев и ГВС для качественно утепленного дома:

Q СУМ = Q Н + Q W = 5 кВт+ 1 кВт = 6 кВт.

Суммарная тепловая мощность для системы отопления и ГВС для плохо утепленного дома:

Q СУМ = Q Н + Q W = 20 кВт+ 1 кВт = 21 кВт.

А для условий «точки бивалентности», когда на улице -7 °C, и необходимо поддержать +20 °C внутри дома 100 м2, потребуется с учетом разницы температур:

Q расч.. = 6 * (20-(-7))/(20-(-22)) = 6 * 27 / 42 = 3,86 кВт тепла от теплового насоса.

И во втором примере, — для здания без теплоизоляции, необходимо:

Q расч.. = 21 * (20-(-7))/(20-(-22)) = 21 * 27 / 42 = 13,5 кВт тепла от теплового насоса.

Исходя из этих данных, с учетом температуры «точки бивалентности» и с запасом по мощности, из модельного ряда выбирают близкое большее значение тепловой мощности теплового насоса.

Что учитывает запас по мощности?

Перепады температуры входящей воды. Всем известно, что водопроводная вода зимой намного холоднее и перепад температур входящей / выходящей из ТН воды зимой больше.
Необходимость догрева воды до нужной температуры в баке – накопителе, если она из него долго не используется.
Увеличенный расход горячей воды и ее нагрев до более высокой температуры зимой.

По таблицам, предлагаемым производителем, исходя из температуры воды на выходе и температуры воздуха снаружи, по мощности подбирается комплект внутреннего блока и соответствующего ему наружного блока теплового насоса. Пример – таблица технических данных для высокоэффективных тепловых насосов воздух-вода серии Hitachi Yutaki S. Для полученных расчетных данных подойдет модель с производительностью по теплу около 5,0 кВт.

Отчего зависит стоимость теплового насоса?

Чем мощнее тепловой насос, тем выше его цена.
Как снизить стоимость теплового насоса?

Правильно и квалифицированно выполнить расчеты и подбор оборудования.
Утеплить здание.
Минимизировать теплопотери через окна и вентиляцию.
Установить низкотемпературные теплые полы или фанкойлы или смешанную систему (радиаторы + теплые полы, фанкойлы + теплые полы).
Применить бивалентную схему ТН + котел для снижения нагрузки на ТН.
Принять участие в программе IQ energy и сэкономить до 35 % стоимости оборудования и монтажа.

Более точный подбор теплового насоса, чтобы избежать лишних затрат или убытков, лучше доверить профессионалам.

Чтобы правильно подобрать тепловой насос, цены на который и на услуги монтажа были бы разумными и оправданными, обращайтесь к компетентным опытным специалистам компании АКЛИМА. Мы имеем огромный опыт внедрения современных теплонасосных систем и предлагаем качественные услуги по монтажу и сервису такого оборудования по всей Украине.