Тепловой насос для отопления дома: принцип работы, обзор моделей, их плюсы и минусы. Как правильно выбрать тепловой насос? Что тепловые насосы обогрева дома

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.

Человечество с древнейших времен «привыкло» использовать доступные природные энергоносители, которые попросту сжигаются для получения тепла или для преобразования в иные виды энергии. Научились люди применять и скрытый потенциал водных потоков – начали от водяных мельниц и дошли до мощных гидроэлектростанций. Однако то, что казалось вполне достаточным еще сотню лет назад, сегодня уже никак не может удовлетворить потребности растущего населения Земли.

Во-первых, природные «кладовые » все же не бездонны, и добыча энергоносителей с каждым годом становится все сложнее, перебираясь в труднодоступные регионы или даже на морские шельфы. Во-вторых, сжигание природного сырья всегда сопряжено с выбросами продуктов сгорания в атмосферу, что при нынешних громадных объемах таких выбросов уже поставило планету на грань экологического бедствия. Энергии гидроэлектростанций недостаточно, да и нарушение гидрологического баланса рек также влечет массу негативных последствий. Ядерная энергетика, на которую некогда смотрели, как на «панацею», после целого ряда резонансных техногенных катастроф вызывает массу вопросов, а во многих регионах планеты строительство АЭС просто запрещено законодательно.

Однако, есть и другие, практически неиссякаемые источники энергии, которые стали широко использоваться сравнительно недавно. Современные технологии позволили весьма эффективно применять для получения электричества или тепла энергию ветра, солнечного света, океанских приливов и т.п . Одним из альтернативных источников является и тепловая энергия земных недр, водоемов , атмосферы. Именно на использовании таких источников основана работа тепловых насосов. Подобное оборудования для нас пока еще входит в разряд «экзотических новинок», а в то же время именно таким способом отапливают свое жилье очень многие жители Европы – например, в Швейцарии или странах Скандинавии количество домов с подобными системами перевалило за 50%. Постепенно начинает такой вид получения тепла практиковаться и на российских просторах, хотя цены на приобретения высокотехнологичного комплекта оборудования пока выглядят очень пугающими. Но, как всегда, находятся мастера-энтузиасты, которые проявляют свои творческие способности и собирают тепловые насосы своими руками.

Публикация нацелена на то, чтобы читатель смог поближе рассмотреть принцип действия и базовое устройство тепловых насосов, узнать о тих преимуществах и недостатках. Кроме того, будет рассказано об успешных опытах создания действующих установок своими силами.

Принцип действия теплового насоса

Не все об этом задумывались, но вокруг нас – немало источников тепла, которые «работают» круглогодично и круглосуточно. Для примера – даже в самые сильные холода температура подо льдом замерзшего водоема все равно остается положительной. Та же картина и при углублении в толщу грунта – ниже границы его промерзания температура практически всегда стабильна и примерно равна среднегодовой, характерной для данного региона. Немалый тепловой потенциал несет в себе и воздух.

Возможно, кого-то смутят совсем, казалось бы, невысокие температуры воды, грунта или воздуха. Да, они относятся к низкопотенциальным источникам энергии, но их главный «козырь» — стабильность, а современные технологии, основанные на законах теплофизики, позволяют даже незначительную разницу преобразовывать в необходимый нагрев. Да и, согласитесь, когда на улице зимой стоит мороз в 20 градусов, а ниже уровня промерзания грунт имеет 5 ÷ 7 градусов, то такой амплитудный перепад — уже весьма приличен.

Именно это свойство непрерывности поступления низкопотенциальной энергии заложено в схему теплового насоса. По сути, этот агрегат является устройством, который «перекачивает» и «концертирует» тепло, забираемое из неиссякаемого источника.

Можно провести некую аналогию со всем знакомым холодильником. Продукты, которые в него укладываются для охлаждения и хранения и попадающий в камеру при открытии дверцы воздух – тоже имеют не слишком высокую температуру. Но если прикоснуться к теплообменной решетке конденсатора на задней стенке холодильника, то она или очень теплая , или даже горячая.

Прообраз теплового насоса — знакомый всем холодильник, решетка конденсатора которого при работе нагревается.

Так почему бы не использовать этот принцип для нагрева теплоносителя?Конечно с холодильником аналогия не прямая – там нет стабильного внешнего источника тепла, и по большей мере тратится электроэнергия. Но в случае с тепловым насосом такой источник можно найти (организовать), и тогда это получится «холодильник наоборот » — основная направленность агрегата будет именно на получение тепла.

По какому принципу работает ?

Он представляет собой систему из трех контуров с циркулирующими по ним теплоносителями.

В самом корпусе теплового насоса (поз . 1) размещены два теплообменника (поз . 4 и 8), компрессор (поз . 7), контур циркуляции хладагента (поз . 5), приборы регулировки и управления.
Первый контур (поз. 1) с собственным циркуляционным насосом (поз. 2) размещен (погружен ) в источнике низкопотенциального тепла (об их устройстве будет сказано ниже). Получая тепловую энергию от внешнего бесперебойного источника (показано широкой розовой стрелкой), подогреваясь всего на несколько градусов (обычно, при использовании зондов или коллекторов в грунте или в воде – до 4 ÷ 6 ° С ), циркулирующий теплоноситель попадает в теплообменник-испаритель (поз. 4). Здесь происходит первичная передача тепла, полученного извне.
Хладагент, используемый во внутреннем контуре насоса (поз. 5), имеет крайне низкую температуру кипения. Обычно здесь применяется один из современных, безопасных для окружающей среды фреонов, либо двуокись углерода (по сути – сжиженный углекислый газ). На вход в испаритель (поз. 6) он подходит в жидком состоянии, при пониженном давлении — это обеспечивает регулируемый дроссель (поз. 10). Особая форма входного отверстия капиллярного типа и форма испарителя способствуют практически мгновенному переходу хладагента в газообразное состояние. По законам физики, испарение всегда сопровождается резким охлаждением и поглощением окружающего тепла. Так как этот участок внутреннего контура расположен в одном теплообменнике с первым контуром, то фреон отбирает тепловую энергию от теплоносителя, одновременно охлаждая его (широкая оранжевая стрелка). Охлажденные теплоноситель продолжает циркуляцию, и вновь набирает тепловую энергию из внешнего источника.
Хладагент уже в газообразном состоянии, перенося переданное ему тепло, попадает в компрессор (поз. 7), где под воздействием сжатия его температура резко поднимается. Далее, он попадает в следующий теплообменник (поз. 8), в котором расположен конденсатор и трубы третьего контура теплового насоса. (поз. 11).
Здесь происходит полностью противоположный процесс – хладагент конденсируется, переходя в жидкое состояние, при этом отдавая свой нагрев теплоносителю третьего контура. Далее, в жидком состоянии при высоком давлении он проходит через дроссель, где давление снижается, и цикл физических превращений агрегатного состояния хладагента повторяется вновь и вновь.
Теперь переходит к третьему контуру (поз. 11) теплового насоса. Ему через теплообменник (поз. 8) предается тепловая энергия от разогретого компрессией хладагента (широкая красная стрелка). Этот контур имеет собственные циркуляционный насос (поз. 12), которые обеспечивает движение теплоносителя по трубам отопления. Однако намного разумнее использовать еще и аккумулирующую, тщательно изолированную буферную емкость (поз. 13), в которой будет накапливаться переданное тепло. Накопленный запас тепловой энергии расходуется уже для нужд отопления и горячего водоснабжения, расходуясь постепенно, по мере надобности. Подобная мера позволяет подстраховаться на случай перебоев в электропитании или использовать более дешевый ночной тариф на электроэнергию, необходимую для работы теплового насоса.

Если устанавливается буферный аккумулирующий бак, то к нему уже подводится контур отопления (поз . 14) с собственным циркуляционным насосом (поз . 15), обеспечивающим перемещение теплоносителя по трубам системы (поз . 16). Как уже говорилось, может быть и второй контур, который обеспечивает подачу горячей воды для бытовых нужд.

Тепловой насос не может работать без электропитания – оно требуется для функционирования компрессора (широкая зеленая стрелка), да и циркуляционные насосы во внешних контурах также потребляют электроэнергию. Однако, как уверяют разработчики и производители тепловых насосов, потребление электричества несопоставимо с получаемым «объемом » тепловой энергии. Так, при правильной сборке и оптимальных условиях эксплуатации, часто ведется разговор о 300 и более процентах КПД, то есть при одно затраченном киловатте электричества тепловой насос может дать «на-гора» 4 киловатта тепловой энергии.

На самом деле подобное утверждение о КПД несколько некорректно. Законы физики никто не отменял, и КПД выше 100% — такая же утопия, как и « perpetummobile » — вечный двигатель. Речь в данном случае идет о рациональном использовании электричества в целях «перекачки» и преобразования энергии, поступающей из неиссякаемого внешнего источника. Здесь уместнее использовать понятие СОР (от английского «coefficient of performance» ) что в русском языке чаще называется «коэффициентом преобразования теплоты». В этом случае, действительно, могут получиться значения, превышающие единицу:

CO Р = Q п / А , где:

CO Р – коэффициент пр еобразования теплоты;

Q п – количество тепловой энергии, полученное потребителем;

А – работа, выполненная компрессорной установкой.

Существует еще один нюанс, про который часто просто забывают – определенного расхода энергии для нормального функционирования насоса требует не только компрессор, но и циркуляционные насосы во внешних контурах. Потребляемая мощность у них, конечно, значительно меньше, но, тем не менее , ее тоже можно учесть, а этого часто в маркетинговых целях просто не делается.

Полученное суммарно количество тепловой энергии может расходоваться:

1 – оптимальное решение – это система теплых водяных полов. Как правило, тепловые насосы дают «подъем » температуры до уровня примерно в 50 ÷ 60 ° С – это достаточно для подогрева пола.

2 – горячее водоснабжение дома. Обычно в системах ГВС температура на таком уровне и поддерживается – около 45 ÷ 55 °С .

3 – а вот для обычных радиаторов такого нагрева будет явно недостаточно. Выход – увеличивать количество секций или же использовать специальные низкотемпературные радиаторы. Помогут решить вопрос и отопительные приборы конвекционного типа.

4 – одно из важнейших достоинств тепловых насосов – возможность их переключения на «противоположный» режим работы. В летнее время такой агрегат может выполнять функцию кондиционирования воздуха – отбирая тепло из помещений и перенося его в грунт или водоем .

Источники низкопотенциальной энергии

Какие же источники низкопотенциальной энергии способны использовать тепловые насосы? В этой роли могут выступать горные породы, грунт на различной глубине, вода из естественных водоемов , или подземных водоносных горизонтов, атмосферный воздух или теплые воздушные потоки, отводимые из зданий или от промышленных технологических комплексов.

А. Использование тепловой энергии грунтов

Как уже говорилась, ниже уровня промерзания почвы, характерного для данного региона, температура грунта отличается стабильностью в течение всего года. Это и используется для работы тепловых насосов по схеме «грунт – вода ».

Принципиальная схема отбора энергии «грунт — вода»

Для создания такой системы готовятся специальные поверхностные тепловые поля, на которых снимаются верхние слои грунта на глубину порядка 1,2 ÷ 1, 5 метров . В них укладывают контуры, выполненные из пластиковых или металлопластиковых труб диаметром, как правило, 40 мм. Эффективность съема тепловой энергии зависит от местных климатических условий и от общей протяженности создаваемого контура.

Ориентировочно, для средней полосы России, можно оперировать следующими соотношениями:

Сухие песчаные грунты – 10 Вт энергии с одного погонного метра трубы.
Сухие глинистые грунты – 20 Вт/м.
Влажные глинистые грунты – 25 Вт/м.
Глинистая порода с высоким расположением грунтовых вод – 35 Вт/м.

При всей кажущейся простоте такого теплообмена, способ отнюдь не всегда является оптимальным решением. Дело в том, что он предполагает очень значительные объемы земляных работ. То, что выглядит простым на схеме – значительно сложнее в практическом исполнении. Посудите сами – для того, чтобы «снять» с подземного контура даже всего 10 кВт т епловой энергии на глинистом грунте потребуется порядка 400 метров трубы. Если еще учитывать обязательное правило, что между витками контура должен быть интервал никак не меньше 1, 2 метров , то для укладки будет необходим участок площадью 4 сотки (20 × 20 метров).

Закладка поля для отбора тепла из грунта — чрезвычайно масштабная и трудоемкая задача

Во-первых, далеко не у всех есть возможность выделить такую территорию. Во-вторых, на этом участке полностью исключаются какие-либо постройки, так как велика вероятность повреждения контура. И в-третьих – отбор тепла из грунта, особенно при некачественно проведенных расчетах , может не пройти бесследно. Не исключен эффект переохлаждения участка, когда летнее тепло не сможет полностью восстановить температурный баланс на глубине залегания контура. Это может негативно сказаться на биологическом балансе в поверхностных слоях почвы, и в итоге некоторые растения просто не будут расти на переохлаждённом участке – такой своеобразный локальный эффект «ледникового периода».

Б. Тепловая энергия из скважин

Даже небольшой размер участка не будет препятствием для организации забота тепловой энергии из пробуренной скважины.

В качестве источника низкопотенциального тепла — глубокая скважина

Температура грунта с увеличение глубины становится только стабильнее, а на глубинах свыше 15 — 20 метров прочно стоит на 10-градусной отметке, увеличиваясь на два ÷ три градуса на каждые 100 м погружения. Причём , эта величина – абсолютно не зависит от времени года или капризов погоды, что делает именно скважину самым стабильным и предсказуемым источником тепла.

В скважины опускается зонд, представляющий собой U-образную петлю из пластиковых (металлопластиковых) труб с циркулирующим по ним теплоносителем. Чаще всего делается несколько скважин глубиной от 40 ÷ 50 и до 150 метров, не ближе 6 м одна от другой, которые связываются или последовательно, или с подключением к общему коллектору. Теплоотдача грунта при таком расположении труб – значительно выше:

При сухих осадочных породах – 20 Вт/м.
Каменистые грунтовые слои или насыщенные водой осадочные породы – 50 Вт/м.
Твердые горные породы, обладающие высокой теплопроводностью – 70 Вт/м.
Если повезло, и попался подземный водоносный горизонт – порядка 80 Вт/м.

При недостаточности места или при сложностях в глубоком бурении из-за особенностей грунта может выполняться несколько наклонных скважин лучами из одной точки.

Кстати, в том случае, если скважина приходится на водоносный горизонт со стабильным дебетом, то иногда применяют открытый контур первичного теплообмена. При этом вода закачивается насосом с глубины, участвует в теплообмене, а затем, охлажденная , сбрасывается во вторую скважину того же горизонта, на расположенную на определенном расстоянии от первой (это вычисляется при проектировании системы). Одновременно может быть организован и водозабор для бытовых нужд.

Основной недостаток скважинного способа отбора тепла – высокая стоимость бурильных работ, которые провести собственными силами, не располагая соответствующим оборудованием, очень сложно или попросту невозможно. Кроме того, бурение скважин часто требует разрешительных документов от органов природонадзора . Кстати, и использование прямого теплообмена с обратным сбросом воды в скважину тоже может оказаться запрещенным .

Можно ли самостоятельно пробурить скважину?

Безусловно, это чрезвычайно сложная задача, однако есть технологии, позволяющие при определённых условиях выполнить ее самостоятельно.

О том, как можно – в специальной публикации нашего портала.

В. Использование водоемов в качестве источников тепла

Расположенный поблизости от дома водоем достаточной глубины вполне может стать неплохим источником тепловой энергии. Вода даже зимнее время под верхней коркой льда остается в жидком состоянии, и ее температура выше нуля – это и нужно тепловому насосу.

Ориентировочная теплоотдача с контура, погруженного в воду – 30 кВт/м. Значит, чтобы получить отдачу в 10 кВт, потребуется контур порядка 350 м .

Такие контуры-коллекторы монтируются на суше из пластиковых труб. Затем они перемещаются в водоем и погружаются на дно, на глубину не менее 2 метров, для чего привязываются грузы из расчета 5 кг на 1 погонный метр тр убы.

Затем выполняется термоизолированная прокладка труб к дому и подключение их к теплообменнику теплового насоса.

Однако, не следует думать, что любой водоем в полной мере подойдет для подобных целей – опять же, понадобятся весьма сложные теплотехнические расчеты . Например, небольшой и недостаточно глубокий пруд или мелкая тихая речушка мало того, что могут не справиться с задачей бесперебойной подачи низкопотенциальной энергии – их можно попросту переморозить вообще до дна, убив тем самым всех обитателей водоема .

Достоинства водяных источников тепла – нет необходимости в буровых работах, до минимума сводятся и земляные – только выкапывание траншей к дому для укладки труб. А как недостаток можно отметить малую доступность для большинства домовладельцев просто из-за отсутствия водоемов в разумной близости от жилья.

Кстати, в целях теплообмена нередко используют стоки – у них даже в холода достаточно стабилизированная положительная температура.

Г. Забор тепла из воздуха

Тепло для обогрева жилья или для горячего водоснабжения можно брать буквально из воздуха. На таком принципе работают тепловые насосы «воздух – вода» или «воздух – воздух ».

По большому счету – это тот же кондиционер, только переключенный на режим «зима». Эффективность такой системы обогрева очень сильно зависит и от климатических условий региона, и от капризов погоды. Современные установки хотя и рассчитаны для работы даже при очень низких температурах (до – 25, а некоторые – даже до – 40 ° С ), но коэффициент пр еобразования энергии при этом резко падает, рентабельность и целесообразность подобного подхода сразу начинают вызывать кучу вопросов.

Но зато такой тепловой насос вообще не требует никаких трудоемких операций – чаще всего его первичный теплообменный блок устанавливается или на стене (крыше) здания, либо в непосредственной близости от него. Его, кстати, практически нельзя отличить от внешнего блока сплит-системы кондиционирования.

Такие тепловые насосы часто используют в качестве дополнительных источников тепловой энергии для отопления, а в летнее время – в роли теплогенератора для горячего водоснабжения.

Применение подобных тепловых насосов в полне оправдано для рекуперации – использования вторичного тепла, например, на выходах вентиляционных шахт (каналов). Так установка получает достаточно стабильный и высокотемпературный источник энергии – это широко применяется на промышленных предприятиях, где постоянно имеются источники вторичного тепла для его утилизации.

В системах «воздух-воздух» и «воздух – вода» первичного контура теплообмена вообще нет. Вентиляторы создают воздушный поток, который обдувает непосредственно трубки испарителя с циркулирующим по ним хладагентом.

Кстати, существует целая линейка тепловых насосов DХ – типа (от английского «direct exchange» , что означает «прямой обмен»). В них тоже , по сути, отсутствует первичный контур. Теплообмен с источником низкопотенциального тепла (в скважинах или в слое грунта) проходит сразу в медных трубах, заполненных х ладагентом. Это, с одной стороны , дороже и сложнее в исполнении, но зато позволяет существенно уменьшить и глубину скважин (достаточно одной 30-метровой вертикальной или нескольких наклонных до 15 м ), и общую площадь теплообменного горизонтального поля, если оно расположено под верхним слоем грунта. Соответственно, можно говорить и о большем коэффициенте преобразования, и в целом – эффективности теплового насоса. Но вот только и медные теплообменные трубы намного дороже пластиковых и сложнее в монтаже, и стоимость хладагента значительно выше, чем обычного теплоносителя-антифриза.

А как устроен кондиционер, и можно ли его смонтировать самостоятельно?

Уже говорилось, что по базовому принципу действия кондиционер и тепловой насос – практически «близнецы», но в «зеркальном отображении».

Подробнее об устройстве и основных правилах – в специальной публикации портала.

Видео: полезная информация по теории и практике использования тепловых насосов

Общие достоинства и недостатки тепловых насосов

Итак, можно подвести определенную черту в рассмотрении тепловых насосов, акцентировав в нимание на их основных, мнимых и действительных, достоинствах и недостатках.

А. Высокая экономичность и общая рентабельность такого типа отопления.

Об этом уже упоминалось выше – в продуманной и правильно смонтированной системе, при оптимальных условиях эксплуатации, можно рассчитывать на получение 4 кВт т епловой энергии взамен потраченного 1 кВт – электрической.

Все это будет справедливым лишь в том случае, если жилье получило самое высококачественное утепление. Это, безусловно, касается любых систем отопления, просто эти «магические цифры» в 300% в большей мере показывают важность надежной термоизоляции.

По регулярным расходам на потребляемые энергоресурсы тепловые насосы стоят на первом месте в плане экономичности, несколько опережая даже дешевый сетевой газ. При этом следует учесть и то, что отпадает необходимость подвоза и складирования топливных запасов— если речь идет о колах на твердом или жидком топливе.

Б. Тепловой насос может стать высокоэкономичным основным источником отопления и горячего водоснабжения.

Этот вопрос также уже затрагивался. Если в доме в качестве основного источника обогрева в помещениях используются , то тепловой насос соответствующей мощности такую нагрузку должен «потянуть». Для большинства же привычных радиаторов температура в 50 ÷ 55 градусов будет явно недостаточна.

Особо стоит упомянуть насосы, отбирающие тепло из воздуха. Они – крайне чувствительны к текущим погодным условиям. Хотя производители заявляют о возможности работы при — 25 и даже -40 ° С , эффективность резко снижается, и ни о каких 300% уже речи идти не может.

Разумное решение – создавать комбинированную систему отопления (бивалентную ). Пока хватает мощности ТН , он выступает основным источником тепла, при недостаточности мощности при наступлении настоящих холодов – на подмогу приходят электрический нагрев, жидко— или твердотопливный котел , солнечный коллектор и т.п . Газовое оборудование в этом случае не рассматривается – если есть возможность применять для отопления сетевой газ, то потребность в тепловом насосе выглядит весьма сомнительно, по крайней мере, при нынешнем уровне цен на энергоносители.

В. Система отопления с тепловым насосом не требует дымохода. Работает она практически бесшумно.

Действительно, сложностей с обустройством дымохода у хозяев не возникнет. Что же касается тишины работы, то как и у любой другой бытовой техники с теми или иными приводами, шумовой фон все равно присутствует — от работы компрессора, циркуляционных насосов. Другой вопрос, что в современных моделях этот уровень шумности при правильной отладке агрегата – весьма невелик и не причиняет беспокойства жильцам. Кроме того, наверное, мало кому придет в голову устанавливать подобное оборудование в жилых комнатах.

Г. Полная экологичность системы – полностью отсутствуют какие-либо выбросы в атмосферу, нет никакой угрозы жильцам дома.

Все верно , особенно в отношении моделей, в которых в качестве хладагента применяется современный, безвредный для озонового слоя фреон (например, R-410А ).

Можно также сразу отметить пожаро — и взрывобезопасность такой системы – нет легковоспламеняющихся или горючих веществ, исключается скопление их взрывоопасных концентраций.

Д. Современные тепловые насосы являются универсальными климатическими установками, способными работать и на отопление, и на кондиционирование – в летнее время.

Это очень важное преимущество, которое, действительно, дает хозяевам массу дополнительных удобств.

Е. Работа теплового насоса полностью контролируется автоматикой, и не требует вмешательства пользователя. Такая система, в отличие от других, не нуждается в регулярном обслуживании и профилактике.

С первым утверждением можно полностью согласиться, однако, не забыв упомянуть и то, что большинство современных отопительных газовых или электрических установок также полностью автоматизированы, то есть таким достоинством обладают не только тепловые насосы.

А вот по второму вопросу можно вступить в дискуссию. Наверное, ни один из промышленных или бытовых отопительных агрегатов не может обойтись без регулярных проверок и профилактических работ. Даже если справедливо предположить, что во внутренний контур с хладагентом и в автоматику самостоятельно лезть не стоит, то внешние контуры с антифризом или иным теплоносителем определенного участия все же потребуют. Здесь и регулярная чистка (особенно в воздушных системах), и контроль состава и уровня теплоносителя, и ревизия работы циркуляционных насосов, и проверка состояния труб на целостность и наличие подтеканий на фитингах, и многое другое – одним словом, то, без чего не обходится ни одна система отопления. Одним словом, утверждение о полной ненадобности обслуживания выглядит, по меньшей мере , голословно.

Ж. Быстрая окупаемость системы отопления с тепловым насосом.

Этот вопрос – настолько неоднозначный, что на нем следует остановиться особо.

Некоторые компании, занимающиеся реализацией подобного оборудования, обещают своим потенциальным клиентам очень быстрый возврат вложенных в реализацию проекта средств. Они приводят выкладки в таблицах, по которым, действительно, можно создать мнение, что тепловой насос – единственное приемлемое решение, если нет возможности протянуть к дому газовую магистраль.

Вот один из таких образцов:

Виды топлива	Природный газ (метан)	Дрова колотые берёзовые	Эл. энергия по единому тарифу	Дизтопливо	Тепловой насос (ночной тариф)
Ед. поставки топлива	м ³	3 м ³	кВт × ч	литр	кВт × ч
Стоимость топл. с доставкой, руб	5.95	6000	3.61	36.75	0.98
Калорийность топлива	38.2	4050	1	36	1
Ед. измерения калорийности	МДж/м ³	кВт × ч	кВт × ч	МДж/литр	кВт × ч
КПД котла,% или COP	92	65	99	85	450
Стоимость топлива, руб/МДж	0.17	0.41	1.01	1.19	0,06
Стоимость топлива, руб/кВт*ч	0.61	1.48	3.65	4.29	0.22
Стоимость топлива, руб/ГКал	708	1722	4238	4989	253
Стоимость топлива в год, руб	24350	59257	145859	171721	8711
Срок эксплуатации оборудования, лет	10	10	10	10	15
Примерная стоимость оборудования, руб	50000	70000	40000	100000	320000
Стоимость монтажа, руб	70000	30000	30000	30000	80000
Стоимость подключения сетей (техусловия, оборудование и монтаж), руб	120000	0	650	0	0
Первоночальные инвестиции, руб (приблизительно)	240000	100000	70650	130000	400000
Эксплуатационные затраты, руб/год	1000	1000	0	5000	0
Виды эксплуатационных работ	техобслуживание, чистка камеры	чистка камеры, дымоходов	Замена ТЭНов	чистка камеры, форсунок, замена фильтров	нет
Итого расходы за весь период эксплуатации (с затратами на топливо), руб	493502	702572	1529236	1897201	530667
Итого относительная стоимость 1 года эксплуатации (топливо, аммортизация, обслуживание и т.д)	49350	70257	152924	189720	35378

Да, итоговая строка действительно впечатляет, но все ли тут обстоит «гладко»?

Первое, что бросится в глаза внимательному читателю – тариф на электроэнергию для электрического обогрева взят общий, а на тепловой насос, отчего-то, льготный ночной. Видимо, для того, чтобы итоговая разница была более наглядной.

Далее. Стоимость оборудования теплового насоса показана не совсем корректно. Если внимательнее ознакомиться с предложениями в интернете, то цены на установки мощностью около 7 ÷ 10 кВт, которые могут использоваться в целях отопления, начинаются от 300 – 350 тысяч рублей (воздушные тепловые насосы и маломощные установки, используемые лишь для горячего водоснабжения, стоят несколько поменьше ).

Казалось бы, все правильно, но «дьявол кроется в деталях» Это – только лишь стоимость самого аппаратного блока, который без периферийных устройств, контуров, зондов и т.п . – бесполезен. Цена только одного коллектора (без труб) даст еще не менее 12 ÷ 15 тысяч, скважинный зонд ст оит не меньше. А если еще прибавить стоимость труб, фитингов, запорно-арматурных элементов, достаточно большого количества теплоносителя – общая сумма вырастает стремительно.

Трубы, коллекторы, запорная арматура — тоже достаточно «весомая» статья общих расходов

Но и это – еще не все. Уже упоминалось, что система отопления на основе теплового насоса, как, наверное, ни одна другая, нуждается в сложных специализированных расчетах . При проектировании учитывается очень много факторов: общая площадь и объемы самого здания, степень его утепленности и расчет тепловых потерь, обеспеченность достаточным по мощности источником электроснабжения, наличие необходимого участка территории (близлежащего водоема ) для размещения теплообменных горизонтальных контуров или бурения скважин, тип и состояние грунтов, расположение водоносных слоев и много другое. Безусловно, и изыскательские, и проектировочные работы также потребуют и времени, и соответствующей оплаты специалистам.

Установка же оборудования «наобум», без правильного проектирования, чревата резким снижением эффективности работы системы, а порой – даже локальными «экологическими катастрофами» в виде недопустимого переохлаждения грунта, колодцев или скважин, водоемов .

Следующее – монтаж оборудования и создание теплообменных полей или скважин. Уже упоминалось о масштабах земляных работ, глубине бурения. Для заполнения скважин после установки зондов требуется специальный бетонный раствор с высокой степенью теплопроводности. Плюс к этому – коммутация контуров, прокладка магистралей к дому и т.п . – все это еще один немалый «пласт» материальных затрат. Сюда же можно отнести приобретение и монтаж аккумулирующей емкости с необходимой автоматикой управления, переделку системы отопления под теплые полы или установку специальных теплообменных приборов.

Одним словом, затраты очень внушительные, и, наверное, именно это пока держит системы отопления от тепловых насосов в разряде «экзотики», недоступной подавляющему большинству владельцев частных домов.

А как же с высочайшей их популярностью и массовостью применения в других странах? Дело в том, что там работают правительственные программы стимуляции населения к использованию альтернативных источников энергоснабжения. Потребители, которые изъявили желание перейти на подобные виды отопления, имеют право на получение государственных субсидий, во многом покрывающих первоначальные затраты на проектирование и монтаж оборудования. Да и уровень доходов у работающих граждан, если честно, там несколько повыше , нежели в наших краях.

Для европейских городов и поселков это достаточно привычная картина — теплообменник теплового насоса около дома

Резюме – к утверждениям о быстрой окупаемости подобного проекта нужно относиться с определенной долей осторожности. Прежде чем браться за столь масштабный и ответственный комплекс мероприятий, следует т щательно просчитать и взвесить всю «бухгалтерию» до мелочей, оценить степени риска, свои финансовые возможности, планируемую рентабельность и т.п . Возможно, найдутся более рациональны, приемлемые варианты – прокладка газа, установка современных , использование новых разработок в сфере электрического обогрева и т.п .

Не следует воспринимать написанное, как «негатив» в адрес тепловых насосов. Безусловно – это чрезвычайно прогрессивное направление, и у него – огромные перспективы. Речь идет лишь о том, что в подобных вопросах не следует проявлять необдуманного волюнтаризма – решения должны основываться на тщательно продуманных и всесторонне проведенных расчетах .

Цены на модельный ряд тепловых насосов

Тепловые насосы

Можно ли собрать тепловой насос с воими руками?

Общая перспективность использования «дармовых» источников тепловой энергии, в совокупности с сохраняющейся высокой ценой на оборудование, волей-неволей приводят многих домашних умельцев к вопросам самостоятельного создания подобных отопительных установок. Есть ли возможность изготовить тепловой насос с воими силами?

Безусловно, собрать такую тепловую машину, используя некоторые готовые агрегаты и нужные материалы – вполне возможно. В интернете можно найти и видеоматериалы, и статьи с успешными примерами. Правда, точных чертежей отыскать – вряд ли удастся, все обычно ограничивается рекомендациями по возможности изготовления тех или иных деталей и узлов. Впрочем, в этом есть рациональное «зерно»: как уже говорилось, тепловой насос – настолько индивидуальная система, требующая расчетов применительно к конкретным условиям, что слепо копировать чужие наработки будет вряд ли целесообразным.

Тем не менее , тому, кто все же решится на самостоятельное изготовление, следует прислушаться к некоторым технологическим рекомендациям.

Итак, «вынесем за скобки» создание внешних контуров – отопления и первичного теплообмена. Основной задачей в таком случае становится изготовление двух теплообменников, испарителя и конденсатора, связанных контуром из медной трубки с циркулирующим по нему хладагентом. Этот контур, как видно из принципиальной схемы, подключен к компрессору.

Компрессор найти несложно — новый или от разобранной на запчасти техники

Сам компрессор раздобыть не так сложно – его можно приобрести новый – в специализированном магазине. Можно поискать на хозяйственном рынке – часто продают агрегаты от разобранных на запчасти старых холодильников или кондиционеров. Вполне возможно, что компрессор обнаружится и в собственных запасах – многие рачительные хозяева даже при покупке новой бытовой техники такие вещи не выбрасывают.

Теперь – вопрос теплообменников. Здесь есть несколько различных вариантов:

А. Если есть возможности приобрести готовые пластинчатые теплообменники , запаянные в герметичный корпус, то этим решится сразу масса проблем. Такие устройства обладают отменной эффективностью теплопередачи из одного контура в другой – недаром их используют в системах отопления при подключении автономной внутриквартирной разводки к трубам центральной сети.

Удобство еще и в том, что подобные теплообменники — компактные, имеют готовые патрубки, фитинги или резьбовые соединения для подключения к обоим контурам.

Видео: изготовление теплового насоса с использованием готовых теплообменников

Б. Вариант т еплового насоса с теплообменниками из медных трубок и закрытых емкостей .

Оба теплообменника, в принципе, схожи по устройству, но емкости для них могут использоваться разные.

Для конденсатора подойдет цилиндрический бак из нержавейки емкостью около 100 литров. В нем необходимо разместить медный змеевик, выведя его концы сверху и снизу наружу и герметично запаяв места прохода по окончании сборки. Вход должен располагаться снизу, выход, соответственно – в верхней части теплообменника.

Сам змеевик навивают из медной трубки, которую можно приобрести в магазине метражом (толщина стенок – не менее 1 мм). В качестве шаблона можно взять трубу большого диаметра. Витки змеевика следует несколько разнести между собой, прикрепив, например, к алюминиевому перфорированному профилю.

Водяной контур отопления может быть подключен посредством обыкновенных водопроводных патрубков, смонтированных (вваренных, впаянных или на резьбовом соединении с уплотнением) в противоположных краях теплообменного бака. Для циркуляции воды используется само внутренне пространство теплообменника. В итоге должна получиться примерно такая конструкция:

Для испарителя такие сложности не нужны – здесь не бывает высоких температур или избыточного давления, поэтому будет достаточно объёмной пластиковой емкости . Змеевик навивается примерно так же, концы его выводятся наружу. Для циркуляции воды из первичного контура также достаточно обычных сантехнических соединений.

Испаритель также устанавливается на кронштейны рядом с конденсатором, а около них готовится площадка для монтажа компрессора с последующим его подключением к контуру.

Рекомендаций по обвязке компрессора, установке дроссельного регулировочного клапана , по диаметру и длине капиллярной трубки, необходимости регенерационного теплообменника и т.п ., даваться не будет – это должен рассчитывать и монтировать только специалист по холодильным установкам.

Следует помнить, что здесь требуются высокие навыки герметичной пайки медных трубопроводов , умение правильно проводить закачку хладагента – фреона, проводить проверку и осуществлять пробный запуск. Кроме того, работа эта – достаточно опасная, требующая соблюдения весьма специфических правил предосторожности.

В . Тепловой насос с теплообменниками из труб

Другой вариант изготовления теплообменников. Для этого понадобятся металлопластиковые и медные трубы.

Медные трубки подбираются двух диаметров – порядка 8 мм для конденсатора, и порядка 5 ÷ 6 для испарителя. Длина их соответственно 12 и 10 метров.

Металлопластиковые трубы предназначены для циркуляции по ним воды из контуров первичного теплообмена и отопления, и в их полости будут расположены медные трубки внутреннего контура теплового насоса. Соответственно, диаметр тр уб можно взять 20 и 16 мм.

Металлопластиковые трубы растягиваются в длину, так чтобы в них можно было без особых усилий ввести медные, которые должны выступать с каждой стороны примерно на 200 мм.

На каждый из концов трубы одевается и « запаковывается тройник, так, чтобы медная трубка прошла сквозь него прямо. Пространство между ней и телом тройника надежно запечатывается термостойким герметиком. Оставшийся перпендикулярный вывод тройника будет служить для подключения теплообменника к водяному контуру.

Трубы в сборе навиваются спиралями. Обязательно следует сразу предусмотреть их термоизоляцию, одев в поролоновые утеплительные «рубашки». В итоге получаются два готовых теплообменника.

Разместить их можно один над другим в импровизированном корпусе рамного типа. На этом же каркасе предусматривается и площадка для установки компрессора. А чтобы снизить передачу вибрации от него на общую конструкцию, можно компрессор крепить, например, через автомобильные сайлент-блоки .

Чтобы провести обвязку компрессора и заправку получившегося контура фреоном, опять же потребуется пригласить специалиста-холодильщика.

Можно установить такой тепловой насос на предназначенное ему место и подсоединить фитинги тройников на теплообменниках каждый к своему контуру. Останется лишь подвести питание и запустить агрегат.

Все рассмотренные самодельные тепловые насосы – вполне работоспособные конструкции. Однако, не следует полагать, что вот так просто можно полностью решить проблему дешёвого отопления дома. Здесь речь идет , скорее, о создании действующих моделей, которые требуют дальнейшей доработки, модернизации. Даже опытные в этом деле мастера, изготовившие уже не один подобный аппарат, постоянно ищут пути к совершенствованию, создавая новые «версии».

Видео: как мастер совершенствует собственноручно созданный тепловой насос

Кроме того, был рассмотрен только сам тепловой насос, а ему для нормальной работы требуется аппаратура управления, контроля, регулировки, связанная с системой отопления дома. Здесь уже не обойтись без определенных познаний в области электротехники и электроники.

Опять же, можно вернуться к проблемам расчетов – «потянет» ли самодельный тепловой насос систему отопления, так чтобы стать реальной альтернативой другим источникам тепла? Часто в этих вопросах домашним мастерам приходится «пробираться на ощупь». Однако, если базовый принцип усвоен, и первая модель успешно заработала – это уже большая победа. Можно свой пробный образец временно приспособить к обеспечению дома горячей водой для бытовых целей, а самому приниматься за проектирование более совершенного агрегата, с учетом уже наработанного опыта и исправления допущенных ошибок.

Горячее водоснабжение – от энергии солнца!

Очень практичным решением будет использование энергии солнечных лучей для обеспечения дома горячей водой. Этот источник альтернативной энергии – намного проще и дешевле в исполнении, нежели тепловой насос. Как сделать — в специальной публикации нашего портала.

Тепловой насос – универсальный прибор, функционально объединивший в себе характеристики кондиционера, водонагревателя и котла отопления. Этот прибор не использует обычное топливо, для его работы необходимы возобновляемые источники из окружающей среды – энергия воздуха, грунта, воды.

Поэтому тепловой насос сегодня – наиболее экономически выгодный агрегат, поскольку его работа не зависит от стоимости топлива, также экологичный, поскольку источником тепла выступает не электричество или продукты сгорания, а природные источники тепла.

Для лучшего понимания, как работает тепловой насос для отопления дома, стоит вспомнить принцип работы холодильника. Здесь испаряется рабочее вещество, отдавая холод. А в насосе наоборот, оно конденсируется и продуцирует тепло.

Принцип работы теплового насоса

Весь процесс работы системы представлен в виде цикла Карно – названного по имени изобретателя. Описать его можно следующим образом. Теплоноситель проходит через рабочий контур – воздушный, земляной, водный, их сочетания, откуда направляется в 1-й теплообменник – испарительную камеру. Здесь он передает накопленное тепло хладагенту, циркулирующему во внутреннем контуре насоса.

Принцип работы теплового насоса отопления дома

Жидкий хладагент поступает в испарительную камеру, где низкие значения давления и температуры (5 0 С) переводят его в газообразное состояние. Следующий этап – переход газа в компрессор и его сжатие. В результате чего температура газа резко возрастает, газ переходит в конденсатор, здесь он обменивается теплом с системой отопления. Охлажденный газ переходит в жидкость, и цикл повторяется.

Достоинства и негативные стороны тепловых насосов

Работой тепловых насосов для отопления дома можно управлять посредством специально установленных терморегуляторов. Насос автоматически включается при падении температуры среды ниже заданного значения и отключается, если температура превышает заданную отметку. Тем самым прибор поддерживает постоянную температуру в помещении – это одно из преимуществ устройств.

Достоинствами прибора являются его экономичность – насос потребляет небольшое количество электроэнергии и экологичность, или абсолютная безопасность для окружающей среды. Основные преимущества устройства:

Надежность. Срок службы превышает 15 лет, все части системы обладают высоким рабочим ресурсом, перепады энергии не наносят системе вреда.
Безопасность. Отсутствуют сажа, выхлоп, открытое пламя, утечка газа исключена.
Комфорт. Работа насоса бесшумная, уют и комфорт в доме помогают создать климатконтроль и автоматическая система, работа которой зависит от погодных условий.
Гибкость. Прибор отличается современным стильным дизайном, его можно совместить с каждой системой отопления дома.
Универсальность. Применяется в частном, гражданском строительстве. Поскольку обладает широким диапазоном мощностей. За счет чего может обеспечить теплом помещения любой площади – от небольшого дома до коттеджа.

Сложная структура насоса определяет его главный недостаток – высокую стоимость оборудования и его монтажа. Для установки прибора необходимо проводить земляные работы в больших объемах.

Тепловые насосы – классификация

Работа теплового насоса для отопления дома возможна в широком температурном диапазоне – от -30 до +35 градусов по Цельсию. Наиболее распространены приборы абсорбционные (переносят тепло посредством его источника) и компрессионные (циркуляция рабочей жидкости происходит за счет электроэнергии). Наиболее экономичны абсорбционные устройства, однако они более дорогостоящие и обладают сложной конструкцией.

Классификация насосов по типу источников тепла:

Геотермальные. Забирают тепло воды или земли.
Воздушные. Забирают тепло атмосферного воздуха.
Вторичного тепла. Забирают так называемое производственное тепло – образующееся на производстве, при отоплении, прочих промышленных процессах.

Теплоносителем может выступать:

Вода из искусственного или естественного водоема, грунтовые воды.
Грунт.
Воздушные массы.
Комбинации вышеперечисленных носителей.

Насос геотермального типа – принципы устройства и работы

Насос геотермальный для отопления дома использует тепло грунта, которое он отбирает вертикальными зондами или горизонтальным коллектором. Зонды размещаются на глубине до 70 метров, зонд находится на небольшом удалении от поверхности. Такой тип устройства наиболее эффективен, поскольку у источника тепла довольно высокая постоянная в течение всего года температура. Поэтому необходимо затратить меньше энергии на транспортировку тепла.

Такое оборудование требует больших затрат на установку. Высокой стоимостью отличаются работы по бурению скважин. Кроме того, площадь, отведенная под коллектор, должна быть в несколько раз больше площади отапливаемого дома либо коттеджа. Важно помнить : земля, где находится коллектор, не может использоваться для посадки овощей или плодовых деревьев – корни растений будут переохлаждены.

Использование воды в качестве источника тепла

Водоем – источник большого количества тепла. Для насоса можно использовать незамерзающие водоемы от 3 метров глубиной либо грунтовые воды при их высоком уровне. Реализовать систему можно следующим образом: трубу теплообменника, отягощенную грузом из расчета 5 кг на 1 метр погонный, укладывают на дно водоема. Протяженность трубы зависит от метража дома. Для помещения в 100 м.кв. оптимальная протяженность трубы – 300 метров.

В случае использования грунтовых вод необходимо пробурить две скважины, расположенные одна за другой по направлению грунтовых вод. В первую скважину помещают насос, подающий воду на теплообменник. Во вторую скважину поступает уже охлажденная вода. Это так называемая открытая схема сбора тепла. Ее основной недостаток в том, что уровень грунтовых вод нестабилен и может значительно меняться.

Воздух – наиболее доступный источник тепла

В случае использования воздуха в качестве источника тепла теплообменником выступает радиатор, принудительно обдуваемый вентилятором. Если работает тепловой насос для отопления дома по системе «воздух-вода», пользователь получает преимущества:

Возможность обогреть весь дом. Вода, выступающая в качестве теплоносителя, разводится по приборам отопления.
При минимальных затратах электроэнергии – возможность обеспечить жильцов горячим водоснабжением. Это возможно за счет наличия дополнительного теплоизолированного теплообменника с емкостью накопительной.
Насосы аналогичного типа могут использоваться для нагрева воды в бассейнах.

Если насос работает по системе «воздух-воздух», теплоноситель для нагрева помещения не используется. Обогрев производится за счет полученной тепловой энергии. Примером реализации такой схемы может служить обычный кондиционер, установленный на режим обогрева. Сегодня все устройства, использующие воздух как источник тепла, – инверторные. В них переменный ток в постоянный преобразуется, обеспечивая гибкое управление компрессором и его работу без остановок. А это увеличивает ресурс устройства.

Тепловой насос – альтернативная система отопления дома

Тепловые насосы – альтернатива современным системам отопления. Они экономичны, экологичны и безопасны в использовании. Однако высокая стоимость монтажных работ и оборудования на сегодня не позволяют использовать приборы повсеместно. Теперь вы знаете как работает тепловой насос для отопления дома и подсчитав все плюсы и минусы сможете принять решение о его установки.

Тепловой насос - хорошая альтернатива традиционному отоплению частного дома. Прибор, используемый в течение 30 лет в странах Запада, в России еще является новинкой. Препятствием для его широкого использования являются два фактора: высокая стоимость и недостаток сведений о тепловых насосах, их преимуществах и принципах работы. Показателем практичности геотермальной системы отопления служит ее популярность на Западе. Так, тепловыми насосами в Швеции и Норвегии отапливаются около 95% домов. Предлагаем вам подробнее ознакомиться с устройством и принципами работы этого теплового оборудования, за которым, непременно, будущее.

Что такое тепловой насос?

Тепловой насос - прибор, поглощающий из окружающей среды (вода, земля, воздух) низко потенциальную тепловую энергию и передающий ее в системы теплоснабжения с более высокой температурой.

Природа вокруг нас пропитана энергией. Даже мороз обладает теплом. Энергию невозможно извлечь из окружающей среды только при температуре -273 °С. Поэтому даже в самую лютую зиму загородный дом может отапливаться за счет энергии, полученной от природы.

В зависимости от источника энергии (вода, земля, воздух), происходит модификация тепловых насосов. Однако наиболее практичным и испытанным является геотермальный тепловой насос, применяющий энергию грунта. Он идеально подходит для российских условий.

Геотермальное отопление работает по одному из трех направлений:

Использование геотермального отопления, как и любой системы теплоснабжения, позволит не только обогреть дом, но и обеспечить горячей водой, обогреть автостоянку или теплицу, нагреть воду в бассейне

Преимущества использования теплового насоса

Принцип работы теплового насоса

Работу теплового насоса можно сравнить с работой обычного холодильника. Только вместо холода аппарат вырабатывает тепло. Веществом, передающим энергию, является фреон - газ или жидкость с низкой температурой кипения. При испарении он поглощает тепло, а при конденсации - отдает его.

Тепловой насос - главный элемент системы. Его размеры не превышают габаритов средней стиральной машины , что облегчает установку прибора. Сам насос включается в два контура: внутренний и внешний.

Внутренний контур состоит из системы теплоснабжения дома (трубы и радиаторы).Внешний контур находится в воде или под землей. Он включает в себя коллектор-теплообменник и трубы, связывающие коллектор с насосом.

Тепловые насосы комплектуются различными дополнительными устройствами. Это могут быть:

коммуникационное устройство для управления системой через персональный компьютер или мобильный телефон;
блок охлаждения для локальной или центральной системы охлаждения;
дополнительный насосный блок может потребоваться для отопления полов;
циркуляционный насос необходим для циркуляции горячей воды;

Процесс работы насоса состоит из нескольких этапов:

Незамерзающая смесь подается в коллектор. Происходит поглощение тепловой энергии и транспортировка ее к насосу.
В испарителе энергия передается фреону, где он нагревается до 8 °C , закипает и превращению в пар.
При увеличении давления в компрессоре повышается температура. Она может достигать 70 °C.
Внутридомовая система отопления получает тепловую энергию через конденсатор . Фреон мгновенно охлаждается и переходит в жидкое состояние, отдавая при этом оставшееся тепло. Затем он идет обратно в коллектор. Так завершается цикл.
Далее работа повторяется по тому же принципу.

Наиболее эффективно тепловой насос функционирует при наличии в доме теплых полов . Тепло распределяется по всей площади пола равномерно. При этом отсутствуют зоны перегрева. Теплоноситель в системе редко нагревается больше 35 °C, а отопление путем нагрева полов считается наиболее комфортным при 33 °C. Это меньше на 2 °C чем при отоплении радиаторами. Отсюда возникает экономия до 18% в год от всего отопительного бюджета. Кроме того, считается, что отопление на уровне пола наиболее комфортно для проживания человека.

Система отопления может быть моновалентной и бивалентной. У моновалентных систем один источник отопления. Он полностью отвечает круглогодичной потребности в тепле. У бивалентных, соответственно, - два источника.

Отопление дома в зимний период

На территории с более суровыми климатическими условиями актуально использование бивалентной системы отопления . За счет второго источника тепла расширяется диапазон температур. Работы одного теплового насоса достаточно только до уровня температуры -20 °С. При большем ее понижении подключаются электрообогреватель , камин, жидкотопливный или газовый котел. При этом мощность теплового насоса ограничивается от максимальной зимней потребности до 70 - 80%. Недостающие 20 - 30% дает дополнительный источник тепла. Это снижает общую эффективность работы системы. Однако снижение является незначительным.

При полном переходе на отопление здания геотермальной системой (в случае, когда не планируется устанавливать дополнительно котел или электроприбор) тепловой насос применяется совместно с внутренним модулем, содержащим небольшой встроенный электронагреватель. Он поддержит прибор, когда температура окружающей среды будет ниже -20 °С.

В каких случаях использование теплового насоса является обоснованным?

Вопрос отопления загородного дома предполагает рассмотрение нескольких вариантов:

Газ . При отсутствии рядом с домом газопровода это становится невозможным. В ряде регионов купить газ можно только в баллонах.
Уголь или дрова . С ними отопление превращается в трудоемкий и малоэффективный процесс.
Жидкотопливный котел требует больших расходов на топливо и специального помещения. Особое хранение необходимо и самому топливу, что неудобно в небольшом доме.
Отопление электричеством обходится очень дорого.

В таком случае на помощь приходит геотермальная система отопления . Ее используют даже там, где доступен газ. Установка теплового насоса дороже установки оборудования для отопления газом. Однако, газ в дальнейшем придется оплачивать постоянно, в отличие от энергии, взятой из окружающей среды.

Окупаемость теплового насоса сложно выразить в усредненном числовом значении. Все зависит от его начальной стоимости. Суть установки такого отопления сводится к перспективе. Хотя количество потребляемой электроэнергии - в 3−5 раз меньше , чем у других систем отопления, все же необходимо подсчитать в денежном эквиваленте все энергозатраты за год и сравнить их со стоимостью системы, ее монтажа и эксплуатации.

Достигнуть максимальной эффективности применения теплового насоса можно при соблюдении двух важных условий:

Отапливаемое здание должно быть утепленным , а показатель теплопотерь не должен превышать 100 Вт/м2. Существует прямая связь между тем, как утеплен дом и тем, насколько выгодно будет установка теплонасоса.
Подключение теплового насоса к низкотемпературным источникам обогрева (конвекторам , теплым полам), температурный режим которых колеблется между 30 - 40 °C.

Итак, тепловой насос станет неплохой альтернативой традиционным способам отопления. Прибор гарантирует экономичность и полную безопасность . Владельцу, после установки геотермальной системы отопления, не придется зависеть от различных внешних факторов, как, например, перебои с газоснабжением или вызовом сервисной службы. Энергия, взятая из окружающей среды, не требует оплаты и не исчерпывается.