Тепловий насос для опалення будинку: принцип роботи та приклади розрахунку

Тепловий насос для опалення будинку: принцип роботи та приклади розрахунку

Давно і вельми успішно теплові насоси використовуються в побутових і промислових холодильниках і кондиціонерах.

Сьогодні ці пристрої стали застосовувати і для виконання функції протилежного характеру – обігріву житла в період холодів.

Давайте ж подивимося, як використовуються теплові насоси для опалення приватних будинків та що треба знати, щоб правильно розрахувати всі його компоненти.

Зміст

  • 1 Тепловий насос. Конструкція обігріву будинку
  • 2 Принцип роботи теплових насосів
  • 3 Види конструкцій теплових насосів
  • 4 Робота теплового насоса при роботі за схемою «грунт-вода»
    • 4.1 Горизонтальний варіант
    • 4.2 Вертикальний варіант
    • 4.3 Комбінований варіант
  • 5 Розрахунок горизонтального колектора теплового насоса
  • 6 Приклад розрахунку теплового насоса
    • 6.1 Розрахунок колектора
  • 7 Розрахунок вертикального колектора

Тепловий насос. Конструкція обігріву будинку

В системі опалення будинку тепловий насос (ТН) грає ту ж роль, що і котел, тобто є теплогенератором.

Різниця полягає тільки в тому, що котел спалює паливо, а ТН «викачує» теплову енергію з джерел, які, на перший погляд, зовсім нею не багаті.

Грунт і річкова вода з температурою 5 – 7 градусів, або навіть морозний зимовий повітря, температура якого взагалі виявилася нижче нуля.

Такі джерела називаються низкопотенциальными, і хоча з поняттям тепла вони ніяк не асоціюються, ТН примудряється «вичавити» з них значний обсяг цілющої енергії. До цього слід додати тепло, що виділяється електродвигуном компресора ТН: тут, на відміну від холодильника і кондиціонера, воно не пропадає даром.

В іншому система опалення на базі ТН нічим не відрізняється від звичайної: використовується теплоносій – вода або повітря, яке нагрівається, протікаючи через теплообмінник, а потім розносить тепло по всьому будинку. Циркуляцію забезпечує насос (для водяного опалення) або вентилятор (для повітряного). Точно також, як і традиційний теплогенератор, ТН можна одночасно підключити до контуру гарячого водопостачання (ГВП) як з накопичувальною ємністю (бойлером), так і без неї.

Принцип роботи теплових насосів

У будь-якому ТН є робоче середовище, іменована холодоагентом. Зазвичай в цій якості виступає фреон, рідше – аміак. Сам пристрій складається всього з трьох компонентів:

  • випарник;
  • компресор;
  • конденсатор.

Випарник і конденсатор – це два резервуара, що мають вигляд довгих зігнутих трубок – змійовиків. Конденсатор одним кінцем приєднується до вихідного патрубку компресора, а випарник — до вхідного. Кінці змійовиків стикуються та у місці з’єднання між ними встановлюється редукційний клапан. Випарник контактує безпосередньо або опосередковано – з середовищем-джерелом, а конденсатор – з системою опалення чи ГВП.

Тепловий насос для опалення будинку: принцип роботи та приклади розрахунку

Принцип роботи теплового насоса

Робота ТН заснована на взаємозалежності об’єму, тиску і температури газу. Ось що відбувається всередині агрегату:

  • Аміак, фреон або інший холодоагент, рухаючись по випарника, нагрівається від середовища-джерела, допустимо, до температури +5 градусів.
  • Пройшовши випарник, газ досягає компресора, який перекачує його в конденсатор.
  • Нагнітається компресором холодоагент утримується в конденсаторі редукційним клапаном, тому його тиск тут вищий, ніж у випарнику. Як відомо, зі збільшенням тиску температура будь-якого газу збільшується. Саме це відбувається з холодоагентом – він розігрівається до 60 – 70 градусів. Оскільки конденсатор омивається що циркулює в системі опалення теплоносієм, останній також нагрівається.
  • Через редукційний клапан холодоагент невеликими порціями скидається у випарник, де його тиск знову падає. Газ розширюється і охолоджується, а оскільки частина внутрішньої енергії була втрачена в результаті теплообміну на попередньому етапі, його температура опускається нижче початкових +5 градусів. Слідуючи з випарника, вона знову нагрівається, далі закачується в конденсатор компресором – і так по колу. По-науковому цей процес називається циклом Карно.
  • Головна особливість ТН полягає в тому, що теплова енергія береться з навколишнього середовища буквально даром. Правда, для її видобутку необхідно витратити деяку кількість електроенергії (для компресора і циркуляційного насоса/вентилятора).

    Але ТН все-одно залишається дуже вигідним: за кожен витрачений кВт*год електроенергії вдається отримати від 3 до 5 кВт*год тепла.

    Види конструкцій теплових насосів

    Тепловий насос для опалення будинку: принцип роботи та приклади розрахункуТип ТН прийнято позначати словосполученням, що вказує на середовище-джерело і теплоносій системи опалення.

    Існують наступні різновиди:

    • ТН «повітря — повітря»;
    • ТН «повітря — вода»;
    • ТН «грунт — вода»;
    • ТН «вода — вода».

    Найперший варіант – це звичайна спліт-система, що працює в режимі обігріву. Випарник монтується на вулиці, а всередині будинку встановлюється блок з конденсатором. Останній обдувається вентилятором, завдяки чому в приміщення подається тепла повітряна маса.

    Якщо таку систему оснастити спеціальним теплообмінником з патрубками, вийде ТН типу «повітря — вода». Він підключається до водяної системи опалення.

    Випарник ТН типу «повітря — повітря» або «повітря — вода» можна розмістити не на вулиці, а в каналі витяжної вентиляції (вона повинна бути примусовою). В цьому випадку ефективність ТН буде збільшено в кілька разів.

    Теплові насоси типу «вода — вода» і «грунт – вода» для відбору тепла використовують так званий зовнішній теплообмінник або, як його ще називають, колектор.

    Тепловий насос для опалення будинку: принцип роботи та приклади розрахунку

    Принципова схема роботи теплового насоса

    Це довга закільцьований труба, як правило, пластикова, по якій циркулює рідка середовище, омиває випарник. Обидві різновиди ТН являють собою одне і те ж пристрій: в одному випадку колектор занурюється на дно поверхневого водоймища, а в другому – в грунт. Конденсатор такого ТН розташований в теплообміннику, що підключається до системи водяного опалення.

    Підключення ТН за схемою «вода — вода» є набагато менш трудомістким, ніж «грунт — вода», оскільки відпадає необхідність в проведенні земляних робіт. На дно водойми труба укладається у вигляді спіралі. Зрозуміло, для даної схеми підійде тільки такий водойма, який взимку не промерзає до дна.

    Робота теплового насоса при роботі за схемою «грунт-вода»

    Укладання колектора у грунт можна зробити трьома способами.

    Горизонтальний варіант

    Тепловий насос для опалення будинку: принцип роботи та приклади розрахункуТруби укладають у траншеї «змійкою» на глибину, що перевищує глибину промерзання грунту (в середньому – від 1 до 1,5 м).

    Для такого колектора потрібна ділянка землі досить великій площі, але зате його може побудувати будь-який домовласник – ніяких навичок, крім уміння працювати лопатою, не знадобиться.

    Слід, щоправда, врахувати, що спорудження теплообмінника ручним способом – досить трудомісткий процес.

    Вертикальний варіант

    Труби колектора у вигляді петель, що мають форму літери «U», занурюються в свердловини глибиною від 20 до 100 м. При необхідності можна побудувати кілька таких свердловин. Після установки труб свердловини заливають цементним розчином.

    Перевага вертикального колектора полягає в тому, що для його будівництва потрібен зовсім невелику ділянку. Однак, пробурити свердловини глибиною понад 20 м самостійно немає ніякої можливості – доведеться наймати бригаду бурильників.

    Комбінований варіант

    Тепловий насос для опалення будинку: принцип роботи та приклади розрахункуЦей колектор можна вважати різновидом горизонтального, але для його будівництва буде потрібно набагато менше місця.

    На ділянці викопується круглий колодязь глибиною від 2-х м.

    Труби теплообмінника укладаються спіраллю, так що контур являє собою як би вертикально встановлену пружину.

    Після завершення монтажних робіт колодязь засинають. Як і у випадку з горизонтальним теплообмінником, весь необхідний обсяг робіт можна зробити своїми руками.

    Колектор заповнюється антифризом – тосолом або розчином етиленгліколю. Для забезпечення його циркуляції в контур врізається спеціальний насос. Увібравши в себе тепло грунту, антифриз надходить до випарника, де відбувається теплообмін між ним і холодоагентом.

    Слід врахувати, що необмежений відбір тепла з грунту, особливо при вертикальному розташуванні колектора, може призвести до небажаних наслідків для геології та екології ділянки. Тому в літній період ТН типу «грунт — вода» дуже бажано експлуатувати в реверсному режимі — кондиціонер.

    Розрахунок горизонтального колектора теплового насоса

    Ефективність горизонтального колектора залежить від температури середовища, в яке він занурений, її теплопровідності, а також площі контакту з поверхнею труби. Методика розрахунку досить складна, тому в більшості випадків користуються усередненими даними.

    Тепловий насос для опалення будинку: принцип роботи та приклади розрахункуВважається, що кожен метр теплообмінника забезпечує ТН наступну теплову потужність:

    • 10 Вт – при заглибленні в сухий піщаний або кам’янистий грунт;
    • 20 Вт – в сухому глинистому грунті;
    • 25 Вт – у вологому глинистому грунті;
    • 35 Вт – в дуже сирому глинистому грунті.

    Таким чином, для розрахунку довжини колектора (L) слід потрібну теплову потужність (Q) розділити на теплотворну здатність грунту (p):

    L = Q / p.

    Наведені значення можна вважати дійсними тільки при дотриманні наступних умов:

    • Ділянку землі над колектором не забудований, не затінений і не засаджений деревами або кущами.
    • Відстань між сусідніми витками спіралі або ділянками «змійки» становить не менше 0,7 м.

    При розрахунку колектора слід враховувати, що температура ґрунту після першого року експлуатації знижується на кілька градусів.

    Приклад розрахунку теплового насоса

    Підберемо ТН для системи опалення одноповерхового будинку загальною площею 70 кв. м зі стандартною висотою стелі (2,5 м), раціональною архітектурою і теплоізоляції огороджувальних конструкцій, що відповідає вимогам сучасних будівельних норм. На обігрів 1 кв. м такого об’єкта за загальноприйнятим нормам доводиться витрачати 100 Вт тепла. Таким чином, для опалення всього будинку знадобиться:

    Q = 70 х 100 = 7000 Вт = 7 кВт теплової енергії.

    Вибираємо тепловий насос марки «ТеплоДаром» (модель L-024-WLC) з тепловою потужністю W = 7,7 кВт. Компресор агрегату споживає N = 2,5 кВт електроенергії.

    Розрахунок колектора

    Грунт на відведеній під будівництво колектора ділянці – глинистий рівень грунтових вод високий (приймаємо теплотворну здатність p = 35 Вт/м).

    Потужність колектора визначаємо за формулою:

    Qk = W – N = 7,7 – 2,5 = 5,2 кВт.

    Визначаємо довжину труби колектора:

    L = 5200 / 35 = 148.5 м (приблизно).

    Виходячи з того факту, що укладати контур довжиною більше 100 м нераціонально через надмірно високого гідравлічного опору, приймаємо наступне: колектор теплового насоса буде складатися з двох контурів — завдовжки 100 м і 50 м.

    Площа ділянки, який необхідно буде відвести під колектор, визначимо за формулою:

    S = L x A,

    Де А – крок між сусідніми ділянками контуру. Приймаємо: А = 0,8 м.

    Тоді S = 150 x 0.8 = 120 кв. м.

    Розрахунок вертикального колектора

    На глибині понад 15 м температура грунту стабільно тримається на позначці +10 градусів цілий рік. Тому ефективність колектора є більш високою – в середньому з метрової ділянки вдається знімати до 50 Вт тепла. Для розрахунку довжини теплообмінника також необхідно враховувати тип середовища. Так, з 1-го метра труби вдається отримати таку теплову потужність:

    • 20 Вт – при зануренні в осадовий грунт (сухий);
    • 50 Вт – в кам’янистому або вологому осадовому грунті;
    • 70 Вт – тверді породи (камінь);
    • 80 Вт – підземні води.

    Тепловий насос для опалення будинку: принцип роботи та приклади розрахунку

    Застосування вертикального зонда для теплового насоса

    При будівництві свердловин слід дотримуватися умова: відстань між ними повинна становити не менше 5 м.

    Для роботи теплового насоса з вищенаведеного прикладу знадобиться колектор довжиною L = 5200 / 50 = 140 м.

    Отже, для облаштування колектора потрібно пробурити дві свердловини глибиною 70 м. В кожній з них потрібно буде встановити по дві U-образні петлі, для чого необхідно буде закупити 4х140 = 560 м труб.

    Сподобалася стаття? Поділитися з друзями: