тепловой насос для отопления

Тепловой насос

тепловой насосДля работы современных тепловых насосов используются  низкопотенциальные  источники тепла: земля, грунтовые воды, воздух. Хотя температура этих источников гораздо меньше, чем должна быть температура воздуха в доме, но и это низкотемпературное тепло грунта или воды тепловой насос  превращает в высокотемпературное, необходимое для обогрева дома. Поэтому тепловые насосы называют ещё «трансформаторами тепла».  Главное же их  достоинство  в том, что тепловые насосы не вырабатывают тепло, тратя электроэнергию лишь на его перемещение. Физический принцип  действия  теплового насоса тот же, что и в холодильнике.  В лучших тепловых насосах отопительный коэффициент достигает 3-4, -это означает, что на каждый потреблённый электродвигателем киловатт-час электроэнергии вырабатывается 3-4 киловатт-часа тепловой энергии.                                                                        схема теплового насоса                 В качестве источника  тепла может быть:

  •  а) наружный воздух, имеющий температуру от –15 до +15°С,
  •  б) воздух отводимый из помещения с температурой 15–25°С,
  •  в)подпочвенные (4–10°С) и грунтовые (более 10°C) воды,
  • г)озерная и речная вода (0–10°С),
  • д) поверхностный (0–10°С) и глубинный (более 20 м) грунт (10°С).
  • 1.В случае использования в качестве источника тепла атмосферного или вентиляционного воздуха, система отопления теплового насоса работает по схеме «воздух–вода». Тепловой насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.
  •  2.Если в качестве источника тепла используются грунтовые воды, то система отопления теплового насоса 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.
  • 3.При использовании в качестве источника тепла грунта, система отопления теплового насоса  работает по схеме «грунт-вода».  При этом способе возможны два варианта устройства коллектора – вертикальный и горизонтальный.                             схема теплового насоса для дома                                                      Тепловой насос представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Собственно самим теплом отобранным из скважины вы, естественно, ничего не нагреете. Это низкопотенциальное тепло нужно  для оттаивания испарителя, а дальше работает фреон. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать антифриз или тосол. В трубопроводе, при прокачивании через него теплоносителя, последний нагревается до температуры грунта. Затем теплоноситель 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. 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  систему отопления дома и передает свое тепло в помещение, при этом охлаждаясь. Когда хладагент проходит через редукционный клапан, его давление падает, и он снова переходит в жидкую фазу. После этого цикл повторяется.

Горизонтальный коллектор

горизонтальный коллекторПри горизонтальном расположении коллектора  металлопластиковые или полиэтиленовые трубы укладывают в траншеи глубиной 1,2–1,5 м или в виде спиралей в траншеи глубиной 2–4 м,  концы трубы подключают  к первичному контуру,  в трубу заливают антифриз  и ставят циркуляционный насос, который будет гонять эту жидкость по кругу.  Способ укладки труб в виде спиралей позволяет значительно уменьшить длину траншей, 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.  Оптимальное расстояние между трубами считается 0,7–0,8 м, при этом длина одной траншеи выбирается от 30 до 120 м.  И хотя затраты на использование горизонтального коллектора меньше, чем при других способах, так как траншею под него несложно выкопать за несколько дней самостоятельно, но то, что отведенная под горизонтальный коллектор площадь участка должна  в несколько раз превышать площадь отапливаемого дома, а использовать  эту площадь не получится: немногие растения переживут сильное охлаждение корней и  не рекомендуется на участке  возводить строения, то данный способ уступает вертикальному коллектору.

 Расчет длины 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.
  • Для расчета берем, что для обогрева дома с высотой потолка 3 м, необходимо расходовать 1 кВт.тепловой энергии на 10 м2 площади.   Следовательно, при площади дома 10х10м=100 м2, необходимо 10кВт тепловой энергии. Для обогрева дома берем, например, тепловой насос мощностью 15,6 кВт, расход на работу компрессора — 5 кВт. Выбираем  теплосъем  по типу грунта, например для влажной глины  q = 25 Вт/м.
  • Рассчитаем мощность теплового коллектора по формуле: Qo=Qwp–P, где Qo – мощность теплового коллектора, кВт; Qwp – мощность теплового насоса, кВт; P – электрическая мощность компрессора, кВт.
  • Требуемая тепловая мощность коллектора составит: Qo=15,6–5=10,6 кВт;
  • Определяем суммарную длину труб по формуле:  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 0,75м необходимая площадь участка: А=500х0,75=375 м2.

Вертикальный коллектор

вертикальный коллектор

При устройстве теплового насоса для отопления дома теплотой грунтовых вод чаще всего использует так называемую открытую схему сбора тепла: по направлению тока грунтовых вод одна за другой бурятся две скважины, в первую из которых погружается обыкновенный скважинный насос. Его функция — подать воду на теплообменник, охлажденная вода сбрасывается во вторую скважину.                                                                                                                               При вертикальном расположении коллектора теплового насоса трубы укладывают в вертикальные скважины на глубину 20–100 м.  В них погружаются U-образные металлопластиковые или пластиковые трубы. Для этого в одну скважину вставляется две петли, которые заливается цементным раствором.                                                                                                                                     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.    Водоносные горизонты бывают разные (водонасыщенные горные породы — песок, известняк, песчаник, природные подземные резервуары и т.д) и это нужно учитывать. Естественно, если вы просто забуритесь в грунт и начнете сливать туда воду, то ее влезет  ровно столько, сколько объем скважины. Вода в приемную скважину должна сливаться самотеком, иначе возникает опасность повреждения сетки придонного фильтра.                                                                                        Основной недостаток тепловых насосов вертикального коллектора,- это размер первоначальных затрат на установку устройств. Велика не только собственно цена насоса,  пробурить несколько скважин глубиной в десятки метров тоже обходится очень недешево.                                                                                                                                                       Расчет длины труб вертикального коллектора аналогичен расчету горизонтального коллектора. Удельный теплосъем с пог. метра трубы такого коллектора составляет :  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.

вывод коллектора Пример устройства.  Скважины пробурили 2 шт глубиной около 11 м каждая, на расстоянии 20м одна от другой. В одну установили погружной насос мощностью 0,35-1,1 кВт, во вторую  вставили до дна трубу от выхода первичного контура (полиэтилен технический 32 мм). Глубину заборной скважины взяли минимальную, глубину скважины сброса достаточную с учетом захода  в водоносный горизонт.                                                                                                             Однако, как показывает практика, выбирая какое отопление лучше, одного лишь теплового насоса для снабжения дома теплом и горячей водой недостаточно. Для оптимизации  отопления дома возможно  одновременное использование трех источников тепла: теплогенератора, теплового насоса  и солнечного коллектора,- которые служат вспомогательными элементами и способствуют снижению затрат потребляемой электроэнергии  и повышению эффективности нагрева. Одновременное использование трех источников нагрева практически полностью исключает опасность размерзания системы.