Расчет мощности теплового насоса для дома: принцип действия оборудования и конкретные примеры вычислений

Что важно знать о дебетовой скважине?

Дебетовая – это скважина, из которой забирается вода и поступает в теплообменник теплового насоса, где происходит отбор тепла от этой воды. Перед тем, как использовать такую скважину для теплового насоса, необходимо выяснить сколько она дает воды, т.е. её дебет. Давайте разберемся, зачем нам необходима эта информация.

Вода из скважины идет в теплообменник теплового насоса. С одной стороны пластин, который проходит вода из нашей скважины, с другой фреон, который забирает тепло от нее. Допустим пришло в теплообменник теплового насоса 10С, а выходит 6С. Т.е. фреон забрал 4С.

Прокачивая 1м3 воды через теплообменник, мы получим 4,65 кВт тепла.

Произведем расчет дебета скважины. Для примера возьмем тепловой насос производительностью 12 кВт и потребление 2,7 кВт. Для того чтобы определить количество воды, прокачиваемой через теплообменник, необходимо рассчитать холодопроизводительность теплового насоса. Это разность между тепловой мощностью и потребляемой мощностью. 12-2,7=9,3 кВт

Теперь рассчитываем объем прокачиваемой воды. 9,3/4,65=2 м3. Т.е. дебет нашей скважины должен быть больше процентов на 20-30. Например, в Краснодаре, температура воды из скважины почти круглогодично идет 13-14С. Охлаждать воду в теплообменнике, без риска для его размораживания, мы можем до +3С. Соответственно производим расчет.

13-3=10С

10*1,163=11,63

9,3/11,63=0,8 м3/ч

Из расчетов видно, как температура воды влияет на необходимый дебет из скважины. Еще один пример. Московская область. Зимой вода из скважины может опускаться до 8С. Считаем:

8-3=5

5*1,163=5,81

9,3/5,83=1,6 м3/ч

Постоянно ли должен быть такой дебет? Нет, но обеспечить его нужно не менее расчетного.

Когда тепловой насос потребует расчетного дебета? Тогда, когда будет целый час работать без остановки, а такой момент наступит, если теплопотери дома будут равны или больше, чем та тепловая мощность, которую дает насос. Происходит следующий процесс. Допустим у нас есть «умный контроллер», который управляет тепловым насосом или человек, который выставил определенную температуру подачи в систему отопления. Пусть это будет 40С. Когда наступает момент, что теплопотери выше, чем мощность теплового насоса, то вода, приходящая в теплообменник отопительного контура (обратка), сильно холодная и мощности теплового насоса не хватает, чтобы нагреть воду до установленной температуры подачи и остановиться на «перекур». Если насос будет работать сутки, то и вода из скважины будет забираться такое же время с расчетным дебетом или больше. Если дебет будет недостаточный, уровень в скважине упадет и погружной насос не сможет забирать воду. Отсутствие ее в скважине приведет к остановке теплового насоса. Сработает защита. Когда теплопотери ниже, чем мощность насоса, то он будет включаться на несколько минут, нагревать воду до определенной температуры и выключаться до того момента, пока температура не упадет на 1-2С или на другое значение, выставленное оператором.

Принцип работы

Все окружающее нас пространство есть энергия — нужно только уметь ее использовать. Для теплового насоса нужно, чтобы температура окружающей среды была больше 1С°. Тут следует сказать, что даже земля зимой под снегом или на некоторой глубине сохраняет тепло. Работа геотермального или любого другого теплонасоса основывается на транспортировке тепла от его источника с помощью теплоносителя к контуру отопления дома.

Схема работы прибора по пунктам:

• носитель тепла (вода, грунт, воздух) наполняет находящийся под грунтом трубопровод и нагревает его;
• затем теплоноситель транспортируется в теплообменник (испаритель) с последующей передачей тепла на внутренний контур;
• во внешнем контуре находится хладагент – жидкость с низкой точкой кипения под низким давлением. Например, фреон, вода со спиртом, гликолевая смесь. Внутри испарителя это вещество нагревается и становится газом;
• газообразный хладагент направляется в компрессор, сжимается под высоким давлением и нагревается;
• горячий газ попадает в конденсатор и там его тепловая энергия переходит к теплоносителю системы отопления дома;
• завершается цикл превращением хладагента в жидкость, и она, вследствие потери тепла, возвращается назад в систему.

Тот же принцип используется для холодильников, поэтому тепловые насосы для дома можно применять как кондиционеры для охлаждения помещения. Проще говоря, тепловой насос – это такой холодильник с обратным действием: вместо холода вырабатывается тепло.

Типы конструкций для отопления дома

Конструкции тепловых насосов подразделяют на несколько типов.

Грунт-вода

Насос этого вида пользуется наибольшим спросом. Агрегат работает на основе энергии, полученной из земли. Теплоносителем служит рассол, приготовленный из поваренной соли.

Недостаток такой жидкости заключается в том, что она вызывает образование ржавчины на металле, поэтому наружный контур делают из пластиковых труб, поскольку они не подвержены коррозии.

Устройство в землю устанавливают двумя способами: горизонтально или вертикально. При первом варианте земля не используется для садоводства, потому что во время эксплуатации почвы есть опасность поломки оборудования.

Важно! Для установки горизонтальных труб потребуется большая площадь. Если придомовой участок не располагает такой территорией, профессионалы рекомендуют остановить выбор на вертикальном типе расположения устройства. Если агрегат устанавливается вертикально, то он не занимает много места

Для монтажа вырывается скважина, глубиной 150 метров. Вертикальный монтаж оборудования позволяет вести на участке сельскохозяйственные работы. Передача тепла осуществляется посредством глубинных зондов

Если агрегат устанавливается вертикально, то он не занимает много места. Для монтажа вырывается скважина, глубиной 150 метров. Вертикальный монтаж оборудования позволяет вести на участке сельскохозяйственные работы. Передача тепла осуществляется посредством глубинных зондов.

Вода-вода

Прибор черпает тепло из жидкостей, находящихся глубоко под землей. В их число входят грунтовые или сточные воды, а также водоемы. Труба заполняется теплоносителем, подсоединяется к источнику тепла и закапывается или просто погружается в воду.

Воздух-вода

Применение насоса, работающего по принципу «воздух-вода», нецелесообразно в областях с суровым климатом. Здесь в холодное время года температура воздуха падает ниже нуля. По этой причине система отопления прекратит свою работу.

Фото 1. Инверторный тепловой насос «воздух-вода» модели AVH-24V1DB, мощность 3,4-9,0 кВт, производитель — «DanHeat».

Тепловой насос «воздух-вода» профессионалы советуют использовать только в регионах с благоприятным теплым климатом. Монтаж устройства не вызывает проблем: прибор просто устанавливают на улице.

Оборудование для теплового насоса

Выбор отопительного оборудования обычно начинается с определения его требуемой мощности. Производится тепловой расчёт помещения, подсчёт теплопотерь, учитывается нужное количество горячей воды для ГВС. Этот расчёт поручать лучше специалисту, чтобы избежать ошибок. Примерный порядок цифр выдают программы-калькуляторы на сайтах компаний-производителей.

Далее можно выбирать тип устройства с учётом участка. Если в вашем распоряжении имеется достаточно большой водоём (несколько сотен кубических метров), то, возможно, он подойдёт для размещения системы. Последний напоминает змеевик из гибких полимерных труб, его аккуратно укладывают на дно и закрепляют там грузом.

Воздушные теплообменники  вполне годятся для ветреных южных регионов нашей страны или для бивалентных систем. Их можно размещать на удалении до 30 м от внутреннего блока. На деле их стремятся расположить как можно ближе к дому, так как длинные соединительные линии увеличивают потери и снижают полезную мощность. В идеале это глухая стена дома, подальше от окон спален.

Важный параметр — минимальная температура наружного воздуха в режиме нагрева. У специально адаптированных к морозам моделей она может составлять –25 °С.

Грунтовой коллектор может быть устроен несколькими способами. Например, в виде горизонтальной прокладки длинного (несколько сотен метров) трубопровода на плоскости с заглублением выше уровня промерзания (обычно 1,5–2,0 м). Трубопровод может быть уложен по периметру участка или змейкой, как трубопровод тёплого пола, но с гораздо большим шагом. Общая занимаемая площадь участка земли составляет несколько соток, причём возможности дополнительного использования этой земли существенно ограниченны. На ней не получится разводить огород или сажать деревья. Поэтому многие домовладельцы считают горизонтальную прокладку коллектора нерациональной и предпочитают вертикальную, в виде нескольких скважин, разнесённых друг от друга на 5–10 м. Или в виде одного «куста» скважин (скважины бурятся из одной точки на поверхности, но не вертикально, а под углом обычно не менее 30° по азимуту). Такой «вертикальный» подход позволяет сэкономить на площади, но удорожает строительство на 30-50 %.  

В силу технических особенностей тепловой насос лучше применять для загородного дома, в котором вы живете долго. Максимальной эффективности они достигают в сочетании с системами «тёплый пол», которые при этом инерционны. Экономический эффект будет прямо пропорционален интенсивности использования. В отечественных условиях (Европейская часть России) наибольшее распространение получили варианты «рассол (земля) — вода» с вертикальными зондами. Они обес­печивают возможность полного покрытия нагрузок по отоплению и ГВС практически независимо от климатических условий.

Ariston

Тепловой насос со встроенным баком и аккумулятором.

Viessmann

Наружный блок воздушного теплообменника.

Параметры и принцип действия скважин для тепловых насосов

Скважина, созданная для функционирования теплового насоса, предполагает наличие внутри контура. По данному контуру циркулирует специальный жидкий состав, обладающий специфическими свойствами. Данный состав не затвердевает даже при собственной отрицательной температуре. Как правило, для этой цели используется пропиленгликоль, именуемый также рассолом.

Контур уходит вглубь до самого дна скважины, где контактируя с грунтом, находящимся ниже глубины промерзания почвы нагревается. Пропиленгликоль на входе в скважину имеет температуру порядка минус одного градуса по Цельсию, а выходя из скважины, прогревается до 6-8 градусов. Этой температуры вполне достаточно для эффективного обогрева.

Бурение скважин под тепловые насосы

На выходе осуществляется теплообмен между скважинным контуром и наружным контуром, в котором циркулирует хладагент. При контакте контуров хладагент разогревается и переходит в газообразное состояние. После чего происходит повторный теплообмен аналогично общим принципам действия всех тепловых насосов.

Количество необходимых под теплонасос скважин

Расчет количества скважин, бурение которых необходимо для эффективного функционирования тепловых насосов зависит от ряда факторов. Здесь играют роль и тип грунта, преобладающий на участке бурения, и технические характеристики самого оборудования. Выделяют следующие зависимости эффективности теплоотдачи от типов грунта:

• При заложении первичного контура в песчаные, либо другие сухие грунты теплоотдача от одного погонного метра контура составит порядка 30 ватт.
• Грунты с высоким содержанием влаги будут уже более эффективны, данный показатель у них колеблется на уровне 60 ватт. Грунты обладают такими свойствами при относительно неглубоком нахождении подземных водоемов.
• Твердые каменные породы обладают наивысшим показателем эффективности теплоотдачи. У них он колеблется от 65 до 85 ватт на погонный метр контура.
• Обычный земляной грунт умеренного увлажнения может похвастаться показателем теплопередачи порядка 50 ватт на метр. Так как данный тип грунтов является преобладающим, показатель теплоотдачи в 50 ватт принимают за усредненную величину.

Если существует такая возможность, то перед бурением скважин лучше провести локальную геологоразведку. Если же ее нет, рекомендуется использовать усредненный показатель.

Кроме типа грунта потребуется уточнить еще несколько параметров. Итак, расчет количества скважин можно провести следующим образом:

• Определяется либо берется средний показатель эффективности теплоотдачи грунта. Для примера возьмем среднюю величину 50 ватт.
• Рассчитывается требуемая для нужд конкретного здания мощность теплового насоса. Ориентировочно ее можно определить из расчета 0.7 киловатт на 10 квадратных метров помещения. Таким образом, для дома общей площадью 100 квадратный метров, требуемая мощность агрегата будет равна 7 киловатт или 7000 ватт. Стоит отметить, что данный показатель определен при условии хорошей теплоизоляции дома и стандартной высоте потолков 270 сантиметров.
• Определяется необходимая протяженность контура: 7000 ватт делим на 50 ватт на метр, получаем протяженность контура 140 метров.
• При средней глубине скважины 30 метров, проведя расчет и округление, получим количество равное 5 скважинам.

Срок исправного функционирования скважин

Насколько долгий период времени прослужит пробуренная для теплового насоса скважина, зависит от качества самого бурения и материала, использованного при ее обустройстве.

Львиную долю материалов в скважине составляет коллектор. Если изготовить его из металла, устойчивого к коррозии, он прослужит вплоть до 70 лет. Использование полимерной трубы позволит коллектору продержаться порядка 50-60 лет.

Однако не стоит сразу по окончании работ по обустройству скважины забывать о ней. Как минимум в течение одного года следует проводить мониторинг состояния скважины, так как грунт подвержен оседанию. В случае влияния оседания грунта на целостность скважины, нужно оперативно произвести ремонтные воздействия в ее отношении.

Выбор типа теплового насоса

Основным показателем этой системы обогрева является мощность. От мощности в первую очередь будут зависеть и финансовые затраты на покупку оборудования и выбор того либо иного источника низкотемпературного тепла. Чем выше мощность тепловой насосной системы, тем больше стоимость комплектующих элементов.

В первую очередь имеется в виду мощность компрессора, глубина скважин для геотермических зондов, либо площадь для размещения горизонтального коллектора. Правильные термодинамические расчеты являются своеобразной гарантией того, что система будет эффективно работать.

При наличии рядом с личным участком водоема наиболее рентабельным и производительным выбором станет тепловой насос вода-вода

Использование тепла земли напротив предполагает большое количество работ, связанных с выемкой грунта. Системы, которые в качестве низкопотенциального тепла используют водную среду, считаются наиболее эффективными.

Устройство теплового насоса, извлекающего тепловую энергию из грунта, предполагает проведение внушительного количества земляных работ. Закладывается коллектор ниже уровня сезонного промерзания

Использовать тепловую энергию грунта можно двумя способами. Первый предполагает бурение скважин диаметром 100-168 мм. Глубина таких скважин, в зависимости от параметров системы, может достигать 100 м и более.

В эти скважины помещают специальные зонды. При втором способе используется коллектор из труб. Такой коллектор размещается под землей в горизонтальной плоскости. Для этого варианта необходимо достаточно большая площадь.

Сооружение для забора тепловой энергии одной глубокой скважиной может оказаться немногим дешевле рытья котлована

Но веский плюс заключается в существенной экономии места, что важно для владельцев небольших участков. В случае с наличием на участке высоко залегающего горизонта грунтовых вод, теплообменники можно устроить в двух расположенных на расстоянии около 15 м друг от дружки скважинах. В случае с наличием на участке высоко залегающего горизонта грунтовых вод, теплообменники можно устроить в двух расположенных на расстоянии около 15 м друг от дружки скважинах

В случае с наличием на участке высоко залегающего горизонта грунтовых вод, теплообменники можно устроить в двух расположенных на расстоянии около 15 м друг от дружки скважинах.

Отбор тепловой энергии в таких системах путем перекачивания грунтовой воды по замкнутому контуру, части которого расположены в скважинах. Такая система нуждается в установке фильтра и периодической чистке теплообменника.

Самая простая и дешевая схема теплового насоса основана на извлечении тепловой энергии из воздуха. Некогда она стала базой для устройства холодильников, позже согласно ее принципам разработаны были кондиционеры.

Самая простая тепловая насосная система получает энергию из воздушной массы. Летом она участвует в отоплении, зимой в кондиционировании. Минус системы в том, что в самостоятельном исполнении агрегат с недостаточной мощностью

Эффективность различных типов данного оборудования не одинакова. Наименьшими показателями обладают насосы, использующие воздушную среду. К тому же эти показатели напрямую зависят от погодных условий.

Грунтовые разновидности тепловых насосов имеют стабильные показатели. Коэффициент эффективности данных систем варьируется в пределах 2,8 -3,3. Наибольшей эффективность обладают системы вода-вода. Это связано, в первую очередь, со стабильностью температуры источника.

Основным параметром, характеризующим эффективность работы теплового насоса, считается его коэффициент преобразования. Чем выше коэффициент преобразования, тем эффективнее считается тепловой насос.

Коэффициент преобразования теплового насоса выражается через отношение показателей теплового потока и электрической мощности, затраченной на работу компрессора

Работа теплового насоса при работе по схеме «грунт-вода»

Укладку коллектора в грунт можно произвести тремя способами.

Горизонтальный вариант

Трубы укладываются в траншеи «змейкой» на глубину, превышающую глубину промерзания грунта (в среднем – от 1 до 1,5 м).

Для такого коллектора потребуется участок земли достаточно большой площади, но зато его может построить любой домовладелец – никаких навыков, кроме умения работать лопатой, не понадобится.

Следует, правда, учесть, что сооружение теплообменника ручным способом – довольно трудоемкий процесс.

Вертикальный вариант

Трубы коллектора в виде петель, имеющих форму литеры «U», погружаются в скважины глубиной от 20 до 100 м. При необходимости можно построить несколько таких скважин. После установки труб скважины заливают цементным раствором.

Достоинство вертикального коллектора состоит в том, что для его строительства нужен совсем небольшой участок. Однако, пробурить скважины глубиной более 20 м самостоятельно нет никакой возможности – придется нанимать бригаду бурильщиков.

Комбинированный вариант

Этот коллектор можно считать разновидностью горизонтального, но для его строительства потребуется гораздо меньше места.

На участке выкапывается круглый колодец глубиной от 2-х м.

Трубы теплообменника укладываются спиралью, так что контур представляет собой как бы вертикально установленную пружину.

По завершении монтажных работ колодец засыпают. Как и в случае с горизонтальным теплообменником, весь необходимый объем работ можно произвести своими руками.

Коллектор заполняется антифризом – тосолом или раствором этиленгликоля. Для обеспечения его циркуляции в контур врезается специальный насос. Вобрав в себя тепло грунта, антифриз поступает к испарителю, где происходит теплообмен между ним и хладагентом.

Следует учесть, что неограниченный отбор тепла из грунта, особенно при вертикальном расположении коллектора, может привести к нежелательным последствиям для геологии и экологии участка. Поэтому в летний период ТН типа «грунт – вода» весьма желательно эксплуатировать в реверсивном режиме – кондиционирование.

Расчет теплового насоса вода-вода

   Как бы там ни было, ваш дом должен быть максимально утеплен, во избежание теплопотерь

Особенное внимание следует уделить стенам, окнам, крыше и полу. Это будет целесообразно с точки зрения расхода электрической энергии при работе оборудования

   Для простоты расчета можем использовать условные стандартные значения тепловой потребности в различных домах, а именно:

• старые постройки, имеющие низкий уровень утепления – 120 Вт/м2;
• более новые здания, при теплоизоляции которых использованы современные материалы – 50 Вт/м2;
• низкоэнергетические дома, построенные с применением специальных новейших разработок – 30 Вт/м2.

   Жизнь показывает, что насосы на воду, при использовании их в качестве элемента внутридомовой системы отопления, лучше всего проявляют себя в составе водяного теплого пола. Обязательно в этом случае при расчете должен учитываться вид напольного покрытия. Самыми высокими показателями теплопередачи обладает кафель и керамическая плитка, а при использовании паркета, ламината или коврового покрытия придется увеличивать температуру теплоносителя на несколько градусов.

Виды монтажа геотермальных зондов и мифы про «замораживание» грунта.

Геотермальный зонд это теплообменник основной задачей которого является передавать тепло от грунта теплоносителю внутри зонда, а так как зонд опускается в скважину, то разные виды монтажа в большей степени относятся к виду скважин в которые этот зонд и опускают. Вообщем-то вариантов направления скважин не так-то уж и много: вертикальные, горизонтальные, наклонные. Часть из них уже были рассмотрены выше. Больший интерес представляет расположение начала скважины или «устье скважины». При использовании вертикальных скважин трубы зонда должны продлеваться до сборного коллектора к запорными кранами и регуляторами потока. Вертикальные скважины находятся на разном удалении от коллектора, длина магистралей будет разная и гидравлические потери в магистралях — тоже разные, использование регуляторов потока необходимое условия для обеспечения равномерного расхода теплоносителя через каждый зонд. Так же большое скопление труб с отрицательными температурами в одном месте требует обязательного утепления места подхода к коллектору.

Горизонтальные скважины используются редко в связи с дороговизной горизонтально-направленного бурения и малой эффективностью самих зондов. Такая технология существует, но обоснованна к использованию только при наличии сильно обводнённого песка на глубинах 5-8 метров.

Наклонные скважины в бурении сложнее строго вертикальных, но позволяют проходить водонасыщенные слои под углом, что увеличивает протяжённость зонда в породах с большой отдачей тепла. При бурении наклонных скважин из одной точки не требуется копать траншеи для соединения в коллектор — скважины изначально расположены в колодце.

Преимущества

Плюсами теплового насоса является экономичность и сохранение невозобновляемых природных ресурсов: ведь только треть энергии на обогрев – это электричество, остальная часть получается из природных источников.
Тепловые насосы для отопления дома имеют и другие преимущества:

• допускается использование без дополнительной вентиляции;
• высокий уровень пожарной безопасности;
• минимальные затраты на эксплуатацию: оплата лишь за электроэнергию, потребляемую оборудованием;
• насос управляется автоматикой, что дает ему надежность и не требует от пользователя навыков работы с оборудованием;
• компактные размеры.

Дополнительное преимущество – это возможность кондиционирования летом, когда подключенные к коллектору системы «холодный потолок» и фэн-койлы позволяют снижать температуру в помещении.