Энергоносители с течением времени только дорожают, поэтому желательно выбрать экономичную технику. В статье содержится обзор вариантов применения одного из самых современных видов отопительных систем — теплового насоса вода-вода.
Особенности
Содержание статьи
Выгода такого устройства только кажется нереальной. Производители обещают, что, потратив 1 кВт электричества, получим до 5 кВт тепла в доме.
Не существует вечного двигателя с КПД 300—500 %.
Тепловой насос не производит тепло, как угольная или газовая печь. Он его перекачивает из окружающего дом пространства. Например, собирает со дна водоема. Это, кстати, самый выгодный источник тепла.
На глубине несколько метров температура воды изменяется мало.
Стабильность температуры поддерживается выделением тепла в расплавленном ядре планеты. Внутри Земли находится природный ядерный реактор.
Этого тепла мало, чтобы обогреть всю поверхность зимой.
Но можно собрать энергию с поверхности или из глубоких скважин, сконцентрировать, направить для обогрева коттеджа.
Устройство
Принцип действия давно известен. Есть три замкнутых герметичных контура — внутридомовой, компрессорный, внешний.
Основные компоненты:
- Система отопления. Оптимально применить теплые полы. Дополнительная опция — горячее водоснабжение.
- Конденсатор. Передает энергию, собранную вовне, от хладагента (обычно фреон) к теплоносителю (вода) отопления.
- Испаритель. Отбирает тепловую энергию у теплоносителя (например, этиленгликоль), циркулирующего во внешнем контуре.
- Компрессор. Перекачивает хладагент от испарителя, переводя его из газообразного в жидкое состояние, повышая давление и охлаждая в конденсаторе.
- Расширительный клапан. Устанавливается испарителем. Регулирует поток хладагента.
- Внешний контур. Укладывается на дно водоема или опускается в скважины.
- Насосы внутреннего и внешнего контура.
- Автоматика. Управляет системой по заданной величине обогрева помещения и изменений температуры наружного воздуха.
В испарителе теплоноситель внешнего контура охлаждается, отдавая тепло хладагенту, а затем насосом перекачивается по внешнему контуру. Там он нагревается, цикл вновь повторяется.
Внешний контур в пруду неподалеку от здания выглядит таким образом.
Коллектор эффективен круглогодично. Зимой на глубине более 3-х метров температура воды достаточна для нагрева.
После испарителя хладагент проходит компрессор , где его давление и температура увеличиваются. Потом в конденсаторе отдает тепло системе отопления.
Затем хладагент проходит дроссель, где резко падает давление вследствие расширения. При переходе в газообразное состояние почти мгновенно температура хладагента сильно уменьшается. Этот процесс можно ощутить на практике при заправке газовой зажигалки из баллончика со сжиженным газом. Значительный температурный перепад способствует эффективному поглощению тепла хладагентом из внешнего контура.
Есть вариант с разомкнутым коллектором. Возможен, когда вода хорошего качества. Тогда системе и насосу не угрожает заиливание, отложение солей жесткости, ускоренная коррозия.
Такие теплогенераторы получили практическое применение только после энергетических кризисов 70-х годов прошлого столетия.
До тех пор их развитие тормозила относительная дешевизна энергоносителей — нефти, газа и т. п. Кроме того, несовершенство технологий сдерживало массовое внедрение инновации.
Принцип работы
Тепловой насос (ТН) работает как холодильник, но с точностью до наоборот — физические процессы зеркальны. Они очень похожи — срок службы продолжителен — обычно более 30 лет.
Когда хладагент попадает в испаритель, эта фаза называется изотермическим расширением. Фреон получает тепло от внешнего коллектора, давление падает.
Затем происходит адиабатическое сжатие — компрессор увеличивает давление хладагента. При этом его температура возрастает до максимум +70° С.
Проходя конденсатор, фреон становится жидкостью, т. к. при повышенном давлении отдает тепло контуру отопления . Эта фаза называется изотермическим сжатием.
Когда хладон проходит дроссель, давление и температура резко падают. Происходит адиабатическое расширение.
На первый взгляд сложно для понимания. Но это стократно проще происходящего внутри привычного смартфона. Нам это не мешает использовать возможности гаджета. То же происходит при эксплуатации ТН.
Когда все системы смонтированы, опробованы, отрегулированы, то пользователь будет переключать лишь несколько тумблеров и кнопок.
Например, чтобы установить разную температуру обогрева для детской комнаты, гостиной, кухни.
Преимущества
Развитие транспорта, интернета, мобильной связи, строительных технологий все меньше привязывают человека к одному месту. Все чаще люди выбирают жизнь вне города «на лоне природы». Там уже можно получить привычный «городской» комфорт, удаленный заработок, общение по интернету со всеми континентами. Поэтому, а также из-за постоянного роста стоимости энергоресурсов, ТН становится все более востребованным.
Он обладает и другими выгодами:
- Экологически безопасен.
- Использует возобновляемый источник энергии.
- Отсутствуют регулярные затраты расходных материалов после пуска.
- Автоматически регулирует нагрев по температуре наружного воздуха.
- Срок окупаемости начальных затрат — 5-8 лет.
- Обеспечивает горячее водоснабжение.
- Летом работает как кондиционер, охлаждая приточный воздух.
- Минимальные энергозатраты — генерирует от 4 до 6 кВт тепла при 1 кВт потребленного электричества.
- С электрогенератором любого типа отопление и кондиционирование «удаленного от цивилизации» коттеджа будет независимым.
- Возможна адаптация к системе «умный дом» для дистанционного управления, дополнительной экономии энергии.
- Подорожание энергоносителей (нефти, газа) почти не влияет на личный бюджет. Если установить ветряной или солнечный генератор, то получится полная независимость. Гидроэлектрогенератор — идеальный вариант.
Недостатки
Как и любое устройство, данная система имеет ряд недостатков.
Внешний контур
Из-за постоянного отбора геотермальной энергии возле расположения труб внешнего коллектора происходит охлаждение почвы. На севере короткое лето не дает возможности полного восстановления энергопотенциала. Это постепенно снижает эффективность ТН в течение примерно 5 лет. Затем тепловое равновесие стабилизируется.
Остывания почвы можно избежать, если применить ТН типа вода-вода, расположив внешний коллектор в водоеме на глубине более 3-х метров.
Другой вариант — разместить скважины вокруг дома. Тогда отбор тепла происходит с огромной площади всего водоносного слоя, пересеченного пробуренными отверстиями.
Скважины — дорогое мероприятие. Особенно при плотном грунте. Не говоря уже о скальных породах. Тут можно применить вариант с открытым внешним коллектором.
Можно обойтись двумя скважинами. Одна — для забора грунтовых вод . Вторая — для слива обратно в водоносный слой. Такой вариант возможен при хорошем качестве воды.
Фильтры не всегда могут выручить, если слишком много солей жесткости или взвешенных микрочастиц. Перед монтажом надо обязательно сделать анализ воды из скважины.
Компрессорный контур
Электродвигатели шумят во время работы. Компрессор — еще больше, а также создает вибрацию. То же происходит во время работы домашнего холодильника. При этом мощность ТН гораздо больше. Шума и вибрации тоже.
Неприятных эффектов легко избежать:
- Тепловой насос закрыт шумоизолирующим корпусом.
- Компрессор крепится к опорной раме через резиновые прокладки с пружинами.
- Все оборудование лучше разместить в подсобном или подвальном помещении. Обязательно надо предусмотреть принудительную вентиляцию. Утечка фреона может быть опасна для здоровья человека.
Внутренний контур
Система отопления наполнена водой, нагретой до +35° С. Для обычных радиаторов этого мало. Особенно для северных регионов.
Но ТН хорошо работает с теплыми полами. При проектировании нужно предусмотреть достаточную степень тепловой инерционности наружных ограждений здания — толщину и материал стен, полов, крыши, тройное остекление.
Теплые полы, подогрев приточного воздуха создают комфортные и здоровые условия для жизни человека внутри здания.
Кроме температуры воздуха большое значение имеет радиационная температура — инфракрасное излучение стен, полов, потолка. Например, когда человек ночью сидит у костра, то весь горячий воздух идет вверх, никого не согревая. При этом стороне человека, обращенной к костру, тепло, а спина мерзнет.
Стоимость
Начальные затраты велики. Стоимость поставки оборудования, монтажа, пусконаладочных работ значительно превосходит традиционные системы отопления. Но дом строится на десятилетия.
Поэтому правильно будет учесть эксплуатационные расходы за весь срок службы ТН — 30 лет. Даже при сохранении действующих тарифов и цен на энергоносители экономичность системы типа вода-вода — вне конкуренции.
Ежегодная экономия в сравнении с:
- газовым котлом — 70 % ;
- электрообогревом — 350 %;
- твердотопливным котлом — 50 %.
Теперь надо умножить существующие или проектируемые расходы на 30 лет. Экономия многократно перекроет начальные капиталовложения.
Отключение электричества
Компрессор, насосы, автоматика нуждаются в бесперебойном электроснабжении. На случай отключения должен быть электрогенератор с автоматическим запуском. Его мощность должна перекрывать сумму пусковых токов.
Есть большой плюс — после секундной полной нагрузки в момент запуска ТН высвобождается более 40 % мощности генератора. Этого хватит для электропитания остальной домашней техники и освещения.
Эффективность
С течением времени выгодность ТН становится все более очевидной из-за постоянного роста стоимости энергоносителей. Технологии тоже не стоят на месте.
Программирумые схемы управления домашней техникой с дистанционным доступом уже никого не удивляют. Тепловой насос органично встраивается в систему «умный дом», что позволяет уменьшить износ оборудования, продлить срок его службы.
Правильно подобранный и качественно смонтированный ТН — гарантия обеспечения теплом вне зависимости от времени года и рыночных колебаний уровня цен на энергоносители.
Но максимальной эффективности ТН может достичь, если определиться с выбором отопительной системы на ранних этапах проектирования здания. Тогда есть возможность выбрать оптимальные материалы и толщину ограждающих конструкций с нужной теплопроводностью и тепловой инерционностью.
Критерии выбора
На первый взгляд кажется сомнительной необходимость трудоемкой укладки на дно водоема нескольких сотен метров пластиковых труб или еще более затратного бурения скважин для ТН типа вода-вода. Ведь существуют системы типа воздух-воздух. Там внешний коллектор вообще отсутствует. Например, у очень качественного японского инверторного ТН воздух-вода производства компании Mitsubishi Heavy .
Все просто — плотность воды в 800 раз больше, чем воздуха. И тепла тоже. Поэтому эффективность и экономика у водяных систем всегда будет больше, чем у Мицубиси .
Расчет мощности
Для предварительных расчетов обычно используют упрощенную формулу: на 10 м2 отапливаемого здания требуется 700 Ватт тепла. Тогда для дома площадью 250 м2 нужно купить тепловой насос вода-вода мощностью 175 кВт.
Для обеспечения горячего водоснабжения итоговую цифру нужно увеличить на 15 %.
При этом не учитывается большая разница между климатическими зонами, например, Крыма и Московской области. Теплопотери внешних ограждающих конструкций разных зданий тоже сильно отличаются. Есть другие факторы, которые обязательно надо учитывать в расчете. Это могут сделать только специалисты.
Обзор производителей
Расходы на монтаж с учетом стоимости скважин могут составить от 5 до 10 тысяч долларов. При использовании открытого водоема будет дешевле в 1,5—2 раза.
Производители тепловых насосов делятся на три ценовых категории:
- Дешевые китайские. Например, Meeting (КНР), максимальная мощность — 7 кВт, отапливаемая площадь — 50—100 м2, цена — 95200 руб.
- Под американским брендом производятся в том же Китае. Например, Mammoth (США/КНР), максимальная мощность — 7,8 кВт, отапливаемая площадь — 50 м2, цена — 261000 руб.
- Самые дорогие традиционно — немецкие. Например, Stiebel Eltron (ФРГ), максимальная мощность — 9,9 кВт, отапливаемая площадь — 50 м2, цена — 645000 руб.
Рекомендуется выбрать оператора, предоставляющего весь комплекс услуг:
- проектирование;
- поставка;
- монтаж;
- пусконаладочные работы;
- сервисное обслуживание.
Цены на разные модели тепловых насосов
Нюансы монтажа и эксплуатации
Перед сборкой и запуском системы будет полезно изучить советы тех, кто уже на практике осуществил монтаж устройства и начал его использовать по назначению.
Где брать тепло
На начальном этапе проектирования отопления с использованием ТН вода-вода надо выбрать первичный источник тепла.
Лучший вариант — открытый водоем (пруд, река, озеро, море) достаточной площади и глубины на расстоянии до 100 метров от дома.
Если такой возможности нет, то бурят скважины до глубины залегания водоносного слоя грунта.
Тут есть два варианта:
- Для открытого типа внешнего коллектора понадобится только две скважины на расстоянии друг от друга 20 метров. Из одной вода перекачивается на обогрев испарителя конденсаторного контура. Затем сбрасывается во вторую. При этом дебет скважины должен быть достаточным. Это определяется выкачиванием воды погружаемым насосом. Перед продолжением проектных работ надо сделать лабораторный анализ воды на содержание солей жесткости и взвешенных частиц.
- Если получен негативный результат анализа или дебета, понадобится пробурить больше. Нужно будет разместить в скважинах примерно такую же длину труб, как в открытом водоеме.
Эксплуатация и обслуживание
После окончания пусконаладочных работ владелец управляет только двумя кнопками: включить/выключить и зимний/летний режим (отопление или охлаждение), а также регулирует температуру в разных комнатах.
Ежегодный осмотр, обслуживание делают специалисты сервисной службы — контроль:
- отсутствия утечек фреона;
- смазки;
- теплоносителей во внешнем и внутреннем контурах;
- работы автоматики.
Как сделать насос вода-вода своими руками
Изготовление теплового насоса вода-вода своими руками многократно сложнее бытового холодильника. Представленный ниже рабочий образец собран по схеме «труба в трубе». Производительность — 4 кВт тепла на 1 кВт потребленной электроэнергии.
Компрессор
Здесь применен спиральный компрессор ZR-24. Смонтирован внутри бухт-теплообменников, которые поставлены друг на друга.
Установлен манометр давления после компрессора.
Конденсатор
Потребуется медная трубка диаметром 1/2 дюйма с оконечными патрубками для соединения с компрессорным контуром.
Длину теплообменного змеевика можно посчитать по формуле:
L=W/0,8(t1—t2)3,14d
W — мощность теплового насоса, равная четырехкратной электрической мощности компрессора.
t1 — температура воды после нагрева конденсатором. Принимается равной +35° С.
t2 — температура воды на входе. Для варианта теплых полов — +30° С.
d — диаметр медной трубки.
Медную трубу нужно свить бухтой диаметром 1 метр внутри ПНД (полиэтилен низкого давления) трубы диаметром 25 мм.
Испаритель
Расчет поверхности теплообмена медной трубки — по той же формуле. Медная труба диаметром 3/4 дюйма вставлена в ПНД трубу диаметром 32 мм и они вместе свиты бухтой диаметром 1 метр.
Сварка и заполнение фреоном
Когда все контуры собраны вместе с терморегулятором, надо пригласить специалиста по холодильникам для заполнения компрессорного контура фреоном.
Кроме того, понадобятся минимум 2 регулятора: по величине температуры внутрикомнатного воздуха и степени нагрева системы «теплый пол».
Полезные рекомендации
На всех этапах строительства дома, начиная с этапа проектирования, надо помнить, что ТН — инерционная система. Ее можно сравнить с массивной русской печью, которую протапливали обычно один раз за сутки во время приготовления пищи. Затем накопленное тепло обогревало жилище до следующего утра.
Стены, сложенные из тяжелых бревен, имеют достаточно высокую степень тепловой инерции. Проще говоря, медленно остывают, когда ночью становится холоднее. Хорошая тепловая инерция у толстых каменных стен, а также у тяжелого бетона или кирпича.
Пенопласт и пенобетон обладают хорошими теплоизоляционными свойствами. Но из-за малого удельного веса имеют невысокую тепловую инерцию. ТН в здании со стенами из таких материалов при резком падении температуры наружного воздуха не всегда сможет успеть «накачать» достаточно тепла извне в отопительную систему «теплый пол».
Также надо учесть другие факторы:
- Чтобы уменьшить теплопотери или вовсе не заморозить трубы в магистрали между домом и скважинами или коллектором, необходимо укладывать их на глубину ниже уровня промерзания. В Крыму — достаточно 0,75 метра, а на широте Москвы — минимум 1,5.
- Самые большие потери тепла — обычно через окна. Поэтому тройное остекление — вовсе не роскошь, а экономически обоснованное строительное решение. Идеальный вариант — использовать стекла, способные отражать инфракрасные лучи.
- В случае применения варианта из 2-х скважин для забора и слива воды расстояние между ними должно быть не менее 20 метров.
- Самодельный ТН лучше пробовать сначала в подсобном помещении или гараже. Устройство теплых полов в жилом помещении потребует дополнительных затрат. Угловой камин порядовка узнавайте по ссылке.
Видео
В этом видеоролике объясняется, почему самодельный тепловой насос выдает тепла на 440 % больше, чем потребляет электроэнергии компрессор.
В следующем видеоролике — описание теплового насоса «под ключ» российского производителя стоимостью от 220 тыс. рублей.
