Подбираем тепловой насос воздух-вода

Пример расчета теплового насоса

Подберем ТН для системы отопления одноэтажного дома общей площадью 70 кв. м со стандартной высотой потолка (2,5 м), рациональной архитектурой и теплоизоляцией ограждающих конструкций, соответствующей требованиям современных строительных норм. На обогрев 1-го кв. м такого объекта по общепринятым нормам приходится тратить 100 Вт тепла. Таким образом, для отопления всего дома понадобится:

Q = 70 х 100 = 7000 Вт = 7 кВт тепловой энергии.

Выбираем тепловой насос марки «ТеплоДаром» (модель L-024-WLC) с тепловой мощностью W = 7,7 кВт. Компрессор агрегата потребляет N = 2,5 кВт электроэнергии.

Расчет коллектора

Грунт на отведенном под строительство коллектора участке – глинистый, уровень грунтовых вод высокий (принимаем теплотворную способность p = 35 Вт/м).

Мощность коллектора определяем по формуле:

Qk = W – N = 7,7 – 2,5 = 5,2 кВт.

Определяем длину трубы коллектора:

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

Исходя из того факта, что укладывать контур длиной более 100 м нерационально из-за чрезмерно высокого гидравлического сопротивления, принимаем следующее: коллектор теплового насоса будет состоять из двух контуров — длиной 100 м и 50 м.

Площадь участка, который необходимо будет отвести под коллектор, определим по формуле:

S = L x A,

Где А – шаг между соседними участками контура. Принимаем: А = 0,8 м.

Тогда S = 150 x 0.8 = 120 кв. м.

Виды конструкций тепловых насосов

Существуют следующие разновидности:

ТН «воздух — воздух»;
ТН «воздух — вода»;
ТН «грунт — вода»;
ТН «вода — вода».

Самый первый вариант – это обычная сплит-система, работающая в режиме обогрева. Испаритель монтируется на улице, а внутри дома устанавливается блок с конденсатором. Последний обдувается вентилятором, благодаря чему в помещение подается теплая воздушная масса.

Если такую систему оснастить специальным теплообменником с патрубками, получится ТН типа «воздух — вода». Он подключается к водяной системе отопления.

Испаритель ТН типа «воздух — воздух» или «воздух — вода» можно разместить не на улице, а в канале вытяжной вентиляции (она должна быть принудительной). В этом случае эффективность ТН будет увеличена в несколько раз.

Теплонасосы типа «вода — вода» и «грунт – вода» для отбора тепла используют так называемый наружный теплообменник или, как его еще называют, коллектор.

Принципиальная схема работы теплового насоса

Это длинная закольцованная труба, как правило, пластиковая, по которой циркулирует жидкая среда, омывающая испаритель. Обе разновидности ТН представляют собой одно и то же устройство: в одном случае коллектор погружается на дно поверхностного водоема, а во втором – в грунт. Конденсатор такого ТН расположен в теплообменнике, подключаемом к системе водяного отопления.

Подключение ТН по схеме «вода — вода» является гораздо менее трудоемким, чем «грунт — вода», поскольку отпадает необходимость в проведении земляных работ. На дно водоема труба укладывается в виде спирали. Разумеется, для данной схемы подойдет только такой водоем, который зимой не промерзает до дна.

Изготовление теплогенератора своими руками

Список деталей и приспособлений для создания генератора тепла:

для измерения давления на входе и выходе из рабочей камеры нужны два манометра;
термометр измерения температуры входной и вытекающей жидкости;
вентиль для удаления воздушных пробок из системы отопления;
входной и выходной патрубки с кранами;
гильзы под термометры.

Выбор насоса циркуляционного действия

Для этого нужно определиться с требуемыми параметрами устройства. Первой характеристикой является возможность работы насоса с высокотемпературными жидкостями. Если пренебречь таким условием, то насос быстро выйдет из строя.

Далее нужно выбрать рабочее давление, которое может создавать насос.

Для теплогенератора достаточно, чтобы при входе жидкости сообщалось давление в 4 атмосферы, можно поднять такой показатель до 12 атмосфер, что увеличит скорость нагрева жидкости.

Производительность насоса существенного влияния на скорость нагрев оказывать не будет, так как при работе жидкость проходит через условно узкий диаметр сопла. Обычно транспортируется до 3–5 кубических метров воды в час. Гораздо большее влияние на работу теплогенератора будет иметь коэффициент перехода электричества в тепловую энергию.

Изготовление кавитационной камеры

Но в таком случае будет уменьшен поток воды, что приведет к смешиванию ее с холодными массами. Маленькое отверстие сопла также работает на увеличение числа воздушных пузырьков, что увеличивает шумовой эффект работы и может привести к тому, что пузырьки начнут образовываться уже в камере насоса. Это уменьшит срок его службы. Наиболее приемлемым, как показала практика, считается диаметр 9– 16 мм.

По форме и профилю сопла бывают цилиндрической, конусной и закругленной формы. Однозначно нельзя сказать, какой выбор будет более эффективным, все зависит от остальных параметров установки. Главное, чтобы вихревой процесс возникал, уже на этапе начального входа жидкости в сопло.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Эффективность горизонтального коллектора зависит от температуры среды, в которую он погружен, ее теплопроводности, а также площади контакта с поверхностью трубы. Методика расчета достаточно сложна, поэтому в большинстве случаев пользуются усредненными данными.

10 Вт – при заглублении в сухой песчаный или каменистый грунт;
20 Вт – в сухом глинистом грунте;
25 Вт – во влажном глинистом грунте;
35 Вт – в очень сыром глинистом грунте.

Таким образом, для расчета длины коллектора (L) следует потребную тепловую мощность (Q) разделить на теплотворную способность грунта (p):

L = Q / p.

Приведенные значения можно считать действительными только при соблюдении следующих условий:

Участок земли над коллектором не застроен, не затенен и не засажен деревьями или кустами.
Расстояние между соседними витками спирали или участками «змейки» составляет не менее 0,7 м.

При расчете коллектора следует учитывать, что температура грунта после первого года эксплуатации понижается на несколько градусов.

Принцип работы тепловых насосов

В любом ТН имеется рабочая среда, именуемая хладагентом. Обычно в этом качестве выступает фреон, реже – аммиак. Само устройство состоит всего из трех компонентов:

испаритель;
компрессор;
конденсатор.

Испаритель и конденсатор – это два резервуара, имеющие вид длинных изогнутых трубок – змеевиков. Конденсатор одним концом присоединяется к выходному патрубку компрессора, а испаритель — ко входному. Концы змеевиков стыкуются и в месте соединения между ними устанавливается редукционный клапан. Испаритель контактирует – непосредственно или косвенно – со средой-источником, а конденсатор – с системой отопления или ГВС.

Принцип работы теплового насоса

Работа ТН основана на взаимозависимости объема, давления и температуры газа. Вот что происходит внутри агрегата:

Аммиак, фреон или другой хладагент, двигаясь по испарителю, нагревается от среды-источника, допустим, до температуры +5 градусов.
Пройдя испаритель, газ достигает компрессора, который перекачивает его в конденсатор.
Нагнетаемый компрессором хладагент удерживается в конденсаторе редукционным клапаном, поэтому его давление здесь выше, чем в испарителе. Как известно, с ростом давления температура любого газа увеличивается. Именно это происходит с хладагентом – он разогревается до 60 – 70 градусов. Поскольку конденсатор омывается циркулирующим в системе отопления теплоносителем, последний также нагревается.
Через редукционный клапан хладагент небольшими порциями сбрасывается в испаритель, где его давление снова падает. Газ расширяется и остывает, а поскольку часть внутренней энергии была потеряна им в результате теплообмена на предыдущем этапе, его температура опускается ниже изначальных +5 градусов. Следуя по испарителю, он снова нагревается, далее закачивается в конденсатор компрессором – и так по кругу. По-научному этот процесс называется циклом Карно.

Главная особенность ТН состоит в том, что тепловая энергия берется из окружающей среды буквально даром. Правда, для ее добычи необходимо потратить некоторое количество электроэнергии (для компрессора и циркуляционного насоса/вентилятора).

Но ТН все-равно остается очень выгодным: за каждый потраченный кВт*ч электроэнергии удается получить от 3 до 5 кВт*ч тепла.

Источники

http://aquagroup.ru/articles/skvazhiny-dlya-teplovyh-nasosov.html
http://VTeple.xyz/teplovoy-nasos-voda-voda-printsip-rabotyi/
https://6sotok-dom.com/dom/otoplenie/raschet-moshhnosti-teplovogo-nasosa.html
https://microklimat.pro/otopitelnoe-oborudovanie/otopitelnye-pribory/teplovoj-nasos-dlya-otopleniya-doma.html
http://avtonomnoeteplo.ru/altenergiya/148-teplovye-nasosy-voda-voda.html
http://avtonomnoeteplo.ru/altenergiya/290-burenie-skvazhin-dlya-teplovyh-nasosov.html
https://kotel.guru/alternativnoe-otoplenie/teplogenerator-kavitacionnyy-dlya-otopleniya-pomescheniya.html
http://skvajina.com/teplovoy-nasos/
http://www.burovik.ru/burenie-skvazhin-teplovye-nasosy.html

Особенности скважин для тепловых насосов

Главным элементом в работе системы отопления при использовании данного метода является скважина. Ее бурение производится с целью установки в ней специального геотермального зонда и непосредственно теплового насоса.

Организация обогревательной системы на основе теплового насоса рациональна как для небольших частных коттеджей, так и для целых фермерских угодий. Вне зависимости от площади, которую необходимо будет отапливать, перед бурением скважин следует провести оценку геологического разреза на территории объекта. Точные данные помогут корректно рассчитать количество необходимых скважин.

Глубина скважины должна подбираться таким образом, чтобы она не только могла обеспечивать теплом в достаточном количестве рассматриваемый объект, но и позволяла выбрать тепловой насос со стандартными техническими характеристиками. Для увеличения теплообмена в полость скважин, где располагается вмонтированный контур, заливается специальный раствор (в качестве альтернативы раствору можно использовать глину).

Главное требование, предъявляемое к бурению скважин для тепловых насосов, – полная изоляция всех, без исключения, горизонтов подземных вод. В противном случае попадание воды в нижележащие горизонты можно будет расценивать как загрязнение. Если же теплоноситель попадет в подземные воды, это будет иметь негативные экологические последствия.

Цены на бурение скважин под тепловые насосы

Стоимость работ по установки первого контура геотермального отопления

1	Бурение скважин по мягким породам	1 п.м.	600
2	Бурение скважин по твердым породам (известняки)	1 п.м.	900
3	Монтаж (опуск) геотермального зонда)	1 п.м.	100
4	Опресовка и заполнение внешнего контура	1 п.м.	50
5	Обсыпка скважины для улучшения теплоотдачи (гранитный отсев)	1 п.м.	50

Почему я выбрал тепловой насос для системы отопления и водоснабжения дома?

Итак, я купил участок для строительства дома без наличия газа. Перспектива подвода газа – через 4 года. Надо было решать, как до этого времени дожить.

Рассматривались следующие варианты:

1) газгольдер
2) дизтопливо
3) пеллеты

Затраты при всех этих видах отопления соразмерны, поэтому принял решение сделать подробный расчет на примере газгольдера. Соображения были такие: 4 года на привозном сжиженном газе, потом замена форсунки в котле, подвод магистрального газа и минимум затрат на переделку. В итоге получается:

для дома в 250 м2 затраты на котёл, газгольдер около 500 000 руб
участок надо весь перерыть
наличие удобного подъезда для заправщика на будущее
содержание около 100 000 руб в год:
в доме будет отопление + горячая вода
при температуре -150°С и ниже затраты 15-20 000 руб в месяц).

Итого:

газгольдер + котел – 500 000 руб
эксплуатация 4 года – 400 000 руб
подвод магистральной газовой трубы на участок – 350 000 руб
замена форсунки, обслуживание котла – 40 000 руб

Всего – 1 250 000 рублей и большое количество суеты вокруг вопроса отопления в ближайшие 4 года! Личное время в пересчете на деньги – тоже приличная сумма.

Поэтому мой выбор пал на тепловой насос с соразмерными затратами на бурение 3 скважин по 85 метров и его покупку с монтажом. Тепловой насос Buderus 14 квт работает уже 2 года. Год назад поставил отдельный счетчик для него: 12000 квт часов за год!!! В пересчете на деньги: 2400 руб в месяц! (Месячный платеж за газ был бы больше) Отопление, горячая вода и бесплатное кондиционирование в летнее время!

Кондиционирование работает за счет подъема теплоносителя при температуре +6-8°C из скважин, который и используется для охлаждения помещений через обычные фанкойлы (радиатор с вентилятором и датчиком температуры).

Обычные кондиционеры тоже очень энергоемкие – не менее 3 кВт на каждую комнату. То есть 9-12 кВт на весь дом! Эту разницу тоже надо учитывать в окупаемости теплового насоса.

Так что окупаемость в 5-10 лет – это миф для тех, кто сидит на газовой трубе, остальных милости просим в клуб “Зеленых” потребителей энергии.

Нюансы установки

При выборе теплового насоса вода-вода важно просчитать условия его эксплуатации. Если магистраль погружается в водоем, нужно учитывать его объем (для замкнутого озера, пруда и т.д.), а при установке в реке – скорость течения

При неправильных просчетах трубы будут обмерзать льдом и КПД теплового насоса будет нулевым.

Что такое чиллер и как он работает

При отборе подземных вод нужно учесть сезонные колебания. Как известно, весной и осенью количество грунтовых вод выше, чем зимой и летом. А именно на зиму придется основное время работы теплового насоса. Для выкачки и закачки воды нужно использовать обычный насос, который также потребляет электроэнергию. Ее затраты стоит включить в общие и только после считать эффективность и период окупаемости теплонасоса.

отличный вариант — использовать артезианскую воду. Из глубоких пластов она выходит самотоком, под давлением. Но придется устанавливать дополнительное оборудование, чтобы компенсировать его. Иначе могут пострадать узлы теплового насоса.

Единственный минус использования артезианской скважины — стоимость бурения. Затраты нескоро окупятся за счет отсутствия насоса для подъема воды из обычной скважины и закачки ее в землю.

Технология работы теплогенератора отопления

В рабочем корпусе вода должна получить увеличенную скорость и давление, что осуществляется при помощи труб различного диаметра, сужающихся по ходу потока. В центре рабочей камеры происходит смешение нескольких напорных потоков, приводящее к явлению кавитации.

Чтобы можно было контролировать скоростные характеристики водного потока, на выходе и ходе рабочей полости устанавливают тормозные устройства.

Вода передвигается к патрубку в противоположном конце камеры, откуда поступает в возвратном направлении для повторного использования при помощи насоса циркуляционного действия. Нагрев и получение тепла происходит за счет движения и резкого расширения жидкости на выходе из узкого отверстия сопла.

Положительные и отрицательные свойства теплогенераторов

Кавитационные насосы относят к простым устройствам. В них происходит преобразование механической двигательной энергии воды в тепловую, которая расходуется на отопление помещения. Прежде чем построить кавитационный агрегат своими руками следует отметить плюсы и минусы такой установки. К положительным характеристикам относят:

эффективное образование тепловой энергии;
экономный в работе за счет отсутствия топлива как такового;
доступный вариант приобретения и изготовления своими руками.

Теплогенераторы имеют недостатки:

шумная работа насоса и явления кавитации;
материалы для производства не всегда достать просто;
использует приличную мощность для помещения в 60– 80 м2;
занимает много полезного пространства комнаты.

Бурение скважин для системы тепловых насосов

Устройство скважины лучше доверить профессиональной монтажной организации. Оптимально, чтобы этим занимались представители компании, продающей теплонасос. Так, можно учесть все нюансы бурения и расположения зондов от строения, выполнить другие требования.

Специализированная организация поспособствует получению разрешения на бурение скважины под зонды для грунтового теплового насоса. Согласно законодательству, использование грунтовых вод в хозяйственных целях запрещено. Речь идет об использовании в любых целях вод, расположенных ниже первого водоносного горизонта.

Как правило, процедура бурения вертикальных систем должна быть согласована с органами государственной администрации. Отсутствие разрешений ведет к штрафным санкциям.

После получения всех необходимых документов начинаются монтажные работы, согласно следующему порядку:

Определяются точки бурения и расположения зондов на участке, учитывая расстояние от строения, особенности ландшафта, наличие подземных вод и т.д. Выдерживают минимальный разрыв между колодцами и домом не менее 3 м.
Завозится оборудование для бурения, а также техника, необходимая для выполнения ландшафтных работ. Для вертикальной и горизонтальной установки требуется буровой и отбойный молоток. Для сверления грунта под углом используются буровые установки с веерным контуром. Наибольшее применение получила модель, работающая на гусеничном ходу. В полученные скважины укладывают зонды и заполняют зазоры специальными растворами.

Бурение скважин для тепловых насосов (за исключением кластерной разводки) допускается на расстоянии от здания не менее 3 м. Максимальное расстояние до дома не должно превышать 100 м. Проект выполняют исходя из этих норм.

Какая глубина скважины должна быть

Глубина рассчитывается исходя из нескольких факторов:

Зависимость КПД от глубины скважины – существует такое понятие, как ежегодное снижение теплоотдачи. Если колодец имеет большую глубину, а в некоторых случаях требуется сделать канал до 150 м, каждый год будет происходить уменьшение показателей получаемого тепла, со временем процесс стабилизируется.Сделать скважину максимальной глубины не самое лучшее решение. Обычно делают несколько вертикальных каналов, удаленных друг от друга. Расстояние между скважинами 1-1,5 м.
Расчет глубины бурения скважины под зонды выполняется с учетом следующего: общая площадь придомовой территории, наличие грунтовых вод и артезианских скважин, общая отапливаемая площадь. Так, к примеру, глубина бурения скважин с высокими грунтовыми водами резко сокращается, по сравнению с изготовлением колодцев в песчаной почве.

Создание геотермальных скважин – сложный технический процесс. Все работы, начиная с проектной документации и заканчивая введением теплового насоса в эксплуатацию должны выполнять исключительно специалисты.

Чтобы подсчитать приблизительную стоимость работ используют он-лайн калькуляторы. Программы помогают высчитать объем воды в скважине (влияет на количество необходимого пропиленгликоля) ее глубину и выполнить остальные расчеты.

Чем заполнить скважину

Выбор материалов зачастую полностью ложится на самих хозяев

Подрядная организация может советовать обратить внимание на тип трубы и рекомендовать состав для заполнения скважины, но окончательное решение придется принимать самостоятельно. Какие есть варианты?

Трубы, применяемые для скважин – используют пластиковые и металлические контуры. Как показала практика, второй вариант является более приемлемым. Срок эксплуатации металлической трубы не менее 50-70 лет, стенки металла имеют хорошую теплопроводность, что увеличивает эффективность коллектора. Пластик проще монтировать, поэтому строительные организации зачастую предлагают именно его.
Материал для заполнения зазоров между трубой и грунтом. Тампонирование скважины является обязательным правилом к выполнению. Если не заполнить пространство между трубой и грунтом, со временем происходит усадка, способная повредить целостность контура. Зазоры заполняют любым строительным материалом с хорошей теплопроводимостью и эластичностью, типа Бетонит.Заполнение скважины для теплонасоса не должно препятствовать нормальной циркуляции тепла от грунта к коллектору. Работы выполняют медленно, чтобы не оставить пустот.

Даже если бурение и расположение зондов от строения и друг от друга выполнено правильно, через год потребуется проведение дополнительных работ по причине усадки коллектора.