Опалення будинку. Схема опалення будинку з тепловим насосом

У цій статті описано варіанти опалення будинку та гарячого водопостачання за допомогою теплового насоса, сонячного колектора та кавітаційного теплогенератора. Дано наближену методику розрахунку теплового насоса та теплогенератора. Наведено приблизну вартість витрат для обігріву будинку за допомогою теплового насоса.

Тепловий насос. Конструкція обігріву будинку

Щоб зрозуміти його принцип дії, можна подивитися на звичайний побутовий холодильник або кондиціонер.

Сучасні теплові насоси використовують для своєї роботи низькопотенційніджерела тепла землю, ґрунтові води, повітря. І в холодильнику і в тепловому насосі діє той самий фізичний принцип (фізики називають такий процес циклом Карно). Тепловий насос – пристрій, який «викачує» тепло з холодильної камери та викидає його на радіатор. Кондиціонер «викачує» тепло з повітря кімнати і викидає її на радіатор, але на вулиці. При цьому до тепла, «висмоканого» з кімнати, додається ще тепло, на яке перетворилася електрична енергія, спожита електродвигуном кондиціонера.

Число, що виражає ставлення теплової насосом (кондиціонером або холодильником) теплової енергії до споживаної ним електричної енергії, фахівці з теплових насосів називають «опалювальним коефіцієнтом». У найкращих теплових насосах опалювальний коефіцієнт досягає 3-4. Тобто на кожну спожиту електродвигуном кіловат-година електроенергії виробляється 3-4 кіловат-години теплової енергії. (Одна кіловат-година відповідає 860 кілокалоріям.) Цей коефіцієнт перетворення (опалювальний коефіцієнт) безпосередньо залежить від температури джерела тепла, чим вище температура джерела, тим більше коефіцієнт перетворення.

Кондиціонер бере цю теплову енергію з повітря вулиці, а великі теплові насоси «викачують» це додаткове тепло зазвичай із водоймища/підземних вод чи ґрунту.

Хоча температура цих джерел набагато менше, ніж температура повітря в будинку, що обігрівається, але і це низькотемпературне тепло грунту або води, тепловий насос і перетворює на високотемпературне, необхідне для обігріву будинку Тому теплові насоси називають ще трансформаторами тепла. (процес перетворення див. нижче)

Примітка:Теплові насоси не лише зігрівають будинки, а й остуджують воду в річці, з якої викачують тепло. А в наш час, коли річки надто перегріті промисловими та побутовими стоками, охолоджувати річку дуже корисно для життя в ній живих організмів та риби. Чим нижча температура води, то більше в ній може розчинитися кисню, необхідного для риби. У теплій воді риба задихається, а в холодній блаженствует.Тому теплові насоси дуже перспективні у справі порятунку навколишнього середовища. теплового забруднення".

Але встановлення системи опалення за допомогою теплових насосів поки занадто дороге, тому що потрібна велика кількість земляних робіт плюс витратних матеріалів, наприклад, труб для створення колектора/теплообмінника.

Також варто пам'ятати що в теплових насосах, як і в звичайних холодильниках, використовується компресор, що стискає робоче тіло - аміак або фреон. На фреоні теплові насоси працюють краще, але фреон вже заборонений застосування через те, що він, потрапляючи в атмосферу, випалює в її верхніх шарах озон, що захищає Землю від ультрафіолетових променів Сонця.

І все-таки мені здається, що майбутнє за тепловими насосами. Але їх ніхто поки не виробляє масово. Чому? Не важко здогадатися.

Якщо з'являється альтернативне джерело дешевої енергії, то куди подіти газ, нафту і вугілля, що видобувається, кому його продавати. А на що списувати багатомільярдні збитки від вибухів на шахтах та копальнях.

Принципова схема обігріву будинку за допомогою теплового насосу

Принцип дії теплового насосу

Як джерело низькопотенційного тепла може виступати зовнішнє повітря, що має температуру від -15 до +15°С, повітря, що відводиться з приміщення з температурою 15-25°С, підґрунтові (4-10°С) і ґрунтові (понад 10°C) води. , озерна та річкова вода (0-10 ° С), поверхневий (0-10 ° С) і глибинний (понад 20 м) грунт (10 ° С). У Нідерландах, наприклад, у місті Херлен (Heerlen) для цього використовується затоплена шахта. Вода, що наповнює стару шахту, на рівні 700 метрів має постійну температуру 32°C.

У разі використання як джерела тепла атмосферного або вентиляційного повітря система опалення працює за схемою «повітря-вода». Насос може бути розташований всередині приміщення або зовні. Повітря подається до його теплообмінника за допомогою вентилятора.

Якщо джерелом тепла використовуються грунтові води, то система працює за схемою «вода-вода». Вода подається зі свердловини за допомогою насоса в теплообмінник насоса, а після відбору тепла, скидається або в іншу свердловину, або у водоймище. Як проміжний теплоносій можна використовувати антифриз або тосол. Якщо як джерело енергії виступає водоймище, на його дно укладається петля з металопластикової або пластикової труби. По трубопроводу циркулює розчин гліколю (антифриз) або тосолу, який через теплообмінник теплового насоса передає тепло фреону.

При використанні джерела тепла грунту, система працює за схемою «грунт-вода». Можливі два варіанти пристрою колектора – вертикальний та горизонтальний.

При горизонтальному розташуванні колектора, металопластикові труби укладають у траншеї глибиною 1,2-1,5 м або у вигляді спіралей у траншеї глибиною 2-4 м. Такий спосіб укладання дозволяє значно зменшити довжину траншей.

Схема теплового насоса при горизонтальному колекторі зі спіральним укладанням труб

1 – тепловий насос; 2 - трубопровід, покладений у землі; 3 – бойлер непрямого нагріву; 4 – система опалення «тепла підлога»; 5 – контур подачі гарячої води.

Однак при укладанні спіраллю сильно збільшується гідродинамічний опір, що призводить до додаткових витрат на прокачування теплоносія, так само опір збільшується в міру збільшення довжини труб.

При вертикальному розташуванні колектора труби укладають вертикальні свердловини на глибину 20-100 м.

Схема вертикального зонда

Фото зонда у бухті

Установка зонда в свердловину

Розрахунок горизонтального колектора теплового насоса

Розрахунок горизонтального колектора теплового насоса.

q - питомий теплознімання (з 1 м пог. труби).

сухий пісок - 10 Вт/м,
суха глина - 20 Вт/м,
волога глина - 25 Вт/м,
глина з великим вмістом води – 35 Вт/м.

Між прямою та зворотною петлею колектора з'являється різниця температур теплоносія.

Зазвичай до розрахунку її приймають рівною 3°С. Недоліком такої схеми є те, що на ділянці над колектором не бажано зводити будов, щоби тепло землі поповнювалося за рахунок сонячної радіації. Оптимальна дистанція між трубами вважається 07-08 м. При цьому довжина однієї траншеї вибирається від 30 до 120 м.

Приклад розрахунку теплового насосу

Я наведу зразковий розрахунок теплового насоса для нашого екодома, описаного у статті .

Вважається, що для обігріву будинку з висотою стелі 3 м необхідно витрачати 1 кВт. Теплової енергії на 10 м 2 площі. При площі будинку 10х10м=100 м2 необхідно 10кВт теплової енергії.

При використанні теплої підлоги температура теплоносія в системі повинна бути 35°С, а мінімальна температура теплоносія - 0°С.

Таблиця 1. Дані теплового насосу Thermia Villa.

Для обігріву будівлі потрібно вибирати тепловий насос потужністю 15,6 кВт (найближчий типорозмір), що витрачає на роботу компресора 5 кВт. Вибираємо за типом ґрунту теплознімання з поверхневого шару ґрунту. Для (вологої глини) q дорівнює 25 Вт/м.

Розрахуємо потужність теплового колектора:

Qo = Qwp-P, де

Qo - потужність теплового колектора, КВт;

Qwp - потужність теплового насосу, КВт;

P - електрична потужність компресора, КВт.

Необхідна теплова потужність колектора становитиме:

Qo = 15,6-5 = 10,6 кВт;

Тепер визначимо сумарну довжину труб:

L=Qo/q, де q - питома (з 1 м. пог. труби) теплознімання, кВт/м.

L = 10,6 / 0,025 = 424 м.

Для організації такого колектора потрібно 5 контурів довжиною по 100 м. Виходячи з цього, визначимо необхідну площу ділянки для укладання контуру.

A = Lхda, де da - відстань між трубами (крок укладання), м.

При кроці укладання 0,75 м необхідна площа ділянки становитиме:

А = 500х0, 75 = 375 м2.

Розрахунок вертикального колектора

При виборі вертикального колектора, свердловини бурять глибиною від 20 до 100 м. В них занурюються U-подібні металопластикові або пластикові труби. Для цього в одну свердловину вставляється дві петлі, які заливаються цементним розчином. Питоме теплозніманнятакого колектора складає 50 Вт/м.

Для більш точних розрахунків застосовують такі дані:

сухі осадові породи – 20 Вт/м;
кам'янистий ґрунт та насичені водою осадові породи - 50 Вт/м;
кам'яні породи з високою теплопровідністю – 70 Вт/м;
підземні води – 80 Вт/м.

На глибинах понад 15 м температура грунту становить приблизно +10°С. Необхідно враховувати, що відстань між свердловинами має бути більшою за 5 м. Якщо в ґрунті існують підземні течії, то свердловини необхідно бурити перпендикулярному потоку.

Приклад: L = Qo / q = 10,6 / 0,05 = 212 м.

Таким чином, при питомому теплозніманні вертикального колектора 50 Вт/м та необхідної потужності 10,6 кВт довжина труби L повинна становити 212 м.

Для влаштування колектора необхідно пробурити три свердловини глибиною по 75 м. У кожній з них розміщуємо по дві петлі з металопластикової труби всього – 6 контурів по 150 м.

Робота теплового насоса під час роботи за схемою «Грунт-вода»

Трубопровід укладається у землю. При прокачуванні через нього теплоносія останній нагрівається до температури грунту. Далі за схемою вода надходить у теплообмінник теплового насоса та віддає все тепло у внутрішній контур теплового насоса.

У внутрішній контур теплонасосу закачано холодоагент під тиском. Як холодоагент використовується фреон або його замінники, оскільки фреон руйнує озоновий шар атмосфери і заборонений до використання в нових розробках. У холодоагенту низька температура кипіння і тому, коли у випарнику різко знижується тиск, він переходить з рідкого стану в газ при низькій температурі.

Після випарника газоподібний холодоагент надходить компресор і стискається компресором. При цьому він розігрівається і тиск його підвищується. Гарячий холодоагент надходить у конденсатор, де протікає теплообмін між ним та теплоносієм із зворотного трубопроводу. Віддаючи своє тепло, холодоагент охолоджується та переходить у рідкий стан. Теплоносій надходить у опалювальну систему і знову охолоджується, передає своє тепло до приміщення. Коли холодоагент проходить через редукційний клапанйого тиск падає, і він знову переходить у рідку фазу. Після цього цикл повторюється.

У холодну пору року теплонасос працює як обігрівач, а в спеку може використовуватися для охолодження приміщення (при цьому тепловий насос не підігріває, а охолоджує теплоносій - воду. А охолоджена вода, у свою чергу, може використовуватися для охолодження повітря в приміщенні).

У загальному випадку, теплонасос є машиною Карно, що працює у зворотному напрямку. Холодильник перекачує тепло з об'єму, що охолоджується, в навколишнє повітря. Якщо помістити холодильник на вулиці, то, витягаючи тепло із зовнішнього повітря і передаючи його всередину будинку, можна таким нехитрим способом, якоюсь мірою, обігрівати приміщення.

Однак, як показує практика, лише теплового насоса для постачання будинку теплом і гарячою водою недостатньо. Наважусь запропонувати оптимальну, на мій погляд, схему опалення та гарячого водопостачання будинку.

Пропонована схема постачання будинку теплом та гарячою водою

1 – теплогенератор; 2 – сонячний колектор; 3 – бойлер непрямого нагріву; 4 – тепловий насос; 5 - трубопровід у землі; 6 – циркуляційний блок геліосистеми; 7 – радіатор опалення; 8 – контур подачі гарячої води; 9 – система опалення «тепла підлога».

Ця схема передбачає одночасне використання трьох джерел тепла. Основну роль грає в ній теплогенератор (1), тепловий насос (4) та сонячний колектор(2), які служать допоміжними елементами та сприяють зниженню витрат споживаної електроенергії, як наслідок, та підвищенню ефективності нагрівання. Одночасне використання трьох джерел нагріву практично повністю виключає небезпеку розмірення системи.

Адже ймовірність виходу з ладу одночасно і теплогенератора, і теплового насоса, і сонячного колектора дуже мала. На схемі показані два варіанти обігріву приміщень: радіатори (7) та «тепла підлога» (9). Це не означає, що треба використовувати обидва варіанти, а лише ілюструє можливість використання й одного та другого.

Принцип роботи схеми опалення

Теплогенератор (1) подає нагріту воду бойлер (3) і контур, що складається з радіаторів опалення (7). Також в бойлер надходить нагрітий теплоносій від теплового насоса (4) та сонячного колектора (2). Частина нагрітої тепловим насосом води подається на вхід теплогенератора. Змішуючись з «зворотом» контуру, що обігріває, вона підвищує її температуру. Це сприяє ефективнішому нагріванню води в кавітаторі теплогенератора. Нагріта та накопичена в бойлері вода подається до контуру системи «тепла підлога» (9) і контуру подачі гарячої води (8).

Звичайно, ефективність цієї схеми буде неоднаковою в різних широтах. Адже сонячний колектор матиме найбільшу ефективність у літню пору року та, звичайно ж, у сонячну погоду. У наших широтах влітку опалювати житлові приміщення немає потреби, тому теплогенератор можна взагалі відключити. А оскільки літо у нас досить спекотне і ми вже важко уявляємо свій побут без кондиціонера, то тепловий насос передбачається включити на режим охолодження. Звичайно трубопровід, що йде від теплового насоса до бойлера, буде перекритий. Таким чином вирішувати задачу гарячого водопостачання передбачається лише за допомогою геліосистеми. І лише у випадку, якщо геліосистема не справляється із цим завданням, використовувати теплогенератор.

Як бачимо, схема досить складна та дорога. Загальні приблизні витрати, залежно від обраної схеми, наведені нижче.

Витрати для вертикального колектора:

Тепловий насос 6000€;
Бурові роботи 6000€;
Експлуатаційні витрати (електрика): близько 400 € на рік.

Для горизонтального колектора:

Тепловий насос 6000€;
Бурові роботи 3000€;
Експлуатаційні витрати (електрика): близько 450 євро на рік.

З великих витрат будуть потрібні витрати на закупівлю труб і на оплату праці робітників.

Установка плоского сонячного колектора (наприклад, Vitosol 100-F та водонагрівача 300 л) коштуватиме 3200 €.

Тому давайте, ходімо від простого до складного. Спочатку зберемо просту схему опалення будинку на основі теплогенератора, налагодимо її, і поступово додаватимемо до неї нові елементи, що дозволяють збільшувати ККД установки.

Зберемо систему опалення за схемою:

Схема теплопостачання будинку з використанням теплогенератора

1 – теплогенератор; 2 – бойлер непрямого нагріву; 3 – система опалення «тепла підлога»; 4 – контур подачі гарячої води.

У результаті ми отримали найпростішу схему теплопостачання будинку, Я поділився своїми думками для того, щоб спонукати ініціативних людей до розвитку альтернативних джерел енергії. Якщо у когось виникнуть ідеї чи заперечення з приводу написаного вище, давайте ділитися думками, давайте накопичувати знання та досвід у цьому питанні, і ми збережемо нашу екологію і зробимо життя трохи кращим.

Як бачимо тут основний і єдиний елемент, що нагріває теплоносій, це теплогенератор. Хоча у схемі і передбачено лише одне джерело нагріву, вона передбачає можливість подальшого додавання додаткових нагрівальних пристроїв. Для цього передбачається використання бойлера непрямого нагріву з можливістю додавання або вилучення теплообмінників.

Використання радіаторів опалення, наявних у схемі, зображеної малюнку однією вище, не передбачається. Як відомо система «тепла підлога» більш ефективно справляється із завданням обігріву приміщень і дозволяє економити енергію, що витрачається.

Увага: Ціни актуальні на 2009 рік.