Тепловой насос. Устройство, виды, принцип действия теплового насоса

Отбор теплоты от горной породы

Скальная порода требует бурения скважины на достаточную глубину (100-200 метров) или нескольких таких скважин. В скважину опускается U-образный груз с двумя пластиковыми трубками, составляющими контур. Трубки заполняются антифризом. По экологическим соображениям это 30 % раствор этилового спирта. Скважина заполняется грунтовыми водами естественным путём, и вода проводит теплоту от камня к теплоносителю. При недостаточной длине скважины или попытке получить от грунта сверхрасчётную мощность, эта вода и даже антифриз могут замёрзнуть, что и ограничивает максимальную тепловую мощность таких систем. Именно температура возвращаемого антифриза и служит одним из показателей для схемы автоматики. Ориентировочно на 1 погонный метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой мощности. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной около 170 м. Нецелесообразно бурить глубже 200 метров, дешевле сделать несколько скважин меньшей глубины через 10- 0 метров друг от друга. Даже для сравнительно небольшого дома площадью в 110-120 м2 при небольшом энергопотреблении срок окупаемости 10-15 лет. Почти все имеющиеся на рынке установки работают и летом, при этом теплота (по сути солнечная энергия) отбирается из помещения и рассеивается в породе или грунтовых водах. В скандинавских странах со скальным грунтом гранит выполняет роль массивного радиатора, получающего теплоту летом (днём) и рассеивающего его обратно зимой (ночью). Также теплота постоянно приходит из недр Земли и от грунтовых вод.

Принцип действия теплового насоса

В качестве источника низкопотенциального тепла может выступать наружный воздух, имеющий температуру от –15 до +15°С, воздух отводимый из помещения с температурой 15–25°С, подпочвенные (4–10°С) и грунтовые (более 10°C) воды, озерная и речная вода (0–10°С), поверхностный (0–10°С) и глубинный (более 20 м) грунт (10°С). В Нидерландах, например, в городе Херлен (Heerlen) для этих целей используется затопленная шахта. Вода, наполняющая старую шахту, на уровне 700 метров имеет постоянную температуру в 32°C.

В случае использования в качестве источника тепла атмосферного или вентиляционного воздуха, система отопления работает по схеме «воздух–вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.

Если в качестве источника тепла используются грунтовые воды, то система 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. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать антифриз или тосол. Если в качестве источника энергии выступает водоем, на его дно укладывается петля из металлопластиковой или пластиковой трубы. По трубопроводу циркулирует раствор гликоля (антифриз) или тосола который через теплообменник теплового насоса передает тепло фреону.

При использовании в качестве источника тепла грунта, система работает по схеме «грунт-вода». Возможны два варианта устройства коллектора – вертикальный и горизонтальный.

При горизонтальном расположении коллектора, металлопластиковых трубы укладывают в траншеи глубиной 1,2–1,5 м или в виде спиралей в траншеи глубиной 2–4 м. Такой способ укладки позволяет значительно уменьшить длину траншей.

Схема теплового насоса при горизонтальном коллекторе со спиральной укладкой труб

1 — тепловой насос; 2 — трубопровод, уложенный в земле; 3 — бойлер косвенного нагрева; 4 — система отопления «теплый пол»; 5 — контур подачи горячей воды.

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.

При вертикальном расположении коллектора трубы укладывают в вертикальные скважины на глубину 20–100 м.

Схема вертикального зонда

Фото зонда в бухте

Установка зонда в скважину

Принцип работы теплового насоса

Теперь попытаемся подробно описать каждый этап работы теплового насоса. Как уже говорилось ранее — в основе работы тепловых насосов лежит термодинамический цикл. Это значит, что работа теплового насоса состоит из нескольких этапов цикла, которые повторяются снова и снова в определенной последовательности.

Рабочий цикл теплового насоса можно разделить на четыре следующие этапы:

1. Поглощение тепла из окружающей среды (кипение хладагента).

В испаритель (теплообменник) поступает хладагент, который находиться в жидком состоянии и имеет низкое давление. Как мы уже знаем при низкой температуре хладагент способен закипать и испаряться. Процесс испарения необходим для того, чтобы вещество поглотило тепло.

Согласно второму закону термодинамики тепло передается от тела с высокой температурой к телу с более низкой температурой. Именно на этом этапе работы теплового насоса хладагент с низкой температурой проходя по теплообменнику отбирает тепло от теплоносителя (рассола), который ранее поднялся из скважин, где отобрал низкопотенциальное тепло грунта (в случаи с грунтовыми тепловым насосами Грунт-Вода).

Дело в том, что температура грунта под землей в любое время года составляет +7-8°С. При использовании геотермального теплового насоса типа Грунт-Вода устанавливаются вертикальные зонды, по которым циркулирует рассол (теплоноситель). Задача теплоносителя — нагреться до максимально возмножной температуры во время циркуляции по глубинным зондам.

Когда теплоноситель отобрал тепло из грунта, он поступает в теплообменник теплового насоса (испаритель) где «встречается» с хладагентом, который имеет более низкую температуру. И согласно второму закону термодинамики происходит теплообмен: тепло от более нагретого рассола передается менее нагретому хладагенту.

Здесь очень важный момент: поглощение тепла возможно во время испарения вещества и наоборот, отдача теплоты происходит при конденсации. Во время нагрева хладагента от теплоносителя он меняет свое фазовое состояние: хладагент переходит из жидкого состояния в газообразное (происходит процесс закипания хладагента, он испаряется).

Пройдя через испаритель хладагент находиться в газообразной фазе. Это уже не жидкость, но газ, который отобрал тепло у теплоносителя (рассола).

2. Сжатие хладагента компрессором.

На следующем этапе хладагент в газообразном состоянии попадает в компрессор. Здесь компрессор сжимает фреон, который за счет резкого увеличения давления нагревается до определенной температуры.

Аналогичным образом работает и компрессор обычного бытового холодильника. Единственное существенное отличие компрессора холодильника от компрессора теплового насоса — значительно меньшая производительность.

ВИДЕО: Как работает холодильник с компрессором

3. Передача тепла в систему отопления (конденсация).

После сжатия в компрессоре хладагент, который имеет высокую температуру поступает в конденсатор. В данном случае конденсатор — это тоже теплообменник, в котором во время конденсации происходит отдача теплоты от хладагента к рабочей среде отопительного контура (например воде в системе теплых полов, или радиаторов отопления).

В конденсаторе хладагент из газовой фазы снова переходит в жидкую. Этот процесс сопровождается выделением тепла, которое используется для системы отопления в доме и горячего водоснабжения (ГВС).

4. Понижение давления хладагента (расширение).

Теперь жидкий хладагент нужно подготовить к повторению рабочего цикла. Для этого хладагент проходит через узкое отверстие термо-регулирующего вентиля (расширительного клапана). После «продавливания» через узкое отверстие дросселя хладагент расширяется, вследствие чего падает его температура и давление.

Этот процесс сравним с распылением аэрозоля из балончика. После распыления балончик на короткое время становиться холоднее. То есть произошло резкое падение давления аэрозоля вследствие продавливания наружу, температура соответственно тоже падает.

Теперь хладагент снова находиться под таким давлением, при котором он способен закипеть и испаряться, что необходимо нам для поглощения тепла от теплоносителя.

Задача ТРВ (термо-регулирующий вентиль) — снизить давление фреона путем расширения его на выходе из узкого отверстия. Теперь фреон снова готов закипать и поглощать тепло.

Цикл снова повторяется до тех пор, пока система отопления и ГВС не получит от теплового насоса необходимый объем тепла.

Отбор теплоты от воздуха

Эффективность и выбор определённого источника тепловой энергии сильно зависят от климатических условий, особенно, если источником отбора тепла является атмосферный воздух. По сути, этот тип более известен в виде кондиционера. В жарких странах таких устройств десятки миллионов. Для северных стран наиболее актуален обогрев зимой. Системы «воздух-воздух» и «воздух-вода» используются и зимой при температурах до минус 25 градусов, некоторые модели продолжают работать до -40 градусов. Но их эффективность невысока, порядка в 1,5 раза от затрат энергии, а за отопительный сезон в среднем около 2,2 раза по сравнению с электрическими нагревателями. При сильных морозах используется дополнительное отопление. Когда мощности основной системы отопления тепловыми насосами недостаточно, включаются дополнительные источники теплоснабжения. Такую систему называют бивалентной.

Несколько слов об экономичности тепловых насосов

Не нужно считать, что отопление дома тепловым насосом оправдано на все 100%. Это не панацея и уж тем более не нескончаемый бесплатный источник энергии. Для работы теплового насоса требуется электрическая энергия, которой понадобится не так уж и мало. Чтобы добыть 10кВт тепла, тепловому насосу понадобится израсходовать порядка 2,5–3кВт электрической энергии.

Сравнивать киловатты тепла и киловатты электричества, как это делает большинство реализаторов этой продукции, не совсем правильно. Здесь нужно исходить из экономической составляющей. Сколько понадобится денег, чтобы обогреть дом, например, в течение суток – не намного меньше, чем на эту работу затратит обыкновенный электрический котел. Кроме того, всю мнимую экономию энергоресурсов сводит на нет высокая стоимость установки подобной системы отопления – срок ее окупаемости исчисляется несколькими десятками лет, особенно если учесть все нюансы ее работы.

Преимущества и недостатки тепловых насосов

Дело в том, что с понижением температуры окружающей среды эффективность установки резко падает, и уже при температуре воздуха в -5˚С агрегаты начинают потреблять чуть ли не вдвое больше электрической энергии от заявленного производителем. А что будет в условиях наших суровых зим? Для эффективной работы такой системы необходим источник тепла изолированный от внешних факторов – прав тот, кто использует в качестве источника энергии подземные водоемы, чья температура намного выше, чем у почвы или воды подо льдом. Вспомните, насколько промерзает почва в ваших широтах? На метр или больше? Для эффективной работы зонд придется закопать в три, а то и четыре раза глубже. Такой подход к делу повлечет за собой увеличение стоимости установки отопления тепловым насосом.

Вот и получается, что тепловой насос – это очередное нововведение технически развитых стран с целью наживы. Нужно понимать, что пока есть газ, нефть и уголь, позволяющие набивать карманы капиталистам, все серьезные альтернативные разработки в области энергетики будут искусственно затормаживаться. Кому нужно то, что нельзя продать и извлечь из этого выгоду? Тепловой насос для дома к этой категории не относится – сам он стоит недешево, и расходы электричества у него немалые.

Отопление частного дома тепловым насосом

Ну и в заключение хотелось бы уделить немного внимания преимуществам, которыми предлагают нам воспользоваться продавцы, приобретя и установив систему отопления тепловым насосом.

Экономичность. С ней мы уже разобрались и пришли к обратному результату.
Повсеместность использования (в том смысле, что установить такую систему отопления можно в любом уголке земного шара). Можно, но, опять же, это связано с дополнительными затратами на установку и эксплуатацию оборудования, что делает его использование неэффективным с экономической точки зрения.
Экологичность. С этим не поспоришь.
Универсальность. В летний период предлагается использовать тепловой насос для охлаждения помещений. Вам не кажется, что дороговатый получается кондиционер?
Эффективность обогрева

Стоит только обратить внимание на небольшие уточнения, что тепловой насос отлично справляется со своей работой только в хорошо утепленных и изолированных от внешних факторов помещениях, как сразу все становится ясно с его несостоятельностью полноценно обогревать дом в лютые морозы.
Безопасность эксплуатации. Возможно это и так, только, на мой взгляд, все, что связано с техникой, не может быть безопасным на сто процентов.

Вот так обстоят дела с альтернативным отоплением – несмотря на уникальный принцип работы тепловых насосов, такое отопление является лишь жалкой попыткой продать человечеству еще одну несостоятельную технологию. На мой взгляд, вокруг этого устройства слишком много излишнего шума – скорее всего это очередная грамотно спланированная рекламная кампания.

Автор Александр Куликов

Схема теплового насоса

В зависимости от вида рабочего тела в тепловых насосах (воздух или вода) во внутреннем и внешнем контурах, можно насчитать 4 вида устройств. Так как в качестве внутреннего теплоносителя использование воздуха нецелесообразно, то основные виды тепловых насосов в зависимости от теплоносителя: воздух — вода, вода — вода. Последний вид наиболее распространен — в условиях зимы использование низкотемпературного воздуха не слишком эффективно.

Схема теплонасоса вода-вода и принцип его работы выглядит следующим образом.

Рис. 2. Принципиальная схема теплонасоса

1. Рабочая жидкость подается в систему трубопроводов, размещенных в грунте, и двигаясь по ним нагревается.
2. Далее теплоноситель поступает в теплообменный испаритель, передает энергию хладагенту и тот нагревается, превращаясь в газ.
3. Компрессор сжимает газообразный хладагент, повышая его температуру.
4. Нагретый газ направляется в конденсатор – там происходит отдача его энергии теплоносителю.
5. Хладагент после отдачи энергии и тепла охлаждается и переходит из парообразного в жидкое состояние.

Система имеет замкнутый цикл, процесс периодически повторяется.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Расчет 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.

Между прямой и обратной петлей коллектора появляется разность температур теплоносителя.

Обычно для расчета ее принимают равной 3°С . Недостатком такой схемы является то, что на участке над коллектором не желательно возводить строений, чтобы тепло земли пополнялось за счет солнечной радиации. Оптимальная дистанция между трубами считается 0,7–0,8 м. При этом длина одной траншеи выбирается от 30 до 120 м.

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.

Тепловой насос. Конструкция обогрева дома

Чтобы понять его принцип действия можно посмотреть на обычный бытовой холодильник или кондиционер.

Современные тепловые насосы используют для своей работы низкопотенциальные источники тепла землю, грунтовые воды, воздух. И в холодильнике и в тепловом насосе действует один и тот же физический принцип (физики называют такой процесс циклом Карно). Тепловой насос — устройство, которое «выкачивает» тепло из холодильной камеры и выбрасывает его на радиатор. Кондиционер «выкачивает» тепло из воздуха комнаты и выбрасывает ее на радиатор, но находящийся на улице. При этом к теплу, «высосанному» из комнаты, добавляется ещё тепло, в которое превратилась электрическая энергия, потреблённая электродвигателем кондиционера.

Число, выражающее отношение вырабатываемой тепловым насосом (кондиционером или холодильником) тепловой энергии к потребляемой им электрической энергии, специалисты по тепловым насосам называют «отопительным коэффициентом». В лучших тепловых насосах отопительный коэффициент достигает 3-4. То есть на каждый потреблённый электродвигателем киловатт-час электроэнергии вырабатывается 3-4 киловатт-часа тепловой энергии. (Один киловатт-час соответствует 860 килокалориям.) Этот коэффициент преобразования (отопительный коэффициент) напрямую зависит от температуры источника тепла, чем выше температура источника, тем больше коэффициент преобразования.

Кондиционер берёт эту тепловую энергию из воздуха улицы, а большие тепловые насосы «выкачивают» это дополнительное тепло обычно из водоема/подземных вод или грунта.

Хотя температура этих источников гораздо меньше, чем температура воздуха в обогреваемом доме, но и это низкотемпературное тепло грунта или воды, тепловой насос и превращает в высокотемпературное, необходимое для обогрева дома. Поэтому тепловые насосы называют ещё «трансформаторами тепла». (процесс превращения см. ниже)

Примечание: Тепловые насосы не только согревают дома, но и остужают воду в реке, из которой выкачивают тепло. А в наше время, когда реки слишком перегреты промышленными и бытовыми стоками, охлаждать реку очень полезно для жизни в ней живых организмов и рыбы. Чем ниже температура воды, тем больше в ней может раствориться кислорода, необходимого для рыбы. В тёплой воде рыба задыхается, а в холодной блаженствует.Поэтому тепловые насосы очень перспективны в деле спасения окружающей среды от «теплового загрязнения».

Но установка системы отопления с помощью тепловых насосов пока слишком дорога, потому что требуются большое количество земляных работ плюс расходных материалов, например, труб для создания коллектора/теплообменника.

Так же стоит помнить что в тепловых насосах, как и в обычных холодильниках, используется компрессор, сжимающий рабочее тело — аммиак или фреон. На фреоне тепловые насосы работают лучше, но фреон уже запрещён к применению из-за того, что он, попадая в атмосферу, выжигает в её верхних слоях озон, защищающий Землю от ультрафиолетовых лучей Солнца.

И все-таки мне кажется, что будущее за тепловыми насосами. Но их, никто пока не производит массово. Почему? Не трудно догадаться.

Если появляется альтернативный источник дешевой энергии, то куда девать добываемый газ, нефть и уголь, кому его продавать. А на что списывать многомиллиардные убытки от взрывов на шахтах и рудниках.

Принципиальная схема обогрева дома с помощью теплового насоса

1 — тепловой насос; 2 — трубопровод, уложенный в земле; 3 — бойлер косвенного нагрева; 4 — система отопления «теплый пол»; 5 — контур подачи горячей воды.

Особенности функционирования

Как работает тепловой насос для отопления дома? Многие даже не подозревают, что с принципом работы этого агрегата они знакомы с детства. В любом доме есть обыкновенный холодильник – функционирует он благодаря абсолютно тем же физическим законам, что и тепловой насос. Только задача его не обогревать, а охлаждать.

Внутри стандартного теплового насоса есть:

• испаритель – теплообменник, где рассеянное уличное тепло отдается хладагенту (чаще всего это фреон);
• компрессор – нужен для сжатия хладагента, в результате чего у того повышается температура;
• конденсатор – теплообменник отопительного контура, бойлер для подогрева воды либо воздуха;
• расширительный, дроссельный клапан – служит для уменьшения давления хладагента перед впрыском его в испаритель.

Изнутри все это функционирует так. Жидкость с плюсовой температурой пропускают через испаритель, где она охлаждается хладагентом на какие-то 5-10 С. Далее эти небольшие градусы оказываются в компрессоре, где фреон сжимается. Это приводит к повышению его температуры.

А затем в конденсаторе происходит отдача всего этого тепла воде, которую используют для горячего водоснабжения или контура отопления. Либо напрямую с помощью комнатного конвектора нагревают воздух в жилых помещениях.

Различаются четыре основных вида:

1. Вода-Воздух.
2. Грунт-Вода.
3. Воздух-Воздух.
4. Вода-Вода.

Первым идет источник рассеянного тепла: грунт, атмосферный воздух либо вода из любого близлежащего водоема. А вторым теплоноситель, с помощью которого полученная теплоэнергия распределяется по жилищу. Это может быть вода в батареях или сам комнатный воздух.

Внешне же отопление дома с помощью тепловых насосов выглядит следующим образом:

• на улице монтируется зонд для забора тепла (разветвленная система труб в грунте или водоеме либо воздушный насос);
• в подсобном помещении устанавливается как таковой вышеописанный тепловой насос с испарителем и бойлером;
• и тепловой контур для распределения теплоэнергии по строению.

В чем суть процесса

Обращали ли вы внимание на то, что задняя стенка холодильник нагревается? То есть, имеет место забор тепла у менее нагретых объектов (продукты внутри) и передачи ее более нагретому воздуху в помещении. В этом и суть теплового насоса (ТН)

С помощью хладагента (почти всегда это фреон) и его фазовых переходов из жидкого в газообразное состояние и обратно, тепловой насос производит перераспределение тепла от относительно слабо нагретого вещества к более нагретому.

Для примера — принцип действия геотермального теплового насоса:

• Незамерзающая подземная вода закачивается в определенную емкость, которая контактирует с хладагентом.
• Компрессор сжимает хладагент, что приводит к поглощению тепловой энергии воды.
• Хладагент направляется в испаритель, который контактирует с той средой, которую нам необходимо нагреть.
• При испарении хладагент отдает тепло, и направляется обратно в компрессор на повторение цикла.

Мощный тепловой насос может подобным образом отапливать целый дом.

Рассматривая тепловой насос, плюсы и минусы очевидны. С одной стороны, у нас есть возможность перераспределять тепло по своему усмотрению. С другой стороны, на сжатие хладагента нам нужен внешний источник энергии, и затраты этой энергии могут перекрыть эффект от нагрева.

Как же оценивают эффективность ТН?

Методики оценки эффективности тепловых насосов могут быть различны. Они основываются либо на результативности передачи тепла, либо на энергетическом балансе. СНиП тепловые насосы практически не рассматривает, поэтому приходится ориентироваться на показатели, слабо освещенные нормативной документацией.

Реальный КПД теплового насоса вычислить довольно трудно. В рекламе можно встретить утверждения, что некоторые насосы работают с эффективностью выше 100%. Это может быть правдой, так как ТН не является замкнутой системой.

Один из основных показателей эффективности – коэффициент преобразования теплового насоса. Обозначается как COP, и вычисляется он путем деления выходной температуры насоса на разницу между выходной и входной температурами (по Кельвину – отрицательных значений тут не будет). Допустим, у нас имеется тепловой насос «воздух-воздух», КПД которого нам нужно определить. Температура воздуха снаружи 268 градусов по Кельвину (-5 по Цельсию). Внутрь поступает воздух, нагретый до 295 градусов (22 по Цельсию). COP будет равен 295 / (295 — 268) = 11.

Важно понимать, что полученный нами результат – нереален. На то, чтобы забрать у относительно холодного воздуха столько тепла нам потребуется затратить очень много энергии, и, не исключено, что у нас вообще это не получится

Экономика использования тепловых насосов при таком положении вещей будет очень неприятной.

Максимальным считается COP на уровне 7, а средним 3,5-4,5.

Данный показатель не является показателем КПД. Последний вычисляется как обычно: полученная энергия делится на затраченную (в Ваттах). Если у нас есть тепловой насос 100 кВт, который выдает нам 60 кВт тепловой энергии, то его КПД составляет 60%

При расчете важно полностью учесть затраты энергии, не только на работу компрессора, но и на перекачку теплоносителя и рабочей среды

Методы и программы расчета мощности теплового насоса для отопления дома
Различия между тепловыми насосами воздух-вода, вода-вода и воздух-воздух

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Съем тепла с каждого метра трубы зависит от многих параметров: глубины укладки, наличия грунтовых вод, качества грунта и т.д. Ориентировочно можно считать, что для горизонтальных коллекторов он составляет 20 Вт.м.п. Более точно: сухой песок – 10, сухая глина – 20, влажная глина – 25, глина с большим содержанием воды – 35 Вт.м.п. Разницу температуры теплоносителя в прямой и обратной линии петли при расчетах, принимают обычно 3 °С. На участке коллектора, не следует возводить строений, чтобы тепло земли, т.е. наш источник энергии, пополнялся энергией за счет солнечной радиации.

Минимальное расстояние между проложенными трубами должно быть не менее 0,7–0,8 м

Длина одной траншеи может колебаться от 30 до150м., важно чтобы длины подключаемых контуров были примерно одинаковыми. В качестве теплоносителя первичного контура рекомендуется использовать раствор этиленгликоля (медиум) с точкой замерзания примерно -13 оС. В расчетах следует учесть, что теплоемкость раствора при температуре 0°С составляет 3,7 кДж/(кг·К), а плотность – 1,05 г/см3

При использовании медиума, потеря давления в трубах в 1,5 раза больше, чем при циркуляции воды. Для расчета параметров первичного контура теплонасосной установки потребуется определить расход медиума:

Vs = Qo·3600 / (1,05·3,7·.t),
где .t – разность температур между подающей и возвратной линиями, которую часто принимают равной 3 оК. Тогда Qo – тепловая мощность, получаемая от низкопотенциального источника (грунт). Последняя величина рассчитывается как разница полной мощности теплового насоса Qwp и электрической мощности, затрачиваемой на нагрев хладагента P:

Qo = Qwp – P, кВт.
Суммарная длина труб коллектора L и общая площадь участка под него A рассчитываются по формулам: L = Qo/q, A = L·da.

Здесь q – удельный (с 1 м трубы) теплосъем; da – расстояние между трубами (шаг укладки).

Пример расчета. Теплового Насоса.

Исходные условия: теплопотребность коттеджа площадью 120–240 м2 (из расчета тепловых потерь с учетом инфильтрации) – 13 кВт; температура воды в системе отопления принимаем равной 35 °С (подполовой обогрев); минимальная температура теплоносителя на выход в испаритель – 0 °С. Для обогрева здания выбран тепловой насос мощностью 14,5 кВт из существующего технического ряда оборудования, с учетом потерь на вязкости медиума, при отборе и передаче тепловой энергии из грунта, составляет 3,22 кВт. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина), q равняется 20 Вт/м.п. В соответствии с формулами рассчитываем:

1. требуемая тепловая мощность коллектора Qo = 14,5 – 3,22 = 11,28 кВт;
2. суммарную длину труб L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 м.п. Для организации такого коллектора потребуется 6 контуров длиной по 100 м;
3. при шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка А = 600 х 0,75 = 450 м2;
4. общая заправка этиленгликолевого раствора Vs = 11,28·3600/ (1,05·3,7·3) = 3,51 м3, в один контур равен 0,58 м3.

Для устройства коллектора выбираем пластиковую трубу типоразмера 32х3. Потери давления в ней составят 45 Па/м.п.; сопротивление одного контура – примерно 7 кПа; скорость протока теплоносителя – 0,3 м/с.

Результаты расчётов эффективности ТН

Сравнение затрат на установку геотермальных и воздушных коллекторов с учетом затрат на транспортировку, монтаж и наладочные работы показывает, что тепловой насос с вертикальным расположением грунтового контура является наиболее дорогостоящим — 102 279 руб. на 1 кВт мощности оборудования, далее следует тепловой насос с горизонтальным расположением грунтового контура — 79 674 рублей. Наиболее дешевой является воздушная теплоустановка с 44 383 рублей за 1 кВт, так как в качестве источника теплоты используется наружный воздух и не требуются дополнительные затраты на раскопку траншей, поэтому стоимость ТН снижается и определяется только ценой самого насоса и монтажных работ.

Срок окупаемости (СО) ТН прямо пропорционален капитальным затратам на его установку и обратно пропорционален экономии денежных средств, которая равна затратам на отопление. Тарифы на тепловую энергию в городах России сильно отличаются, так цена 1 Гкал энергии в Санкт-Петербурге составляет 1050 руб., а в г. Петропавловск-Камчатский — 3580 руб. (т.е тарифы разнятся в 3 раза).

Наименьший срок окупаемости по проведенным подсчетам просматривается в восточных регионах России, где затраты на централизованное теплоснабжение достаточно высоки. Минимальный срок окупаемости в Петропавловск-Камчатском для геотермального насоса с горизонтальным контуром составляет 7 лет, для тепловой установки с вертикальным коллектором – 9 лет, далее следуют Якутск (СОвер. = 13 лет)) и Красноярск (СОгор. = 15 лет, СОвер. = 22 года). Максимальный срок окупаемости тепловых установок в Санкт-Петербурге (СОгор. = 34 года, СОвер. = 47 лет) и Пскове (СОгор.= 33 года, СОвер. = 46 лет), Сочи (СОгор. = 31 год, СОвер. = 41 год).

Отопление с помощью воздушных тепловых насосов возможно только в двух городах из одиннадцати рассмотренных, а именно в Сочи и в Петропавловск-Камчатском, сроки окупаемости тепловых установок в этих городах составляют 10 лет и 2 года соответственно.

Срок службы теплового насоса ограничивается только сроком службы компрессора, как единственного устройства, содержащего движущиеся части, срок службы которых составляет 25 лет. По истечении этого срока компрессор должен быть заменен. Срок эксплуатации коллекторов достигает 50 лет. В таблице ниже представлены расчеты денежных затрат (ДЗ) на теплоснабжение в течение 25 лет с использованием различных источников тепловой энергии: централизованного теплоснабжения (ДЗЦТС); электрического, твердотопливного и дизельного котла (ДЗЭК, ДЗТТ, ДЗДТ), воздушного теплового насоса (ДЗТН.В), ТН с горизонтальным и вертикальным коллектором (ДЗТН.Г, ДЗТН.U).

У большинства из рассмотренных городов срок окупаемости тепловой установки меньше срока ее эксплуатации (25 лет). Это позволяет получить прибыль от 171 126 руб. (Астрахань, при использовании тепловой установки с горизонтальным коллектором) до 2 992 380 руб. (Петропавловск-Камчатский, при использовании воздушного теплового коллектора) за 25 лет использования ТН.

В климатических условиях Санкт-Петербурга и Пскова ни один из видов тепловых насосов не окупается. В данном случае следует рассмотреть варианты теплоснабжения с помощью других источников энергии. Из таблицы выше видно, что в Санкт-Петербурге тепловой насос с горизонтальным коллектором недоокупится на 285 653 руб. и на 720 706 руб. с вертикальным коллектором. При сравнении с другими источниками тепловой энергии получается, что использование ТН, даже если срок их окупаемости больше срока эксплуатации, является экономически выгоднее, так как затраты за 25 лет (недоокупаемость) при этом будут меньше затрат на теплоснабжение дома при использовании других установок за этот же период.

Результаты расчета эффективности применения тепловых насосов, выполненные с учетом температурных ограничений (температура наружного воздуха tн ⩾ -20 °C и температура грунта tг > 0°C) и срока эксплуатации тепловых насосов (25 лет), показывают целесообразность и эффективность их применения на территории России.

Е.А. Муравлева