Геотермальный тепловой насос своими руками

Воздушный тепловой насос для отопления дома в зимних условиях. Воздушный тепловой насос для отопления – это одно из самых популярных альтернатив газовому, твердотопливному и электрическим видам отопления. Первейший тепловой насос был создан в 1852 и был названым «преумножитель тепла». Следуя физическим законам, тепло могло передаваться от нагретого к не нагретому телу. Если есть большое количество энергии, то можно осуществить обратный процесс.

Принцип работы теплового насоса для отопления частного дома: объясняем на пальцах

Если отбросить все технические моменты — можно привести вам пример, который раз и на всегда поможет вам понять, как тепловой насос может отопить ваш дом, затратив при этом столь ничтожное количество электроэнергии. Представьте, что в системе отопления вашего частного дома: радиаторы батарей, трубы (внутренний контур) — залито 100 литров холодной воды с температурой 2 градуса по Цельсию. Вы укладываете на глубину около 2 метров под землей очень длинную пластиковую трубу, срок службы которой достигает 100 лет (внешний контур). В подземную трубу помещается примерно 1000 литров рабочей жидкости. Солнце круглый год греет нашу планету и разогревает её недра до температуры +7 +8 градусов по Цельсию. Итого мы имеем 1000 литров жидкости с температурой +7.5 градусов. Теперь в игру вступает сам тепловой котел, который как соковыжималка вытягивает из каждого литра рабочей жидкости по 7.5 градусов, давайте напишем формулу: 1000л. х 7.5 = 7500 градусов чистой энергии. Эта чистая энергия передается воде в самой системе отопления, в итоге получаем 100 литров воды с температурой 7500/100 =75 градусов, неплохо, да? Все основные затраты электроэнергии расходуются на два насоса, которые качают рабочую жидкость по системам внешнего (подземного) и внутреннего (внутридомового) контуров и компрессор, который создает давление. Получается, что основными рабочими лошадками являются насосы, отсюда и название самой системы — «Тепловой насос».

Но каким образом этому «Чудо-котлу» удается отбирать энергию и концентрировать её до гораздо более высокой температуры? Это очень просто, вы никогда не задумывались, как работает ваш холодильник или кондиционер? Может быть и кондиционер является для вас загадкой, но он работает и точно также будет работать и система отопления дома с тепловым насосом, это как холодильник наоборот. Схематично это можно представить в таком виде:

Применение тепловых насосов только набирает силу в Россию. Эти сведения только начинают распространяться в профессиональной строительной среде. Также информация о данных системах пока еще мало знакома российским потребителям. Однако, эта инновация уже получила широкое распространение и уже около тридцати лет такие конструкции применяются для теплоснабжения частных домов. Особое преимущество данным конструкциям придает тот факт, что они используют возобновляемые источники энергии. Такой подход предполагает разовые затраты на приобретение и монтаж системы, небольшие затраты на регулярное регламентное обслуживание и абсолютно бесплатные энергоносители. Это немаловажно в условиях стремительно растущих тарифов на любые типы энергии.

Принцип работы теплового насоса

Принцип действия тепловых насосов основан на способности вещества (хладагента) поглощать или отдавать тепло при изменении агрегатного состояния. По своей сути такие насосы мало чем отличаются от холодильных установок. (Это странное, на первый взгляд, утверждение нисколько вас не удивит, если вы хоть раз дотрагивались до горячей задней стенки обычного бытового холодильника.)

Схематично тепловой насос может быть представлен в виде системы, состоящей из трех контуров. В первом находится теплоноситель, переносящий энергию от источника низкопотенциального тепла. Во втором контуре циркулирует хладагент (фреон), который периодически то испаряется, отбирая тепло у первого контура, то вновь конденсируется, отдавая его третьему контуру. И, наконец, по третьему контуру «бегает» теплоприемник, в нашем случае – вода, переносящая тепло по системе отопления.

Рабочий цикл теплонасоса в общих словах может быть описан следующим образом. Жидкий хладагент поступает в испаритель, где переходит в газообразное состояние. Необходимая для протекания этого процесса энергия отбирается у теплоносителя, циркулирующего в первом контуре. Далее подогретый на несколько градусов газообразный хладагент всасывается в компрессор, главное назначение которого – сжатие газа (на совершение этой работы, разумеется, расходуется электроэнергия).

Читайте также:  Как законно установить счетчики на отопление в квартиру?

Давление газа возрастает в несколько раз, при этом он существенно разогревается: если на входе в компрессор температура хладагента составляет 6-10°C, то на выходе уже около 60°C. На следующей стадии разогретый газ направляется в конденсатор, где отдает полученное тепло системе отопления, сам же при этом конденсируется, т.е. переходит в жидкое состояние. Затем избыточное давление сбрасывается с помощью дроссельного клапана, и цикл начинается заново.

Как видите, устройство теплового насоса не отличается принципиально от устройства холодильной машины. Просто основным назначением холодильных установок является генерирование холода, поэтому там отбор теплоты производится испарителем, а конденсатор лишь сбрасывает эту теплоту в окружающее пространство. В тепловом же насосе картина обратная: конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, отдающий теплоту потребителю, а испаритель – это теплообменник, утилизирующий низкопотенциальную теплоту вторичных энергоресурсов.

Другими словами тепловой насос – это «холодильник наоборот». При этом «наоборот» не только устройство, но и результат. Если в случае холодильника тепло, отнимаемое у хранящихся внутри продуктов, выбрасывается впустую, то энергия, вырабатываемая тепловым насосом, приносит реальную пользу – тратится на целенаправленный обогрев дома.

Общие принципы действия геотермальных насосов

Понятие «геотермальный» для определения такого вида поддержания определенной температуры в доме не совсем правильно. Чаще всего под геотермальной энергией понимают нагрев определенных участков земной коры под воздействием магмы, поднимающейся из глубины Земли. Самый характерный пример – это горячие геотермальные источники.

Оборудование внутри дома

Разницу между температурой поверхностного слоя земли и температурой в ее глубине, можно использовать практически повсеместно. Многочисленные исследования показали, что уже на глубине 6 метров ниже уровня почвы ее температура постоянно равна среднегодовой температуре воздуха над этой точкой.

Возможно, Вас заинтересует информация-ремонт циркуляционного насоса

В зависимости от места расположения, температура на глубине 6 м будет составлять от +10 до +16°С. Область постоянной температуры обычно располагается между отметками глубины от 7 до 12 метров. Причина такого явления – тепловая инерция.

Как устроен геотермальный тепловой насос

Принцип работы теплового насоса, использующего разницу температур, практически аналогичен работе обычного холодильника или кондиционера. Такие насосы передают тепло от холодного пространства в теплое, в направлении, противоположном естественному распространению тепла, либо по естественному направлению, ускоряя его передачу. В первом случае система работает как холодильник, а во втором – как нагреватель.

Однако, такие насосы не всесильны. Специалисты считают, что их эффективность резко падает при падении температуры наружного воздуха ниже 5°С. КПД (показатель эффективности таких систем) колеблется в промежутке 3-6% в наиболее холодный период.

Затраты на монтаж таких отопительно-охладительных систем в целом выше, чем у других автономных источников отопления. По расчетам западных специалистов разница в цене проектирования и строительства обычно окупается в период от 3 до 10 лет в результате общей экономии энергии. Более высокие сроки окупаемости могут быть вызваны только целевым финансированием или введенными налоговыми льготами.

Срок службы качественно спроектированной и построенной системы отопления с использованием геотермальных тепловых насосов оценивается в 25 лет для внутренних компонентов системы и более полувека для наружного контура.

Траншея под трубы

Наружный контур системы прямого теплообмена

Выбор насоса по мощности зависит от потребности

Можно рассчитать по формуле:

  • Самая высокая температура воздуха зимой,
  • Разница между температурой воздуха на улице высчитывается с разницей в помещении,
  • Рассчитывают тепловые потери стен.

Полученный результат и станет необходимой, минимальной мощностью для вашего дома.

Второй расчет – выбор нужного объема для накопительного котла. Эту часть отопительной системы рекомендуют монтировать так, чтобы насос мог работать ограниченное число циклов. В дополнительных документах к тепловому насосу есть советы для объема аккумулятора определенного количества показателей циклов. Общая цифра равна 30 литрам на 1 киловатт за три запускания, 20 литров при пяти. Получится что, для жилого дома минимальный объем накопительного бака 400 литров теплового насоса в одни сутки.

Читайте также:  Особенности электрокотла 3 кВт для отопления

Способы работы системы

Термальное отопление представляет собой эффективную систему, не наносящую ущерба окружающей среде. Соорудить конструкцию можно несколькими различными способами, каждый из которых в процессе использования задействует собственные источники получения тепловой энергии:

Горизонтальное размещение

Способы работы системы
  1. При наличии в глубоких слоях почвы под территорией дома резервуаров или протоков вод можно обогревать помещения ею. Если жидкость циркулирует на глубине более 25 метров, её температуры достаточно для прогрева. Помпа выкачивает по трубам жидкость и передает её в трубопровод, после чего нагревает помещение и возвращается обратно.
  2. Второй способ задействует поверхность почвы. На большую глубину опускается емкость, которую заполняют хладагентом, который не замерзает. За счет контакта с горячей поверхностью он согревается, затем с помощью тепловой помпы поднимается к теплообменной жидкости, температура которой повышается, затем антифриз возвращается в емкость.
  3. Последний способ подойдет для владельцев домов с выходом на водоем. Через дно протягиваются специальные горизонтальные зонды, которые за счет взаимодействия с теплой жидкостью близ дна нагревают и передают её в централизованную часть.

Виды теплообменников

Трубы, проложенные по второму способу, могут укладывать в нескольких плоскостях: вертикальной и горизонтальной:

Способы работы системы

Первый способ используется редко, поскольку требует значительных затрат площади. Сеть из труб монтируется на незначительную глубину, которая превышает максимальный уровень промерзания грунта, характерный для конкретной местности.

Такой вид устройства имеет несколько недостатков, основные из которых потребность задействовать большое количество резервуаров с антифризом, огромная площадь, которую требуется отдать под размещение трубопровода, которая в значительной мере будет превышать площадь отапливаемого помещения. К тому же, застройка займет большое количество времени и потребует траты денег, а земельные работы существенно ухудшат ландшафт. При наличии газона, растительный покров будет полностью испорчен.

Вид в разрезе

Способы работы системы

При наличии на участке деревьев, придется проводить трубы на расстоянии не менее полутора метра от них. Иначе, разрастающиеся корни могут привести к порче системы.

Вертикальное размещение резервуара занимает куда меньше места, однако сложность работ высока. Придется привлекать специалистов по бурению, что затрачивает значительный объем денежных средств.  Скважина достигает глубины 200 метров, если система размещается в северных районах. При работах территория не затрагивается. Часто используется для загородных домов. Срок эксплуатации такого вида может превышать 100 лет.

Заключение

Тепловой насос, как детище самых передовых технологий, довольно распространен в странах западной Европы. У нас он считается малодоступной роскошью ввиду немалой стоимости. Даже состоятельные граждане не торопятся вкладывать средства в подобное отопление, поскольку владеют коттеджами большой площади, где геотермальный обогрев будет окупаться слишком долго. С этой точки зрения оптимальным вариантом считается дом 150 м2 площади.

Рекомендуем: Как сделать отопление в деревянном доме Чем обшить деревянный дом Как сделать воздушное отопление в частном доме

Достоинства и недостатки воздушных тепловых насосов

Отзывы о тепловом насосе воздух вода бывают как хорошими, так и плохими. Ведь это устройство при всех неоспоримых достоинствах не лишено и некоторых недостатков.

Причем к достоинствам относятся следующие факты:

  • Во-первых, такой агрегат легко смонтировать. Ведь для первичного контура, замкнутого на испаритель, не нужны ни земляные работы, ни водоемы.
  • Во-вторых, воздух ест везде, а вот земля, в личной собственности, только за городом, ну а с искусственными или естественными водоемами проблем еще больше. Поэтому воздушные тепловые насосы для отопления можно монтировать даже в городских условиях, не спрашивая разрешение контролирующих инстанций.
  • В-третьих, воздушный насос можно объединить с системой вентиляции, используя мощности агрегата для повышения эффективности воздухообмена в помещении.

Кроме того, такой насос работает почти бесшумно и легко программируется.

Ну а неизбежные недостатки можно представить в виде такого списка:

  • Эффективность агрегата зависит от температуры окружающего воздуха. Поэтому КПД устройства летом выше, чем в зимнее время.
  • Воздушный насос можно включать лишь при относительно слабых морозах. Причем при -7 градусов Цельсия бытовой воздушный насос работать уже не будет. Хотя промышленные агрегаты включаются и при -25 градусах Цельсия.
Читайте также:  Как выбрать комнатный регулятор температуры

Кроме того, воздушный насос – это не совсем автономная энергетическая установка. Агрегат потребляет электроэнергию, трансформируя 1 КВт/час в 11-14 МДж.

Воздушные — сплит и моно

Применять воздушные ТН выгоднее в южных регионах, где температура редко опускается ниже 0 °С, но современное оборудование способно работать и при —25 °С. Чаще всего устанавливают сплит-системы, состоящие из внутридомового и наружного блоков. Внешний комплект состоит из вентилятора, обдувающего радиаторную решетку, внутренний — из конденсаторного теплообменника и компрессора.

Конструкцией сплит-систем предусматривается реверсивное переключение режимов работы с помощью клапана. Зимой внешний блок является генератором тепла, а летом наоборот — отдает его наружному воздуху, работая как кондиционер. Воздушные ТН отличаются предельно простым монтажом внешнего блока.

Другие преимущества:

  1. Высокая эффективность работы наружного блока обеспечивается большой площадью теплообмена радиаторной решетки испарителя.
  2. Бесперебойная работа возможна при температуре наружного воздуха до —25 °С.
  3. Вентилятор размещается за пределами помещения, поэтому уровень шума находится в допустимых пределах.
  4. Летом сплит-система работает как кондиционер.
  5. Автоматически поддерживается заданная температура внутри помещения.

Проектируя отопление зданий, расположенных в регионах с продолжительной и морозной зимой, необходимо учитывать низкую эффективность воздушных ТН при отрицательных температурах. На 1 кВт затраченной электроэнергии приходится 1,5–2 кВт тепла. Поэтому надо предусматривать дополнительные источники теплоснабжения.

Самый простой монтаж ТН возможен в случае применения моноблочных систем. Внутрь помещения заходят только трубки с теплоносителем, а все остальные механизмы находятся снаружи в одном корпусе. Такая конструкция существенно повышает надежность работы оборудования, а также снижает шум до величины менее 35 дБ — это на уровне обычного разговора двух человек.

Заключительная часть работ

При любом раскладе на окончательной стадии вам потребуется нанять специалиста. Именно знающий человек должен осуществлять пайку медных трубок, закачку фреона, а также первый запуск компрессора. После сборки всей конструкции её подключают к внутренней системе отопления. Наружный контур устанавливается в последнюю очередь, а его особенности зависят от типа используемого теплового насоса.

Не стоит упускать из виду такой важный момент, как замена устаревшей или поврежденной проводки в доме. Специалисты рекомендуют устанавливать счетчик мощностью не менее 40 ампер, чего должно быть вполне достаточно для эксплуатации теплового насоса. Не лишним будет отметить, что в некоторых случаях подобное оборудование не оправдывает ожидания. Это обусловлено, в частности, неточными термодинамическими расчетами. Чтобы не случилось так, что вы потратили кучу денег на отопление, а зимой пришлось поставить угольный котел, обращайтесь в проверенные организации с положительными отзывами.

Как рассчитать вертикальный коллектор?

При установке вертикального коллектора скважину необходимо пробурить на глубину 20-100 метров. В скважину погружают пластиковые или металлопластиковые U – образные трубы. Необходимо устроить две петли, которые будут залиты цементным раствором. Удельный теплосъем коллектора равняется 50 Вт/м.

Для проведения точных расчетов следует использовать следующие данные:

  1. Каменные породы с высокой теплопроводностью около 70 Вт/м.
  2. Сухие осадочные породы примерно 20 Вт/м.
  3. Насыщенная водой осадочные породы и каменистая почва – 50 Вт/м.
  4. Подземные воды – 80 Вт/м.

Температура грунта равняется 10 градусам на глубине свыше 15 метров. Между скважинами следует соблюдать расстояние от 5 метров. В грунте могут быть подземные течения, в таком случае придется бурить перпендикулярно потоку.

Например, L=Qo/q=10,6/0,05=212 м.

Если удельный теплосъем вертикального коллектора равен 50 Вт/м, а требуемая мощность составляет 10,6 кВт, то длина трубы будет 212 метров.