Тепловий насос для опалення будинку Методи розрахунку горизонтального та вертикального колекторів
Давно і дуже успішно теплові насоси використовуються в побутових та промислових холодильниках та кондиціонерах.
Сьогодні ці пристрої стали застосовувати і для виконання функції протилежного характеру – обігріву житла під час холодів.
Давайте подивимося, як використовуються теплові насоси для опалення приватних будинків і що потрібно знати, щоб правильно розрахувати всі його компоненти.
Тепловий насос. Конструкція обігріву будинку
Різниця полягає лише в тому, що котел спалює паливо, а ТН «викачує» теплову енергію з джерел, які, на перший погляд, на неї не багаті.
Грунт і річкова вода з температурою 5 - 7 градусів, або навіть морозне зимове повітря, температура якого взагалі виявилася нижчою за нуль.
Такі джерела називаються низькопотенційними, і хоча з поняттям тепла вони ніяк не асоціюються, ТН примудряється «вичавити» з них значний обсяг цілющої енергії. До цього слід додати тепло, що виділяється електродвигуном компресора ТН: тут, на відміну від холодильника і кондиціонера, воно не пропадає задарма.
В іншому система опалення на базі ТН нічим не відрізняється від звичайної: використовується теплоносій - вода або повітря, яке нагрівається, протікаючи через теплообмінник, а потім розносить тепло по всьому будинку. Циркуляцію забезпечує насос (для водяного опалення) чи вентилятор (для повітряного). Так само, як і традиційний теплогенератор, ТН можна одночасно підключити до контуру гарячого водопостачання (ГВП) як з накопичувальною ємністю (бойлером), так і без неї.
В Україні парове опалення з'явилося раніше водяного, проте зараз така система використовується рідко. Тутhttps://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/montazh-sistem-otopleniya/parovoe-otoplenie-v-chastnom-dome-sxema.html ви знайдете огляд основних видів котлів та способів парового опалення.
Принцип роботи теплових насосів
У кожному ТН є робоче середовище, що називається холодоагентом. Зазвичай у цьому виступає фреон, рідше – аміак. Сам пристрій складається з трьох компонентів:
Випарник і конденсатор – це два резервуари, що мають вигляд довгих зігнутих трубок – змійовиків.Конденсатор одним кінцем приєднується до вихідного патрубка компресора, а випарник - до вхідного. Кінці змійовиків стикуються і в місці з'єднання між ними встановлюється редукційний клапан. Випарник контактує – безпосередньо чи опосередковано – із середовищем-джерелом, а конденсатор – із системою опалення чи ГВП.
Принцип роботи теплового насосу
Робота ТН заснована на взаємозалежності обсягу, тиску та температури газу. Ось що відбувається всередині агрегату:
- Аміак, фреон або інший холодоагент, рухаючись випарником, нагрівається від середовища-джерела, допустимо, до температури +5 градусів.
- Пройшовши випарник, газ досягає компресора, який перекачує їх у конденсатор.
- Нагнітається компресором холодоагент утримується в конденсаторі редукційним клапаном, тому його тиск тут вищий, ніж у випарнику. Як відомо, із зростанням тиску температура будь-якого газу збільшується. Саме це відбувається з холодоагентом – він розігрівається до 60 – 70 градусів. Оскільки конденсатор омивається теплоносієм, що циркулює в системі опалення, останній також нагрівається.
- Через редукційний клапан холодоагент невеликими порціями скидається у випарник, де його тиск знову падає. Газ розширюється таостигає, а оскільки частина внутрішньої енергії була втрачена ним в результаті теплообміну на попередньому етапі, його температура опускається нижче за початкові +5 градусів. Наслідуючи випарник, він знову нагрівається, далі закачується в конденсатор компресором - і так по колу. По-науковому цей процес називається циклом Карно.
Але ТН все-таки залишається дуже вигідним: за кожен витрачений кВт * год електроенергії вдається отримати від 3 до 5 кВт * год тепла.
Види конструкцій теплових насосів
Існують такі різновиди:
- ТН «повітря – повітря»;
- ТН "повітря - вода";
- ТН "грунт - вода";
- ТН "вода - вода".
Перший варіант - це звичайна спліт-система, що працює в режимі обігріву. Випарник монтується на вулиці, а всередині будинку встановлюється блок із конденсатором. Останній обдувається вентилятором, завдяки чому приміщення подається тепла повітряна маса.
Якщо таку систему оснастити спеціальним теплообмінником із патрубками, вийде ТН типу «повітря – вода». Він підключається до водяної системи опалення.
Випарник ТН типу «повітря – повітря» або «повітря – вода» можна розмістити не на вулиці, а в каналі витяжної вентиляції (вона має бути примусовою). У цьому випадку ефективність ТН буде збільшена у декілька разів.
Теплонасоси типу "вода - вода" і "грунт - вода" для відбору тепла використовують так званий зовнішній теплообмінник або, як його ще називають, колектор.
Принципова схема роботи теплового насосу
Це довга закільцьована труба, як правило, пластикова, за якою циркулює рідке середовище,омиває випарник. Обидва різновиди ТН являють собою один і той самий пристрій: в одному випадку колектор занурюється на дно поверхневого водоймища, а в другому - в ґрунт. Конденсатор такого ТН розташований у теплообміннику, що підключається до системи водяного опалення.
Підключення ТН за схемою "вода - вода" є набагато менш трудомістким, ніж "грунт - вода", оскільки відпадає необхідність у проведенні земляних робіт. На дно водоймища труба укладається у вигляді спіралі. Зрозуміло, для даної схеми підійде тільки така водойма, яка взимку не промерзає до дна.
Робота теплового насоса під час роботи за схемою «грунт-вода»
Укладання колектора в ґрунт можна зробити трьома способами.
Горизонтальний варіант
Для такого колектора буде потрібна ділянка землі досить великої площі, зате її може побудувати будь-який домовласник – ніяких навичок, окрім уміння працювати лопатою, не знадобиться.
Слід, щоправда, врахувати, що спорудження теплообмінника вручну – досить трудомісткий процес.
Вертикальний варіант
Труби колектора у вигляді петель, що мають форму літери «U», занурюються в свердловини завглибшки від 20 до 100 м. При необхідності можна побудувати кілька таких свердловин. Після встановлення труб свердловини заливають цементним розчином.
Гідність вертикального колектора полягає в тому, що для його будівництва потрібна зовсім невелика ділянка. Однак, пробурити свердловини глибиною більше 20 м самостійно немає жодної можливості - доведеться наймати бригаду бурильників.
Комбінований варіант
На ділянці викопується кругла криниця глибиною від 2-х м.
Труби теплообмінника укладаються спіраллю, так що контур являє собою вертикальну встановлену пружину.
Після завершення монтажних робіт колодязь засипають.Як і у випадку з горизонтальним теплообмінником, весь необхідний обсяг робіт можна зробити своїми руками.
Колектор заповнюється антифризом – тосолом чи розчином етиленгліколю. Для забезпечення циркуляції в контур врізається спеціальний насос. Увібравши тепло грунту, антифриз надходить до випарника, де відбувається теплообмін між ним і холодоагентом.
Слід врахувати, що необмежений відбір тепла із ґрунту, особливо при вертикальному розташуванні колектора, може призвести до небажаних наслідків для геології та екології ділянки. Тож у літній період ТН типу «грунт – вода» дуже бажано експлуатувати у реверсивному режимі – кондиціювання.
Розрахунок горизонтального колектора теплового насоса
Ефективність горизонтального колектора залежить від температури середовища, в яке він занурений, її теплопровідності, а також площі контакту з поверхнею труби. Методика розрахунку досить складна, тому здебільшого користуються усередненими даними.
- 10 Вт – при заглибленні в сухий піщаний або кам'янистий ґрунт;
- 20 Вт – у сухому глинистому ґрунті;
- 25 Вт – у вологому глинистому ґрунті;
- 35 Вт – у дуже сирому глинистому ґрунті.
Таким чином, для розрахунку довжини колектора (L) слід потрібну теплову потужність (Q) розділити на теплотворну здатність ґрунту (p):
L = Q / p.
Наведені значення можна вважати дійсними лише за умови дотримання таких умов:
- Ділянка землі над колектором не забудована, не затінена і не засаджена деревами або кущами.
- Відстань між сусідніми витками спіралі чи ділянками «змійки» становить щонайменше 0,7 м.
Приклад розрахунку теплового насосу
Підберемо ТН для системи опалення одноповерхового будинку загальною площею 70 кв. м зі стандартною висотою стелі (2,5 м), раціональною архітектурою та теплоізоляцією огороджувальних конструкцій, що відповідає вимогам сучасних будівельних норм.На обігрів 1-го кв. м такого об'єкта за загальноприйнятими нормами доводиться витрачати 100 Вт тепла. Таким чином, для опалення всього будинку знадобиться:
Q = 70 x 100 = 7000 Вт = 7 кВт теплової енергії.
Вибираємо тепловий насос марки "ТеплоДаром" (модель L-024-WLC) з тепловою потужністю W = 7,7 кВт. Компресор агрегату споживає N = 2,5 кВт електроенергії.
Розрахунок колектора
Ґрунт на відведеній під будівництво колектора ділянці – глинистий, рівень ґрунтових вод високий (приймаємо теплотворну здатність p = 35 Вт/м).
Потужність колектора визначаємо за такою формулою:
Qk = W - N = 7,7 - 2,5 = 5,2 кВт.
Визначаємо довжину труби колектора:
L = 5200/35 = 148.5 м (приблизно).
Виходячи з того факту, що укладати контур довжиною понад 100 м нераціонально через надмірно високийгідравлічного опору, приймаємо наступне: колектор теплового насоса складатиметься із двох контурів – довжиною 100 м та 50 м.
Площу ділянки, яку необхідно буде відвести під колектор, визначимо за такою формулою:
S = L x A,
Де А – крок між сусідніми ділянками контуру. Приймаємо: А = 0,8 м-коду.
Тоді S = 150 х 0.8 = 120 кв. м.
Розрахунок вертикального колектора
На глибині понад 15 м температура ґрунту стабільно тримається на позначці +10 градусів цілий рік. Тому ефективність вертикального колектора є вищою – у середньому з метрової ділянки вдається знімати до 50 Вт тепла. Для розрахунку довжини теплообмінника необхідно враховувати тип середовища. Так, з 1-го метра труби вдається отримати таку теплову потужність:
- 20 Вт – при зануренні в осадовий ґрунт (сухий);
- 50 Вт - в кам'янистому або вологому осадовому грунті;
- 70 Вт - тверді породи (камінь);
- 80 Вт – підземні води.
Застосування вертикального зонда для теплового насосу
При будівництві свердловин слід дотримуватися умов: відстань між ними повинна становити не менше 5 м.
Для роботи теплового насоса з наведеного вище прикладу знадобиться колектор довжиною L = 5200 / 50 = 140 м.
Отже, для облаштування колектора потрібно пробурити дві свердловини глибиною 70 м. У кожній з них потрібно буде встановити по дві U-подібні петлі, для чого потрібно буде закупити 4х140 = 560 м труб.