Тепловой насос для отопления дома своими руками

Приходится признать, что ресурсы планеты Земля постепенно истощаются, с чем и связано постоянное удорожание энергоносителей и поиски альтернативных источников энергии и прежде всего для систем отопления и водонагревания, поскольку именно на их работу требуется большая часть ресурсов. В последние десятилетия были разработаны так называемые тепловые насосы, которые для того, чтобы обогреть частный загородный дом используют тепло, добытое из окружающей среды.

КПД теплового насоса всегда будет более 1. Для геотермальных систем более корректным является коэффициент преобразования тепла. Если он равен 4, то это означает, что при мощности 1 кВт, тепловой насос на выходе обеспечивает 4 кВт энергии, из которых 3 кВт дала земля.

Принцип, лежащий в основе работы такого устройства, был разработан в начале XIX в. инженером Сади Карно и был назван циклом Карно. На этом основана работа обычного бытового холодильника, в котором продукты охлаждаются за счет того, что рассеянное тепло отводится через радиатор наружу. Но применять для отопления домов, когда все происходит с точностью до наоборот, т. е. работа теплового насоса основана на принципе обратного цикла Карно, его стали недавно.

Тепловой насос представляет собой устройство, в котором происходит преобразование низкотемпературного в высокотемпературное тепло, которое и идет на обогрев. Источником тепла выступают земля, вода и воздух (первый из них распространен шире всего, поскольку он эффективен (хотя имеет значение уровень теплоизоляции дома, способ, который применяют для обогрева дома, и др.) и отличается оптимальным соотношением цены и потребительских качеств).

Для функционирования тепловым насосам требуется электричество, но при затратах в 1 кВт электроэнергии отдача составляет 4-6 кВт тепловой энергии. Дополнительно к обогреву дома летом, тепловой насос может работать как кондиционер, для чего достаточно, чтобы система была способна на реверсивный режим работы.

Тепловые насосы классифицируются на несколько типов:

• «земля — вода»;
• «земля — воздух»;
• «вода — вода»;
• «вода — воздух»
• «воздух — вода»;
• «воздух — воздух».

Тепловой насос типа «земля — воздух» (этот тип разработан в наибольшей степени) обогревает дом посредством водяного отопления, используя тепловую энергию земли. Она отдает тепло независимо от погоды, тем более что на глубине 10 м температура в течение года практически не меняется. Взятая у земли энергия собирается теплоносителем (в этой роли выступает антифриз (раствор этиленгликоля или этиловый спирт), другое название — «рассол»). Стекая по теплообменнику вниз, рассол за счет тепла грунта повышает свою температуру на 3-4 °С и сообщает тепло фреону.

Фреон, ставший после охлаждения жидким, стекает на дно конденсатора, а из него благодаря перепаду давлений через дроссель опять поступает в испаритель, где цикл возобновляется.

В тепловом насосе типа «земля — вода» теплообменник может быть представлен двумя видами:

1. горизонтальным коллектором. Это несколько контуров, выполненных из пластиковых труб, которые находятся под слоем почвы, причем следует заметить, что теплообмен более интенсивен во влажных грунтах, а в сухих песчаных снижается. Тепло, которое накапливается в ней (в почве) в процессе солнечного излучения, коллектор отбирает и использует. Чтобы система работала эффективно, в зависимости от характера почвы,ее теплопроводности, геометрии местности необходимо подбирать соответствующую схему укладки труб, например, в виде петли, змеики, зигзага и т. д. Для обогрева дома площадью 150-200 м² потребуется трубопровод длиной примерно 400-650 м, уложенный в виде нескольких контуров на глубину 1,2-1,5 м, т. е. ниже уровня промерзания. Для этого понадобится участок площадью приблизительно 300-400 м² (чтобы сократить длину трубопровода, снизить гидравлическое давление и уменьшить мощность насоса, прибегают к спиральной укладке труб на глубину 2-4 м), т. е. фактически его площадь должна вдвое превосходить площадь отапливаемой постройки. Понятно, что на таком участке можно лишь разбить газон или цветник, не используя его под другие нужды. Устройство горизонтального коллектора обойдется несколько дешевле, да и монтаж его отличается большей простотой, чем закладка теплообменника другого вида;
2. вертикальным грунтовым зондом. Естественно, что для такого оборудования не понадобится большой участок, но бурильные работы стоят достаточно дорого. Однако и эффективность такой системы будет гораздо выше (по сравнению с горизонтальным коллектором разница составит примерно 20 %), поскольку на большой глубине температура почвы тоже более высокая. Зонды могут иметь разную конструкцию, но, как правило, предпочтение отдают U-образной. Зазор между стенками скважины и зондом заполняют раствором — либо буровым, либо бетонным, что не только предохраняет трубы от механических повреждений, но и улучшает теплопередачу.

Чтобы обогреть дом площадью 150-200 м², надо пробурить 5-6 пятидесятиметровых скважин, причем при этом надо соблюдать несколько условий. Во-первых, скважины должны располагаться на расстоянии от дома не менее чем 2 м, иначе его фундамент может пострадать; во-вторых, скважины не должны попасть на одну линию с подземными водами.

В тепловом насосе типа «земля — воздух» тоже используется тепловая энергия земли, которая благодаря компрессору нагревает непосредственно воздух, идущий на отопление дома.

Если неподалеку от дома есть водоем (пруд, река и пр.), то монтируют тепловой насос типа «вода — вода». В этой конструкции вода используется вместо рассола, с помощью мощного электрического насоса пропускается через первичный теплообменник (испаритель), сообщает свое тепло фреону (хладагенту с низкой температурой кипения — для этого достаточно повышения температуры до 5 °С), циркулирующему по второму контуру, где он закипает, переходит в газообразное состояние, сжимается с помощью компрессора, что сопровождается повышением его температуры и давления, перемещается в конденсатор, где сообщает тепло теплообменному контуру, превращается в жидкость и возвращается обратно в водоем. А нагретый во вторичном теплообменном контуре теплоноситель направляется в отопительную систему дома.

Необходимый для этой цели коллектор либо помещают на дно(при глубине 1,2-1,5 м накопительный рукав будет давать тепловую энергию круглогодично) и пригружают для предотвращения всплытия, либо закапывают в донный грунт, у которого температура выше, чем у воды.

Такой тепловой насос отличается большей энергоэффективностью и экономичностью, но, как показывает практика, применяется не очень часто. Дело в том, что вследствие загрязненности воды потребуются монтаж установки для предварительной очистки поступающей воды, регулярная чистка теплообменника и пр.

Если насос работает по принципу «вода — воздух», то тепловая энергия нагревает воздух, который после этого распределяется по дому.

Тепловые насосы типа «воздух — воздух» и «воздух — вода» работают по принципу кондиционера, обходятся дешевле других типов (поскольку не требуется бурить скважину или прокладывать теплопоглощающий контур, не нужно соединять его с отопительной системой), но уступают им в универсальности, поскольку морозный воздух не может дать нужного количества тепла. Возможны два варианта их _ устройства:

1. СПЛИТ. Установка представляет собой два блока, подключенные к инженерным коммуникациям. В наружном блоке установлен мощный вентилятор, во внутреннем — конденсатор и система управления. Компрессор может быть вмонтирован либо во внутренний, либо в наружный блок, причем второй способ предпочтительнее, поскольку не позволяет шуму, неизбежному при работе системы, распространяться по дому;
2. моно, при котором все элементы заключены в общий корпус, который монтируется либо с внешней стороны стены дома, либо внутри, но посредством гибкого шланга связывается с улицей.

Тепловые насосы обладают несколькими важными преимуществами.

Поскольку работа теплового насоса не сопровождается горением, то эта система абсолютно пожаробезопасна.

Высокая экологичность, так как при функционировании системы исключены образование и выброс в атмосферу вредных веществ.

Тепловой насос для отопления подойдет для индивидуальных загородных домов, но особенно он целесообразен в тех случаях, когда газовая магистраль, откуда придется тянуть трубопровод, находится на расстоянии 20— 100 м от участка.

Уровень шума и вибрации не превышает тех, что производит обычный бытовой холодильник.

Легкость обслуживания теплового насоса.

Эксплуатация теплового насоса не сопряжена с большими расходами и окупается в течение 1,5-2 лет.

Долговечность. Тепловой насос способен работать 25-30 лет и более.

Несмотря на наличие серьезных плюсов, отопление домов с помощью теплового насоса в нашей стране — явление довольно редкое, что объясняется тем, что первоначальная стоимость оборудования достаточно высокая (порядка 300 000-350 000 рублей), потребуются масштабные земляные работы, которые обойдутся не дешево. Кроме того, есть немало относительно недорогих видов топлива, которые могут быть применены для целей отопления жилых домов. Тем не менее перспектива применения геотермальной системы вполне оптимистичная, тем более что есть реальная возможность нивелировать затраты.

Практика показывает, что примерно 1 месяц в году насос работает на полную мощность, в остальное время его нагрузка не превышает 70-80 % от максимальной. Поэтому можно купить менее мощный насос, который обеспечит потребности в тепле до конкретного температурного показателя, а когда температура достигнет расчетного значении, следует использовать второй теплогенератор, например, электронагреватель, котел, работающий на каком-либо виде топлива, гелиоколлектор. Но, чтобы рассчитать и правильно подобрать тепловой насос, необходимо привлечь специалиста, хотя сделать приблизительные расчеты можно и самостоятельно. Для этого надо знать тепловую потребность дома (для старой постройки и некачественной теплоизоляцией составит 75 Вт/м², для нового дома с качественной теплоизоляцией — 50 Вт/м², для низкоэнергетического дома — всего 30 Вт/м²) и умножить ее на общую площадь.

Применение теплового насоса для обогрева дома будет полноценным только тогда, когда теплоизоляция постройки будет на высоком уровне, что минимизирует энергопотери.

И последнее замечание: монтировать тепловой насос можно либо перед закладкой фундамента, либо в процессе выполнения строительных работ.