Теплові насоси для опалення будинку: принцип дії, джерела

Що це таке - тепловий насос? Як він працює? Звідки ці пристрої можуть отримувати тепло? Нарешті, наскільки вони вигідні і практичні на тлі інших джерел теплової енергії? Давайте розбиратися.

Що це таке

Принцип дії теплового насоса повністю ідентичний схемі роботи звичайного холодильника.

• Компресор стискає летючий холодоагент. При цьому виділяється значна кількість тепла, яке віддається теплообміннику. Це тепло може бути використано для нагріву повітря, що продувається через теплообмінник вентилятором, або будь-якого теплоносія.
• Остиглий холодоагент проходить розширювальний клапан і різко збільшується в об'ємі. При цьому в повній відповідності з законами фізики він різко охолоджується і, проходячи через другий теплообмінник, відбирає тепло у навколишнього його середовища.

Зауважте: чим більше ступінь розширення холодоагенту, тим нижче його підсумкова температура. Відповідно, при певних умовах він цілком здатний відбирати тепло у середовища, охолодженої істотно нижче точки замерзання води.

Якщо холодильник здатний працювати лише одним способом - на охолодження внутрішнього простору, то будь-який тепловий насос для опалення будинку здатний инвертировать напрямок руху холодоагенту. З практичного боку це означає, що власник такого пристрою отримує в своє розпорядження повноцінний кліматизаторами: взимку він обігріває приміщення, влітку ж використовується для охолодження котеджу до комфортної температури.

Нарешті, опалення тепловими насосами має ще одну дуже приємну особливість. Оскільки електроенергія витрачається лише на роботу компресора, а в якості джерела тепла використовується зовнішнє середовище, на кожен кіловат споживаної електричної потужності насос віддає від 3 до 5 кіловат потужності теплової.

Джерела теплової енергії

Що може служити джерелом низько потенційного тепла?

Грунт

Як відомо, в зимові холоди грунт промерзає на досить-таки незначну глибину. Всього на метр нижче рівня промерзання температура грунту стабільна і становить 8-12 градусів в будь-який час року.

Грунтові теплові насоси використовують геотермальне тепло.

Існує два різновиди теплообмінників:

1. Вертикальний є довгі гнучкі труби, занурені в вертикальні свердловини на глибину 60-100 метрів. З урахуванням того, що ціна буріння погонного метра свердловини становить 2-3 тисячі рублів, монтаж теплообмінників обходиться в значну суму; зате вертикальний теплообмінник не займає місця на ділянці.

1. Горизонтальний, навпаки, укладається на незначну глибину. Траншеї під нього можуть бути викопані своїми руками, без залучення техніки; відповідно, монтаж буде помітно дешевше. Однак вся площа грунту над колектором (вона приблизно втричі більше опалювальної площі будинку) буде непридатною для посадок: велика частина рослин не перенесе перегріву коренів влітку.

Орієнтовна вартість геотермального теплового насоса з тепловою потужністю 20 КВт - близько півмільйона рублів. Монтаж в залежності від умов (кількість і глибина свердловин, наявність або відсутність грунтових вод і т.д.) змусить покупця витратити ще 100 - 400 тисяч.

вода

Якщо ваш будинок стоїть на березі незамерзаючої водойми - вам пощастило: в цьому випадку опалення за допомогою теплових насосів можна реалізувати з мінімальними витратами на монтаж. Теплообмінник притапливается вантажами і відбирає тепло у води.

Дещо складніше влаштовані насоси, що використовують в якості джерел тепла грунтові води. У цьому випадку на ділянці буряться дві свердловини, одна з яких стає джерелом води, а друга використовується для її скидання після проходження теплообмінника. Орієнтовний дебіт свердловини, що забезпечує роботу пристрою з тепловою потужністю 16 КВт - 0,8 м3 / год.

повітря

Нарешті, найбільш дешеві теплові насоси, що використовують як джерело тепла навколишнє повітря. Простота конструктивного виконання робить їх порівняно недорогими; монтаж теж більш ніж нескладний.

У продажу можна зустріти пристрої, що працюють за двома схемами.

1. Насоси повітря-повітря використовуються тільки для нагрівання або охолодження повітря в приміщенні.
2. Схема повітря-вода дозволяє, крім опалення, забезпечити будинок гарячою водою.

Як приклад наведемо поточні роздрібні ціни на кілька пристроїв, що працюють за другою схемою.

А що з насосами повітря-повітря? О, тут картина куди більш приваблива. Найпростіший тепловий насос цього типу - звичайний віконний кондиціонер - можна купити за 4-5 тисяч рублів; більш осмислена покупка - інверторна спліт-система - обійдеться в 20-40 тисяч.

Чому при такому співвідношенні цін зберігають свою популярність пристрою, извлекающие тепло з води і грунту? Відповідь проста: повітряні насоси зберігають працездатність лише при порівняно високих температурах зовнішнього повітря (до -25 С); тим часом на більшій частині території країни в пік зимових морозів стовпчик термометра опускається помітно нижче.

Мало того: чим нижче вулична температура, тим менш вигідним робиться опалення будинку тепловим насосом цього типу. Є таке поняття, як COP (coefficient of performance), що означає відношення виробленого тепла до витрат електрики. Так ось, ця основна характеристика теплових насосів для вельми популярного Mitsubishi Zubadan дорівнює 4,0 при +5 С та 2,0 при -25.

Висновок очевидний. Опалення заміського будинку тепловим насосом, що працює за схемою повітря-повітря, виправдано лише в теплій кліматичній зоні. В Якутії або Хабаровському краї варто віддати перевагу геотермальні пристрою.

Економічна ефективність

Опалення приватного будинку електричними опалювальними конвекторами, тепловентиляторами та іншими нагрівальними приладами є найдорожчим серед усіх існуючих схем. Судіть самі:

Однак якщо використовувати не прямий нагрів, а тепловий насос - опалення стане помітно дешевшим. Наскільки - залежить від уже згаданого нами COP. Для більшості моделей пристроїв різних типів цей параметр укладається в діапазон 3-4; кращі зразки мають COP, рівний 6.

Варто враховувати ще кілька нюансів.

• Як уже згадувалося, у повітряних насосів енергоефективність зменшується в міру похолодання на вулиці, тому для оцінки коректним буде взяти середнє значення за сезон (COP для середньої температури зими).
• COP залежить не тільки від температури низько потенційного джерела тепла, але і від температури об'єкта, якому це тепло передається. Теплового насосу важлива саме дельта температур. Скажімо, геотермальний насос, що гріє тепла підлога до + 30С, буде куди економічніше, ніж віддає це ж тепло радіаторів з температурою +60.

Практичне наслідок: якщо ви збираєтеся підключати до опалювального контуру з радіаторами теплові насоси для опалення своїми руками, врахуйте, що кількість секцій краще збільшити, а температуру теплоносія знизити до +40 - +45 С.

З урахуванням всіх численних застережень середнє значення COP можна сміливо прийняти рівним 3,0. У цьому випадку, як нескладно підрахувати, вартість кіловат-години тепла складе 1,2 рубля, що лише небагато чим дорожче магістрального газу, дров і дешевше всіх інших джерел тепла.

При виборі опалення варто враховувати не тільки поточний стан справ, а й перспективи. А вони такі: завдяки наметившемуся розвитку зеленої енергетики (використання поновлюваних джерел) вартість електрики буде зростати куди повільніше, ніж вартість газу, вугілля та продуктів перероблення нафти.

Зокрема, зроблений в 2010 році прогноз зростання цін віщує до 2032 року збільшення вартості кубометра газу на 1000%, а електроенергії - всього на 130.

Від автора

Можливо, читачеві здасться цікавим власний досвід автора. Він використовує для опалення будинку пару насосів, що працюють за схемою повітря - повітря.

Отже, дано:

• Місце дії - Севастополь, Крим. Середня температура січня - +3. Нинішня зима була незвично холодної: протягом кількох днів тримався мороз в -20 градусів.
• Площа опалювальної мансарди - 60 квадратних метрів. Фронтони є суцільне скління з енергозберігаючими однокамерними склопакетами. Теплоізоляція стін та даху - по 5 сантиметрів мінеральної вати і пінопласту.
• В ролі джерела тепла виступає Cooper&Hunter CH-S12 FTXN. Теплова потужність при роботі на обігрів - 4,12 КВт, COP дорівнює 4,2, заявлена ​​нижня межа робочої температури - 25С; вартість на момент покупки - 24000 рублів.

підсумки:

• Протягом всієї зими в мансарді підтримувалися цілком комфортні +20 градусів.
• Зразкова витрата електроенергії на опалення мансарди склав 400 КВт-годин. Витрата нескладно перерахувати в грошовий еквівалент з урахуванням місцевих тарифів.

Єдина проблема, яку виявило опалення тепловим насосом при низьких температурах - намерзання льоду в дренажній трубці. Для її усунення планується просто-напросто укласти в дренаж секцію саморегульованого кабелю, що гріє.

висновок

Чи варто вкладати гроші в поки ще незвичну систему опалення тепловими насосами? З точки зору автора - так. Вона виглядає дуже привабливо навіть на тлі магістрального газу - хоча б тому, що абсолютно безпечна і не вимагає відводу продуктів згоряння.

Втім, надамо читачеві зробити вибір самостійно. Як завжди, в прикріпленому відео можна знайти додаткову тематичну інформацію. Успіхів!