Как устроен тепловой насос
Тепловой насос переносит тепло одной среды в другую с помощью трёх взаимосвязанных тепловых контуров. В качестве первой среды используют атмосферный воздух, вода или грунт. В качестве второй — или теплоноситель, нагревающий радиаторы, или водяной тёплый пол, или воздух внутри помещения.
Типы тепловых насосов
воздух — воздух (этот тип и используется в бытовых кондиционерах);
вода — воздух;
земля — воздух;
воздух — вода;
вода — вода;
земля — вода.
Наибольшее распространение получили модели, в которых первой средой выступает воздух или земля, так как пригодные для использования водоёмы есть не везде. Второй средой является вода, из-за популярности водяного отопления.
По среде, выступающей в роли источника тепла, проложен контур из труб, по нему циркулирует теплоноситель. В процессе прохождения по нему теплоноситель приобретает такую же температуру, как и среда. Затем он поступает на теплообменник испарителя, где нагревает до кипения жидкий фреон, находящийся во вторичной системе. Газообразный фреон переходит в компрессор, где при сжатии происходит его сильный нагрев до 55–75 °С. Далее фреон попадает в конденсатор, где нагретый газ отдаёт тепло среде номер два, воздуху или жидкости-теплоносителю из системы отопления.
Эффективность теплового насоса
Коэффициент эффективности — отношение мощности обогрева к потребляемой мощности, грубо говоря — сколько киловатт тепловой мощности мы получим на каждый потребляемый киловатт электроэнергии. Для электрического обогревателя этот коэффициент примерно равен единице. А вот у кондиционеров и тепловых насосов он может быть 3,0-5,0 и выше.
Помимо теплового насоса вам потребуется теплообменный контур, который может быть дороже самого устройства, если он прокладывается в земле. Воздушный контур будет стоить гораздо дешевле, но его применение в быту ограничивается, во-первых, из-за заметного шума, который производит вентилятор. А во-вторых, низкая температура воздуха в сильный мороз резко снижает эффективность теплообмена. В сильный мороз потребуется устройство бивалентной системы отопления, в которой используется два источника тепла. Бивалентная система расширяет рабочий диапазон уличных температур. Скажем, прибор работает до –20 °С, а при дальнейшем понижении включается дополнительный источник.
С земляным контуром таких проблем не возникает. Температура грунта ниже уровня промерзания не опускается ниже 0 °С. На глубине от 3-4 до 40-50 м она примерно равна среднегодовой температуре воздуха для данной местности, а при глубине ниже начинает постепенно повышаться. И работает грунтовой теплообменник практически бесшумно.
Практика показывает, что грунтовой отопительный комплекс окупается примерно за 20 лет. И это при современных ценах на электричество. В будущем, скорее всего, электричество будет расти в цене, а срок окупаемости, соответственно, сокращаться. Срок службы теплового насоса, заявленный производителями, обычно превышает 20 лет, а срок службы и вовсе доходит до 70–100 лет. Так что его использование, действительно, может быть экономически оправданно.
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.
Возможные проблемы и ошибки
В последние годы количество компаний, занимающихся проектированием и установкой тепловых насосов, существенно увеличилось. Соответственно, возникает ряд проблем, когда отопительная система перестаёт работать или функционирует неэффективно. И тогда многие домовладельцы выясняют, что простой заменой оборудования не обойтись — придётся перепахивать весь участок, заново прокладывать сотни погонных метров трубы.
Все ошибки можно разделить на две большие группы:
ошибки, совершаемые на этапе проектирования узлов системы отопления;
халатное исполнение работы.
Неправильная система отопления будет либо недостаточно мощной, либо нестабильной по мощности основных узлов. В первом случае такой тепловой насос не подойдет для отопления загородного дома. Во втором случае, например, если неудачно подобран наружный контур, возникает опасность замораживания трубопровода.
Грунтовой теплообменник
Грунтовый теплообменник — один из ключевых элементов, с устройством которого чаще всего возникают проблемы. Он состоит из длинных (несколько сотен метров) нитей трубы, сложенной кольцами в траншеи или помещённой в одну или несколько скважин.
Основные ошибки в устройстве:
Занижение проходных диаметров трубы.
Неоправданная экономия на материалах и технологиях. Для грунтовых теплообменников повсеместно применяется полиэтилен, который хорошо переносит отрицательные температуры. А вот использование полипропилена — грубейшая ошибка. Для соединений отрезков трубопровода необходимо выбирать только соответствующие элементы, предназначенные для подземного монтажа, и надёжные технологии сварки.
Применение дешёвых компрессионных фитингов, дающих течь через пару лет эксплуатации. Важно правильно тампонировать скважины, чтобы зонд имел хороший термический контакт с грунтом. Для этого скважины с установленным зондом заполняют смесью, теплопроводные характеристики которой не хуже, чем у грунта. Бентонит в данном случае не подходит, так как обладает изолирующими тепло свойствами. Рекомендуется заполнять скважины песком с небольшой примесью бентонита и цемента. А вот применение обломочных пород с острыми краями,например, щебня — следует исключить.
Слишком близкое положение скважин или ниток трубопровода друг к другу. В результате ухудшается теплоотвод от трубопровода, и грунт может быть слишком сильно заморожен — тепловой насос перестанет работать.
Размещение горизонтальных труб в грунте слишком глубокое, ниже уровня промерзания. Грунт может быть слишком сильно заморожен и не успеет прогреться за летний сезон.
Размещение коллектора слишком близко к поверхности. При сильных морозах в конце зимы эффективность работы будет резко падать.Над коллектором возводятся какие-либо строения или сооружения, затрудняющие теплообмен. В этом месте может образоваться своеобразная «вечная мерзлота», ледяная линза, которая не успеет прогреться за летний сезон.
Грунтовый теплообменный контур почти не пригоден для ремонта. Если возникает утечка теплоносителя из-за механического порыва трубы или её плохого качества, то нитку нужно глушить или менять.
Скважины
Зачастую не учитывают взаимного влияния скважин. Стандартное расстояние — 10 м при глубине скважины более 60 м. Если они расположены на расстоянии менее 8–10 м друг от друга, то следует увеличивать глубину и количество скважин, чтобы обеспечить необходимый уровень отдачи энергии.
Контур укладывают на глубине 0,8– 1,4 м, поэтому не нужно использовать буровую технику. Но при этом он занимает достаточно большую площадь, что ограничивает возможность устройства декоративного газона, насыпных дорожек, грядок, посадкой кустарников.
Проектирование горизонтального контура
К ошибкам проектирования, помимо неадекватной длины, относится недостаточная глубина его укладки. При малой глубине окружающая среда слишком сильно влияет на температуру теплоносителя. В результате к концу отопительного сезона может снижаться температура контура и падать эффективность работы оборудования. Из-за слишком большой глубины укладки грунт вокруг системы не успевает прогреться за лето. Стоит упомянуть об одном из ошибочных мнений, что коллектор следует укладывать ниже глубины промерзания грунта.
Неправильная эксплуатация территории
Коллектор должен быть расположен так, чтобы получить как можно больше тепла из окружающей среды, максимизировать отдачу от нагрева грунта теплом солнца, дождевой воды. Неправильная эксплуатация территории, под которой расположен горизонтальный коллектор, тоже приводит к сбоям в работе системы. Над коллектором нельзя возводить постройки, класть асфальт или тротуарную плитку. Если геотермальный теплообменник окажется под «крышей», то может возникнуть ледяная линза, образованная замёрзшим устройством и грунтом вокруг него.
Ошибки в расчетах
Очень часто при расчётах указывают все величины без запаса. Например, если расчётный теплосъём для грунтового коллектора составляет 20-30 Вт с погонного метра, то при расчёте его принимают как 30 Вт. Соответственно, выбирают и «самое удобное» значение для расчёта. Аналогичные просчёты совершаются и при выборе теплового насоса. Например, вместо модели мощностью 24 кВт устанавливают устройство мощностью 17 кВт. В результате прибор не справляется в пиковые нагрузки. Характерной ошибкой является использование методик расчёта, выполненных по европейским нормативам. Всё-таки зима у нас более холодная и продолжается дольше, чем, скажем, в Германии. Для расчёта должны применяться нормативы, соответствующие климатическим особенностям региона строительства.
Неправильный монтаж узлов
Строители могут неправильно подойти к монтажу узлов системы отопления. При этом установка теплового насоса не представляет сложности, особенно если речь идёт о моделях последнего поколения. Многие зарубежные производители предлагают полностью собранные системы. Они представляют собой моноблок, который содержит все элементы, включая теплообменник «фреон-вода».
Монтаж оборудования заключается в его установке на твёрдом основании, подключении к электричеству и проводке труб от коллектора тёплого пола. Хотя и здесь иногда находится место для ошибок. Так, например, делают подпитку от водопровода к грунтовому теплообменнику, что категорически запрещено.
Комментарии