Поиск альтернативных источников, обеспечивающих энергией многие сферы человеческой деятельности, стал в последнее время актуальной задачей. Люди стремятся активнее использовать энергию солнца, ветра, источников воды, чтобы снизить затраты на решение проблем, связанных с теплоснабжением зданий. При этом, вопрос экологии имеет немаловажное значение, поскольку уменьшение вредных выбросов, загрязняющих атмосферу, важен как никогда.

Для создания благоприятных и комфортных условий проживания в жилищно-бытовом секторе в последние годы начали применять ветрогенераторы, солнечные коллекторы, экономные теплогенераторы одновременно с реализацией мероприятий, которые помогают повысить теплоизоляцию объекта теплоснабжения.

По мнению профессионалов, работающих в данной сфере, эффективным и экономичным мероприятием считается использование геотермальных источников тепловой энергии – специальных насосов. Их принципиальное устройство позволяет извлекать тепло из окружающей среды, трансформировать его и перемещать к месту применения (детальнее: " ").

Источниками энергии для тепловых насосов выступают вода, воздух, грунт, а процесс выработки тепла происходит по причине использования физических свойств некоторых веществ, называемых хладагентами. Они способны закипать даже при низких температурах.

Порядок расчета тепловых насосов

Результат вычислений зависит в основном от индивидуальных особенностей обогреваемого строения и состоит из нескольких этапов:

1. Прежде всего, определяют потери тепла, происходящие через ограждающие конструкции постройки (к ним относятся окна, двери, стены, перекрытия). Для этого пользуются следующей формулой:
   
   Qок = Sх(tвн – tнар)х(1 + Σ β) х n / Rт (Вт), гдеS – сумма площадей всех ограждающих конструкций (м²);
   tвн – температура воздуха внутри здания (°С);
   tнар – температура воздуха снаружи (°С);
   
   n – коэффициент, отражающий влияние окружающего пространства на характеристики строения. Если помещение напрямую контактирует с наружной средой посредством перекрытия, то данный показатель равен 1. Когда объект имеет чердачные перекрытия, п равно 0,9. Если объект находится над подвальным помещением, коэффициент составляет 0,75 (детальнее: " ").
   β – коэффициент дополнительных теплопотерь, зависящий от типа постройки и его географического местоположения. Данный показатель, когда производится расчет теплового насоса, находится в интервале от 0,05 до 0,27;Rт – это показатель теплосопротивления, которое определяется по следующей формуле:Rт = 1/ α внутр + Σ (δі / λі) + 1/ α нар (м²х°С / Вт), где:α внутр – коэффициент, характеризующий тепловое поглощение внутренних поверхностей конструкций ограждения (Вт/ м²х°С);
   δі / λі – является расчетным показателем теплопроводности материалов, применяемых при строительстве;
   α нар – величина теплового рассеивания наружных поверхностей конструкций ограждения (Вт/ м²х°С);
2. Далее, чтобы сделать расчет тепловых насосов, применяют формулу для определения суммарных потерь тепла строения:
   
   Qт.пот = Qок + Qи – Qбп, где:
   
   Qи - затраты на подогрев воздуха, который поступает через естественные неплотные места;
   Qбп - выделение тепла в результате работы бытовых приборов и человеческой деятельности.
3. На данном этапе рассчитывают потребляемую тепловую энергию для каждого из объектов в течение года:Qгод = 24х0.63хQт. пот.х((dх (tвн - tнар.ср.)/ (tвн - tнар.)) кВт/час), где:
   tнар.ср – среднеарифметическое значение температур, которые фиксируются у наружного воздуха на протяжении всего отопительного периода;
   d – количество дней в отопительном сезоне.
4. Затем нужно определить тепловую мощность, необходимую для разогрева воды в течение года, для чего используют выражение:
   
   Qгв = V х17 (кВт/час за календарный год), где
   V х17 – ежедневный объем нагрева воды до 50 °С.
5. Суммарное потребление тепловой энергии определяют по формуле:
   
   Q = Qгв + Qгод (кВт/час за один год)

1,1 является корректирующим коэффициентом, поскольку при возникновении критических температур возможно увеличение нагрузок на тепловой насос.

Когда сделаны необходимые расчеты, несложно подобрать подходящий для данного помещения тепловой насос, который обеспечит комфортный микроклимат в нем для людей, находящихся в комнате.

Как рассчитать расходы на отопление загородного дома?

Расчеты производятся на основе таких параметров:

Первый параметр – расходы на эксплуатацию. Для определения этих расходов стоит учитывать стоимость топлива, которое будет использоваться с целью получения тепла. В этот пункт также входят расходы на обслуживание. Наиболее выгодным по этому параметру будет отопление, энергоносителем которого будет подведенный магистральный газ. Следующим по эффективности стоит ТЕПЛОВОЙ НАСОС.

Вторым параметром можно выделить затраты на закупку оборудования и его установку. Наиболее выгодным и экономичным на этапе закупки и установки будет приобретение электрического котла. Максимальные затраты ожидают, если вы решитесь на приобретение котлов, где энергоносителями являются сжиженный газ в газгольдерах или дизельное топливо. Здесь тоже оптимальным является ТЕПЛОВОЙ НАСОС.

Третьим параметром стоит считать удобство при использовании отопительного оборудования. Твердотопливные котлы в данном случае можно отметить как самые требовательные к вниманию. Они требуют вашего присутствия и догрузки топлива, в то время как электрические и работающие от подведенного магистрального газа работают самостоятельно. Потому газовые и электрические котлы самые комфортные в использовании при отоплении загородных домов. И тут ТЕПЛОВОЙ НАСОС имеет преимущество. Климат контроль -вот самые комфортные характеристики тепловых насосов.

На сегодняшний день в московской области сложилась следующая ценовая ситуация... Подключение газа к частным домам стоит около 600тыс рублей. Также требуется проектные работы и соответствующие согласования, которые порой растягиваются на годы и тоже стоят денег. Прибавьте сюда стоимость оборудования и сравнительно небольшой срок его износа (из-за чего газовики и предлагают более мощные газовые котлы, чтобы износ -выгорание котла происходил подольше). Отопление же на тепловых насосах уже сопоставимо с вышеназванной ценой, но не требует никаких согласований. Тепловой насос -это обычный электрический бытовой прибор, который расходует в 4 раза меньше электричества, чем обычный электрический котел и к тому же является также устройством климат контроля, т.е кондиционером. Моторесурс современных тепловых насосов, а тем более качественных (премиум класс), позволяет им работать более 20 лет.

Приведем примеры расчета тепловых насосов для различных типов и размеров домов.

Для начала необходимо определиться с теплопотерями Вашего строения в зависимости от региона расположения. Читайте далее в "Полная новость"

Прежде всего, необходимо определиться с мощностью теплового насоса или котла, так как это одна из решающих технических характеристик. Она выбирается исходя из величины теплопотерь здания. Расчет теплового баланса дома, учитывающий особенности его конструкции должен производиться специалистом, однако для приблизительной оценки этого параметра, если домостроение спроектировано с учетом строительных нормативов, можно воспользоваться следующей формулой:
Q = k V ΔT
1 кВт/ч = 860 ккал/ч
Где
Q - теплопотери, (ккал/ч)
V - объем помещения (длинна × ширина × высота), м3;
ΔT - максимальный перепад между температурой воздуха с наружи и внутри помещения в зимнее время, °С;
k - обобщенный коэффициент теплопередачи здания;
k = 3…4 - здание из досок;
k = 2…3 - стенки из кирпича в один слой;
k min-max = 1…2 - стандартная кладка (кирпич в два слоя);

k = 0,6…1 - хорошо утепленное здание;

Пример расчета мощности газового котла для Вашего дома:

Для здания объемом V = 10м × 10м × 3м = 300 м3;

Теплопотери кирпичного здания (k max= 2) составят:
Q = 2 ×300 × 50 = 30000 ккал/час = 30000 / 860 = 35 кВт
Это и будет необходимая минимальная мощность котла, рассчитанная по максимуму...

Обычно выбирается 1,5 кратный запас мощности, однако, следует учитывать такие факторы, как постоянно работающая вентиляция помещения, открытые форточки и двери, большая площадь остекления и т.д. Если планируется использовать двухконтурный котел (обогрев помещения и подача горячей воды), то его мощность должна быть еще увеличена на 10 - 40%. Добавка зависит от величины расхода горячей воды.

Пример расчета мощности теплового насоса для Вашего дома:

При ΔT = (Твн - Тнар) = 20 - (-30) = 50°С;
Теплопотери кирпичного здания (k min= 1) составят:
Q = 1 ×300 × 50 = 15000 ккал/час = 30000 / 860 = 17 кВт
Это и будет необходимая минимальная мощность котла, рассчитанная по минимуму, так как в тепловом насосе нет выгорания и ресурс зависит от его моторесурса и циклования в течении дня...Чтобы уменьшить количество циклов включения/выключения теплового насоса применяют баки теплоаккумуляторы.

Так вот: Вам надо, чтобы тепловой насос тактовал 3-5 раз за час.
т.е. 17 кВт /ы час -3 такта

Понадобиться буфферная ёмкость - 3 такта - 30 л/кВт; 5 тактов - 20 л/кВт.

17 кВт*30л=500л аккумулирующая ёмкость!!! Расчеты примерные, вот здесь большой аккумулятор это хорошо, но на практике ставят 200 литров.

Теперь рассчитаем стоимость теплового насоса и его монтажа для Вашего дома:

Объемом здания тот-же V = 10м × 10м × 3м = 300 м3;
Примерная мощность нами рассчитана -17кВт. У разных производителей различная линейка мощностей, поэтому подберите тепловой насос по качеству и стоимость вместе с нашими консультантами. Например у Waterkotte это тепловой насос 18кВт, а можно поставить и 15кВт, так как при недостаточности мощности есть пиковый доводчик на 6кВт в каждом тепловом насосе. Пиковый догрев происходит сравнительно не долго и поэтому переплачивать за тепловой насос нет необходимости. Следовательно можете выбрать и 15 кВт, так как краткосрочно 15+6=21кВт - это выше Ваших потребностей в тепле.

Остановимся на 18кВт. Стоимость теплового насоса уточняйте у консультантов, так как сегодня условия доставки "мягко говоря" не предсказуемы. Поэтому на сайте представлен заводской .

Если Вы находитесь в южных регионах, то теплопотери Вашего дома исходя из вышеперечисленных расчетов будут меньше, так как ΔT = (Твн - Тнар) = 20 - (-10) = 30°С. а то и ΔT = (Твн - Тнар) = 20 - (-0) = 20°С. Тепловой насос можете выбрать меньшей мощности и к тому же по принципу работы "воздух-вода". Наши воздушные тепловые насосы работают эффективно до -25 градусов и соответственно не потребуются буровые работы.

В средней же полосе России и в Сибири гораздо эффективнее геотермальные тепловые насосы, работающие по принципу "вода-вода".

Буровые работы для геотермального поля будут стоить по разному, в зависимости от региона. В московской области расчет стоимости следующий:

Берем мощность нашего теплового насоса -18кВт. Электрическое потребление такого геотермального теплового насоса примерно 18/4=4,5 кВт/час из розетки. У Waterkotte и того меньше (эта характеристика называется СОР. У тепловых насосов Waterkotte COP равен 5 и более). По закону сохранения мощности электрическая мощность передается в систему, преобразуясь в тепловую.. Недостающую мощность мы получаем из геотермального источника, т.е из зондов, которые необходимо пробурить. 18-4,5 = 13,5кВт из Земли например (так как источником в этом случае может быть и горизонтальный коллектор, и пруд и т.д).

Теплоотдача грунтов в различных местах, даже в московской области -различная. В среднем от 30 до 60Вт на 1 м.п., в зависимости от влажности грунта.

13,5кВт или 13500Вт делим на теплоотдачу. в среднем это 50Вт поэтому 13500/50=270 метров. Буровые работы стоят в среднем 1200руб/м.п. Получаем 270*1200=324000руб. под ключ с вводом в теплопункт.

Стоимость теплового насосы эконом класса =6-7тыс долларов. т.е. 180-200тыс рублей

Стоимость ВСЕГО 324тыс+180тыс=504тыс рублей

Прибавьте стоимость монтажа и стоимость теплоаакумулятора и получите немного более 600тыс рублей, что сопоставимо со стоимость подвода магистрального газа. Что и требовалось доказать.

Использование низкопотенциального тепла окружающей среды для подогрева воды и отопления становится экономически выгодным при длительном использовании системы. Преградой широкому распространению подобных устройств является высокая начальная стоимость оборудования и его установки. Поэтому всегда актуален полный или частичный монтаж теплового насоса своими руками, позволяющий сэкономить значительные средства.

Рис. 1 Тепловой насос вода-вода в доме

При создании тепловых насосов для отопления используется природное низкопотенциальное тепло воздушных масс, почвы и воды. Водяные виды поглощают тепловую энергию из скважин, колодцев, прудов и других открытых водоемов. Тепловой насос работает подобно холодильнику, который забирает тепло из холодильной камеры и выводит его наружу через внешний радиатор.

При монтаже первичный теплообменник с циркулирующим теплоносителем помещают в емкость с водой, из которой забирается тепло. Вода всасывается водяной помпой, проходит по системе труб и далее поступает в испаритель — в устройстве при нагреве жидкости происходит ее испарение. В испарителе теплоноситель передает тепло фреону, для которого небольшая положительная температура 6 — 8 С является точкой кипения, и газообразный хладагент поступает в компрессор.

Там происходит его сжатие, приводящее к повышению температуры газа, и дальнейшая подача в конденсатор. В конденсаторе тепловая энергия от газа с температурой 40 — 70 С передается воде в системе отопления, охлажденный газ конденсируется и попадает в редукционный клапан (дроссель). Его давление понижается — это приводит к большему охлаждению газа до жидкообразного состояния, в котором он снова подается в испаритель. Система работает в круговом замкнутом циклическом режиме.

Расчет теплового насоса

Для конструкции системы своими руками в первую очередь необходимо выполнить расчет с учетом потребностей в тепловой энергии (насосы могут дополнительно использоваться для обеспечения горячего водоснабжения дома) и возможных потерь. Алгоритм расчета состоит из следующих операций.

1. Вычисляется площадь отапливаемого помещения.
2. Основываясь на полученных значениях определяется общее количество энергии, необходимой для отопления исходя из расчета 70 — 100 ватт на квадратный метр. Параметр зависит от высоты потолков, материала изготовления и степени теплопроводности дома.
3. При обеспечении горячего водоснабжения полученное значение увеличивают на 15 — 20 %.
4. Исходя из полученной мощности выбирается компрессор, производится расчет и проектирование основных узлов системы: трубопроводной магистрали, испарителя, конденсатора, электрической помпы и других узлов.

Комплектующие для системы отопления с тепловым насосом при самостоятельном изготовлении

Обычному домовладельцу довольно сложно конкурировать с промышленными тепловыми насосами отечественного и зарубежного производителя, тем не менее его монтаж и изготовление отдельных узлов не являются невыполнимыми работами. Основной задачей при устройстве теплового насоса остается правильность расчетов, ведь при ошибке система может иметь низкий КПД и стать неэффективной.

Компрессор

Для монтажа понадобится новый или б.у. компрессор в рабочем состоянии с невыработанным ресурсом подходящей мощности. Обычная мощность компрессора должна составлять 20 — 30% от расчетной, можно использовать стандартные заводские агрегаты для холодильников или кондиционеров спирального принципа действия, обладающие более высоким КПД по сравнению с поршневыми устройствами.

Испаритель и конденсатор

Для охлаждения и нагрева жидкостей их обычно пропускают через медные трубы, помещенные в емкость с теплообменником. Для увеличения площади охлаждения медная труба располагается в виде спирали, необходимая длина рассчитывается по формуле вычисления площади с делением на сечение. Объем теплообменного бака рассчитывается исходя из реализации эффективного теплообмена, обычное среднее значение — около 120 л. Для теплового насоса рационально использовать трубы для кондиционеров, которые изначально имеют спиральную форму и реализуются в бухтах.

Рис. З Медная труба и бак для теплообменника

Данный способ конструкции теплообменников многие изготовители тепловых насосов своими руками заменили на более компактный, используя теплообмен по принципу «труба в трубе». Стандартный диаметр пластиковой трубы для испарителя — 32 мм., в нее помещается медная труба диаметром 19 мм., испаритель термоизолируется, общая длина теплообменника около 10 — 12 м. Для конденсатора можно использовать 25 мм. металлопластиковую трубу и 12,7 мм. медную.

Для увеличения площади и эффективности работы теплообменника некоторые умельцы скручивают косу из нескольких медных труб малого диаметра, перекладывают их тонкой проволокой и помещают конструкцию в пластик. Это позволяет получить на 10-метровом отрезке площадь теплообмена около 1 кубического метра.

Терморегулирующий вентиль

Правильно подобранное устройство регулирует степень заполнения испарителя и в большой степени отвечает за производительность всей системы. К примеру, если поступление хладагента слишком велико, он не успеет полностью испариться, и в компрессор будут попадать капли жидкости, приводящие к нарушению его работы и понижению температуры газа на выходе. Слишком малое количество фреона в испарителе после увеличения температуры в компрессоре будет недостаточно для прогрева необходимого объема воды.

Датчики

Для удобства пользования, контроля работы, обнаружения неисправностей и настройки системы необходимо наличие встроенных температурных датчиков. Информация важна на всех этапах функционирования системы, только с ее помощью по формулам можно установить важнейший параметр смонтированного оборудования для водяных тепловых насосов — показатель эффективности СОР.

Насосное оборудование

При работе тепловых насосов забор и подача воды из скважины, колодца или открытого водоема происходит при помощи водяных помп. Могут использоваться погружные или поверхностные виды, обычно их мощность невелика, для подачи воды достаточно 100 — 200 Вт. Для контроля работы, защиты насосов и системы дополнительно монтируются фильтры, манометр, водяные счетчики и простейшая автоматика.

Сборка теплового насосного оборудования своими руками не представляет больших трудностей при умении обращаться со специальным инструментом для сварки и пайки меди. Выполненная работа поможет сэкономить значительные средства – затраты на комплектующие составят около 600 у. е., покупка промышленного оборудования обойдется в 10 раз дороже (около 6000 у. е.). Собранная своими руками конструкция при правильном расчете и настройке имеет эффективность (СОР) около 4, что соответствует промышленным образцам.

Как известно, тепловые насосы используют бесплатные, возобновляемые источники энергии: низкопотенциальное тепло воздуха, грунта, подземных, открытых незамерзающих водоемов, сточных и сбросовых вод и воздуха, а также сбрасываемое тепло технологических предприятий. Для того чтобы это собрать затрачивается электроэнергия, но отношение количества получаемой тепловой энергии к количеству расходуемой электрической составляет порядка 3-7 раз.

Если говорить только об окружающих нас источниках низкопотенциального тепла для использования в отопительных целях, это; наружный воздух температурой от -3 до +15 °С, отводимый из помещения воздух (15-25 °С), подпочвенные (4-10 °С) и грунтовые (около 10 °C) воды, озерная и речная вода (5-10 °С), грунтовой поверхностный (ниже точки промерзания) (3-9°С) и земельный глубинный (более 6 м - 8 о С).

Отбор тепла из окружающей среды (внутренний округ).

В испарителе прокачивается жидкая рабочая среда-хладагент, при низком давлении. Тепловой уровень температур окружающий испаритель, выше соответствующей температуры кипения рабочей среды (хладагент подбирается такой, что может закипать даже при минусовой температуре). За счет этого перепада температур происходит передача тепла окружающей среды, рабочей среде, которая при этих температурах закипает и испаряется (превращается в пар). Требуемое для этого тепло отбирается от любого выше перечисленного низкопотенциального источника тепла.

Более подробно об восполняемых источниках энергии

Если в качестве источника тепла выбран атмосферный или вентиляционный воздух, применяются тепловые насосы, работающие по схеме «воздух-вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения, с встроенным или выносным конденсатором. Воздух продувается через теплообменник (испаритель) с помощью вентилятора.

В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии могут использоваться подземные воды с относительно низкой температурой либо грунт поверхностных слоев земли. Теплосодержание грунтового массива в общем случае выше. Тепловой режим грунта поверхностных слоев земли формируется под действием двух основных факторов - падающей на поверхность солнечной радиации и потоком радиогенного тепла из земных недр. Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха вызывают колебания температуры верхних слоев грунта. Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации не превышает, как правило, 15-20 м.

Виды горизонтальных теплообменников:

1. теплообменник из последовательно соединенных труб;
2. теплообменник из параллельно соединенных труб;
3. горизонтальный коллектор, уложенный в траншее;
4. теплообменник в форме петли;
5. теплообменник в форме спирали, расположенной горизонтально (так называемый «slinky» коллектор);
6. теплообменник в форме спирали, расположенной вертикально.

Вода хорошо аккумулирует солнечное тепло. Даже в холодный зимний период грунтовые воды имеют постоянную температуру от +7 до +12°C. В этом заключается преимущество данного источника тепла. Вследствии постоянного температурного уровня, этого источник тепла имеет высокий коэффициент преобразования через тепловой насос в течение всего года. К сожалению, грунтовые воды не везде имеются в достаточном количестве. При использовании в качестве источника грунтовые воды, подача осуществляется из скважины с помощью погружного насоса на вход в теплообменник (испаритель) теплового насоса, работающего по схеме «вода-вода/открытая система», с выхода теплообменника вода, либо закачивается в другую скважину, либо сбрасывается в водоем. Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако скважины требуют обслуживания. Кроме этого, использование таких систем возможно не во всех местностях. Главные требования к грунту и грунтовым водам таковы:
- достаточная водопроницаемость грунта, позволяющая пополняться запасам воды;
- хороший химический состав грунтовых вод (например, низкое железосодержание), позволяющий избежать проблем, связанных с образованием отложений на стенках труб и коррозией.

Открытые системы чаще используются для тепло- или холодоснабжения крупных зданий. Самая большая в мире геотермальная теплонаносная система использует в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии грунтовые воды. Эта система расположена в США в г. Луисвилль (Louisville), штат Кентукки. Система используется для тепло- и холодоснабжения гостинично-офисного комплекса; ее мощность составляет примерно 10 МВт.

Возьмем другой источник - водоем, на его дно можно укладывать петли из пластиковой трубы, схема «вода-вода/закрытая система». По трубопроводу циркулирует раствор этиленгликоля (антифриз), который через теплообменник (испаритель) теплового насоса передает тепло хладагенту.
Грунт обладает способностью аккумулировать солнечную энергию в течение длительного периода времени, что обеспечивает сравнительно равномерную температуру источника тепла в течении года и, тем самым, высокий коэффициент преобразования теплового насоса. Температура в верхних слоях почвы меняется в зависимости от сезона. Ниже границы замерзания эти температурные колебания значительно снижаются. Накопленное в грунте тепло извлекается посредством горизонтально проложенных герметичных теплообменников, называемых также земельными коллекторами, или посредством вертикально проложенных теплообменников, так называемых геотермальными зондами. Тепло окружающей среды передается смесью воды и этиленгликоля (рассолом или медиумом), температура замерзания которого должна составлять примерно -13°C (принять во внимание данные изготовителя). Благодаря этому рассол не замерзает в процессе работы.
Значит, возможны два варианта получения низкопотенциального тепла из грунта. Горизонтальная укладка пластиковых труб в траншеи глубиной 1,3-1,7 м, в зависимости от климатических условий местности, либо вертикальные скважины глубиной 20-100 м. Укладку труб в траншеи, можно производить и в виде спиралей, но с глубиной укладки 2-4 м, это значительно уменьшит общую длину траншей. Максимальная теплоотдача поверхностного грунта составляет от 7 до 25 Вт с м.п., с геотермального 20-50 Вт с м.п. По данным компаний производителей, срок службы траншей и скважин составляет более 100 лет.

Немного подробнее о вертикальных грунтовых теплообменниках.

С 1986 года в Швейцарии, недалеко от Цюриха, проводились исследования системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками . В грунтовом массиве был устроен вертикальный грунтовой теплообменник коаксиального типа глубиной 105 м. Этот теплообменник использовался в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии для теплонаносной системы, установленной в одноквартирном жилом доме. Вертикальный грунтовой теплообменник обеспечивал пиковую мощность примерно 70 Вт на каждый метр длины, что создавало значительную тепловую нагрузку на окружающий грунтовой массив. Годовое производство тепловой энергии составляет около 13 МВт.ч.
На расстоянии 0,5 и 1 м от основной скважины были пробурены две дополнительных, в которых на глубине в 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 и 105 м установлены датчики температуры, после чего скважины были заполнены глинисто-цементной смесью. Температура измерялась каждые тридцать минут. Кроме температуры грунта фиксировались и другие параметры: скорость движения теплоносителя, потребление энергии приводом компрессора температура воздуха и т. п.

Первый период наблюдений продолжался с 1986 по 1991 год. Измерения показали, что влияние тепла наружного воздуха и солнечной радиации отмечается в поверхностном слое грунта на глубине до 15 м. Ниже этого уровня тепловой режим грунта формируется главным образом за счет тепла земных недр. За первые 2-3 года эксплуатации температура грунтового массива, окружающего вертикальный теплообменник, резко понизилась, однако с каждым годом понижение температуры уменьшалось, и через несколько лет система вышла на режим, близкий к постоянному, когда температура грунтового массива вокруг теплообменника стала ниже первоначальной на 1-2 °C.

Осенью 1996 года, через десять лет после начала эксплуатации системы, измерения были возобновлены. Эти измерения показали, что температура грунта существенным образом не изменилась. В последующие годы были зафиксированы незначительные колебания температуры грунта в пределах 0,5 °C в зависимости от ежегодной отопительной нагрузки. Таким образом, система вышла на квазистационарный режим после первых нескольких лет эксплуатации.

На основании экспериментальных данных были построены математические модели процессов, проходящих в грунтовом массиве, что позволило сделать долгосрочный прогноз изменения температуры грунтового массива.

Математическое моделирование показало, что ежегодное понижение температуры будет постепенно уменьшаться, а объем грунтового массива вокруг теплообменника, подверженного понижению температуры, с каждым годом будет увеличиваться. По окончании периода эксплуатации начинается процесс регенерации: температура грунта начинает повышаться. Характер протекания процесса регенерации подобен характеру процесса "отбора" тепла: в первые годы эксплуатации происходит резкое повышение температуры грунта, а в последующие годы скорость повышения температуры уменьшается. Продолжительность периода "регенерации" зависит от продолжительности периода эксплуатации. Эти два периода примерно одинаковы. В рассматриваемом случае период эксплуатации грунтового теплообменника равнялся тридцати годам, и период "регенерации" также оценивается в тридцать лет

Таким образом, системы тепло- и холодоснабжения зданий, использующие низкопотенциальное тепло земли, представляют собой надежный источник энергии, который может быть использован повсеместно. Этот источник может использоваться в течение достаточно длительного времени и может быть возобновлен по окончании периода эксплуатации.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Съем тепла с каждого метра трубы зависит от многих параметров: глубины укладки, наличия грунтовых вод, качества грунта и т.д. Ориентировочно можно считать, что для горизонтальных коллекторов он составляет 20 Вт.м.п. Более точно: сухой песок - 10, сухая глина - 20, влажная глина - 25, глина с большим содержанием воды - 35 Вт.м.п. Разницу температуры теплоносителя в прямой и обратной линии петли при расчетах, принимают обычно 3 °С. На участке коллектора, не следует возводить строений, чтобы тепло земли, т.е. наш источник энергии, пополнялся энергией за счет солнечной радиации.

Минимальное расстояние между проложенными трубами должно быть не менее 0,7-0,8 м. Длина одной траншеи может колебаться от 30 до150м., важно чтобы длины подключаемых контуров были примерно одинаковыми. В качестве теплоносителя первичного контура рекомендуется использовать раствор этиленгликоля (медиум) с точкой замерзания примерно -13 о С. В расчетах следует учесть, что теплоемкость раствора при температуре 0°С составляет 3,7 кДж/(кг·К), а плотность - 1,05 г/см 3 . При использовании медиума, потеря давления в трубах в 1,5 раза больше, чем при циркуляции воды. Для расчета параметров первичного контура теплонасосной установки потребуется определить расход медиума:

Vs = Qo·3600 / (1,05·3,7·.t),
где.t - разность температур между подающей и возвратной линиями, которую часто принимают равной 3 о К. Тогда Qo - тепловая мощность, получаемая от низкопотенциального источника (грунт). Последняя величина рассчитывается как разница полной мощности теплового насоса Qwp и электрической мощности, затрачиваемой на нагрев хладагента P:

Qo = Qwp - P, кВт.

Суммарная длина труб коллектора L и общая площадь участка под него A рассчитываются по формулам:

Здесь q - удельный (с 1 м трубы) теплосъем; da - расстояние между трубами (шаг укладки).

Пример расчета. Теплового Насоса .
Исходные условия: теплопотребность коттеджа площадью 120-240 м2 (из расчета тепловых потерь с учетом инфильтрации) - 13 кВт; температура воды в системе отопления принимаем равной 35 °С (подполовой обогрев); минимальная температура теплоносителя на выход в испаритель - 0 °С. Для обогрева здания выбран тепловой насос мощностью 14,5 кВт из существующего технического ряда оборудования, с учетом потерь на вязкости медиума, при отборе и передаче тепловой энергии из грунта, составляет 3,22 кВт. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина), q равняется 20 Вт/м.п. В соответствии с формулами рассчитываем:

1) требуемая тепловая мощность коллектора Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 кВт;
2) суммарную длину труб L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 м.п. Для организации такого коллектора потребуется 6 контуров длиной по 100 м;
3) при шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка А = 600 х 0,75 = 450 м2;
4) общая заправка этиленгликолевого раствора Vs = 11,28·3600/ (1,05·3,7·3) = 3,51 м3, в один контур равен 0,58 м3.

Для устройства коллектора выбираем пластиковую трубу типоразмера 32х3. Потери давления в ней составят 45 Па/м.п.; сопротивление одного контура - примерно 7 кПа; скорость протока теплоносителя - 0,3 м/с.

Расчет зонда

При использовании вертикальных скважин глубиной от 20 до 100 м в них погружаются U-образные пластиковые (при диаметрах от 32 мм) трубы. Как правило, в одну скважину вставляется две петли, с заливкой суспенсным раствором. В среднем удельный теплосъем такого зонда можно принять равным 50 Вт/м.п. Можно также ориентироваться на следующие данные по теплосъему:

• сухие осадочные породы - 20 Вт/м;
• каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы - 50 Вт/м;
• каменные породы с высокой теплопроводностью - 70 Вт/м;
• подземные воды - 80 Вт/м.

Температура грунта на глубине более 15 м постоянна и составляет примерно +9 °С. Расстояние между скважинами должно быть более 5 м. При наличии подземных течений, скважины должны располагаться на линии, перпендикулярной потоку.
Подбор диаметров труб проводится исходя из потерь давления для требуемого расхода теплоносителя. Расчет расхода жидкости может проводиться для t = 5 °С.

Пример расчета.

Исходные данные - те же, что и в приведенном выше расчете горизонтального коллектора. При удельном теплосъеме зонда 50 Вт/м и требуемой мощности 11,28 кВт длина зонда L должна составить 225 м.
Для устройства коллектора необходимо пробурить три скважины глубиной по 75 м. В каждой из них размещаем по две петли трубы типоразмера 32х3; всего - 6 контуров по 150 м.

Общий расход теплоносителя при.t = 5 °С составит 2,1 м3/ч; расход через один контур - 0,35 м3/ч. Контуры будут иметь следующие гидравлические характеристики: потери давления в трубе - 96 Па/м (теплоноситель - 25-процентный раствора этиленгликоля); сопротивление контура - 14,4 кПа; скорость потока - 0,3 м/с.

Выбор оборудования

Поскольку температура антифриза может изменяться (от -5 до +20 °С) в первичном контуре теплонасосной установки необходим гидравлический расширительный бак.
Рекомендуется также установить на отопительной (конденсаторной) линии теплового насоса накопительный бак: компрессор теплового насоса работает в режиме «включено-выключено». Слишком частые пуски могут привести к ускоренному износу его деталей. Бак полезен и как аккумулятор энергии - на случай отключения электроэнергии. Его минимальный объем принимается из расчета 20-30 л на 1 кВт мощности теплового насоса.

При использовании биваленции, второго источника энергии (электрического, газового, жидко- или твердотопливного котла), он подключается к схеме через аккумуляторный бак, являющимся еще и термогидрораспределителем, включение котла управляется тепловым насосом или верхним уровнем системой автоматики.
В случае возможных отключений электроэнергии можно увеличить мощность устанавливаемого теплового насоса на коэффициент, рассчитываемый по формуле: f = 24/(24 - t откл), где t откл - продолжительность перерыва в электроснабжении.

В случае возможного отключения электроэнергии на 4 ч этот коэффициент будет равен 1,2.
Мощность теплового насоса можно подбирать исходя из моновалентного или бивалентного режима его работы. В первом случае предполагается, что тепловой насос используется как единственный генератор тепловой энергии.

Следует принимать во внимание: даже в нашей стране продолжительность периодов с низкой температурой воздуха составляет небольшую часть отопительного сезона. Например, для Центрального региона России время, когда температура опускается ниже -10 °С, составляет всего 900 ч (38 сут), в то время, как продолжительность самого сезона - 5112 ч, а средняя температура января составляет примерно -10 °С. Поэтому наиболее целесообразным является работа теплового насоса в бивалентном режиме, предусматривающая включение дополнительного источника в периоды, когда температура воздуха опускается ниже определенной: -5 °С - в южных регионах России, -10 °С - в центральных. Это позволяет снизить стоимость теплового насоса и, особенно, работ по монтажу первичного контура (прокладка траншей, бурение скважин и т.п.), которая сильно увеличивается при возрастании мощности установки.

В условиях Центрального региона России для примерной оценки при подборе теплового насоса, работающего в бивалентном режиме, можно ориентироваться на соотношение 70/30: 70 % потребности в тепле покрывают тепловым насосом, а оставшиеся 30 - электрическим или другим источником тепловой энергии. В южных регионах можно руководствоваться соотношением мощности теплового насоса и дополнительного источника тепла, часто используемым в Западной Европе: 50 на 50.

Для коттеджа площадью 200 м2 на 4 человек при тепловых потерях 70 Вт/м2 (при расчете на -28 °С наружной температуры воздуха) потребность в тепле будет 14 кВт. К этой величине следует добавить 700 Вт на приготовление санитарной горячей воды. В результате необходимая мощность теплового насоса составит 14,7 кВт.

При возможности временного отключения электричества нужно увеличить это число на соответствующий коэффициент. Допустим, время ежедневного отключения - 4 ч, тогда мощность теплового насоса должна быть 17,6 кВт (повышающий коэффициент - 1,2). В случае моновалентного режима можно выбрать тепловой насос типа «грунт-вода» мощностью 17,1 кВт, потребляющий 6,0 кВт электроэнергии.

Для бивалентной системы с дополнительным электрическим нагревателем и температурой подачи холодной воды 10 °С для необходимости получения горячей воды и коэффициента запаса, мощность теплового насоса должна быть 11,4 Вт, а электрического котла - 6,2 кВт (в сумме - 17,6). Потребляемая системой пиковая электрическая мощность составит 9,7 кВт.

Примерная стоимость потребляемого за сезон электричества, при работе теплового насоса в моновалентном режиме составит 500 руб., а в бивалентном при температуре ниже (-10С) - 12 500. Стоимость энергоносителя при использовании только соответствующего котла составит: электричества - 42 000, дизельного топлива - 25 000, а газа - около 8000 руб. (при наличии подведенной трубы и существующих в России низких ценах на газ). В настоящее время для наших условий по экономичности работы, тепловой насос может быть сравним только с газовым котлом новых серий, а по эксплуатационным затратам, долговечности, безопасности (не требуется помещение котельной) и экологической чистоте превосходит все другие виды производства тепловой энергии.

Отметим, что при установке тепловых насосов в первую очередь следует позаботиться об утеплении здания и установке стеклопакетов с низкой теплопроводностью, что снизить тепловые потери здания, а значит и стоимость работ и оборудования.

С учетом того, что тепловой насос - оборудование, требующее достаточно серьезных затрат на приобретение и монтаж, к вопросу его выбора следует относиться особенно тщательно. Первое, что необходимо сделать потенциальному покупателю - это произвести хотя бы приблизительный расчет мощности оборудования, которое подойдет для эффективной работы в конкретных условиях. Конечно, можно обратиться к специалистам, чтобы составить проект теплового насоса, но для того, чтобы оценить примерные затраты, можно некоторые первоначальные расчеты сделать самостоятельно.

Тепловой насос, проектирование которого - достаточно сложное мероприятие, выбирают в зависимости от площади дома, степени его утепленности, средних температурных значений в холодное время года. Кроме расчета необходимой мощности, полный проект предполагает определение параметров земляного коллектора для геотермального насоса, расчет количества и диаметра труб для скважины в случае системы вода-вода. Правильный расчет теплового насоса предполагает учет множества факторов: от характеристик грунта на участке до материала, из которого построен дом.

Разработка системы отопления на основе теплового насоса

Если вас серьезно заинтересовал такой прогрессивный способ отопления дома, как тепловые насосы, то лучше всего предпочесть услуги специалистов с профильным образованием и большим опытом работы с подобным оборудованием. Все потому, что правильная разработка теплового насоса и всей системы отопления для дома позволит на долгие годы забыть о проблемах с теплом, наслаждаясь стабильной эффективной работой оборудования.

Прежде всего, стоит определиться с источником тепла, которое будет преобразовываться в энергию для теплоносителя в системе отопления. От того, будет ли это почва, вода или воздух, зависит как производство тепловых насосов (а точнее, технология изготовления), так и производительность, и цена самого оборудования и работ по установке. Одной из самых эффективных систем считается вода-вода, но для нее требуется наличие водоема рядом с домом или достаточного количества грунтовых вод на участке.

Стоит учитывать, что тепловой насос больше используется для низкотемпературных источников тепла, идеально сочетание с системой «теплый пол», но возможно и комбинирование с традиционными генераторами. Выбирая тепловые насосы, тепловой расчет их проводится так, чтобы учесть, способен ли он самостоятельно обогревать помещение даже в самые большие холода или в системе необходимо предусмотреть дополнительный источник тепла, например, электрический котел. Термодинамический расчет учитывает минимальные значения температур, которые могут достигаться зимой.

Также необходимо учитывать необходимость в горячем водоснабжении дома, если такая функциональная возможность требуется, то в необходимую мощность закладываются дополнительные 20%.

Пример расчета теплового насоса

Итак, мы имеем двухэтажное здание площадью в 250 кв.м. с высотой потолков 2,7 м. Предположим, что температура в помещении равна +20°С, а на улице -26°С. Далее делаем расчет мощности теплового насоса для отопления дома:

0,434*250*2,7*(20-(-26)) = 13475,7кВт - максимальная необходимая мощность на отопление в соответствии с СП 50.13330-2012

Больших потерь такой расчет не предполагает. Потери в данном случае могут быть даже меньше, чем 13475,7кВт.

Более точный тепловой расчет может быть сделан индивидуально. В нем будут учитываться все материалы стен, окон, потолков и т.п.

Расчет контура теплового насоса, который пойдет для отопления и для охлаждения помещения, более сложный и проводится специалистами.